Trabajo Fin de Grado - Universidad de...
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Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de la Energía Sistemas de producción de hidrógeno basado en el reformado de combustibles; estado del arte del reformado autotérmico diésel y peróxido de hidrógeno. Autor: Juan Manuel Simón Muñoz. Tutor: Manuel Felipe Rosa Iglesias. Dep. Ingeniería Energética. Grupo de Termotecnia Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2018
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Equation Chapter 1 Section 1
Trabajo Fin de Grado
Grado en Ingeniería de la Energía
Sistemas de producción de hidrógeno basado en el
reformado de combustibles; estado del arte del
reformado autotérmico diésel y peróxido de
hidrógeno.
Autor: Juan Manuel Simón Muñoz.
Tutor: Manuel Felipe Rosa Iglesias.
Dep. Ingeniería Energética. Grupo de Termotecnia
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2018
Trabajo Fin de Grado
Grado en Ingeniería de la Energía
Sistemas de producción de hidrógeno basado en el
reformado de combustibles; estado del arte del
reformado autotérmico diésel y peróxido de
hidrógeno.
Autor:
Juan Manuel Simón Muñoz.
Tutor:
Manuel Felipe Rosa Iglesias
Catedrático de Universidad.
Dep. Ingeniería Energética. Grupo de Termotecnia
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2018
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Trabajo Fin de Grado: Sistemas de producción de hidrógeno basado en el reformado de combustibles; estado
del arte del reformado autotérmico diésel y peróxido de hidrógeno.
Autor: Juan Manuel Simón Muñoz
Tutor: Manuel Felipe Rosa Iglesias.
El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros:
Presidente:
Vocales:
Secretario:
Acuerdan otorgarle la calificación de:
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Sevilla, 2018
A mi familia,
A mis amigos,
13
14
Agradecimientos En primer lugar, agradecer a mis padres, Luis y Ani, el haberme brindado la oportunidad de poder cursar estos
estudios de grado. Gracias a su tesón, su entrega, su sacrificio, su amor y apoyo incondicional ha sido un poco
más fácil. De igual modo, mi gratitud total y absoluta para mis hermanos, Luis y Alberto, sin los cuales todo
esto que estoy llegando a conseguir no hubiese sido imposible.
En segundo lugar, a mis amigos(a los que tenía antes de embarcarme en este proyecto y a los que he forjado
durante este proceso de aprendizaje). En especial quiero reconocerle a mi amigo, Eloy, su ayuda desinteresada
estando siempre disponible cuando lo he necesitado.
Por último ( y no por ello menos importante), deseo expresar mi gratitud hacia el tutor de este proyecto,
D.Felipe Rosa Iglesias. En suma, a todos aquellos que me han aportado su granito de arena en este largo
camino.
15
16
ÍNDICE
1. 18
2. 19
2.1. 19
2.2. 21
2.3. 23
2.4. 266
2.4.1. 266
2.4.2. 277
2.5. 28
2.6. 29
2.6.1. 30
2.6.2. 37
2.6.3. 38
2.6.4. 40
2.6.5. 41
3. Sistemas de producción de hidrógeno: Métodos. 44
3.1. Introducción. 44
3.2. Procesos termoquímicos 46
3.2.1. Reformado. 46
3.2.2. Pirólisis. 47
3.2.3. Gasificación. 48
3.3 Procesos electrolíticos. 49
3.3.1 Electrólisis baja Temperatura. 49
3.3.2 Electrólisis alta Temperatura. 49
3.4 Procesos termolíticos. 49
3.5. Procesos fotolíticos. 52
3.5.1. Biofotólisis. 53
3.5.2. Fotoelectrólisis. 53
4. 53
4.1. 61
4.2. 62
5. 64
5.1. 70
5.2. 72
6. 73
6.1. 76
17
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. 74
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. 20
Figura 2. 23
Figura 3. 25
Figura 4. 25
Figura 5. 25
Figura 6. 29
Figura 7. 45
Figura 8. 47
Figura 9. 50
Figura 10. 51
Figura 11. 51
Figura 12. 52
Figura 13. 54
Figura 14. 55
Figura 15. Diagrama de bloques ciclo UT-3 51
Figura 16. 56
Figura 17. 57
Figura 18. 58
Figura 19. 58
Figura 20. 60
Figura 21. 61
Figura 22. 62
Figura 23. 64
Figura 24. 65
Figura 25. 66
Figura 26. 67
Figura 27. 69
Figura 28. 70
Figura 29. 72
Figura 30. 73
Figura 31. 31
Figura 32. 33
Figura 33. 35
Figura 34. 36
18
19
1. INTRODUCCIÓN Este proyecto versará sobre diferentes métodos de producción de hidrógeno mediante los
análisis comparativos pertinentes que fuesen necesarios referidos a: producción de hidrógeno a partir
de Diesel vs producción de hidrógeno a partir de peróxido de hidrógeno (comúnmente denominada
agua oxigenada). Por extensión, cada una de las metodologías requieren realizar una auditoría en
términos de: costes, emisiones, viabilidad, escala y logística.
2. ASPECTOS GENERALES
2.1. Contexto energético actual
A día de hoy, la generación y distribución de energía de forma eficiente juega un papel
fundamental en el potencial desarrollo global de las sociedades. Dicha cuestión adquiere una
relevancia notoria en países cuyo estado social, económico e industrial es escaso. Tales países, en
algunos casos, han doblegado su consumo energético de manera pronunciada.
El desarrollo de las feroces sociedades económicas capitalistas que imperan hoy trae consigo
la creciente demanda energética global en sus diferentes formas.
En el presente documento se ponen de manifiesto algunos datos relevantes de especial
interés:
1. La demanda mundial aumenta a un ritmo interanual del 3%.
2. Manteniendo el citado ritmo, el consumo energético se habrá multiplicado por dos en el año
2030 y triplicado en 2050 comparando con el segundo lustro de la década de los 90.
Ello, pone en duda el crecimiento ligado a la sostenibilidad ya que el sistema imperante está
basado en la utilización y consumo de fuentes de energía primaria tales como: energía nuclear y
combustibles fósiles (carbón, gas, petróleo).
Un factor a tener en cuenta es el aumento demográfico- poblacional que está experimentando
y experimentará en los próximos decenios nuestro planeta. Es inherente a dicho crecimiento el
aumento de la demanda de energía de los países en vías de desarrollo que legítimamente reclaman su
industrialización y la consolidación de un estado social. En cierto modo, reclaman su cuota de
mercado que los países industrializados utilizaron en su momento para su expansión (y siguen
20
usando con actual vigencia).
Lo que toca discernir ahora es el tipo de modelo energético a desarrollar y que éste sea
implantable y sostenible a largo plazo. Para ello parece de recibo el virage del modelo instaurado,
basado en gas natural y petróleo, a otro en el que la dependencia de los combustibles fósiles se vea
minorada de forma cualitativa y cuantitativa.
Sirva como muestra, el siguiente gráfico de consumo mundial de energía:
Figura 1. Consumo mundial de energí a. Fuente: Saladie y Oliveras (2010).
De hecho, el modelo actual plantea una problemática implícita en el (mal) uso del modelo
dominante: los gases contaminantes emitidos por los combustibles fósiles al quemarse.
Los gases emitidos tienen como consecuencia directa, entre otras, el desarrollo de patologías
congénitas que derivan en enfermedades pulmonares en diferentes estadios con diversos niveles de
gravedad.
En suma, provoca efectos perniciosos para el planeta tales como: el efecto invernadero, el
calentamiento global, la lluvia ácida... dañinos para el desarrollo vital de los seres vivos que habitan
en el mismo.
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Una de las soluciones a este enigma pasa por utilizar un modelo energético sostenible,
utilizando fuentes alternativas de energía como la energía eólica, la solar fotovoltaica, la energía
hidráulica y marina, o los sistemas basados en el hidrógeno usando éste como combustible. En estos
casos el recurso energético es inextinguible y limpio, ya que los productos generados no vierten
ningún tipo de contaminante ni residuo a la atmósfera durante la generación de energía.
De tal calado son las reformas que implementar, que se antoja necesario (aunque no
suficiente) una política europea comunitaria que garantice y obligue de alguna forma a acometer
dichas mejoras paulatinamente. Esto hará menos dependiente energéticamente a los estados
miembros de la comunidad europea como es el caso de España. En aras de la sostenibilidad hay
muchos países de UE15 (los quince países más ricos de la UE) inmersos en una política industrial
basada en fuentes de energía renovables.
Así, cuando se habla de consumo de energía o perceptores de la misma no se trata solo de
catalogar y cuantificar los consumos de electricidad, sino que entran en juego otros agentes no
despreciables como es el sector del transporte en todas sus vertientes (vehículos motorizados
terrestres, vehículos a motor marinos y sector aéreo como las aeronaves).
En modo alguno, para llevar a cabo este proceso de reconversión, se precisan cambios que
van desde la generación de eléctrica de origen renovable hasta la puesta en marcha de vehículos que
abandonen el clásico sistema de combustión interna basado en el refino de petróleo por vehículos
eléctricos pasando por la eficiencia energética en edificios y a nivel industrial. Este último,
proporciona un potencial de ahorro a las empresas y a los pequeños consumidores del que todavía no
son conscientes plenamente.
Puede decirse que, la tecnología del hidrógeno puede desempeñar un papel de árbitro
relevante referido a la generación de energía y en la lucha contra el cambio climático. La
verosimilitud de los informes e investigaciones al respecto hace que empresas de referencia
internacional apuesten cada día con más fuerza por los sistemas basados en hidrógeno.
2.2. Transición Energética
Hoy en día, en el mix energético establecido la forma de obtener recursos y éstos
transformarlos en energía y consumirla en sector residencial, edificios terciarios, vehículos a
motor...provienen en mayor proporción de combustibles fósiles y de la energía nuclear. A su vez,
resulta paradigmático el hecho, como se ha justificado anteriormente, de que en un universo con un
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consumo creciente (exponencial) de energía podría darse la coyuntura de que el abastecimiento de
las sociedades fuera inviable debido al agotamiento de los recursos, produciendo una profunda crisis
no sólo energética sino mundial a diferentes escalas: política-social y económica-financiera entre
otras.
Por tanto, quizás sea el momento de liderar un proyecto común de transición energética que
haga cambiar las fuentes de energía mayoritarias utilizadas a día de hoy. No obstante, ello implica un
conflicto de intereses que la grandes compañías energéticas productoras deben asumir (no consta un
compromiso decidido de apuesta firme por tal cambio de modelo debido a que su forma de negocio
conocida está basado en las fuentes de energía convencionales).
Así, el cambio de estrategia pasa por focalizar la atención en la forma de obtención de la
energía. Ello incluye necesariamente el paso firme de quienes ostentan el poder decisorio. Se precisa
un giro en las fuentes de generación del recurso: las energías alternativas.
En este apartado, cabe hacer mención a una sutil diferencia: energía alternativa no implica el
uso de una fuente renovable de suministro. Se va a intentar explicar con una ejemplificación sencilla:
Los diversos procesos de obtención de energías renovables son aquellos que se obtienen de
fuentes naturales inagotables, ya sea porque tienen la capacidad de volver a “rehabilitarse” por
medios naturales o bien por el gran poder energético que atesoran. Procede poner de relieve que
durante el proceso de transformación de energía no se producen ningún tipo de agente residual ni
contaminante.
El término de energía alternativa es parecido, pero no idéntico al de energía de origen
renovable. La fuente alternativa es aquella que puede sustituir a las fuentes energéticas
convencionales. Según esta definición, existen equipos de estudio de la comunidad científica que
incluyen la energía nuclear dentro de los recursos alternativos, ya que generan un efecto minorado de
GEI (gases efecto invernadero).
Procede entonces plantear un escenario, que puede denominarse binómico, entre energías
renovables y la energía nuclear. Debieran ser soluciones de futuro diferentes en sus formas y
producción de energía. Las primeras, son energías distribuidas por todo el territorio, con producción
de baja intensidad, sujetas a la variabilidad meteorológica y de tecnologías relativamente sencillas.
La nuclear, por contra, es una energía dispuesta de forma concentrada, con una producción constante
en la medida de lo posible y la tecnología es sustancialmente más compleja que las formas de origen
renovable. Ambos recursos primarios aúnan una necesidad común: responder a las variaciones del
mercado eléctrico que tiene por objeto ajustar la oferta a la demanda de la forma más eficiente
posible.
