Generacion Del Hidrogeno

Cada vez se escucha hablar más del hidrógeno por sus propiedades físicas y químicas, como un importante combustible sintético del futuro.

Esto se basa en sus características de ser renovable, abundante y no contaminante, que lo convierten en un combustible ideal. Efectivamente, el hidrógeno es limpio, pues el producto de su combustión con el oxígeno es simplemente vapor de agua. Es abundante y renovable, pues es posible extraerlo a su vez de la descomposición del agua mediante la electrólisis. A continuación considerarán algunos aspectos que surgen de cuestionarse acerca del por qué se considera al hidrógeno el combustible del futuro, cómo es que se llega a él, y principalmente se dará énfasis a los posibles métodos actuales que indican dónde se lo puede acondicionar ya sea para su almacenamiento o transporte en forma segura, práctica y eficiente. Finalmente se mencionarán algunos usos potenciales del hidrógeno mediante en celdas de combustible (CC) como así también las consecuencias sociales y económicas de su uso.

El Hidrógeno como fuente de energía:

El Hidrógeno fue descubierto en 1776, tras un experimento en el que había obtenido agua a partir de la combinación de oxígeno e hidrógeno, con la ayuda de una chispa eléctrica.

El hidrógeno es el elemento más ligero, más básico y más simple del universo. Cuando se utiliza como fuente de energía, se convierte en el combustible eterno. Nunca se termina y, al ser tan simple, no emite contaminación ni residuos peligrosos.

El hidrógeno se encuentra repartido por todo el planeta: en el agua, en los combustibles fósiles y en los seres vivos. Sin embargo, raramente aparece en estado libre en la naturaleza, sino que tiene que ser extraído de fuentes naturales.

El hidrógeno no es un combustible que podamos extraer directamente de la tierra como el gas natural.

La fuente más común de hidrógeno es el agua (H2O). Se obtiene por la descomposición química del agua en oxígeno e hidrógeno partir de la acción de una corriente eléctrica (electrólisis) este proceso divide el agua, produciendo oxígeno puro (O2) e hidrógeno (H).

Usos potenciales del hidrógeno

Los motores de vehículos y hornos pueden ser adaptados para utilizar hidrógeno como combustible con muy pocos cambios en la tecnología del motor convencional.

Quemar hidrógeno produce mucho menos contaminación que la nafta o el combustible diesel. Como ya hemos mencionado el hidrógeno tiene una alta velocidad de llama, límites de flamabilidad altos, además presenta alta temperatura de detonación, y necesita menos energía para su punto de inflamación que la nafta. Sin embargo, a pesar de todas estas ventajas sobre las naftas falta un largo camino para el desarrollo de la producción del hidrógeno.

Una manera más accesible de usar el hidrógeno es a través de celdas de combustible que tiene una eficiencia 2,5 veces mayor que si se quema hidrógeno en un motor térmico

Generación del Hidrógeno

El hidrogeno por naturaleza es un medio de almacenaje y transporte de energía, no una fuente de energía, por lo tanto necesita una fuente extra de energía para producirlo. La molécula del hidrogeno no se encuentra en reservas naturales aunque se puede encontrar en la atmosfera de forma muy poco concentrada. Además es producido por algunos microbios en un ciclo biológico. La mayoría del hidrogeno se encuentra en la molécula del agua (H2O) y en los combustibles fósiles.

Se puede producir de diferentes maneras:

- Usando combustibles fósiles a través de reformación de gas natural o de gasificación de carbón

- Mediante electrólisis usando electricidad y agua (consumiendo aprox. 50 kilowatt/hora por kg de hidrogeno

- Energía nuclear puede ser ocupada de varias formas para la producción del hidrógeno

- Mediante energía solar

Actualmente el impacto ambiental genera una producción de hidrógeno que puede ser comparado con alternativas, tomando en cuenta no solamente la emisión y eficiencia de la producción de hidrógeno, sino también la de la generación de electricidad a través de las celdas de combustible.

Algo realmente importante sobre el proceso de consumo de energía en el proceso de manufacturación del hidrógeno es que este necesita un portador de hidrógeno como el agua o combustibles fósiles. La producción a través de éstos últimos genera dióxido de carbono, mientras que la electrólisis requiere electricidad que en su mayoría es generada usando combustibles convencionales (combustibles fósiles o energía nuclear); fuentes de energías alternativas o renovables como el viento, la energía solar o la biomasa pueden ser usadas, sin embargo son más caras que las convencionales. Por lo tanto no se podría decir que el hidrógeno es verdaderamente independiente de los combustibles fósiles, a menos que la generación de éste sea solamente a través de energía renovable o nuclear.

