Unidad 1. El Hidrogeno

Seminario de hidrógeno y bioenergía Unidad 1. El hidrógeno

Ingeniería en Energías renovables 4° cuatrimestre

Programa de la asignatura:


Clave:

TSU: 240920415 / ING: 230920415

Universidad Abierta y a Distancia de México


Índice Unidad 1. El hidrógeno Presentación de la unidad Propósitos de la unidad Competencia específica 1.1. Conceptos generales 1.1.1. Propiedades físicas y químicas 1.1.2. Usos y aplicaciones Actividad 1. Reacción química de la producción producción de hidrógeno hidrógeno 1.2. Producción de hidrógeno 1.2.1. Producción de hidrógeno a través de la electrólisis 1.2.2. Producción de hidrógeno a partir de combustibles fósiles 1.2.3. Producción de hidrógeno a través de procesos biológicos 1.2.4. Producción de hidrógeno a partir de biomasa 1.2.5. Producción de hidrógeno a través de procesos termoquímicos Actividad 2. Conociendo los métodos de producción de hidrógeno Actividad 3. Métodos de producción del hidrógeno Actividad 4. Costos de producción de hidrógeno Autoevaluación Evidencia de aprendizaje. Estudio técnico de la viabilidad de un sistema de producción de hidrógeno Autorreflexiones Cierre de la unidad Para saber más Fuentes de consulta


Índice Unidad 1. El hidrógeno Presentación de la unidad Propósitos de la unidad Competencia específica 1.1. Conceptos generales 1.1.1. Propiedades físicas y químicas 1.1.2. Usos y aplicaciones Actividad 1. Reacción química de la producción producción de hidrógeno hidrógeno 1.2. Producción de hidrógeno 1.2.1. Producción de hidrógeno a través de la electrólisis 1.2.2. Producción de hidrógeno a partir de combustibles fósiles 1.2.3. Producción de hidrógeno a través de procesos biológicos 1.2.4. Producción de hidrógeno a partir de biomasa 1.2.5. Producción de hidrógeno a través de procesos termoquímicos Actividad 2. Conociendo los métodos de producción de hidrógeno Actividad 3. Métodos de producción del hidrógeno Actividad 4. Costos de producción de hidrógeno Autoevaluación Evidencia de aprendizaje. Estudio técnico de la viabilidad de un sistema de producción de hidrógeno Autorreflexiones Cierre de la unidad Para saber más Fuentes de consulta

Seminario de hidrógeno y bioenergía Unidad 1. El hidrógeno Unidad 1. El hidrógeno Presentación de la unidad “¿Qué es lo que van a quemar en lugar de carbón? Agua, respondió Pencroft. El agua,

descompuesta en sus elementos por la electricidad. Sí, amigos míos, creo que algún día se empleará el agua como combustible, que el hidrógeno y el oxígeno de los que está formada, usados por separado o de forma conjunta, proporcionarán una fuente inagotable de luz y calor. El agua será el carbón del futuro.” Julio Verne. (1874). La isla misteriosa.

El hidrógeno es el elemento más abundante del universo, en la Tierra es necesario obtenerlo para uso científico o industrial mediante distintos procesos biológicos, termoquímicos y electroquímicos, de tal manera que se pueda utilizar en la generación de energía limpia. El hidrógeno es el elemento de menor densidad de todos los conocidos. Esta propiedad hizo que se utilizara para el uso de globos y dirigibles. Fue desechado, posteriormente, por su facilidad para incendiarse (reacciona con el oxígeno con facilidad), provocando accidentes impresionantes. Debido a que el hidrógeno es el más abundante del universo, se utiliza por las estrellas para producir energía en su conversión a helio (reacción nuclear de fusión). También es muy abundante en la corteza terrestre, ya que lo podemos encontrar en todos los hidrocarburos, en los ácidos, en la materia viva y en muchos minerales. (Guervós, 2003). Son diversos los métodos de producción del hidrógeno, los cuales van desde uso de celdas de hidrógeno en la producción demostrativa de juguetes (carros y robots) e investigación para aumentar la eficiencia y reducir el costo de producción con pruebas de diferentes materiales en laboratorios, hasta métodos de producción para el movimiento de vehículos híbridos, transporte urbano o aéreo, que alcancen velocidades cercanas a las de un vehículo con motor a combustibles fósiles, al igual que la producción de energía eléctrica a gran escala para la industria o la comunidad. Una vez identificando los métodos producción de hidrógeno, es inherente a ello hablar de sus costos de producción según la tecnología utilizada para la generación de energía, por lo cual debemos profundizar en la importancia del costo-beneficio para la comunidad.

Propósitos de la unidad En esta unidad se identifican las características físico-químicas de hidrógeno como fuente infinita de energía limpia, la cual, puede ser usada para aplicaciones en el hogar, en la industria, en usos científicos y el campo, aunque cada día es más utilizada es en el transporte. Además se diferencian

Seminario de hidrógeno y bioenergía Unidad 1. El hidrógeno los métodos de producción del hidrógeno y, a partir de estos, se determina el método de menor costo y mayor beneficio.

Competencia específica Describir los métodos de producción de hidrógeno y biomasa, para distinguir los procesos de generación de energía, identificando los principios físico-químicos.