23
Si en un futuro inminente la generación de energía, que más peso específico adquiriese, fuese
de origen renovable supondría tener que, acometer reformas de calado en los sistemas de
almacenamiento de este tipo de energía. Es decir, redes de almacenamientos más flexibles y con más
capacidad de las disponibles a día de hoy debido a la variabilidad sujeta a las condiciones
meteorológicas del lugar donde se implanten dichas instalaciones industriales.
2.3. El sector renovable en España
Es de recibo hacer un análisis de situación y evolución del sector energético renovable desde
principios del siglo XXI hasta nuestros días.
España depende energéticamente del exterior en gran medida, alrededor del 70% frente al
50% de la Unión Europea. Cuando un país tiene una elevada dependencia energética del exterior,
como es el caso del nuestro, el aprovechamiento de recursos autóctonos disponibles se antoja
esencial para el desarrollo económico del mismo. En esa búsqueda, se ha apostado por la energía
renovable; no obstante, España dispone de muchas zonas con velocidades de viento adecuadas para
la energía eólica y tiene un gran potencial de energía solar, tal y como se puede ver en el siguiente
mapa:
Figura 2. Velocidad del viento en Espan a. Fuente: ADRASE (acceso a datos de radiacio n
solar en Espan a)
24
Pese a ello, la estructura de consumo energético española ha estado dominada históricamente
por la presencia del petróleo importado. Esa diferencia entre la producción nacional y el consumo
total da lugar a la dependencia energética. El grado de autoabastecimiento español sigue desde 2007
una tendencia al alza, situándose en un 26.1% en 2010, 3.2 puntos por encima del 2009. A partir de
tal fecha, se inicia un período de reducción suave coincidente con los primeros estadios de la crisis
económico-financiera.
Haciendo uso del análisis comparativo con otros países del entorno, puede decirse que se
aprecia una tendencia a la baja en la denomina “intensidad energética” debido a: cambios
estructurales y de actividades.
Tales efectos pueden apreciarse en las siguientes ilustraciones:
Producción interior de energía vs grado de autoabastecimiento. Fuente: MINETAD/IDEA
Figura 3. Produccio n interior de energí a vs grado de abastecimiento. Fuente:
MINETAD/IDAE.
25
Figura 4. Intensidad de la energí a primaria en Espan a y UE, 2000-2015.Fuente:
MINETAD/IDEA.
Dentro de dicha producción nacional energética, las renovables tienen un elevado peso, tal y
como se extrae del “Libro de la energía en España 2015” del Ministerio de Industria, Energía y
Turismo y Red Eléctrica de España (REE) (en verde la producción renovable):
Figura 5. Evolucio n de la generacio n renovable y no renovable en Espan a. Fuente:
Ministerio de Industria, Energí a y Turismo y Red Ele ctrica de Espan a
26
A nivel mundial, las energías renovables supusieron un 13.3% del consumo mundial en el
año 2010, un porcentaje todavía bajo, pero con un crecimiento del 15.5% respecto al año anterior.
Además, la capacidad de generación con energía solar creció un 47%. Acotando el espacio a la
Unión Europea de los 27, la cuota general de energías renovables alcanzó el 12.4% del consumo
energético final bruto frente al 11.5% del 2009, según el estudio realizado por EurObserv’ER
titulado “El estado de las energías renovables en Europa en 2010”. Estos datos ayudan para
contextualizar y valorar el dato español. A día de hoy es posible hacer una extrapolación de dichos
datos y enmarcarlos según el consumo de energía vigente que data tal que así según datos de BP.
En nuestro país, en las tres últimas décadas la demanda energética española ha seguido una
línea progresiva alcista a un ritmo superior al crecimiento europeo, debido en parte al incremento del
poder adquisitivo de la población, así como al desarrollo de diversos sectores como el de la
construcción o el automovilístico. Sin embargo, desde 2008, año en que comenzó la crisis
económica, se observa una tendencia contraria. Para ello, es conveniente analizar los consumos de
energía primaria - la que se obtiene directamente de la fuente - y final - aquella con la forma deseada
por el consumidor -.
En el caso del consumo de energía primaria, la tendencia de la última década va camino de
reducir la ya comentada dependencia de petróleo importado. En gran medida, esto es debido al
cambio de la estructura de la generación eléctrica que se viene registrando en los últimos años.
2.4. Concepto de hidrógeno
El hidrógeno es un elemento químico representado por el símbolo H. Posee como número
atómico la unidad.
Es inflamable, incoloro e inodoro.
Gas diatómico en condiciones normales de presión y temperatura.
Puede afirmarse, entonces, que tal elemento constituye tres cuartas partes de la materia
visible del universo.
27
2.4.1. Ventajas del hidrógeno como vector energético
Algunas de las prestaciones más significativas que ofrece el elemento pueden enunciarse tal
que así:
- Puede emplearse como combustible de forma directa y como vector energético para
almacenamiento de energía.
- No es tóxico.
- Abundante en la naturaleza.
- Se considera una energía limpia siempre y cuando su obtención provenga de energías
renovables, ya que también puede provenir de fuentes de energía primaria.
- Su combustión no genera gases contaminantes.
- Potencial de eficiencia energética elevado.
- Baja densidad y elevada volatilidad. Esto proporciona seguridad en espacios abiertos.
- Su uso en pilas de combustible se aprovecha de manera alcista.
- Ideal para uso urbano debido a su funcionamiento silencioso.
- Combustible sin C para automoción.
- Único que cumple 120gCO2/km.
- Utilidad en amplio rango de aplicaciones.
- Obtenible de fuentes muy diversas.
- Complementario a la energía eléctrica.
- Desacopla la producción de la demanda.
2.4.2. Hidrógeno, ¿vector energético de nuestro siglo?
En la actualidad, existen informes e investigaciones con base científica que responden, en
cierto modo, a dicha cuestión. Se reafirman en las tesis de desarrollar técnicas basadas en el elemento
sometido a estudio.
Tales tesis se sustentan debido al agotamiento a medio-largo plazo del petróleo. Ello, implica
una tremenda determinación en las decisiones políticas, económicas y empresariales. Puede decirse,
28
entonces, que los brazos ejecutores están empezados a constatar que la generación de electricidad y
el consumo de automoción deben promoverse por unas vías alternativas. Una de esas vías es la
tecnología del hidrógeno ya que el petróleo promulga la emisión de gases contaminantes como son el
CO y el CO2.
Pero la puesta en marcha de este proceso de transformación energética no está exenta de
complejidad, ya que no existen reservas de acumulación del recurso como si ocurre, por ejemplo, con
las extracciones de energía primaria.
Lo interesante, por tanto, es producir hidrógeno a través de fuentes alternativas que no
impliquen el uso de hidrocarburos.
2.5. Ciclo de vida del hidrógeno
El hidrógeno es el elemento más abundante del universo y uno de los más abundantes en la
Tierra. Forma parte de multitud de compuestos químicos, como el agua y la mayor parte de
compuestos orgánicos, así como la molécula de hidrógeno gaseoso (H₂).
El hidrógeno presenta unas características realmente excepcionales. Entre sus múltiples
ventajas se encuentran que produce vapor de agua al oxidarse, por lo que es mucho menos
contaminante que los combustibles fósiles al no incrementar el contenido de CO₂ de la atmósfera.
Presenta una alta velocidad de quemado, un elevado octanaje y no es tóxico ni genera ozono. Su
rango de inflamabilidad en aire es mucho más amplio que la gasolina o el metano, y la mezcla
hidrógeno-aire presenta una energía mínima de ignición muy baja (0.02 mJ). Es un gas a temperatura
ambiente, no condensa hasta alcanzar temperaturas inferiores a −253 °C y presenta una alta densidad
energética (120 MJ·kg⁻¹). El hidrógeno contiene 2.6 veces más energía por unidad de masa que la
gasolina; sin embargo, al ser un gas a temperatura ambiente, requiere 4 veces más volumen que la
gasolina para almacenar dicha energía.
Estas propiedades únicas del hidrógeno lo convierten en una excelente alternativa a las
fuentes de energía actuales. Sin embargo, el hidrógeno no es una fuente de energía en sí mismo, sino
un vector energético: representa una forma secundaria de energía, producida empleando
combustibles fósiles, energía nuclear o fuentes renovables. Hidrógeno y electricidad se encuentran
íntimamente relacionados, pudiendo convertirse uno a otro usando electrolitos (electricidad a
hidrógeno) y pilas de combustible (hidrógeno a electricidad). Estas últimas tienen el potencial de
funcionar usando hidrógeno con una eficacia superior a la de un motor de combustión interna.
29
La Agencia Internacional de la Energía estima que el hidrógeno y las celdas de combustible
asociadas al mismo tienen el potencial de reducir para el año 2050 las emisiones de CO₂ hasta un 5%
más que en un escenario similar, donde se implantasen únicamente mejoras de la eficiencia
energética y se extendiese el uso de combustibles alternativos. Para ello es necesaria la implantación
de la llamada “Economía del Hidrógeno”.
Este concepto fue introducido en 1970 para definir una economía basada en el hidrógeno
como forma de energía. Aunque el concepto ha sufrido cambios con el paso del tiempo, la Economía
del Hidrógeno se fundamenta en un ciclo de producto como el representado en la figura 6.
Figura6. Ciclo del Hidro geno.
Si este ciclo se implementa junto con una eficiente captura y confinamiento de CO₂, es
posible alcanzar una producción de H₂ sostenible.
El hidrógeno puede emplearse como combustible para el transporte, almacenarse para
suministrar energía durante picos de demanda o utilizarse como materia prima para la fabricación de
productos químicos. Además de su probable uso extensivo en celdas de combustible en un futuro
próximo, el H₂ también tiene múltiples aplicaciones en la actualidad. Una de las más extendidas es el
procesado (upgrading) de combustibles fósiles mediante hidrodealquilación, hidrodesulfuración e
hidrocraqueo. También participa en la fabricación de anilina, ciclohexano, amoniaco o metanol, entre
otros compuestos. Debido a su carácter reductor, se emplea habitualmente en la industria electrónica
y la del vidrio para prevenir la oxidación. Así mismo puede utilizarse en la soldadura de acero
inoxidable, el recocido y el sinterizado de algunos metales. La industria alimentaria también es un
gran consumidor de hidrógeno, empleado en los procesos de hidrogenación de grasas insaturadas.
30
2.6. Áreas de aplicación
2.6.1. Introducción
Se producen cada año aproximadamente 400.000 millones de metros cúbicos de hidrógeno,
lo que supone un potencial energético equivalente al 10% del petróleo consumido.
Aunque el hidrógeno viene siendo tradicionalmente utilizado como ingrediente fundamental
de la industria, la economía del hidrógeno abre las puertas a su utilización, como combustible, en
otras áreas. A este aumento del número de aplicaciones contribuyen también las denominadas pilas
de combustible; estos dispositivos son la manera más eficiente de convertir directamente el
hidrógeno (o gases que lo contengan) en energía eléctrica y térmica.
Así, al habitual uso del hidrógeno como gas industrial, se unen otras cuatro importantes
aplicaciones: la utilización del hidrógeno como combustible para el transporte (especialmente
destacado, por su importancia, en vehículos automóviles), la generación de energía distribuida
mediante pilas de combustible, la utilización de vector hidrógeno como sistema de almacenamiento
energético (incluyéndose aquí tanto sistemas “Power to Power” como sistemas “Power to Gas”, que
serán descritos más adelante) y otra serie de aplicaciones con carácter de “nicho de mercado”, en los
que la utilización de estas tecnologías tiene sentido por su peculiar naturaleza (se engloban aquí
sectores como defensa, aeroespacial, etc.).
En los siguientes apartados se tratará en más detalle cada una de estas áreas.
A modo de introducción resalta el presente y futuro del hidrógeno por sus aplicaciones como
combustible no contaminante; por lo que las tecnologías de producción, almacenaje y adaptación de
los aparatos para los que desea utilizarse como combustible se encuentran a la orden del día. Este uso
del hidrógeno como combustible ha dado lugar a la conocida como economía basada en el hidrógeno
(García, 2017).
31
Por ello, y tal como muestra Vizcaíno (2007) en su trabajo, se presentan a continuación las
principales fuentes de suministro y demanda del hidrógeno en la actualidad, en relación con la
economía basada en dicho elemento, poniendo en evidencia la adecuación de una estrategia no
contaminante como la que se muestra en este trabajo (Figura 7).