Almacenamiento

Aunque el hidrógeno molecular tiene una excelente densidad de energía por unidad de masa, a condiciones ambientales tiene una pobre densidad de energía por volumen (esto, debido a que su densidad de masa es mínima, por lo tanto para obtener una masa considerable se necesita un gran volumen). Como resultado de esto, si se quiere almacenar hidrógeno para ocuparlo como combustible dentro de un vehículo, debe ser presurizado o licuado para dar una autonomía adecuada. Al incrementar la presión del gas, se mejora la densidad de energía por volumen, haciendo que el tanque de almacenamiento pueda ser más pequeño pero a la vez más pesado, ya que tiene que ser lo suficientemente resistente para soportar las altas presiones. Lograr altas presiones requiere un uso de grandes cantidades de energía en el proceso de compresión. Alternativamente, una densidad más alta de energía por volumen se puede lograr a través del hidrógeno líquido. Sin embargo el hidrógeno líquido es criogénico (técnica que se ocupa para el licuado) y bulle a los -252,882 ºC a presión atmosférica. El almacenamiento criogénico es más liviano pero requiere una gran cantidad de energía de licuado. El hidrógeno licuado tiene aproximadamente un cuarto de densidad de energía por volumen que la gasolina. Los tanques de almacenamiento tienen que ser muy bien aislados térmicamente para evitar que el hidrógeno bulla. Éste aislamiento es caro y delicado.

El problema del hidrógeno licuado es la fuga de energía que se genera al permanecer almacenado. Se pierde aproximadamente entre un 3% y un 4% de energía debido a fugas de calor, ya que es difícil mantenerlo a una temperatura tan baja.

La masa del tanque de almacenamiento para el hidrógeno comprimido reduce la eficiencia energética del vehículo. Debido a que es una molécula muy pequeña y energética, tiende a fugarse a través de cualquier material que intente contenerlo.

El hidrógeno también puede ser almacenado como hidruro (H-) o como alguna otra molécula que contenga hidrógeno. La molécula de hidrógeno es hecha reaccionar con algún otro compuesto que es el que lo almacena y que puede ser transportado fácilmente. En el punto de uso, el compuesto puede ser descompuesto, liberando el gas de hidrógeno. Tal como la masa y el volumen son un problema para el almacenamiento de la molécula de hidrógeno, el problema para utilizar estos compuestos como medio para transportar el hidrógeno son las altas temperaturas y presión que son necesarios para la generación de éstos. Para muchos potenciales sistemas de generación de hidruro y su posterior regeneración en hidrógeno molecular la energía cinética y el aprovechamiento del calor son temas que tienen que ser superados.

El método de almacenamiento más ocupado en la actualidad por los autos prototipos es hidrógeno en forma de gas a presiones que rondan los 700 bar. Muchas personas creen que la energía necesaria para comprimir el hidrógeno es la mayor barrera para una economía de hidrógeno. Por ejemplo si se considera el mundo entero ocupando hidrógeno en sus autos, entonces una gran cantidad de la energía sería necesaria para comprimir el hidrógeno y así poder almacenarlo. Ésta sería aproximadamente un 30% de la energía utilizada para el transporte. Si ésta energía no es recuperada de alguna forma, el total de la energía usada en compresión se perdería. Los vehículos actuales que utilizan celdas de combustible, son aproximadamente 100 veces más caros por kW generado que los vehículos convencionales a combustión interna.

A continuación se detallan las eficiencias de cada uno de los procesos de almacenaje:

• Almacenamiento por Compresión

Para comprimir el hidrógeno a 200 Bar se necesita invertir 1.08 unidades de energía, para obtener 1 unidad de energía en hidrógeno. Esto es un 92% de eficiencia sin incluir el gasto en energía eléctrica para alimentar el compresor.

Para comprimir el hidrógeno a 800 Bar y así poder transferirlo a un automóvil con presión de 700 Bar se necesita 1.12 unidades de energía, para obtener 1 unidad de energía de hidrógeno. Esto es un 89% de eficiencia sin incluir el gasto de energía para alimentar el compresor. Si se consideran las pérdidas mecánicas y eléctricas del proceso de compresión a 800 Bar, se obtiene una eficiencia de un 80%

• Almacenamiento del Hidrógeno por Licuado

Almacenando el hidrógeno de forma líquida se puede obtener una mayor densidad de energía por volumen que en forma gaseosa. Sin embargo la eficiencia del proceso de licuado es menor que la del proceso de compresión.