1.1. Conceptos generales El aumento en la población a nivel mundial exige cubrir sus necesidades básicas y mantener un elevado confort de vida, provocando con esto un mayor consumo de energía, día con día; para cubrir estas demandas el petróleo ha sido el recurso no renovable más explotado, sin embargo, su extracción ha disminuido en todos los países, como el nuestro, que tienen esta fuente. Por esta razón es importante adentrarse en el campo de las energías alternativas y una de ellas es la generada a partir del hidrógeno, el cual es una fuente con un enorme potencial de energía, que puede ser aprovechado al ser el elemento más abundante en el universo, y en la tierra lo encontramos en gran parte de los compuestos orgánicos y algunos inorgánicos; siendo el agua el compuesto, formado por hidrógeno, más abundante en mayor cantidad sobre la tierra. Dentro de las propiedades físicas y químicas, el hidrógeno tiene el átomo más simple por su número atómico, lo cual facilita el aprovechamiento de su potencial energético, pudiendo utilizarlo como combustible, generando al alcance de nosotros, lista para utilizarla en su combustión, la cual genera agua como residuo, evitando, por lo tanto, emitir gases de efecto invernadero que en la mayoría de las combustiones se genera. Incluso en plena combustión su llama es invisible. Su principal ventaja es que su combustión produce solo agua, lo que significa que no emite gases de efecto invernadero, como ocurre con los combustibles fósiles e incluso con la biomasa. Esto le hace particularmente apropiado para sustituir a los derivados del petróleo. La sustitución de éstos, sin embargo, tiene el grave inconveniente de no ser un combustible primario. Hay que producirlo con otros. Pero también si esta combustión se realiza a gran velocidad se produce una explosión que según la magnitud puede causar daños a las personas o materiales, por esta razón se debe tener ambientes de control que para reducir los riesgos existentes en la reacción. La producción de hidrógeno tiene una amplia gama para producirse, a partir de fuentes tradicionales de energía como de renovables, cualquiera con la posibilidad de ser llevada a gran escala, a reserva de los estudios de costos que estos proyectos conlleva. Pero conforme avanzan las investigaciones de la obtención de hidrógeno basados en energía solar, eólica, geotérmica, biomasa y biológicas podemos asegurar una producción más limpia y con ello reducir los costos.


1.1.1. Propiedades físicas y químicas El hidrógeno es el primer elemento de la tabla periódica. Sus principales características, en condiciones normales, son que es un gas incoloro, inodoro, altamente inflamable e insípido, compuesto de moléculas diatómicas, H 2. (Lenntechh, 1998). Fue reconocido en 1776 por Henry Cavendish; más tarde en 1783, Antoine Lavoisier le daría el nombre por el cual lo conocemos. El átomo de hidrógeno, símbolo H, consta de un núcleo de unidad de carga positiva (protón) y un solo electrón, llamando a este isotopo como protio, siendo el más abundante del elemento natural. Esta composición hace posible que adquiera número de oxidación ±1, tiene número atómico 1 y peso atómico de 1.00797. Tiene dos isótopos: deuterio ( 2H, un neutrón en su núcleo) y tritio ( 3H, dos neutrones, radiactivo). Éstos son muy escasos (aproximadamente del orden de 0.01%). Ver video de apoyo. http://www.youtube.com/watch?v=YLEDZB7-uKk Entre las propiedades químicas del hidrógeno sus átomos reaccionan entre sí y también lo hacen con otros elementos, a excepción de los gases nobles. Con el grupo VII de los halógenos reacciona para formar haluros (H+, flúor, F-, cloro, Cl-, bromo, Br -, yodo, I - y ástato, At -); con los metales para dar hidruros (H- y Metal, M+), con el carbono, C, y los hidrocarburos (cadenas de Carbonos entre sí) para producir metano (CH4) y compuestos saturados, con el nitrógeno para formar amoníaco (NH 3) y con el oxígeno para producir agua (H 2O). La reacción para formar agua es lenta a temperatura ambiente, pero si la acelera un catalizador como el platino, Pt, o corriente eléctrica se realiza con violencia explosiva (Guervós S., 2003). La reacción química para obtener hidrógeno por hidrólisis es la siguiente: 

  →



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   Ecuación no Balanceada   

Ecuación Balanceada

Una vez con los elementos separados, recordemos que los gases son diatómicos (moléculas de 2 átomos del mismo elemento, en este caso H 2 y O2), los podemos pasar por una pila de combustible donde el hidrogeno es reducido en la superficie del ánodo en iones H +  →

   

Reacción Anódica

fluyendo hacia el cátodo a través del electrolito, mientras los electrones se transportan a un circuito externo (carga), como se muestra en la Imagen 1.

Seminario de hidrógeno y bioenergía Unidad 1. El hidrógeno       →

 

Reacción catódica

Como parte de la reacción anódica se producen electrones, dando lugar a la reacción catódica.

Diagrama de la reacción llevada a cabo en la pila de combustible. Fuente: basada en Linares H. & Moratilla S, (2007).

Su valor es de 142 mega julios por kilogramo (MJ/Kg) en comparación con 55 MJ/kg del gas natural o con 47 MJ/kg del petróleo. Esto es contrario a la baja densidad que presenta en forma de gas, 0.0838 kg/m³, así como líquido, 71 kg/m³, y esto conlleva a las dificultades de almacenamiento para sus aplicaciones al transporte, ya que se requiere aplicar mucha presión para mantenerlo como líquido. (Gutiérrez, 2005). Material combustible Hidrógeno Gas metano Gasolina Petróleo crudo Queroseno Antracita Coque Alcohol etílico Carbón vegetal Alcohol metílico Madera de pino Cascarón de coco Leña seca Aserrín seco Bagazo de caña seco Leña verde Planta

Calor especifico de combustión(MJ/kg) 142 55 47 47 46 35 34 30 30 22 21 20 18 15 9 9 9

Seminario de hidrógeno y bioenergía Unidad 1. El hidrógeno de maíz seca 8 Aserrín húmedo Comparación de los calores específicos de combustión de diversos materiales combustibles. Fuente: basado en Ovidio Pérez Ruiz Alfredo Villegas Sáez Instituto Superior Pedagógico Carlos Manuel de Céspedes, Cuba.

Cuando se estudian los valores de los calores específicos de combustión de diferentes combustibles, se pueden extraer algunas conclusiones de relevante importancia para lograr mayor eficiencia en su empleo. Esto puede ser, según sea el caso, utilizar el material más adecuado para la aplicación que se necesita y el costo sea considerable, así también podemos prever el combustible que impacte de la menor manera a nuestro entorno o que se tengan las formas para mitigar este impacto.

1.1.2. Usos y aplicaciones El hidrógeno puede llegar a ser la energía del siglo XXI, debido a que en todo el mundo están cada vez más interesados en el cambio climático provocado por la quema de combustibles fósiles, que son dos razones que impulsan las investigaciones acerca de este elemento. En el siglo pasado se utilizó al hidrógeno como combustible para transporte aéreo, imagen 2., pero por accidentes ocurridos en este sistema, se tuvo que optar por otras formas de transporte menos riesgosas.