Figura 7. Esquema de suministro y demanda del hidro geno en la actualidad. Fuente: Vizcaí no, 2007.
Esta autora advierte de la idoneidad del hidrógeno como candidato para resolver los
problemas en el ámbito energético en el presente y futuro cercanos. Así se pronuncia en su trabajo
(Vizcaíno, 2007; p. 17):
“El hidrógeno es el elemento más abundante en el universo, aunque no se encuentra libre en
la naturaleza, sino que se presenta en compuestos unido a otros átomos, en particular al carbono en
los hidrocarburos y al oxígeno en el agua. Se puede obtener a partir de multitud de fuentes, tanto
renovables como no renovables. El hidrógeno es un cas incoloro, inodoro, no tóxico y el más ligero
de todos los compuestos. El contenido energético por unidad de peso (120,7 kJ/g) es el más elevado,
comparado con cualquier combustible conocido. El producto de la utilización del hidrógeno como
fuente de energía es agua, por lo que no existen emisiones de sustancias contaminantes, lo cual es de
especial importancia en el transporte. La interconversión hidrógeno/electricidad tiene lugar con una
elevada eficacia. A diferencia de la energía eléctrica, el hidrógeno se puede acumular y almacenar en
grandes cantidades. Además se puede transportar largas distancias en fase gas o líquida y, en caso de
fuga, se disipa rápidamente en la atmósfera, sin ser tóxico.”
32
Otro de los trabajos que advierte de las aplicaciones del hidrógeno en relación con la
denominada como economía del mismo es el publicado por San Miguel, Dufour, Calles y Botas
(2009). En este documento se profundiza acerca de las aplicaciones convencionales del H2 y de las
posibilidades de las pilas de combustible, a las que se dedica el párrafo siguiente. Estos autores
exponen en su texto que la implantación de la economía del hidrógeno “se perfila como una realidad
ineludible en los próximos años. Con el precio del crudo en máximos históricos y los efectos del
calentamiento global mostrándose de forma cada vez más palpable en el planeta, la necesidad de una
alternativa al consumo masivo de combustibles fósiles se hace cada vez más necesaria” (San Miguel
et al., 2009; p. 1).
La primera área a señalar en relación con el hidrógeno por los esfuerzos en investigación que
conlleva es el de las pilas de combustible caracterizadas por un bajo coste de producción y un alto
rendimiento basadas en el hidrógeno. Así mismo, los dispositivos que puedan utilizar este tipo de
pilas de combustible también se están mejorando a través de su estudio.
Se ha hecho patente la necesidad de alcanzar nuevos mecanismos de producción de energía y
combustibles debido a que cada vez la demanda de energía por parte de la sociedad es mayor, dado
que esta se basa en la industrialización, el crecimiento económico y el consumismo; por ello, y
debido a la concienciación de que los combustibles fósiles son materiales no renovables, una
interesante proporción de los gobiernos de todo el mundo están invirtiendo en la investigación y
desarrollo de estrategias alternativas de obtención de energía, ocupando el hidrógeno un lugar
fundamental (González Besa, 2016).
Esta estrategia de economía basada en el hidrógeno se enmarca dentro de la filosofía de
desarrollo sostenible, por lo que se trata de mejorar y basar la producción del hidrógeno en energías
renovables, en detrimento de los combustibles fósiles que abarcan en la actualidad la mayor parte de
la producción.
33
Por ello, pese a que actualmente el porcentaje de producción de hidrógeno desde
combustibles fósiles y por electrolisis del agua muestra una clara preferencia del primero de los
métodos (96% Vs. 4%), es esperable que en el futuro dichos porcentajes vayan invirtiéndose hasta
alcanzar un predominio de las estrategias de ruptura de la molécula de agua o, como en el presente
caso se analiza, de la molécula de peróxido de hidrógeno para la obtención de hidrógeno. Pese a que
se trata de tecnologías muy prometedoras, la mayor parte de las estrategias basadas en energías
renovables e incluso en el uso de microorganismos y algas para la producción de hidrógeno, se
encuentran actualmente en una fase muy básica de investigación, por lo que deben comprenderse
como ámbitos de trabajo a largo plazo (Aitani, 1996).
A continuación se exponen los ejemplos más interesantes de los usos del hidrógeno en la
actualidad, fundamentalmente en los sectores químico y energético; pero existen aplicaciones en el
área de la electrónica, la metalurgia y en el ámbito aeroespacial, entre otras (Figura 8).
Figura 8. Distribucio n del consumo de hidro geno en la actualidad, en funcio n de la aplicacio n. Fuente: Vizcaí no, 2007.
En el sector químico destaca su uso indirecto como reactivo en el proceso de Sabatier para la
producción de metano; mientras que los aspectos más importantes en el ámbito energético se centran
en su uso como combustible, a través de las pilas de combustible anteriormente comentadas; también
se aplica a los vehículos de células de combustible y se inyecta en la red de gas natural para su uso en
los hogares y negocios, por lo que a continuación se profundizará en estos dos últimos aspectos.
Una breve reseña de la importancia del hidrógeno en el sector químico se encuentra en el
trabajo publicado por San Miguel et al. (2009), quienes exponen que el uso de este elemento en la
industria química abarca procesos desde la síntesis de amoniaco (por la catálisis entre nitrógeno e
hidrógeno), procesos de refinería, tratamiento del carbón, aprovechamiento del gas de síntesis, la
realización de síntesis orgánicas (para la hidrogenación o reducción de compuestos químicos o
intermediarios de un producto dado) y la síntesis inorgánica (como para la producción de ácido
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clorhídrico, peróxido de hidrógeno o hidroxilaminas, entre otros compuestos). También en el ámbito
del sector químico, destaca la producción de metano mediante el secuestro del CO2 y la utilización
del hidrógeno, permitiendo por una parte la producción de dicho combustible y, por otro, la
disminución de las concentraciones de CO2 (Ruiz, 2015).
Por otra parte, la industria metalúrgica utiliza el hidrógeno como agente reductor de distintos
compuestos.
En cuanto al porcentaje de consumo del hidrógeno definido bajo el epígrafe de “otros” es
posible resaltar su uso para la generación de llamas de alta temperatura, en el plasma de hidrógeno, el
procesamiento de metales, la producción de semiconductores, el tratamiento de las aguas, su uso
como refrigerante (en estado líquido) o para diversas pruebas de investigación (como por ejemplo en
la realización de una cromatografía gaseosa).
Por otro lado, respecto a los vehículos de célula de combustible existen actualmente distintos
dispositivos en su etapa de prototipo que son capaces de transformar la energía química contenida en
el hidrógeno en movimiento, mediante el consumo de oxígeno del aire y la producción de agua, de
manera que no se emitan elementos contaminantes al medio ambiente; en estas investigaciones
destaca la denominada como célula PEM puesto que permiten trabajar a temperaturas inferiores al
del resto de prototipos disponibles (Ruiz, 2015).
El hidrógeno actuaría en estos vehículos como generador de energía eléctrica que alimente un
motor eléctrico, cuya función sería la transformación de ésta en energía mecánica (Ruiz, 2015). A
modo de esquema se muestra la siguiente imagen (Figura 9) donde se recoge el funcionamiento de la
célula PEM de combustible, cuya eficiencia energética actual se encuentra en valores en torno al
50%.
35
Figura 9. Esquema de funcionamiento de una ce lula PEM de combustible. Fuente: Ruiz, 2015.
En cuanto a la inyección de hidrógeno en la red de gas natural, destaca la ventaja de poder
usar unas amplias infraestructuras totalmente útiles y de amplia envergadura en las ciudades y
municipios actuales, de manera que la distribución pueda llevarse a cabo de manera muy sencilla y,
por tanto, se adscriba a la filosofía de las energías renovables y el consumo sostenible sin grandes
dificultades; las concentraciones de H2 en comparación con la cantidad de gas natural puede variar en
relación con las condiciones de distribución y almacenamiento de las que se disponga. Un ejemplo
de esta estrategia se está llevando a cabo actualmente en Alemania y los Países Bajos, con diferentes
condiciones de concentración (Jetsch, Trost y Sterner, 2014 y Walspurger, Elzinga, Dijkstra, Saric y
Haije, 2014).
La conocida como pila de hidrógeno regenerativa es un ejemplo de las aplicaciones del
hidrógeno como combustible renovable. El funcionamiento de la misma se expone en la siguiente
imagen (Figura 10).
36
Figura 10. Esquema de funcionamiento de una pila de hidro geno regenerativa. Fuente: Ruiz, 2015.
Otro de los ámbitos de aplicación es el mundo de las embarcaciones de recreo, dado que el
hidrógeno constituye una fuente de alto aprovechamiento energético y de relativamente fácil
instalación para su uso a través de las pilas de combustible anteriormente mencionadas; a este
apartado se hace referencia concretamente en el artículo 2.1 del RD. 1434/1999, de 10 de septiembre,
que define la embarcación de recreo; considerándose la más común aquella embarcación de entre 6 y
16 metros.
En las embarcaciones de recreo se utiliza de manera general un tanque con capacidad de
combustible para realizar entre 100 y 300 millas, lo que, en consonancia con el tamaño total de la
embarcación requiere que el tanque sea lo más pequeño posible, de ahí la importancia del
combustible que se utilice y la adecuación del hidrógeno para ello; otro factor a tener en cuenta es la
fiabilidad del mismo, de modo que se incremente al máximo posible la seguridad a bordo (Crespí,
2016).
Estas circunstancias descritas hacen de la pila de combustible un ejemplo idóneo: resulta un
dispositivo muy simple, con alta fiabilidad y elevado rendimiento; además al alimentarse de
hidrógeno puro, no emite productos contaminantes y no implica ciclos termodinámicos. Otras de las
ventajas de este dispositivo se centra en su característica modular, por lo que puede extraerse el
módulo afectado y sustituirse en caso de daño y pueden implementarse los módulos necesarios en
relación con la función o la utilización que quiera darse a la embarcación, incrementando la
versatilidad de la misma en función de los requerimientos.
37
Por otro lado, Díez (2016) expone en su trabajo la posibilidad de adaptar los motores diésel al
funcionamiento a través del hidrógeno, en la misma línea de trabajo de un desarrollo sostenible de la
sociedad y de un consumo de los reactivos que no produzca gases contaminantes. Así, se analizan las
modificaciones pertinentes para que puedan sustituirse los combustibles fósiles y se valora el
funcionamiento y las repercusiones en cuanto a la emisión se refiere; este autor concluye en la
idoneidad del mecanismo de manera que se evite la expulsión de gases nocivos a la atmósfera.
Un análisis similar se recoge en el trabajo de San Miguel et al. (2009), en el que se expone la
posibilidad de utilizar el hidrógeno como combustible de motores de diverso calibre, tanto para
cohetes y transbordadores espaciales, para los que actualmente se centran las investigaciones en
motores de combustión externa (motores Stirling) o interna, para el caso de los vehículos de
transporte terrestre, aéreo y marítimo.
Estos autores advierten en su trabajo lo siguiente:
El uso de hidrógeno en motores de combustión interna es un campo que está recibiendo cada
vez más interés. El hidrógeno es un excelente combustible, haciendo que los motores basados en este
gas sean un 20% más eficaces que los que emplean gasolina. (San Miguel et al., 2009; p. 5).
En España existe el denominado como Centro Nacional del Hidrógeno, con instalaciones en
Almería, Canarias y Barcelona, cuyo objetivo es el de avanzar en la investigación y el desarrollo de
las tecnologías del hidrógeno y en las pilas de combustible (CNH2, 2013). Las grandes
infraestructuras de las que dispone y los estudios de máxima calidad que lleva a cabo permiten
experimentar acerca de los diversos prototipos y equipos del área del hidrógeno, de manera que se
facilite la homologación y verificación de los componentes e instrumentos apropiados.
Dentro de las principales líneas de investigación del Centro Nacional del Hidrógeno se
encuentra la de producción del hidrógeno, así como la integración en los sistemas actuales y la
implantación tecnológica, por lo que esta institución se puede considerar referente en España acerca
del ámbito de trabajo en el que se profundiza en este estudio.