Si el licuado se hace con la tecnología que se encuentra hoy en el mercado, la eficiencia del proceso es de un 60%. En caso de crearse plantas más grandes de las que existen en la actualidad (unas cuatro veces más grande que las más grandes a nivel mundial) se podría llegar a una eficiencia de un 75%

El otro problema del almacenamiento de hidrógeno licuado ya se mencionó antes y es la pérdida de energía a través del tiempo (entre un 3% y un 4%)

Las ventajas de utilizar el hidrógeno como energía son:

No produce: Contaminación ni consume recursos naturales, el hidrógeno se toma del agua y luego se oxida y se devuelve al agua. No hay productos secundarios ni tóxicos de ningún tipo que puedan producirse en este proceso.

Seguridad: Los sistemas de hidrógeno tienen una historia de seguridad muy impresionante. En muchos casos, el hidrógeno es más seguro que el combustible que está siendo reemplazado. Además de disiparse rápidamente en la atmósfera si se fuga, el hidrógeno, en contraste con los otros combustibles, no es tóxico en absoluto.

Alta eficiencia: Las celdas de combustible convierten la energía química directamente a electricidad con mayor eficiencia que ningún otro sistema de energía, debido al proceso químico, que no desperdicia tanta energía en forma de calor como la combustión.

Funcionamiento silencioso: En funcionamiento normal, la celda de combustible es casi absolutamente silenciosa, ya que no hay explosión, sino un proceso químico.

Larga vida y poco mantenimiento: Aunque las celdas de combustible todavía no han comprobado la extensión de su vida útil, probablemente tendrán una vida significativamente más larga que las máquinas que reemplacen.

Modularidad: se puede elaborar las celdas de combustible en cualquier tamaño, tan pequeñas como para impulsar una carretilla de golf o tan como para generar energía para una comunidad entera. Esta modularidad permite aumentar la energía de los sistemas según los crecimientos de la demanda energética, reduciendo drásticamente los costos iniciales.

Economía de Hidrógeno

La Economía de Hidrógeno es una economía hipotética en la cual el hidrógeno es un medio de transporte de energía y no una fuente primaria de energía como lo son la energía atómica, el petróleo, el carbón o el gas natural.

La propuesta de una economía de hidrógeno tiene el propósito de resolver el efecto invernadero generado por el uso de combustibles fósiles en el transporte y otras aplicaciones donde se libera CO2 a la atmósfera.

En la economía actual, el transporte de personas y bienes es energizado por los derivados del petróleo (bencina, diesel, carbón y gas natural). Sin embargo la combustión de estos hidrocarburos genera gases que ayudan a incrementar el efecto invernadero y que son tóxicos. Además las reservas mundiales son limitadas.

En una economía de hidrógeno, el hidrógeno sería manufacturado a través de alguna fuente primaria de energía y usado como reemplazo de los combustibles fósiles usados para el transporte. El hidrógeno sería utilizado cómo combustible en celdas de combustible o en motores de combustión interna.

De fuente de energía primaria se ocuparían plantas fijas que ocupen energías renovables, nuclear o hidrocarburos. Con el uso apropiado de energías primarias, se podría reducir en gran medida la emisión de gases que generan el efecto invernadero.

La energía primaria no tiene que viajar con el vehículo, cómo lo hace con los combustibles fósiles. Así la energía puede ser generada a gran escala y de manera centralizada lo que facilita una mayor eficiencia, permitiendo la posibilidad del uso de tecnologías como la secuestración de carbono, método para capturar gran parte del CO2 generado por las generadoras térmicas, que es imposible de implementar para aplicaciones móviles. Alternativamente también puede haber un esquema de generación distribuida donde se ocupen fuentes renovables de pequeña escala.

La producción de hidrógeno puede ser centralizada, distribuida o una mezcla de éstas opciones. Mientras la generación de hidrógeno en grandes plantas centralizadas promete una mayor eficiencia en la producción del hidrógeno, tiene la dificultad de transportar un gran volumen a través de grandes distancias, lo que hace a la distribución de energía eléctrica más atractiva dentro de una economía de hidrógeno. En ese escenario, pequeñas plantas regionales o incluso estaciones de servicio pueden generar hidrógeno usando energía provista por la distribución eléctrica. Mientras la eficiencia de generación es menor en éste caso que en una generación centralizada, las pérdidas en el transporte de hidrógeno, la pueden hacer una opción mucho más eficiente.