Transporte aéreo usando hidrogeno, este sistema se desarrolló en la primera mitad del siglo XX. Fuente: basado en Sindelfingen, (Alemania).

Un ejemplo de los usos del hidrógeno es la diferencia que existe entre las pilas convencionales y el creciente desarrollo de los últimos años sobre la producción de pilas de combustible, que utilizan el hidrógeno para generar electricidad y únicamente producen como subproducto agua. El interés de las industrias aeroespacial y automovilista por el hidrógeno se debe a la llamada pila de combustible, donde el hidrógeno puede quemarse con el oxígeno, transformándose la energía de la combustión en electricidad. Una tecnología impulsada, fundamentalmente por las multinacionales automovilísticas, como también para nuevas generaciones de centrales de producción de electricidad y calor, están destinando cifras

Seminario de hidrógeno y bioenergía Unidad 1. El hidrógeno multimillonarias a la investigación y desarrollo de las pilas de combustible. Aquí podemos ver los ejemplos de vehículos híbridos traídos por estas compañías a México, desde el 2009.

Automóvil hibrido en México, combinando pilas de combustible (Hidrógeno) y gasolina. (Honda Civic Hybrid, 2011).

Sus principales aplicaciones industriales son el refinado de combustibles fósiles (como el hidrocracking, donde se utiliza para convertir cadenas largas de hidrocarburos en fracciones más ligeras, convenientes para su uso como combustibles), la producción de amoníaco (usado principalmente para fertilizantes), además se consumen grandes cantidades de hidrógeno en la hidrogenación catalítica de aceites vegetales líquidos insaturados para obtener grasas sólidas. La hidrogenación se utiliza en la manufactura de productos químicos orgánicos. Grandes cantidades de hidrógeno se emplean como combustible de cohetes, en combinación con oxígeno o flúor, y como un propulsor de cohetes impulsados por energía nuclear. (Lenntech, 1998).

Aplicaciones actuales del hidrógeno producido. F u e n t e : b a s a d o e n L i n a r e s H . & M o r a t i l l a S , (2007.)

Seminario de hidrógeno y bioenergía Unidad 1. El hidrógeno En la imagen anterior podemos observar la manera en la que se aplica en la actualidad el uso del hidrógeno y de la cual podemos concluir que menos del 5% lo podemos encontrar para la generación de energía por lo que todavía es muy poca la aplicación para este fin.

Actividad 1. Reacción química de la producción de hidrógeno Bienvenidos a la primer actividad de la unidad 1, en la cual deberás resolver una serie de problemas que te hará llegar tu Facilitador(a). 1. Lee detenidamente los problemas proporcionados por tu Facilitador(a). 2. Resuelve los ejercicios y guarda tu documento con el nombre de SHB_U1_A1_XXYZ. 3. Envía tu resultado al Facilitador(a). * Recuerda que tu documento no debe exceder los 4MB.

1.2. Producción de hidrógeno Además de poder llegar a ser, una fuente de energía ecológica para los vehículos del futuro, la pila de combustible constituye asimismo, una prometedora alternativa para aplicaciones a escala industrial. Tras firmar el protocolo de Kyoto y comprometerse a reducir el efecto invernadero, la Unión Europea, el líder en el tema, se ha fijado el objetivo de duplicar la proporción de energías renovables de aquí a diez años. Los proyectos de investigación desempeñan un papel fundamental en esta política ambientalista. Están encaminados no sólo a la innovación tecnológica, sino también a permitir salvar los obstáculos estructurales a la integración de los recursos sostenibles en nuestra vida diaria. Esta es la parte más importante de la producción de hidrógeno, el salvaguardar el medio ambiente y métodos de producción con la máxima eficiencia y uso de fuentes alternas de energía para cubrir los requerimientos térmicos en los procesos de producción. La alta temperatura es necesaria para la extracción del hidrógeno y para poder alcanzar un rendimiento apreciable es necesario acudir a la utilización de catalizadores y al empleo de ciclos, con el fin de reducir la temperatura máxima de trabajo y así requerir materiales que puedan funcionar en condiciones prácticas de resistencia mecánica y química adecuadas.


Ener ía nuclear

Ener ía renovable

Ener ía fósil

Biomasa Calor

Fotoelec trolisis Fermentación Energía mecánica Conversión química Electricidad

Termólisis del agua

Electrólisis

Hidrógeno

Biofotolisis

CO2

Métodos para obtención de Hidrógeno. Fuente basada en L i n a r e s H . & M o r a t i l l a S , ( 2 0 0 7 ) .

Existe un amplio abanico de posibilidades para producir hidrógeno: procedimientos químicos, disociación del agua por calor (termólisis), disociación del agua por electricidad (electrólisis), procedimientos biológicos por fermentación y disociación del agua mediante luz (fotólisis), los cuales los podemos observar en la imagen 5. Dichos procedimientos pueden ser implantados desde diferentes recursos energéticos: combustibles fósiles, energía nuclear y energías renovables, pudiéndose recurrir a más de una fuente, por ejemplo la termólisis o la electrólisis de alta temperatura, que se pueden lograr tanto desde la energía nuclear como también la concentración solar de alta temperatura. Entre las opciones renovables de tipo centralizado y con capacidad para grandes producciones de hidrógeno, la energía solar de alta temperatura, por concentración solar, ocupa un lugar destacado, aunque el desarrollo tecnológico se prevé a largo plazo. La biomasa (energía proveniente de plantas y organismos vivos) se sitúa con buenas perspectivas, ya que los costos son menores que la solar y con un horizonte de aplicación inmediato; aunque la producción de hidrógeno por este medio entra en competencia con la producción de biocombustibles, más sencilla y de mayor facilidad de penetración en el mercado, la cual analizaremos con más detalle en la unidad 3 de esta materia.

Seminario de hidrógeno y bioenergía Unidad 1. El hidrógeno Dado que las expectativas de reserva de carbón son de 200 años, este procedimiento presenta un elevado potencial, pues el recurso está muy extendido por todo el planeta y los costos son razonables en sistemas centralizados. Por otra parte, si este proceso entra a la Gasificación Integrada a un Ciclo Combinado (GICC, el cual veremos más adelante) presenta una gran flexibilidad, pues la misma planta puede producir hidrógeno y electricidad intensificando más un producto u otro según la demanda.