38
2.6.2. Hidrógeno industrial
Industrias como la alimentaria, la de fabricación de vidrio o acero, la industria química en
general y la petroquímica en particular, etc., vienen empleando habitualmente hidrógeno,
adquiriéndolo a empresas “gasistas” que se lo suministran en planta o produciéndolo “in situ” (esto
último es usual, por ejemplo, en el caso de la industria petroquímica, por la gran cantidad que se
requiere).
Estos ámbitos industriales están mostrando un interés creciente en el desarrollo de las
tecnologías del hidrógeno, porque les ofrecen oportunidades de cubrir nuevas necesidades que se
están identificando (requerimientos de hidrógeno de mayor pureza, etc.) y les abren alternativas de
costes competitivos, a la vez que les permiten cumplir con aspectos legislativos que se están
imponiendo (reducción de impacto medioambiental).
De tal manera, dentro de las oportunidades que están surgiendo está el hecho de sustituir el
mercado tradicional del hidrógeno (producido mediante reformado de gas natural y transportado a la
instalación del cliente, si es necesario), por otro basado en una producción distribuida de hidrógeno
renovable.
Especial mención merece el mercado del uso del hidrógeno como elemento para el refino de
petróleo en el proceso de producción de gasolina. A la gasolina producida se le añade posteriormente
un cierto porcentaje de bioetanol, con el objeto de disminuir la contaminación (CO2 absoluto
producido) y la dependencia de las importaciones de petróleo (el bioetanol se produce localmente).
Pues bien, la Unión Europea está considerando en la actualidad la posibilidad de permutar esa cuota
de bioetanol por el hecho de que el hidrógeno empleado en el refino sea de origen renovable. Si esto
es así, vendría a incrementarse enormemente la demanda de este gas (producido mediante
electrólisis, fundamentalmente, con energía eléctrica “verde”), en detrimento del tradicional
hidrógeno de gas natural, lo que vendría a alterar muy favorablemente el panorama actual de
producción del hidrógeno.
2.6.3. Transporte.
El hidrógeno se ha utilizado, con diferente aproximación, en todos los medios de transporte
existentes en la actualidad. Así, han existido demostraciones y proyectos en el sector ferroviario,
naval, aeronáutico y de carretera, en este último desde autobuses hasta camiones o ciclomotores,
pasando por vehículos automóviles.
39
En la mayoría de las aplicaciones terrestres (automóviles, autobuses y ferroviario), se cuenta
con el hidrógeno como medio de propulsión (alimenta a una pila de combustible que, a su vez,
produce energía eléctrica para impulsar un motor); no obstante, se ha analizado también el uso del
hidrógeno en sistemas de potencia auxiliar en camiones.
En lo relativo al sector naval, se ha empleado como combustible en sistemas de propulsión en
pequeñas embarcaciones (recreo y turismo), así como en sistemas en barcos de mayor tamaño
(submarinos).
Hay que señalar que zonas medioambientalmente sensibles, ya sea por tratar de reducir
niveles elevados de polución o ruido (uso de vehículos para moverse por zonas especialmente
pobladas), como por ser áreas protegidas (entornos naturales de especial relevancia) o por su
significación y reclamo para el sector turístico (protección de monumentos históricos,
peatonalización de sectores), han promovido el uso del hidrógeno como combustible libre de
contaminación; esto, por ejemplo, se ha visto ya reflejado en tranvías y pequeñas embarcaciones
fluviales.
Finalmente, en el sector aeronáutico, nos encontramos con algunas versiones de APU para
aviones, así como estudios de viabilidad que ya hablan de la posibilidad de emplear hidrógeno como
combustible en la propulsión de aeronaves.
Pero, sin duda alguna, el sector estrella en la actualidad es el del uso del hidrógeno como
combustible en vehículos automóviles. En este sentido, los proyectos han abandonado la etapa de
demostración, entrando en la de comercialización.
La aprobación en 2014 de la Directiva europea relativa a la promoción del uso de
combustibles alternativos para el transporte (Directiva 2014/94/EU, de 22 de octubre de 2014),
siendo el hidrógeno uno de ellos, obliga a los estados miembros a promover los citados combustibles
en un marco de tiempo limitado, mediante el establecimiento y la impulsión de estrategias
específicas orientadas a tal efecto.
Esta Directiva se traspone en 2015 en un Real Decreto correspondiente a la misma, que
transcribe literalmente los parámetros referidos al hidrógeno. Pero, además, se crea una estrategia
interministerial de impulso del vehículo con energías alternativas (VEA) en España (2014-2020).
Esta estrategia, liderada por el Ministerio de Industria, Energía y Turismo, establece un mínimo
necesario de 21 estaciones de servicio de hidrógeno en España para el año 2020 y un parque
estimado de vehículos de dicho combustible para el citado año de 2.800.
40
En el momento actual, son las empresas automovilísticas asiáticas las que han tomado la
delantera a nivel mundial. Al lanzamiento en Hyundai de su ix35 en 2013, ha venido a unirse el de
Toyota, que, mediante su vehículo Mirai, ha levantado una gran expectación en la opinión pública.
Ha de tenerse en cuenta que, acompañando al lanzamiento de este vehículo, Toyota ha anunciado el
abandono del vehículo eléctrico en favor del vehículo de pila de combustible, y llevado a cabo una
cierta liberalización de sus patentes. Por su parte, Honda ha anunciado recientemente el cese de sus
actividades en vehículos de gas natural, para centrarse con un mayor esfuerzo en el vehículo con pila
de combustible, que tiene previsto poner en el mercado en 2016.
Los fabricantes europeos y americanos, por su parte, anuncian la comercialización en serie de
sus vehículos de hidrógeno entre los años 2017 y 2020.
Los vehículos que emplean hidrógeno como combustible son en definitiva vehículos
eléctricos, equipados con una pila de combustible que transforma el hidrógeno en energía eléctrica
que es utilizada en un motor; habitualmente, suelen hibridarse con pequeñas baterías que suministran
los picos de demanda. Son vehículos con las ventajas de los eléctricos (eficiencia, emisiones nulas,
reducidas emisiones acústicas), a las que añaden también las bondades de no emplear
almacenamiento de energía eléctrica, sino de hidrógeno (reducido tiempo de repostaje y elevada
autonomía). Por ello la utilización del hidrógeno en estos vehículos plantea a los países que lo están
adoptando un importante número de ventajas, entre las que destaca la posibilidad de un combustible
renovable que puede ser producido localmente y que no produce emisiones al ser utilizado.
Para terminar, dentro del uso del hidrógeno como combustible en automoción, hay que hacer
mención a la infraestructura necesaria. El uso del hidrógeno en vehículos plantea la posibilidad de
producir localmente el combustible necesario para el transporte. Es decir, cada país (o región) podrá,
en el futuro, autoabastecer sus necesidades en este sentido, pero tendrá que disponer de las adecuadas
capacidades de producción, distribución y dispensado.
Así, en mayor o menor medida, los diferentes países trabajan en una estrategia que contemple
la producción y autoabastecimiento de hidrógeno, la distribución de este gas y el dispensado en
estaciones de servicio, de modo que se pueda garantizar un adecuado desarrollo de la infraestructura
necesaria que permita al hidrógeno ser empleado, realmente, como un combustible alternativo.
41
2.6.4. Generación electricidad distribuida
El actual modelo de red eléctrica, con pocos y grandes generadores, está mostrando sus
debilidades. Para solventarlas, aparecen los modelos distribuidos, en los que la generación eléctrica
se lleva a cabo en un mayor número de nodos, de menor tamaño.
Este modelo de generación distribuida, capaz de acercarse mejor a la demanda, y modelarla
más fielmente en el espacio y en el tiempo, se basa en la aparición de diferentes sistemas de
generación eléctrica, con características distintas, y naturalezas dispares.
En este mapa, el uso del hidrógeno y de las pilas de combustible plantea numerosas ventajas,
como son:
• Las pilas de combustible son equipos muy modulares, encontrarse en diferentes tamaños,
desde kW hasta MW, adecuándose así a las necesidades de la demanda.
• La pila de combustible se trata de un dispositivo muy eficiente, pudiendo aprovechar esta
virtud tanto para la generación de energía eléctrica, como en el ámbito de la cogeneración.
• Otra de las cualidades que muestra la tecnología es su fiabilidad, lo que la hace atractiva para
aplicaciones de back-up de sistemas que requieren un especial cuidado: industria alimentaria,
banca, gestión masiva de información, etc.
Aunque el número de tecnologías es mayor, las que tienen visos de competir en el mercado de
masas son fundamentalmente tres: pilas de combustible poliméricas (PEMFC), de carbonatos
fundidos (MCFC) y de óxido sólido (SOFC). De manera adicional, en el marco de la generación
distribuida, tienen igualmente cabida tecnologías más convencionales que se están optimizando para
su uso con hidrógeno: motores de combustión interna y turbinas. Todas ellas son opciones de
producir electricidad y calor útil, en forma de calor o de frío, para aplicaciones en ámbitos tan
diversos como una vivienda unifamiliar en una zona aislada, un centro de almacenamiento de datos
con necesidad de energía de back-up o una industria que cuenta con una corriente de biogás que
puede aprovechar para realizar cogeneración.
42
2.6.5. Hidrógeno y almacenamiento
La gestionabilidad de la red eléctrica se ha convertido, en los últimos años, en un aspecto
fundamental de la misma; la energía no es solo evaluada y calificada por su cantidad, sino, también,
por su calidad.
Son varios los aspectos que han influido en este sentido; por un lado, las fuertes variaciones
en la demanda eléctrica, con consumidores distribuidos que varían, a lo largo del día y de las
estaciones, su consumo; por otro lado, la progresiva incorporación a la red de fuentes de energía
renovable, que, inherentemente, conllevan una aleatoriedad en su suministro.
Estas dos condiciones de contorno han llevado a lo que se ha denominado como
“desacoplamiento entre la oferta y la demanda”, o, dicho de otro modo, la necesidad de almacenar
parte de la energía eléctrica cuando la oferta de la misma es mayor que su demanda, para ser
empleada en los momentos opuestos.
Esta necesidad de almacenamiento puede variar en función de la topología de la red, de la
planta de generación considerada o de la geografía. Así, de entrada, las necesidades pueden ir desde
los pocos vatios*hora, hasta el almacenamiento de MW durante días. Así, en pequeños sistemas de
almacenamiento, capaces de almacenar energía para soportar picos de demanda, tenemos los
supercondensadores y los volantes de inercia; en sistemas intermedios, capaces de responder con
centenares de kW o algún MW durante una hora, tenemos baterías; para varios MW durante varias
horas, se consideran las sales fundidas y otros almacenamientos de naturaleza térmica; y, finalmente,
para almacenar una gran cantidad de energía, durante uno o más días, se tiene la hidroeléctrica de
bombeo, el aire comprimido y el hidrógeno.
Un sistema de almacenamiento de energía eléctrica basado en hidrógeno consistiría de cinco
componentes clave:
• Un sistema de adecuación de potencia eléctrica de entrada.
• Un electrolizador, que produce hidrógeno (y oxígeno) a partir de energía eléctrica y agua.
• Un sistema de almacenamiento de hidrógeno.
• Una pila de combustible (o motor/turbina de hidrógeno), que produce energía eléctrica (y
agua) a partir del hidrógeno almacenado (y del aire atmosférico).
• Un sistema de adecuación de potencia eléctrica de salida.
43
El hidrógeno cuenta, como sistema de almacenamiento, con dos ventajas fundamentales:
1. Por una parte, la potencia de entrada al sistema (que define el tamaño del electrolizador) está
desacoplada de la energía almacenada (que viene dada por la capacidad del depósito que
almacena el hidrógeno) y de la potencia de salida (que define la pila de combustible que
convierte el hidrógeno en electricidad). Dicho de otro modo, la misma cantidad de energía
(capacidad del depósito) puede tener potencias de entrada y salida diferentes, y con ello, tiempos
de “llenado” y “vaciado” distintos.
2. Por otra parte, el hidrógeno puede permanecer en el depósito durante días, o incluso meses, sin
degradarse, fugar o perder cualidades de ningún tipo.
Es por ello por lo que el hidrógeno es una alternativa clara y flexible a los sistemas
tradicionales de almacenamiento, con una capacidad mucho mayor. La actual limitación, como
puede suponerse, viene dada por el coste de los sistemas contemplados.