Si el hidrógeno va a ser generado de forma limpia (a través de energías renovables, nuclear, o a base de combustibles fósiles con secuestración de carbono) y transportado a los puntos de demanda de energía donde sería transformado en electricidad mediante una gran cantidad de pequeños generadores o si va a ser la electricidad la forma de transportar la energía para luego generar el hidrógeno y ser utilizado sólo en aplicaciones móviles. Esto va a depender del avance de las tecnologías. Por el momento el transporte del hidrógeno es sumamente caro, debido a la infraestructura necesaria, la cual es mucho más costosa que para el gas natural debido a que el hidrógeno se fuga fácilmente a través de los conductos y tiene una densidad de energía mucho menor, lo que hace que para transportar la misma energía se requiera transportar mucho más hidrógeno que gas natural.

Los defensores de una economía de hidrógeno sugieren al hidrógeno cómo una fuente de energía limpia para los usuarios finales, particularmente en las aplicaciones de transporte, que no genera contaminación y cuyas ventajas son sostenidas por la generación de hidrógeno a través de combustibles fósiles, aplicando métodos de captura de CO2 o través de fuentes renovables como la biomasa, energía solar, hidráulica, nuclear, etc.

Los críticos de una economía de hidrógeno argumentan que la baja eficiencia del proceso completo de generación de hidrógeno, almacenamiento, transporte y posterior transformación a electricidad a través de las celdas de combustible (más adelante se explican las eficiencias de cada proceso) puede ser superada para muchas aplicaciones por el uso directo de energía eléctrica, de baterías, celdas de combustible y la producción de combustibles sintéticos de CO2 pueden conseguir los mismos resultados que una economía de hidrógeno requiriendo sólo una fracción de investigación e infraestructura.

Consecuencias sociales y económicas del uso del hidrógeno

El uso del hidrógeno en la llamada “economía del hidrógeno” posibilita una enorme redistribución del poder económico, consecuencias trascendentales para la sociedad. El actual flujo de energía, controlado por las empresas petrolíferas y las empresas de servicios, quedará obsoleto. En la nueva era, todo ser humano podrá convertirse en productor además de consumidor de su propia energía, es decir la denominada 'generación distribuida'. Cuando millones de usuarios finales conecten sus pilas de combustible a Redes de Energía de Hidrógeno locales, regionales y nacionales, utilizando los mismos principios de diseño y tecnologías inteligentes que han hecho posible la Red Mundial, podrán comenzar a compartir energía -entre iguales-, creando una nueva forma descentralizada de su uso. En la economía del hidrógeno, hasta el automóvil será una 'central eléctrica con ruedas', con una capacidad generadora de 20 kilovatios. Dado que el coche medio está estacionado la mayor parte del tiempo, se podrá enchufar, durante el tiempo que no se utilice, a la casa, a la oficina o a la principal red interactiva de electricidad, y proporcionar electricidad extra a la red. Con que sólo el 25% de los conductores utilizasen sus coches como centrales eléctricas para devolver energía a la red, se podrían eliminar todas las centrales eléctricas del país. El hidrógeno tiene el potencial de poner fin a la dependencia que el mundo tiene del petróleo importado y sus trágicas consecuencias. Además, dado que es tan abundante y existe en todas las partes del mundo, todos los seres humanos dispondrían de energía, convirtiéndose en el primer sistema energético verdaderamente democrático de la historia. Conclusiones

Con el fin de mantener un Medio ambiente sustentable debemos ser visionarios y plantearnos objetivos a largo plazo, considerando al hidrógeno como un combustible estratégico para la generación de energía de forma limpia y sustentable. Queremos empezar a Plantearnos a donde vamos a llegar como país en 20 o 30 años a partir de ahora cuando los hidrocarburos se están acabando, pero llegar a tiempo y de manera eficiente en términos energéticos. Nos encontramos en la era de la Revolución del Hidrógeno, donde ya existen perspectivas en la generación, almacenamiento, distribución, proyectos demostrativos y aplicaciones del más sencillo de todos los elementos químicos. El hidrógeno, es el portador energético del siglo XXI y el dominio y liderazgo de la generación distribuida corresponderá a la utilización del hidrógeno en las celdas de combustible.

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