Origen de la producción de hidrógeno en la a ctualidad.

Fuente: basada en Linares H. & Moratilla S, (2007).

En la imagen se representan las fuentes energéticas de las que se obtiene el hidrógeno actualmente, produciéndose casi la mitad a partir del gas natural. En concreto, el 96% del hidrógeno requiere como energía primaria combustibles fósiles, siendo el 95% de la producción es para consumo propio de las industrias que lo demandan (Linares Hurtado & Moratilla Soria, 2007).

1.2.1. Producción de hidrógeno a través de la electrólisis El primer método que es muy utilizado, tanto para el campo industrial como científico, ya que en su momento la electricidad era más barata y abundante, este es mediante la electrolisis del agua empleando células electrolíticas de diseño y materiales muy diversos en su cátodo y ánodo (Gutiérrez Jodra, 2005), la presión utilizada para el proceso, la intensidad y densidad de corriente de operación. Para este objetivo tenemos que retomar algunos conceptos que se vieron en química. Para comenzar hay que ver el tema de energía libre, que es el cambio de energía libre de Gibbs, ΔG, es una medida

de la espontaneidad de un proceso que se lleva a cabo a temperatura y presión constantes. Puesto que la fuerza electromotriz (fem), E, de una reacción redox indica si la reacción es espontánea, la fem, en Volts (V), y el cambio de energía libre están relacionados según la siguiente ecuación ΔG = –nFE

En esta ecuación n es un número positivo sin unidades que representa el número de electrones que se transfieren en la reacción. La constante F es la constante de Faraday, así llamada en honor de Michael Faraday. La constante de Faraday es la cantidad de carga eléctrica de 1 mol de electrones.

Seminario de hidrógeno y bioenergía Unidad 1. El hidrógeno 1 F = 96,500 C/mol = 96,500 J/V-mol Las unidades del ΔG calculado mediante la ecuación son J/mol; en este caso “por mol” significa “por

mol de la reacción. Tanto n como F son números positivos. Por tanto, un valor positivo de E en la ecuación origina un valor negativo de ΔG. Recuerd a: tanto un valor positivo de E como un valor negativo de ΔG indican que la reacción es espontánea.

El producto n*F es la carga eléctrica total suministrada al sistema por la fuente externa de electricidad. El trabajo eléctrico se expresa en unidades de energía de watt por tiempo. El watt (W) es una unidad de potencia eléctrica (es decir, de rapidez de gasto de energía). 1 W = 1 J/s, así pues, un watt*segundo es un joule. La unidad que utilizan las compañías proveedoras de electricidad es el kilowatt-hora (kWh), que es igual a 3.6x10 6 J. 1kWh = (1000W)*(1h)*(3600s/1h)*((1J/s)/1 W) = 3.6*10 6 J Con base en estas consideraciones podemos calcular el trabajo máximo que se puede obtener de las celdas voltaicas y el trabajo mínimo necesario para lograr que se lleven a cabo las reacciones de electrólisis deseadas. En términos estrictos, las celdas de combustible, su principal ventaja es que su combustión produce solo agua, lo que significa que no emite gases de efecto invernadero, como ocurre con los combustibles fósiles e incluso con la biomasa. Esto le hace particularmente apropiado para sustituir a los derivados del petróleo. La sustitución de éstos, sin embargo, tiene el grave inconveniente de no ser un combustible primario. Hay que producirlo con otros (Gutiérrez Jodra, 2005). Las celdas de combustible, no son baterías porque no son sistemas autosuficientes. El sistema de celda de combustible más promisorio se basa en la reacción de H 2 (g) con O2 (g) para formar H2O (l) como único producto. Estas celdas generan electricidad con una eficiencia dos veces mayor que la del mejor motor de combustión interna. En condiciones básicas las reacciones de electrodo de la celda de combustible de hidrógeno son:         →         →

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 

Cátodo      Ánodo  

La fem estándar de una celda de combustible de H 2 y O2 es de + 1.23 V, valor que refleja la gran fuerza electromotriz de la reacción del H 2 con O2 para formar H 2O. Hasta hace poco tiempo las celdas de combustible no eran prácticas porque se necesitaban altas temperaturas de operación para que la reacción de celda se llevase a cabo con una rapidez apreciable. Ciertas membranas semipermeables y catalizadores de reciente invención permiten que las celdas de combustible de H 2 y O2 trabajen a temperaturas abajo de 100°C.

Seminario de hidrógeno y bioenergía Unidad 1. El hidrógeno Esta tecnología es la base de los vehículos no contaminantes que funcionan con celdas de combustible. Actualmente se llevan a cabo numerosas investigaciones para mejorar las celdas de combustible, y se destinan muchos esfuerzos a su perfeccionamiento que emplean combustibles convencionales como hidrocarburos y alcoholes, los cuales no presentan tantas dificultades de manejo y distribución como el hidrógeno gaseoso. Puesto que en ΔG = –nFE se tiene que ΔG = 0 cuando E=0. Recuérdese que un sistema está en equilibrio cuando ΔG = 0. Así pues, cuando E = 0 la reacción de la celda ha alcanzado el equilibrio y no se lleva a cabo una reacción neta en la celda voltaica. De la energía libre de la reacción 

  →

    Liberación de los iones del agua.

puede estimarse el potencial teórico necesario para llevar a cabo la electrolisis que es 1.23 voltios. A este potencial deben agregarse las diferencias de potencial, I, corriente en Amperes; que resultan de las resistencias óhmicas , ΣR, Sumatoria de resistencias en ohm, del electrolito y de los electrodos. Epráctico = EO + IΣRi Normalmente se asocia un número elevado de celdas en serie, lo que da lugar a una estructura que se suele denominar de filtro prensa por su semejanza con ese tipo de separador de sólidos y líquidos como se compara a continuación en la imagen. a)

b)

c)

a) Celda de combustible. (http://www.madrimasd.org/blogs/energiasalternativas/2009/05/04/117572 ). b) Celdas de combustible unidas en serie. (http://www.relaq.mx/RLQ/h2.html) . c) Filtro prensa el cual le da semejanza a las celdas de combustible unidas en serie. b)

Producción de Hidrógeno por electrólisis por diferentes fabricantes, electrolito: KOH 25 –35%. (G u t i é r r e z J . , L . ( 2 0 0 5 ) .