El concepto Power to Power supone precisamente la solución de almacenamiento descrita
hasta este momento: el almacenamiento de energía eléctrica, pretendiendo nuevamente su uso como
electricidad cuando sea necesario. Un concepto novedoso que introducen las tecnologías del
hidrógeno es el de Power to Gas: supone la conversión de energía eléctrica en hidrógeno, para su uso
posterior fuera del sector eléctrico. Dentro de esta vertiente, cabe su uso como combustible para el
transporte (llegando a denominarse Power to Fuel), o el doble aprovechamiento de esta energía y de
la infraestructura de gasoductos que transportan gas natural, volcando a la misma tanto hidrógeno
puro (Power to Hydrogen) como biometano producido a partir de una fuente de CO2 (Power to
Methane).
La conversión de electricidad en hidrógeno, mediante electrólisis, y el posterior uso del
mismo en la red de gas natural, en aplicaciones de movilidad o en la industria, puede sacar provecho
de prácticamente todo el exceso de energía renovable, en un escenario de alta penetración,
contribuyendo a la descarbonización de estos tres sectores.
44
3. SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO:
MÉTODOS. El hidrógeno solo se encuentra de forma natural en forma de compuesto. Por ello, para llevar
a cabo la generación de hidrógeno de forma pura se hace inexcusable descomponer la materia prima
portadora del mismo. En las siguientes líneas, se procederá a describir algunos de los métodos
mediante los cuáles se pueden acometer dichas separaciones. El hidrógeno, por ende, puede ser
cosechado, prácticamente, de un número importante de fuentes de energía primaria siempre y cuando
se use el procedimiento o proceso de separación pertinente.Se le puede atribuir, a dicho elemento,
una gran flexibilidad asociada a la producción asociadas al contexto y a las necesidades energéticas
que requieran de su obtención.
Cabe destacar, que hoy en día, con absoluta vigencia existen sistemas de producción de
hidrógeno con cierto empaque y consistencia. Gracias a estos sistemas, se producen en el mundo
millones de toneladas de hidrógeno. Dicho esto, es pertinente recordar que todos estos
procedimientos aún presentan un gran potencial de mejora. Incluso, aplicando una visión global,
puede afirmarse que la producción de hidrógeno se encuentra en plenas vías de desarrollo e
investigación ya que el objetivo principal es hacer de este recurso un medio rentable
económicamente.
3.1. Introducción.
En líneas generales, en cualquier sustancia en cuya composición sea protagonista el hidrógeno
es una potencial fuente para la obtención del mismo. Así, puede decirse que se puede obtener
hidrógeno a partir de un origen muy variopinto: A partir del agua o hidrocarburos, así como de
la materia orgánica ( ya sea de origen animal o vegetal).
El reformado es el proceso de obtención por excelencia. Es el más habitual y desarrollado para
producir hidrógeno a partir de hidrocarburos como el etanol, gas natural, destilados de
petróleo, entre otros, y de combustibles fósiles previamente gasificados o pirolizados.
Cabe señalar, que también se puede proporcionar hidrógeno a través de recursos biomásicos
como el gas de vertedero o el gas que se produce en los digestores de una depuradora de aguas
residuales. También, puede sumarse a lo anterior compuestos de hidrógeno que no contienen
carbono como el NH3( amoniaco) o el hidruro de boro.
Sea cual fuere la situación, la obtención de hidrógeno precisa de otras molécukas para los que
se necesita grandes aportes energéticos. La extracción es más fácil siempre y cuando la fuente sea un
45
compuesto que se encuentra en estado energético alto. Un ejemplificación de tal proceso es el de los
combustibles fósiles, debido a que en el propio proceso se produce parte de la energía necesaria. Por
el contrario, esto no acontece así en compuestos en estados inferiores como el agua, que necesitan
grandes cantidades de energía para su disociación.
Un resumen de estos métodos de producción pueden verse en la siguiente ilustración (figura
11).
Figura 11. Rutas de producción de hidrógeno.
Hoy en día, el reformado de hidrcarburos, particularmente el del metano contenido en gas natural, es
el sistema más usado y el de menor coste de producción. Su principal inconveniente es las altas
emisiones de CO2 que vierten.
Es por ello, que el reformado de productos a partir de biomasa es una opción atractiva que se
aprovecha de la madurez de esta tecnología consolidada y de la reducción notoria de emisiones
contaminantes debido al cambio de materia prima.
A su vez, la electrólisis del agua no genera contaminantes pero a cambio de esto precisa enormes
cantidades de energía eléctrica, de modo que, en función de la procedencia de la obtención de esta
energía su rango de emisiones será mayor o menor. Estas emisiones pueden ir desde el rango cero
emisiones (Electricidad eólica o hidraúlica) hasta niveles superiores a los del reformado si para su
consecución u obtención de energía eléctrica se usan hidrocarburos.
Según la índole del proceso de obtención de hidrógeno, pueden clasificarse como sigue:
-Proceso termoquímicos: Utilizan la propia energía del combustible para elevar la temperatura en el
reactor y promover reacciones para la liberación del hidrógeno que forma parte de su composición.
Los más conocidos son: Reformado, pirolisis y termólisis.
46
-Procesos electrolíticos: Se basa en la generación de hidrógeno a partir de la descomposición del
agua al hacer pasar corriente eléctrica a través de ella.
-Procesos fotolíticos: Usan convenientemente la radiación solar para provocar la hidrólisis del agua
mediante biofotólisis o fotoelectrólisis.
-Procesos termolíticos: La termólisis implica la disociación de la molécula de agua mediante la
aplicación de calor procedente de una fuente externa a temperaturas elevadas( energía solar
concentrada o energía nuclear de alta temperatura).
3.2. Procesos termoquímicos.
3.2.1 Reformado.
Aproximadamente la mitad de todo el hidrógeno que se produce en el mundo se recluta a
partir del reformado del gas natural.
Aunque este método de obtención de H2 no tiene hueco en un escenario energético sostenible
en el que se busca reducir la dependencia de los combustibles fósiles, se trata de una tecnología
consolidada que puede aplicarse a otros combustibles de origen renovable. Es por esto, que el
reformado es un proceso óptimo para producir hidrógeno a partir del producto de la digestión
anaerobia (biogás) o de los alcoholes obtenidos por fermentación de biomasa (bioetanol) o fabricadas
a partir del gas de síntesis obtenido mediante su gasificación y pirolisis (metanol).
Se trata de los mismos procesos empleados en la producción del gas de síntesis, la mezcla de
CO e hidrógeno utilizado históricamente como materia prima de la industria química para la
obtención de amoniaco, naftas y metanol entre otros.
Un proceso de reformado estándar consta de 4 etapas que son: purificación del combustible,
reformado catalítico, desplazamiento y depuración. Estas dos últimas se pueden englobar en lo que
se denominaría purificación del reformado.
Los procesos de reformado existentes se explican en el siguiente capítulo.
47
Figura 12. Procedimiento reformado.
3.2.2 Pirólisis.
El pirólisis supone una opción atractiva para la conversión de biomasa sólida en un líquido
cuyo manejo, almacenamiento y procesamiento sea más accesible. Sus características le
proporcionan el cincuenta por cien del poder calorífico de un fuel-oil de petróleo, por lo que se
requiere tratamiento previo antes de utilizarse como combustible.
El proceso descrito, consiste en el calentamiento de biomasa hasta alcanzar temperaturas muy
elevadas sin presencia de oxígeno. En la pirólisis, la biomasa se desintegra para producir: vapores,
aerosoles y sólidos carbonizados.
Es pertinente, llegados a este punto, realizar la clasificación de diferentes tipos de pirólisis en
función de la duración de la biomasa. Distinción sobre los límites de diferenciación no es clara.
- Pirólisis convencional (lenta)
La pirólisis lenta es un proceso que tiene una vigencia desde tiempos “remotos”
(antiguos/lejanos).
El fin de emplear el citado procedimiento es obtener carbón vegetal. El parámetro que
determine si la pirólisis es lenta o rápida es el tiempo de residencia del vapor que oscila en un
intervalo de cinco minutos y hasta la media hora.
En el caso que nos ocupa y sometiéndolo a análisis comparativo con la pirólisis rápida, es la
velocidad de calentamiento la que determina en qué procedimiento nos encontramos. La buena
praxis dentro del proceso asegura la producción de vapor, implementación de líquidos y gases.
- Pirólisis rápida.
Siguiendo con lo tratado anteriormente, puede (y debe) afirmarse que la velocidad de
calentamiento es sustancialmente más elevada en este proceso (pirólisis flash).
48
Para que la pirólisis sea eficaz, esta está sujeta a algunos supuestos:
• Calentamiento elevado (más de 1000ºC) con una elevada transmisión de calor.
• Control de la Tª.
• Tiempos de residencia del orden de segundos.
• Enfriamiento rápido de vapor condensable.
Puede inducirse, por tanto, que a bajas temperaturas se generan alquitranes variados y a altas
temperaturas aumentan la emisión de gases.
3.2.3 Gasificación.
La gasificación del carbón es el procedimiento por el cual se produce un gas proveniente del
carbón. A este gas se le denomina gas de síntesis (CO e hidrógeno de mezcla) a través del carbón
sólido.
¿En qué consiste el proceso? Básicamente puede decirse que: Se procede a la introducción
del carbón con oxígeno y vapor de agua es un dispositivo denominado gasificador. Las temperaturas
de trabajo que se alcanzan se encuadran en un rango que oscila entre 800-1400ºC (aprox).
En el citado proceso se puede calentar el carbón mediante diversas fuentes;(a) externas, (b)
aprovechando la propia reacción.
Así, en el gasificador acontece un proceso consistente en: Una combustión con defecto de
aire. Durante el proceso, el oxígeno y las moléculas de agua oxidan el carbón y se genera una
amalgama de gases tales como; CO, C02, H2 y metano.
A consecuencia de todo lo anterior, se dispone de un producto final que, en la mayoría de los
casos, es refinado mediante vapor de agua usual.
La implantación de este procedimiento en Europa y EURO es un hecho constatable ya que el
recurso se encuentra extendido y cuando se integra en ciclo combinado se produce simultáneamente
electricidad e hidrógeno.
49
3.3 Proceso electrolíticos.
La electrólisis consiste en la ruptura de la molécula de agua por acción de una corriente
eléctrica. Cuando ocurre en condiciones ambiente (25ºC y 1 atm) se trata de un proceso poco
interesante, como muestra el balance energético llevado a cabo sobre la siguiente ecuación:
H20→H2+1/2O2.
En efecto, a partir de los datos de la siguiente tabla se obtiene que la electricidad (∆g)
necesaria para disociar 1 mol de H2O líquido a 25ºC es 237.75 kJ, resultando 1 mol de hidrógeno.
Como el poder calorífico inferior del hidrógeno es de 241,82 kJ /mol resulta que se consumen 237.75
kJ eléctricos por cada 241.82 kJ contenidos en el hidrógeno, es decir, se producen 1.02 kJ de
hidrógeno por cada kJ eléctrico consumido. Sin embargo, si la reacción transcurre con vapor de agua
a 1000ºC se producen 1.36 kJ de hidrógeno por cada kJ eléctrico consumido. Los resultados
anteriores sugieren por tanto dos formas de llevar a cabo la electrólisis:
3.3.1 Electrólisis a baja temperatura: el consumo eléctrico es muy elevado, del orden de la
energía contenida en el hidrógeno producido. Un electrolizador teórico que operase a
83º C consumiría 2.83 kWh de electricidad para producir 1 Nm3 de hidrógeno, que
contiene 3 kWh de energía química (sobre el poder calorífico inferior).
3.3.2 Electrólisis de alta temperatura: el consumo de electricidad, siendo alto, comienza a
resultar aceptable. Para esta operación se precisa disponer de vapor de agua y de una
fuente térmica de elevada temperatura, que puede ser energía solar concentrada o
energía nuclear de reactores avanzados, como se explicará más adelante. Los
electrolizadores también han de ser modificados, pasando a ser de óxidos sólidos.
3.4. Termólisis.
Los procesos de termólisis suponen la extracción del hidrógeno de un hidrocarburo o de agua
mediante el suministro de calor. Dada esta definición, el reformado, la gasificación y la pirólisis se
pueden encuadrar como procesos de termólisis. A tenor de esto, puede decirse que en función del
elemento de calor empleado estos procesos son catalogados con métodos químicos o termólisis.
Así, ahora es de recibo hacer mención especial al proceso de extracción del calor. A
consecuencia de lo anterior, cuando el calor para el procedimiento se extrae de la materia prima
propia a través de un proceso de combustión (se considera un proceso químico); por contra, se habla
de termólisis cuando el calor no procede de una fuente ajena, como la energía solar concentrada. Los
procesos termolíticos obedecen a una determina clasificación dependiendo de la temperatura de
trabajo (tres clases de procesos).
50
Figura 13. Clases de termo lisis segu n temperatura. Fuente: Me todos de produccio n de
hidro geno.
La técnica que requiere mayor temperatura de operación se denomina termólisis directa del
agua. Se da a una temperatura de trabajo de 2500K. Como consecuencia directa de un régimen de
temperaturas alcista, su carácter pragmático es limitado.
El proceso intermedio requiere una temperatura de unos 1000K. Esta técnica engloba los
procesos de decarbonización (aporte calorífico sujeto a fuente externa).
Forman parte de la clasificación intermedia las reacciones de reducción de óxidos metálicos
que se sitúan bordeando los 2500K.
Por último, los procedimientos que requieren temperaturas inferiores a 1000K corresponden
a ciclos termoquímicos yodo-azufre cuya perspectiva es sustancialmente prometedora.
A continuación, se desarrollará una breve descripción que versará sobre los procesos
descritos anteriormente.
Tipos de procesos→ Proceso tipo I→Proceso tipo II (el tercer tipo no procede por los
motivos explicados anteriormente).
- Procesos tipo I.→ familia del azufre.
51
Es un ciclo termoquímico que puso en marcha la empresa General Atomics a mediados de
los años setenta. El intervalo de temperatura en el que se desarrolla es, aproximadamente, 300-900ºC
para la desintegración de HI. Sirva como ejemplo del procedimiento, el siguiente esquema:
Figura 14. Ciclo termoquí mico. Fuente: me todos produccio n hidro geno.
- Proceso tipo I→Ciclo UT-3.
La universidad de Tokio propulsó este proceso y al igual que el de la familia del azufre
requiere diferentes zonas interválicas de temperatura, alcanzando un máximo de setecientos y pico
grados. Análogamente al proceso anterior se puede mostrar el siguiente diagrama:
Figura 15. Diagrama de bloques Ciclo UT-3. Fuente: me todos de produccio n de hidro geno.
52
- Proceso tipo II→ procesos de descarbonización.
En el caso de la descarbonización por termólisis los equipos para la reacción pueden variar
respecto a los empleados en el proceso de conversión química. Así, el SMR realizado con aporte
exterior de calor se lleva a cabo en un reformador de membrana que opera a temperatura intermedia
y que resulta más compacto, tal como se muestra en la siguiente figura:
Figura 16. Reformador convencional vs Reformador de membranas. Fuente: Me todos de
produccio n de hidro geno.
- Proceso de tipo II→procesos por reducción de óxidos metálicos.
Al proceso por reducción de óxidos metálicos se le denomina también proceso Zn/ZnO ( por
ser éste el que proporciona cierta prosperidad en modo alguno, el estudio se centra en este). La
técnica fue desarrollada en el instituto Paul Scherrer de Suiza. El experimento usó un reactor y lo
sometió a una radiación solar. El agente reductor que se utilizó fue gas natural como elemento
reductor.
La técnica modifica el metano (no existen catalizadores) y se introduce una mejora para
producir un gas sintético que sirva como motor de producción de H2 y zinc (se requiere no emitir
dióxido de carbono).
3.5. Procesos Fotolíticos.
Los procesos fotolíticos hacen uso de la radiación solar incidente para provocar la hidrólisis
del agua, es decir, la ruptura de la molécula para su separación en hidrógeno y oxígeno. Existen
principalmente dos procesos fotolíticos que se encuentran en fase de investigación y se contemplan
más como posibles métodos funcionales a largo plazo: la biofotólisis y la fotoelectrolisis.
53
3.5.1. Biofotólisis.
En la biofotólisis se extrae hidrógeno del agua mediante la luz solar y microorganismos
especializados que realizan estas reacciones químicas, como son las algas verdes y las cianobacterias.
Al igual que las plantas producen oxígeno durante la fotosíntesis, estos microorganismos consumen
agua y producen hidrógeno como subproducto de sus procesos metabólicos naturales. Actualmente,
los microorganismos hidrolizan el agua a una velocidad demasiado baja para la producción
comercial del hidrógeno y a eficiencias de conversión muy discretas (10% en el caso de algas verdes
y 6% en el caso de las bacterias fotosintéticas). Se está investigando cómo modificar estos
microorganismos y en identificar otros microorganismos naturales que puedan desentrañar el mismo
papel a niveles superiores de eficiencia.
3.5.2. Fotoelectrólisis.
En la fotoelectrolisis la diferencia de potencial generada por la radiación solar en unos electrodos
fabricados con ciertos semiconductores específicos, provoca la electrolisis del agua. Cada
semiconductor opera de forma óptima con una longitud de onda, por lo que la investigación se está
centrando en seleccionar aquellos que disocien el agua y sean estables en ella. Lo atractivo de este
procedimiento es que ofrece gran potencial de reducción de costes, presenta una eficiencia un 30%
mayor que la electrolisis realizada con células fotovoltaicas y se están obteniendo eficiencias de
conversión de energía solar a hidrógeno de hasta 16% en laboratorio.
54
4. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE
DIÉSEL
En una primera aproximación se analiza la producción del hidrógeno a partir del diésel desde
un punto de vista microscópico, atendiendo a las partículas, etapas y reacciones químicas que dan
lugar a su producción.
La producción de hidrógeno a partir del diésel se lleva a cabo a través de la separación de esta
molécula de los compuestos carbonados que componen el diésel; y, posteriormente realizando una
separación del hidrógeno, a través de métodos químicos.
Esta estrategia de obtención del hidrógeno es la más utilizada en la actualidad puesto que
prácticamente cualquiera de los combustibles fósiles puede reformarse para la separación de la
molécula de interés, siendo la reacción general la expuesta a continuación (Figura 17). En torno al
96% de la obtención de hidrógeno en la actualidad se lleva a cabo a través de combustibles fósiles
(Reyes, 2016).
Figura17. Reaccio n de liberacio n de hidro geno a partir de compuestos de hidrocarburos.
Fuente: Crespí (2016).
La reacción de combustión que da lugar a la liberación de hidrógeno debe realizarse a unas
determinadas condiciones de temperatura, presión y a través de la utilización de un catalizador
apropiado. Se utilizan las reacciones de Water Sas Shift (WGS) y la denominada como Preferential
Oxidation (COPROX) para eliminar el CO que se genera durante la combustión del combustible
fósil puesto que resulta perjudicial tanto para la reacción como para el ser humano.
En este caso y debido al objetivo del presente trabajo, nos centraremos en la primera, WGS,
puesto que genera como producto de reacción para la eliminación del CO, el hidrógeno.
55
La reacción química se detalla a continuación en la siguiente figura (Figura 18).
Figura 18. Reaccio n de eliminacio n de mono xido de carbono, en la que uno de los
productos que se forman es el hidro geno. Esta reaccio n se conoce con el nombre de
WGS. Fuente: Crespí (2016).
Esta reacción de WGS se denomina también reformado del gas natural, y constituye una de
las principales fuentes de producción de hidrógeno, alcanzando cerca del 50% de la producción total.
Las principales ventajas de este proceso se muestran a continuación:
Son compuestos con una alta concentración de hidrógeno en su estructura molecular, por lo
que es posible liberar una notable cantidad del mismo en el proceso.
En comparación con otros hidrocarburos disponen en su estructura molecular de menores
cantidades de carbono, por lo que la reacción de combustión libera menos cantidad de CO y
de CO2.
Además, se trata de un proceso económico para la obtención de hidrógeno.
La reacción de reformado de gas natural puede llevarse a cabo a través de tres estrategias
diferentes, bien mediante vapor de agua (en el 49% de las ocasiones es el método de
elección), a través de la oxidación parcial (en el 29% de los casos) o mediante el reformado
autotérmico (Reyes, 2016). En estas tres opciones se profundiza a lo largo de los siguientes
párrafos:
Reformado por vapor de agua: esta primera opción libera cuatro moléculas de hidrógeno por
cada molécula de hidrocarburo de la que se dispone en la reacción de combustión. Consta de
dos etapas, siendo la primera la de eliminación de las moléculas de azufre presentes en los
compuestos de hidrocarburos (entre el 0.04 y el 6%). Para que tenga lugar la reacción, ésta
debe ocurrir a temperaturas elevadas (desde 750ºC hasta 950ºC) y altas presiones (entre 20 y
30 bar).
56
Las reacciones encadenadas que tienen lugar en este caso son las siguientes (Figura 19)
Figura 19. Reacciones del reformado por vapor de agua para la obtencio n de hidro geno.
Fuente: Crespí (2016).
Así, es posible afirmar que la mayor parte del producto que se obtiene es el hidrógeno,
pudiendo llevar a cabo a continuación una reacción de eliminación de las impurezas. De entre las
diversas estrategias que puedan realizarse, la más conocida es el método de adsorción selectiva,
denominado también como PSA (Pressure Swing Adsoption) mediante la cual se garantiza el 99%
de pureza en el hidrógeno. La purificación del hidrógeno se encuentra esquematizada en la siguiente
figura (Figura 20) y puede resumirse mediante las siguientes afirmaciones: se introduce la mezcla de
compuestos de la que desea purificarse el hidrógeno por la alimentación; tras la etapa de adsorción
en la que se produce hidrógeno a presiones bajas, se inicia la fase de despresurización donde se libera
el gas y a continuación se lleva a cabo un ciclo de presurización-despresurización para descartar las
impurezas y repetir el ciclo.
Figura 20. Sistema para la purificacio n del hidro geno a partir de la combustio n de
compuestos de hidrocarburos. Fuente: Crespí (2016).
57
Oxidación parcial: en esta segunda estrategia de obtención de hidrógeno a partir de
combustibles fósiles se lleva a cabo la combustión parcial del metano obteniéndose una mezcla
de gases con una alta cantidad de hidrógeno de la que deberá eliminarse las impurezas (CO
fundamentalmente) a través de las reacciones anteriores (Figura 4). Esta oxidación se
caracteriza por ser exotérmica (produce calor) por lo que no es preciso una fuente calórica y
por tanto pueden diseñarse compartimentos más compactos para la obtención del hidrógeno.
Esta reacción se resume en la siguiente figura (Figura 21).
Figura 21. Sistema para la obtencio n del hidro geno a partir de la oxidacio n parcial de
compuestos de hidrocarburos. Fuente: Crespí (2016).
Reformado autotérmico: esta estrategia combina las dos previas, de modo que resulta la
alternativa de mayor eficiencia energética y mayor producción de hidrógeno en relación con
las moléculas de CO2 que surgen como producto de la reacción. En este caso tampoco se
precisa de una fuente de calor, pero por el contrario la rapidez de la reacción resulta menor y
son necesarios compartimentos ligeramente mayores que los que se utilizan en el caso de la
oxidación parcial.
Finalmente, se denomina reformado de combustibles líquidos a aquella reacción que permite
reformar combustibles en estado líquido, como ocurre en el caso del diésel, cuya composición
fundamental de parafinas evidencia que la estrategia más eficaz consiste en la reformación de
oxidación parcial de manera que se obtenga un producto en estado gaseoso en el que el hidrógeno
constituye el elemento en mayor proporción, pudiendo purificarse en una segunda etapa. A modo de
ejemplo se expone la siguiente figura en la que se esquematiza la oxidación parcial del pentano
(Figura 22).
58
Figura 22. Esquema de la oxidacio n parcial del pentano para la obtencio n de hidro geno.
Fuente: Crespí (2016).
Esta reacción se caracteriza por liberar calor (ser exotérmica) y transcurrir de manera
independiente a la presión; sin embargo, suele llevarse a cabo con una presión de entre 20 y 40
atmósferas con el objetivo de disminuir el volumen necesario. A modo de ejemplo, gracias a este
proceso de combustión se obtiene un porcentaje cercano al 50% de hidrógeno como producto.