Seminario de hidrógeno y bioenergía Unidad 1. El hidrógeno En la tabla se dan las características de operación de diversos electrolizadores industriales. Hay que hacer notar los rendimientos, que no suelen llegar al 90%, el potencial, más bien próximo a los dos voltios, y la alta presión a que funcionan algunos modelos. Es evidente que el costo de la producción electrolítica depende básicamente del precio de la electricidad que se emplee. Solamente en algunos casos la electricidad tiene precios suficientemente bajos para poder utilizarla en la producción de hidrógeno, excepcionalmente, como en las centrales de producción o en la producción conjunta de calor y electricidad, sería viable obtener hidrógeno por este método.

1.2.2. Producción de hidrógeno a partir de combustibles fósiles Para obtener hidrógeno a partir de combustibles fósiles se utiliza la conversión química, actualmente un proceso utilizado en la industria química y petroquímica, pudiendo aplicarse tanto a combustibles fósiles (carbón e hidrocarburos) como a fuentes renovables (biomasa, energía proveniente de plantas y organismos vivos). Los principales procesos son: 1. Procesos de reformado Los procesos de reformado son muy usados hoy en día para la obtención de hidrógeno. Desde el punto de vista termodinámico se pueden clasificar en endotérmicos y exotérmicos. Los endotérmicos requieren de calor por una fuente externa, como lo es el reformado por vapor de agua; los exotérmicos liberan calor durante la reacción, esto es en el caso de la oxidación parcial. El reformado autotérmico es una combinación de los dos procesos, realizando primero la oxidación parcial para obtener calor y posteriormente utilizar este calor para realizar el reformado con vapor de agua, obteniendo así un balance neto de calor. Reformado por vapor de agua El proceso de reformado con vapor de agua, se puede aplicar a gran variedad de hidrocarburos, el más utilizado es el gas natural, metano (CH 4), de ahí proviene su nombre en inglés “Steam Methane Reformer” (SMR) o Reformado de Metano por Vapor de Agua, aunque también se pueden reformar gases licuados, hidrocarburos líquidos, y alcoholes con un catalizador para obtener hidrógeno. De todos ellos por su disponibilidad y facilidad de manejo es el gas natural, que es a quien particularizan las reacciones químicas    

    →

   ΔHº (298 K) = 206.48kJ/mol

El proceso consta de tres fases que se desarrollan en equipos diferentes, la reacción que se lleva a cabo en la primera fase es la del reformado propiamente dicha, que posee una entalpía de reacción estándar de +206.14 kJ/mol, es decir, es endotérmica. Se produce a altas temperaturas alrededor de 900ºC en tubos por los que fluye el metano y el vapor de agua a través de lechos del catalizador de níquel, Ni. Los tubos están dentro de un horno cuya temperatura es de 960ºC, aproximadamente, que se mantiene mediante quemadores.


Proceso de reformado con vapor de agua; fase 1, en el Reformador; fase2, en CO-shift y fase 3, Unidad PSA (pressure swing adsorption). (Linares H. & Moratilla S, 2007)

A la salida del reformador, fase 2, el gas se dirige a la unidad de separación de monóxido de carbono, CO, (“CO-shift” , en inglés) en la que se lleva a cabo la reacción con catalizador de cobre, Cu.   

    →

  

ΔHº (298 K) = -41.17 kJ/mol

la cual posee una entalpía de reacción estándar de -41.17 kJ/mol, siendo por tanto exotérmica. Como podemos notar, la cantidad de calor liberada en esta reacción no es suficiente para satisfacer la demanda de la reacción de reformado, por lo que parte del gas natural se utiliza en los quemadores para mantener la temperatura de operación del reformador. La energía de esta fase se aprovecha para precalentar el gas natural a su entrada al reformador. El gas producido (dióxido de carbono, CO 2 e hidrógeno, H 2) pasa por un condensador en el que se le retira el vapor de agua y finalmente llega a la tercera fase del proceso, la de depuración. El gas que llega a esta fase es un gas rico en H 2 con CO2, restos de agua, CO y CH 4. La corriente gaseosa se depura en un sistema separador de membranas o un sistema de adsorción por variación de presión (su nombre en inglés “Pressure Swing Adsorption” , PSA) de donde se obtiene hidrógeno con una pureza de 99.999%. Los gases adsorbidos constituyen el llamado “gas de cola” que al ser combustibles, se recirculan hacia los quemadores del reformador. Aunque es menos usual, también es posible aplicar el reformado con vapor de agua a alcoholes y a gasolinas. La utilización de alcoholes de cadena corta, como el metanol, resulta menos endotérmica (requiere menos calor) que la del gas natural y se lleva a cabo a temperaturas más bajas (200 a 300ºC), alcanzando conversiones cercanas al 99%. Basado en este hecho hace viable pensar en producir hidrógeno por este tipo de reformado, para aplicarlo en transporte a partir de metanol. Sin

Seminario de hidrógeno y bioenergía Unidad 1. El hidrógeno embargo, hay un fuerte desarrollo de pilas de combustible de metanol directo, sin necesidad del reformado, por lo que se pierde el interés de esta aplicación. – Oxidación parcial

La oxidación parcial (en inglés “Partial OXidation” , POX), consiste en una reacción de oxidación incompleta de un hidrocarburo, por ejemplo gas natural, donde sólo se oxida el carbono pero sólo hasta obtener CO, dejando libre el hidrógeno, según la siguiente reacción 

   →

  