Además del CO, es preciso eliminar el CO2 para la purificación del hidrógeno. Esta etapa
puede llevarse a cabo a través de métodos físicos o métodos químicos. En el primero de los casos, se
enfría la mezcla a temperaturas inferiores a la de condensación del CO2 (-78ºC) de manera que se
condensa, mientras el H2 se mantiene en estado gaseoso puesto que su temperatura de condensación
se define a los -253ºC, claramente diferente a la del CO2. Si se escoge la estrategia química, se
utiliza la característica de reacción del CO2 con el compuesto de carbonato potásico para dar el ácido
carbónico de potasio, permitiendo la separación del H2 tal como se muestra en la imagen siguiente
(Figura 23).
Figura 23. Estrategia quí mica para la purificacio n del H2, mediante la eliminacio n del CO2 de
la mezcla. Fuente: Textos cientí ficos (2006).
No obstante, existen diversas estrategias alternativas de purificación y producción del
hidrógeno tras la reacción de reformado con vapor, oxidación parcial o reformado autotérmico, como
por ejemplo la purificación a través de monoetanolamina (MEA), carbonato potásico caliente,
solventes fluorados y purificación absorbente que eliminan las impurezas que puedan existir en la
mezcla de obtención de hidrógeno, como por ejemplo el CO, agua, metano, etano, Ar y N; estos
métodos de purificación utilizan en ocasiones catalizadores para incrementar la eficiencia de la
59
reacción (Textos científicos, 2006).
Por otro lado, Muñoz (2017) advierte en su trabajo de la importancia de introducir
determinadas bacterias en el proceso, a través de mezclas de microorganismos anaerobios que
utilicen como sustrato el biocombustible para la producción de hidrógeno. A esta estrategia la
denomina como producción anaerobio de biohidrógeno y constituye ejemplo actual del avance de las
tecnologías y herramientas científicas para la aplicación en el contexto de la mejora de calidad de
vida del ser humano; se resume y muestra en este trabajo como alternativa, en una fase casi
experimental aún, a los métodos de reacciones puramente químicas expuestas previamente.
Desde un punto de vista macroscópico, se profundiza en los siguientes párrafos acerca de la
composición final del diésel. Este diésel, derivado de la fracción del petróleo denominada gasóleo, la
conforman compuestos de entre 15 y 18 átomos de carbono, por lo que es posible comprender la
estrategia de obtención del hidrógeno. Su estado líquido a temperatura ambiente se debe a la
composición fundamentalmente de parafinas, entre las que se encuentra el metano, compuesto al que
se hace referencia en los epígrafes previos al exponer el proceso de combustión y liberación de
moléculas de hidrógeno.
A su vez, el diésel se obtiene de los combustibles fósiles a través del denominado como
petróleo crudo, que se encuentra formado por distintos tipos de compuestos de hidrocarburos,
fundamentalmente parafinas (butano e isobutano), olefinas (1-hexeno), anillos aromáticos (como por
ejemplo el benceno), y naftenos (ciclohexano), tal como se muestra en la imagen siguiente (Figura
24).
60
Figura 24. Compuestos de hidrocarburos presentes en el petro leo crudo. Fuente: Cona
(2018).
El análisis porcentual de la composición química del petróleo permite advertir que el peso
total de hidrógeno corresponde a entre el 11 y el 14%, reflejado en la siguiente imagen (Figura 25).
61
Figura 25. Composicio n quí mica del petro leo. Fuente: Refinerí a Balboa (2018).
Desde una perspectiva de análisis porcentual, una mezcla tradicional del compuesto conocido
como diésel consta de un 75% de hidrocarburos saturados (parafinas, isoparafinas y cicloparafinas) y
un 25% de hidrocarburos aromáticos (naftalenos y alcalobencenos). Tradicionalmente, la molécula
que en mayor proporción conforma el diésel es el C12H23, pero pueden detectarse desde C10H20 hasta
C16H34.
La composición química del diésel evidencia un elevado porcentaje de carbono (del 84.6%),
seguido del hidrógeno (un 9.7%), azufre (2.7%), nitrógeno (1%), agua (1.5%) y ceniza (0.5%) por lo
que es posible afirmar que muestra niveles similares y acordes a los descritos para la composición
química del petróleo, compuesto del que proviene; caracterizándose por una disminución de la
cantidad de hidrógeno disponible (González y Salazar, 2014).
4.1. Esquema del proceso
A modo de resumen, se establece en este apartado un diagrama de bloques (Figura 26) en el
que se representan las distintas etapas desde un punto de vista microscópico o molecular, que permita
comprender las etapas de liberación de H2 derivadas del procesamiento del diésel.
62
Figura26. Esquema del procesamiento de hidrocarburos para la obtencio n de hidro geno.
Fuente: Elaboracio n propia.
HIDROCARBUROS
Diésel
Hidrocarburos saturados (parafinas,
isoparafinas y cicloparafinas) +
Hidrocarburos aromáticos (naftenos y
alcalobencenos).
COMBUSTIÓN
1ª Liberación de H2 Hidrocarburo +H2O +O2 H2 + CO2
Tres estrategias
Reformado por vapor de agua.
Oxidación parcial.
Reformado autotérmico
REACCIÓN WGS
2ª Liberación de H2
Métodos físicos
Métodos químicos
Catalizadores
(Métodos biológicos) PURIFICACIÓN DE H2
63
4.2. Parámetros más significativos
Para llevar a cabo las reacciones anteriormente descritas los parámetros más influyentes a
tener en cuenta son la temperatura, la presión y la energía; por lo que en este epígrafe se analizarán
en profundidad tanto el reformado con vapor como la oxidación parcial por ser los más frecuentes
(Textos científicos, 2006).
Temperatura: en el caso de la utilización de hidrocarburos para la obtención de hidrógeno la
temperatura puede alcanzar cifras de entre 1100 y 1500ºC.
Presión: según la estrategia que se utilice, la presión alcanza entre presión atmosférica (1) y
las 130 atmósferas de presión.
Eficiencia: en estos supuestos, la eficiencia de la extracción del hidrógeno se encuentra entre
el 75% y el 86%
Energía: es posible distinguir entre las tres estrategias de obtención de H2 nombradas
diferencias en la energía que se precisa o en la que se libera; necesitándose para que
transcurra la reacción un aporte energético en el primero de los métodos, mientras que los
dos siguientes se llevan a cabo con liberación de energía.
Catalizadores: respecto a este parámetro, cabe destacar que la utilización de un soporte con
elementos catalizadores metálicos puede resultar esencial para el desarrollo de la reacción.
Un ejemplo se encuentra en los catalizadores basados en níquel, con una elevada utilización
en el caso de los hidrocarburos y los procesos de obtención de H2; los estudios realizados
sobre la reacción definida como WGS han mostrado que en presencia de níquel, los enlaces
C-C se rompen con mayor eficacia, por lo que se facilita el reformado posterior de la
molécula de CH4 a H2. Otro de los catalizadores utilizados tiene como base el cobalto y
facilita la producción principalmente de H2, también en la reacción WGS.
64
5. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE
PERÓXIDO DE HIDRÓGENO
En este segundo ejemplo, la producción del hidrógeno se consigue mediante la liberación de
esta molécula del peróxido de hidrógeno, a través de la electrolisis del agua (Vizcaíno, 2007).
Constituye una segunda estrategia de obtención de esta molécula pero se utiliza en una menor
cantidad, abarcando exclusivamente el 4% del total de la producción del H2 (Reyes, 2016 y Suresh,
Gubler, Yamaguchi y He, 2015).
García (2017) muestra en su trabajo dichos porcentajes de los diferentes procesos de
producción del hidrógeno a través de la siguiente figura (Figura 27), esta autora advierte de que, pese
a que la electrolisis constituye en la actualidad un pequeño porcentaje del total de producción de
hidrógeno, cuenta con interesantes expectativas para el futuro, por lo que se trata de un campo de
investigación prometedor.
Figura 27. Materias primas y frecuencia de utilizacio n para la extraccio n de hidro geno en la
actualidad. Fuente: Garcí a, 2017.
65
El peróxido de hidrógeno es una molécula que se conoce bajo diferentes nombres: agua
oxigenada, dioxogen o dioxidano, entre ellas. Se trata de un compuesto muy miscible en agua por lo
que generalmente se encuentra en mezcla con ésta, de carácter débilmente ácido y con uniones de
tipo covalente. Su inestabilidad determina que en condiciones normales se descomponga en oxígeno
y agua (Figura 28), produciendo calor en dicho proceso, pese a que esta reacción ocurre de manera
muy lenta, por lo que es posible su almacenamiento como compuesto durante largos periodos de
tiempo (González García, 2016).
Figura 28. Esquema de la descomposicio n del pero xido de hidro geno en condiciones
normales. Fuente: Marí n et al., 2012.
Además, sus propiedades físicoquímicas influyen notablemente en el proceso de
descomposición del H2O2 y esto a su vez condiciona los procesos y las posibles aplicaciones del
mismo. Así, por ejemplo, destaca que la descomposición del H2O2 puede ocurrir tanto en condiciones
de gas como de líquido y dar lugar a una mezcla homogénea o heterogénea de compuestos.
El proceso de producción de hidrógeno a partir de la electrolisis del agua oxigenada o
peróxido de hidrógeno se produce a través de la ruptura de dicha molécula utilizando una corriente
eléctrica. En este método no se produce CO2, puesto que la molécula de H2O2 se hidroliza en H2 y O2
(Lache, 2015); no obstante, es preciso tener en cuenta la energía en forma de electricidad que se
necesita para llevar a cabo la reacción. La producción de hidrógeno a partir del agua suele utilizarse
en las plantas eléctricas renovables, para gestionar el exceso de producción en éstas (Reyes, 2016).
66
Sin embargo, la producción de hidrógeno no es el principal uso que se da al peróxido de
hidrógeno, sino que tiene una serie de aplicaciones muy diversas, siendo el más importante el del
blanqueamiento de la pasta de papel y en la síntesis de compuestos, tal como se evidencia en la
siguiente figura (Figura 29), circunstancia que pone aún más de manifiesto el hecho de que
actualmente, la producción de hidrógeno desde H2O2 se trata de una actividad prácticamente
anecdótica, tanto por el reactivo (H2O2) como por el producto (H2).
Figura 29. Usos principales del pero xido de hidro geno y distribucio n de porcentajes en
Europa. Fuente: Blanco, 2007.
La electrolisis se trata del proceso de producción de H2 más limpio desde el punto de vista de
los productos de desecho que se forman, sin embargo, muestra ciertas dificultades que restringen su
uso a un porcentaje prácticamente anecdótico con respecto a la extracción de hidrógeno desde los
combustibles fósiles (Nieva, 2013).
Un ejemplo de estas limitaciones se recoge en el trabajo de García (2017) donde se advierte
de que actualmente la energía para llevar a cabo esta ruptura se obtiene de combustibles fósiles,
puesto que las energías renovables como la eólica, solar, hidráulica o nuclear aún no generan la
cantidad de energía suficiente para satisfacer la demanda a escala industrial.
En este caso, y tal como expone González Besa (2016) en su trabajo, es preciso tener en
cuenta una serie de conceptos previos, tales como la influencia de las reacciones químicas redox y la
67
situación de equilibrio a la que se tiende, o el estudio termodinámico de la electrolisis del agua, que
determinan el análisis de esta segunda estrategia de producción y liberación de hidrógeno a partir de
peróxido de hidrógeno.
En concreto, desde el punto de vista de las reacciones redox constituye uno de los principales
sistemas de equilibrio del nivel de oxidación y reducción de una mezcla; su estudio permite conocer
el potencial de reducción de un electrodo a través de la Ecuación de Nernst para definir el potencial
electroquímico y las concentraciones implicadas, y, por tanto, la estrategia que se precise para dirigir
la reacción química en el sentido que interese para la obtención de hidrógeno. En la siguiente
imagen (Figura 30) se expone la reacción de obtención de hidrógeno.
Figura 30. Esquema de la ecuacio n redox de obtencio n de hidro geno desde pero xido de
hidro geno. Fuente: Google.
Desde el punto de vista del estudio termodinámico de la electrolisis del agua, resulta de
interés destacar las siguientes simplificaciones para una mejor comprensión del fenómeno
termodinámico: tanto el hidrógeno como el oxígeno se comportan como gases ideales; se considera
al agua como incompresible en estado líquido y tanto la fase líquida como la gaseosa están
separadas. Así, es posible calcular las variaciones de la entalpía, entropía y energía libre de Gibbs en
el proceso de hidrólisis del agua (González Besa, 2016).