ΔHº (298 K) = -36kJ/mol

La entalpía estándar de reacción es de -36 kJ/mol, reacción exotérmica, pudiendo así prescindir de quemadores externos para mantener la reacción. La reacción se lleva a cabo con oxígeno, O 2, o con aire en presencia de catalizadores. La alta concentración de monóxido de carbono, CO, en el gas obtenido puede generar deposición de residuos de carbón, sobre todo si la reacción ocurre a presión elevada, lo que es deseable para lograr reformadores más pequeños. Estos residuos de carbón depositados sobre los catalizadores inhibe la continuación del proceso. El CO formado se puede continuar oxidándolo para formar CO 2 o bien desplazándolo hasta el final con agua, para obtener más hidrógeno y nuevamente CO 2. Siendo la reacción exotérmica en este proceso y que se lleve a cabo con relativa facilidad, abre una posibilidad como medio para producir hidrógeno en aplicaciones de transporte, al poder utilizar la experiencia de vehículos alimentados con gas natural. En este caso no sería factible la captura de CO2. Además que la eficiencia del proceso es de 70%, aproximadamente en grandes producciones industriales. – Reformado autotérmico

El reformado autotérmico (en inglés “Auto-Thermal Reforming” , ATR) este método combina el SMR y el POX, anteriormente vistos, en el que el calor liberado en la reacción de oxidación es aprovechado para elevar la temperatura necesaria para el proceso de reformado de metano por vapor de agua, dando lugar a un equilibrio de energía total. Este proceso es aplicado industrialmente en grandes unidades centralizadas. El CO producido es desplazado con agua para producir más hidrógeno y CO2. La eficiencia del proceso es similar a la del método de oxidación parcial. 2. Pirolisis La pirolisis consiste en la descomposición de un material sólido (puede ser carbón o biomasa, usado como combustible) mediante la acción de calor (normalmente a unos 450ºC para la biomasa y 1,200ºC para el carbón) en ausencia de oxígeno. Los productos finales de esta reacción dependen del material empleado, de la temperatura y presión de operación y del tiempo de permanencia del material en la unidad. Los productos que se pueden obtener son: 

Gases compuestos por H2, CO, CO2 e hidrocarburos (el más común es metano).

Seminario de hidrógeno y bioenergía Unidad 1. El hidrógeno 

Residuos de carbón (coque).

Para que se produzca hidrógeno como un gas de síntesis, que viene acompañado de CO, se necesita controlar la reacción, que es lo interesante, para después pasar a un proceso de purificación, como ya lo vimos en el proceso de reformado por vapor de agua. Este proceso de pirolisis también puede aplicarse a los residuos sólidos urbanos, los cuales representan un grave problema en las grandes urbes de los países, logrando obtener líquidos hidrocarbonados que posteriormente pueden ser usados en algún proceso de reformado para obtener hidrógeno. 3. Gasificación Muy parecido a la pirolisis es el proceso de gasificación, la diferencia consiste en una combustión con deficiencia de oxígeno, mientras que la pirolisis es completamente ausente de oxígeno, en este proceso se obtiene CO, CO 2, H2 y CH4, en proporciones diversas según la composición de la materia prima y las condiciones del proceso. El oxígeno se limita entre un 10 y un 50% del requerido estequiométricamente y las temperaturas pueden oscilar entre 700 y 1,500ºC. La gasificación puede aplicarse tanto a la biomasa como al carbón. La reacción se lleva a cabo con oxígeno y vapor de agua, del cual se obtiene un gas de síntesis (H 2 y CO) que puede ser empleado, también para obtener combustibles líquidos como metanol y gasolina. La gasificación a partir de carbón merece una exposición algo más detallada, pues puede ser un proceso viable a gran escala para la producción de hidrógeno, en el que la captura de CO 2 resulta rentable si se realiza en instalaciones centralizadas. En concreto, la gasificación de carbón se puede llevar a cabo en la llamada Gasificación Integrada en un Ciclo Combinado (GICC) que se puede complementar con captura de CO 2. Así se puede hablar de una nueva forma de cogeneración: la producción simultánea de electricidad e hidrógeno, mostrado en la figura siguiente.


Esquema de gasificación integrado a un ciclo combinado (GICC). ( L i n a r e s H . & M o r a t i l l a S , 2 0 0 7 )

En la imagen 9 se recoge el esquema básico del proceso de gasificación. Una vez que el gas obtenido es limpiado de compuestos de azufre y cenizas se pasa a la separación de la mezcla de H 2 y CO2. Desplazando estos gases para finalmente purificar el H 2 y dejándolo con una pureza del 99.99%. La integración consta de tres niveles: 





El aire para obtener oxígeno en la gasificación, viene presurizado del compresor del proceso de gas del ciclo combinado. El nitrógeno obtenido a partir de la separación del oxígeno del aire, se emplea para el transporte neumático y el acondicionamiento del carbón, así como para controlar la temperatura de la cámara de combustión del proceso de gas del ciclo combinado, reduciendo con esto la formación de NOx. En el enfriamiento del gas producido se obtiene vapor, que sirve también de alimentación al proceso de vapor del ciclo combinado, complementando la caldera de recuperación.


Integración de la producción de hidrógeno con captura de CO 2 en ciclo combinado con gasificación de carbón. ( L i n a r e s H . & Moratilla S, 2007)

La imagen 10 se presenta la integración de los sistemas anteriormente descritos para producir de forma simultánea electricidad e hidrógeno. El gas obtenido a partir de la separación de CO 2, tiene una concentración de hidrógeno entre el 70 y el 80%, suficiente para usarlo en la combustión en el ciclo combinado, sólo o junto con los gases residuales. Este hidrógeno también podría ser empleado para las pilas de combustible de alta temperatura las cuales no exigen demasiada pureza de hidrógeno, como las pilas de combustible de baja temperatura. De cualquier manera con un proceso de purificación del hidrógeno, como el que se realiza en el reformado por vapor de agua, se puede producir hidrógeno de gran nivel de pureza, apto también para las pilas de combustible de baja temperatura. En los procesos de conversión química anteriores se produce también CO 2 en mayor o menor medida, siendo posible atraparlo. Esto para aprovechar los Mecanismos de Desarrollo Limpios (MDL) que promueve la Organización de las Naciones Unidas (ONU), mediante los bonos de carbono y su compra-venta en los países inscritos al protocolo de Kioto, pudiendo ser mayores los beneficios al estar promoviendo acciones para la mitigación del calentamiento global.CO 2, aunque quizás el costo económico no se vea justificado.

1.2.3. Producción de hidrógeno a través de procesos biológicos Como ya lo habíamos comentado, el Hidrógeno tiene el más alto contenido de energía por unidad de peso de los combustibles conocidos (142 MJ/Kg) y es el único combustible común que no está enlazado químicamente al carbono. Además, la quema de hidrógeno no contribuye directamente al efecto de gases invernadero, disminución de la capa de ozono y lluvias ácidas. Cuando el hidrógeno se quema en presencia de aire, se genera nada más que vapor de agua y energía calorífica. Sin

Seminario de hidrógeno y bioenergía Unidad 1. El hidrógeno embargo, y como ya lo habíamos visto, el 95% del hidrógeno comercial es producido de materias primas conteniendo carbono, principalmente proveniente de fuentes fósiles y en procesos de alto consumo de energía y no siempre benignos con el ambiente. Bajo estas circunstancias, la producción de hidrógeno biológico (biohidrógeno) resulta de gran importancia como una fuente de energía alterna.

Procesos Biológicos para la obtención de Hidrógeno. (C a n c h é E , G . , A l z a t e G , L . , O r d o ñ e z , L . , & S m i t , M . , 2 0 0 8 ) .

Los procesos para la producción biológica de hidrógeno, las reacciones que se llevan a cabo y los microorganismos utilizados se muestran en la tabla 3. Una gran ventaja de estos procesos biológicos es que son llevados a cabo a temperatura y a presión ambiente, por lo que requieren menos energía que los procesos de conversión química o de electrolisis, además de que un gran número de especies microbianas producen hidrógeno. Los microorganismos producen hidrógeno a partir de compuestos orgánicos, ya sea que estén utilizando únicamente la energía química de estos sustratos que es la fermentación heterotrófica, dicho de otra manera a partir del sustrato utilizan su energía para producir hidrógeno. También existen los microorganismos que mediante la utilización adicional de energía luminosa producen hidrógeno, esto es llamada fermentación foto heterotrófica, la cual utiliza la energía a partir de una fuente lumínica para producir hidrógeno. Las fermentaciones heterotróficas para la producción de hidrógeno pueden realizarse con una amplia variedad de microorganismos que pueden ser anaerobias (que trabajan en ausencia de aire como las clostidria, ruminocci and archea), anaerobias facultativas (que en presencia de oxigeno respiran y en ausencia producen hidrógeno como las Escherichai coli y Enterobacter aerogenes) y aerobias (que

Seminario de hidrógeno y bioenergía Unidad 1. El hidrógeno requieren aire para trabajar por ejemplo las Alcaligenes eutrophus y Bacillus licheniformis) cuando se mantienen bajo condiciones anóxicas (falta casi total del oxígeno). La fermentación es un método de bajo rendimiento en la producción de biohidrógeno, pero con un futuro promisorio debido a su mayor velocidad de producción de H 2, trabaja en ausencia de una fuente de luz, así como también es versatilidad en los procesos usados. Otra ventaja, es que los organismos fermentativos tienen altas velocidades de crecimiento y no sufren de efectos inhibitorios por la presencia de oxígeno en el sistema. La producción fotobiológica de hidrógeno puede llevarse a cabo por microorganismos fotoautotróficos, en presencia de luz para obtener su energía, y heterotróficos, que requieren alimentarse de sustancias orgánicas. En la producción de fotoautotrófica de hidrógeno, la energía solar capturada es utilizada para producir hidrógeno y oxígeno del agua (biofotólisis de agua). La desventaja en este proceso es que el oxígeno y el hidrógeno son producidos al mismo tiempo, lo que provoca la inhibición de las enzimas productoras de hidrógeno, por la presencia de oxígeno. En la producción heterotrófica de hidrógeno, se utiliza la energía solar y compuestos orgánicos como sustratos. En la imagen 11 podemos observar los medios fotobiológicos y fermentativos para la producción de hidrógeno.

Esquema de producción de Hidrógeno por m edios biológicos. C a n c h é E , G . , A l z a t e G , L . , O r d o ñ e z , L . , & S m i t , M . , 2008).

1.2.4. Producción de hidrógeno a partir de biomasa La biomasa es la materia orgánica originada en un proceso biológico y que puede ser utiliza como energía. La energía que contiene la biomasa es energía solar almacenada a través de la fotosíntesis, proceso por el cual algunos organismos vivos, como las plantas, utilizan la energía solar para convertir los compuestos inorgánicos (como el CO2) que asimilan como compuestos orgánicos.

Seminario de hidrógeno y bioenergía Unidad 1. El hidrógeno La biomasa vegetal es la más antigua fuente de energía renovable conocida y tiene un alto contenido de energía. Los recursos de biomasa comprenden desde los desechos agrícolas y forestales, los desperdicios vegetales municipales, así como cultivos terrestres y acuáticos producidos exclusivamente para la producción de energía y son conocidos como cultivos energéticos. La biomasa está distribuida en forma más homogénea sobre la superficie de la tierra que los recursos energéticos no renovables y puede ser explotada utilizando tecnologías económicas. Además, no tiene el mismo impacto ambiental comparado con las fuentes energéticas no renovables. México es un país rico en biomasa vegetal, que consiste principalmente de recursos forestales, teniendo una mayor concentración en la región Sur-Sureste del País. También se genera biomasa vegetal a partir de productos de los cultivos agrícolas (maíz, frijol, sorgo, etc.) o ya sea perennes (caña de azúcar, plátano, café, cocoteros, etc.). Además, como residuos de las actividades agroindustriales en el aprovechamiento de los cultivos, se genera una gran cantidad de residuos vegetales (bagazo de caña, pseudotallos y pinzonte del plátano, fibras de coco, etc.), que son por lo general una fuente de contaminación, por su volumen y poco aprovechamiento; por lo que se buscan alternativas de uso de estos materiales, que permitan al mismo tiempo, una reducción en su volumen y darle una aplicación práctica a estos residuos. Las plantas contienen principalmente tres polímeros dentro de sus paredes celulares: celulosa (un homopolisacárido lineal, compuesto por un solo tipo de monosacárido, consistente de unidades de glucosa unida con enlaces β-1,4-O-glicosídicos), hemicelulosa (polisacáridos, compuesto por más de un tipo diferente de monosacárido, no celulósicos principalmente xilanos, mananos y glucanos) y lignina (una estructura polifenólica entrecruzada, compuesto por más de un grupo diferente de fenoles). Cada parte se puede observar mejor en la siguiente imagen.