Se conocen dos grandes métodos electroquímicos para la obtención de H2, la electrolisis (en
la que se utiliza una corriente eléctrica para disociar y obtener el hidrógeno) y la fotoelectroquímica
(en la que se utiliza la energía de los fotones); ambas opciones se analizan a continuación (Nieva,
2013).
Tal como muestra Lache (2015) en su artículo, la termoquímica de este proceso de hidrolisis
del agua puede catalogarse a través de las siguientes dos estrategias:
68
Termólisis directa del agua: en este caso, se utiliza la energía solar como fuente de energía
para provocar la ruptura de la molécula de agua (en este caso, peróxido de hidrógeno) para la
obtención de una mezcla a partes iguales de hidrógeno y oxígeno. No obstante, esta estrategia
se encuentra en un plano prácticamente teórico, puesto que las temperaturas que se requieren
para ello y la técnica de separación de los dos compuestos resultan dos factores muy
limitantes para su realización práctica. Este ejemplo constituye una estrategia distinta a las de
electrolisis del agua, en la que se utiliza la temperatura para la disociación de la molécula
(Villa, 2013).
Ciclos termoquímicos: en este segundo método, se obtiene hidrógeno por la combinación de
un conjunto de reacciones químicas tanto endotérmicas como exotérmicas que se llevan a
cabo en ciclos; facilitando la separación de los compuestos puesto que el hidrógeno y el
oxígeno se producen en etapas diferentes; además no es necesario incrementar las
temperaturas hasta valores tan altos como en el supuesto anterior. La desventaja principal es
el bajo rendimiento de la reacción debido a los diferentes ciclos que deben llevarse a cabo,
por lo que los estudios en este campo se orientan a la disminución de dichos ciclos y el
incremento de la eficiencia (Funk, 1994).
Otra de las grandes estrategias para la obtención de H2 desde H2O2 es a través de la estrategia
fotoelectroquímica, que también constituye un método electroquímico pero en este caso se utiliza la
energía derivada de los fotones para la ruptura de la molécula (Bak, Nowotny, Rekas y Sorrell, 2002
y Nieva, 2013).
Este proceso fotolítico, según lo que recoge el trabajo de García (2017) se centra en el uso de
la luz solar para hidrolizar las moléculas de agua. Pese a que se trata de una estrategia en vías de
desarrollo, cuenta con dos grandes ámbitos de análisis: el estudio de los procedimientos
fotobiológicos, en los que se incluyen determinados microorganismos y algas para la ruptura de la
molécula a través de la energía solar; y los procedimientos fotoelectroquímicos, en el que se utilizan
sistemas semiconductores y electrolitos.
69
Actualmente, el método de obtención de hidrógeno a través de la electrolisis del agua o del
peróxido de hidrógeno constituye un método muy adecuado desde el punto de vista medioambiental
puesto que no produce ni emite CO2; no obstante, aún es preciso incrementar la eficiencia del
proceso para que resulte rentable desde la perspectiva económica, puesto que a nivel global aún
muestra rendimientos bajos. Además, se necesitan elevados costes de implementación de
infraestructuras (Vizcaíno, 2007).
Por último, e independientemente de la estrategia utilizada, y por tanto, de la fuente de
energía que competa, se muestra a continuación (Figura 31) un esquema del procesos de hidrólisis de
la molécula de agua, ocurriendo de manera similar en el caso del peróxido de hidrógeno con la
diferencia de que la producción de ambos gases (O2 y H2) resultaría en cantidades iguales por la
ruptura de la molécula de H2O2. En este caso, la reacción de disociación tiene lugar utilizando
energía eléctrica.
Figura 31. Esquema de la hidro lisis de la mole cula de agua para la produccio n de
hidro geno. Fuente: Margaix, 2015.
Existen diferentes tipos de electrolisis para la obtención de la molécula de H2, conocidas
como electrolisis alcalina, ácida, de electrolito polimerizado y de óxido sólido. Para cada uno de los
supuestos se definen los elementos con carga que entran a formar parte de la reacción, los reactivos,
electrolitos, electrodos y la temperatura a la que se desarrolla la reacción, tal como se muestra en la
siguiente imagen (Figura 32).
70
Tipo Alcalino Ácido Electrolito de
polímero Oxido sólido
Portador de
carga OH
- H
+ H
+ O
2-
Reactante Agua Agua Agua Agua y CO2
Electrolito Hidróxido de
socio o potasio
Ácido fosfórico
o sulfúrico Polímero Cerámica
Electrodo Ni Raney Pt Pt, Ir Ni-cermet
Temperatura 40-90ºC 150ºC 20-150ºC 700-1000ºC
Figura 32. Tipos de electrolisis para la produccio n de hidro geno. Fuente: Elaboracio n
propia, basado en CNH, 2013.
5.1. Esquema del proceso
El ámbito de la obtención de hidrógeno a partir de peróxido de hidrógeno se encuentra
actualmente en desarrollo, por lo que son varias las alternativas de las que se dispone desde un punto
de vista teórico o en sus primeras etapas de investigación práctica. A excepción de la electrolisis del
agua, que constituye el 4% del total de la producción de hidrógeno en las industrias actuales, el resto
de tecnologías que se exponen a continuación muestran una producción meramente anecdótica a
escala industrial y global. Sin embargo, estas estrategias constituyen los campos de análisis presentes
y futuros que permitirán el uso de hidrógeno como combustible en una sociedad que busque
estrategias sostenibles (Figura 33).
71
Opción A: mediante métodos electroquímicos
MÉTODOS
ELECTROQUÍMICOS
ELECTROLISIS DEL
AGUA
Uso de corriente eléctrica
FORMA
FOTOELECTROQUÍMCA
Uso de energía de fotones
Limpio (no produce desechos
contaminantes)
No satisface la demanda a nivel
industrial.
En vías de desarrollo.
Implica luz solar.
Sistemas semiconductores y electrolitos.
SEPARACIÓN DE LOS PRODUCTOS
DE LA REACCIÓN
72
Opción B: mediante métodos termoquímicos.
Opción C: mediante reformado a partir del peróxido de hidrógeno
Figura 33. Esquema del procesamiento del pero xido de hidro geno para la obtencio n de
hidro geno. Fuente: Elaboracio n propia.
5.2. Parámetros más significativos
Electricidad / energía: en este aspecto se valora no sólo la cantidad, sino el tipo de energía
que se precisa para llevar a cabo la reacción de disociación del peróxido de hidrógeno para la
obtención del hidrógeno. Actualmente, y tal como se expone en el presente trabajo,
constituye un interesante campo de estudio, aumentándose las posibilidades para llevar a
cabo dicha disociación.
Eficiencia: en torno al 72% de eficiencia de la reacción, pero disminuye a valores cercanos al
30% si se incluye en la valoración los costes de la conversión eléctrica y la baja eficiencia del
transporte.
Temperatura: determina la velocidad de reacción de los reactivos para dar lugar a los
productos, a mayor temperatura, mayor velocidad de reacción y por tanto, mayor rapidez en
el proceso de obtención del hidrógeno.
pH: influye en el proceso de disociación del peróxido de hidrógeno para la obtención del
hidrógeno, tal como se contempla en el análisis desde el punto de vista de la ecuación redox.
Catalizadores: fundamentalmente iones metálicos, óxidos e hidróxidos (Kirk-Othmer, 2014).
Termolisis directa del agua
Ciclos termoquímicos MÉTODOS
TERMOQUÍMICOS
Obtención por ruptura de la molécula de
H2O2
73
6. ANÁLISIS COMPARATIVO DE AMBAS
TÉCNICAS DESTACANDO LAS VENTAJAS Y LOS
INCONVENIENTES DE LA UNA SOBRE LA OTRA
En la actualidad, las técnicas para obtención del hidrógeno resultan diversas, pese a que
existen unas más desarrolladas y de uso más frecuente que otras. Esto se muestra en la siguiente
figura (Figura 34), que detalla las fuentes de energía y métodos de obtención de H2 de los que se
dispone a nivel global, destacando la producción a partir del reformado y la electrolisis (Villa, 2013).
Figura 34. Resumen de las fuentes de energí a y me todos de obtencio n del H2 de los
que se dispone en la actualidad. Fuente: Villa, 2013.
74
En cuanto a la fase de desarrollo de los diversos procesos, cabe destacar que mientras
aquellos dependientes de los combustibles fósiles se encuentran en una etapa madura y de plena
aplicación, las estrategias que incluyen la lisis del agua a través de diversos mecanismos se
encuentran en fase de estudio y pruebas piloto.
Villa (2013) expone lo siguiente en su trabajo:
“El gran interés de este material (el hidrógeno) se debe a que, a diferencia de otros
tipos de combustible, la combustión del hidrógeno destaca por ser inocua para el
medio ambiente, pues sólo se genera agua y algunos óxidos nitrosos. Además presenta
el más alto contenido de energía por unidad de masa que cualquier combustible. Por
ejemplo, un kilogramo de hidrógeno podría liberar casi el triple de energía que un
kilogramo de gasolina o gas natural.” (Villa, 2013; p. 22).
Para llevar a cabo el análisis comparativo de ambas estrategias se establece una serie de
ventajas e inconvenientes propias de cada uno de los procesos que permite valorar la adecuación o
elección del método. Esta información queda recogida en la siguiente tabla (Tabla 1).
Tabla 1. Comparación de ventajas e inconvenientes de los principales métodos de obtención del H2
en los que se profundiza en el presente trabajo. Fuente: elaboración propia a partir de los datos
recogidos en Reyes (2016) y Villa (2013).
Obtención de H2 a partir de diésel Obtención de H2 a partir de H2O2
Ventajas Inconvenientes Ventajas Inconvenientes
Reformado con vapor de agua Liberación de CO2
mínima.
Coste elevado (en
torno a tres veces más
que el coste del
reformado con vapor
de agua).
Tecnología muy Producción de CO2 Elevados niveles de Baja eficiencia
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desarrollada. de la materia prima. pureza del H2. considerando el
cómputo global.
Uso a gran escala.
Bajos costes de
inversión para la
producción.
Necesaria una
infraestructura de
gran tamaño.
Alta eficiencia (70-
80%)
Oxidación parcial
Tecnología madura. Cantidad de CO2
importante.
Alta eficicencia
(70%)
Alto coste de
inversión (casi dos
veces el del
reformado con
vapor de agua)
Instalación
simplificada, menor
tamaño
Precisa purificación
del H2.
Tal como puede advertirse en la tabla, de manera global, los principales puntos fuertes y
débiles de la producción a través del uso de combustibles fósiles es que se trata de métodos de bajo
coste y con alta eficiencia; pero cursan con la liberación de CO2, y el incremento en la contaminación
ambiental que conlleva, y además se encuentra restringida por la dependencia al combustible fósil,
energía no renovable (Villa, 2013).
Por su parte, pese a que la obtención de hidrógeno a partir de H2O2 es en la actualidad una
técnica válida, no contaminante, de elevada pureza y cuya tecnología está madura, consta también de
una serie de desventajas, de las que destaca que no utiliza electricidad de fuentes renovables y
además la energía química que se genera en el proceso es inferior que la que se precisa para llevarse
76
a cabo, ambas circunstancias determinan un elevado coste de producción, lo que justifica sus
limitados porcentajes de producción del H2 total, en comparación con las estrategias que involucran
el uso de combustibles fósiles.
La autora Bolaños (2014) expone en su trabajo que la tendencia de las investigaciones
muestra una clara preferencia hacia de vías futuras hacia el uso de fuentes renovables que incluyan el
secuestro del CO2 de manera que puedan reducirse las contaminaciones, esta circunstancia incluye de
manera directa la utilización del hidrógeno como fuente de combustible, en la línea de lo expuesto
por el resto de autores consultados.
Una de las alternativas en la que no se profundiza en este trabajo, pero que tiene visos de
resultar de interés en un futuro cercano es la que implica la utilización de residuos agroindustriales
para la obtención de hidrógeno mediante la fermentación de éstos. Un ejemplo de esta estrategia se
expone en el trabajo de Montoya y Durán (2017) y advierte del interés de esta molécula en el
presente y futuro próximos.
Desde el punto de vista de las aplicaciones de los procesos de producción de hidrógeno
anteriormente mencionados, cabe destacar tanto los ámbitos en los que se aplican de manera más
frecuente y el estado actual en el que se encuentran.
77
6.1. Referencias utilizadas
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