Estructura de la pared celular.

La pared celular está constituida por fibras de celulosa parcialmente arregladas en estructuras semicristalinas, integradas con la celulosa y rodeadas de lignina, esta estructura es conocida como lignocelulosa, la cual también puede ser utilizada como materia prima para la producción de bioetanol. Los contenidos de celulosa, hemicelulosa y lignina en residuos agrícolas comunes se presentan en la tabla 4.


Composición química de algunas fuentes de biomasa. ( C a n c h é E , G . , A l z a t e G , L . , O r d o ñ e z , L . , & S m i t , M . , 2 0 0 8 ) .

Estas ventajas convierten a la biomasa en una de las fuentes potenciales de empleo en el futuro, siendo un elemento de gran importancia para el equilibrio territorial, en especial en las zonas rurales. La conversión biológica de lignocelulosa a biocombustibles líquidos ya sea etanol o gaseosos como el hidrógeno y metano incluye dos procesos: hidrólisis de la celulosa presente en los materiales lignocelulósicos convirtiéndola en azúcares reductores y mediante la fermentación de los azucares a etanol, hidrógeno o metano. La hidrólisis es usualmente catalizada por enzimas de celulasa y la fermentación es realizada por levaduras o bacterias. Entre los factores que se han identificado que afectan la hidrólisis de celulosa se incluye la porosidad de los residuos agrícolas, cristalinidad de las fibras de celulosa y el contenido de hemicelulosa y lignina. Se ha encontrado que realizando tratamientos a los materiales lignocelulósicos, antes de la hidrólisis, se puede mejorar significativamente la hidrólisis de la celulosa. Esto con el propósito de estos tratamientos es remover la lignina y hemicelulosa, reducir la cristalinidad de la celulosa e incrementar la porosidad de los materiales. Los pretratamientos y la hidrólisis de la lignocelulosa se pueden llevar a cabo por métodos físicos, como el tratamiento con vapor, químicos con la hidrólisis ácida o alcalina, enzimáticos o por una combinación de estos métodos. También se pueden utilizar microorganismos para el tratamiento de la biomasa, debido a que éstos poseen baterías enzimáticas capaces de bioprocesar los materiales, para este caso la principal limitante es la protección física que representa la lignina sobre la celulosa; la cual es el polisacárido del que se obtienen los azúcares fermentables a partir de los desechos agroindustriales. Así, adicionando organismos ligninolíticos los procesos de hidrólisis pueden ser optimizados, los cuales poseen fenoloxidasa y peroxidasas que tienen la capacidad de degradar la lignina y dejan expuesta la celulosa lista para ser biodigerida. Es recomendable emplear microorganismos aislados de los propios sustratos biomásicos a biodegradar, debido a que los microorganismos crecerán bajo condiciones cercanas a su hábitat y tendrán más capacidad de producir y secretar las enzimas que se requieren.

Seminario de hidrógeno y bioenergía Unidad 1. El hidrógeno Los productos de la hidrólisis son por lo general azúcares reductores incluyendo glucosa. Los costos de la hidrólisis enzimáticas son bajos en comparación con las hidrólisis alcalina o ácidas, ya que la hidrólisis enzimática se lleva a cabo en condiciones suaves (pH 4.8 y temperaturas de 45 a 50 °C) y no se tiene problemas de corrosión. Las bacterias y hongos pueden producir celulasas para la hidrólisis de materiales lignocelulósicos. Estos microorganismos pueden ser aeróbicos o anaeróbicos, mesofílicos (a temperaturas cercanas al ambiente<45°C) o termofílicos (soportan temperaturas extremas >45°C). Bacterias pertenecientes a Clostridium, Cellumonas, Themonospora, Runinicoccus, Bacteriodos, entre otras producen celulasa. Las bacterias cellulomonas fimi y Thermonosfora fusca han sido extensamente estudiadas para la producción de celulasas. En los hongos también se ha realizado mucha investigación para la producción comercial de celulasas. Entre los hongos que se han reportado como productores de celulasa incluyen a Sclerotium rolfsii, P. chrysosporium y especies de Thricoderma, Aspergillus, Schizophylum and Penicilium. Los factores que afectan la hidrólisis enzimática son el tipo de sustrato, la actividad de la celulasa y las condiciones de reacción (temperatura, pH, y otros parámetros). Pudimos observar en la tabla 4, las hemicelulosas presentes en los residuos lignocelulósicos, que también pueden ser una fuente de azucares fermentables, además que éstos se encuentran presentes en contenidos del 20 al 50% en peso de estos residuos. Por esta característica, la utilización de los azúcares hemicelulosicos es esencial para una eficiente conversión de materiales lignocelulósicos para la producción de biocombustibles y otros productos de valor agregado. Las hemicelulosas son polímeros heterogéneos de pentosas (xilosa, arabinosa), hexosas (manosa, glucosa, galactosa) y azúcares ácidos, siendo los xilanos, las hemicelulosas más abundantes. Muchos microorganismo tales como Penicilium capsulate y Talaromices emersonii, poseen sistemas enzimáticos que degradan completamente a los xilanos. Aunque la estructura del xilano es más compleja que la misma celulosa y requiere diferentes enzimas para una completa hidrólisis, los polisacáridos no forman estructuras cristalinas altamente empacadas como la celulosa, por lo que se tienen menos problemas de accesibilidad. De esta manera, se vislumbra un amplio campo de investigación de producción de hidrógeno por medio de biomasa, para lo cual las características de las plantas y los tratamiento de sus residuos son esenciales para poder producir a gran escala hidrógeno, donde los microorganismos son parte importante de una exitosa fuente de energía limpia.

Seminario de hidrógeno y bioenergía Unidad 1. El hidrógeno 1.2.5. Producción de hidrógeno a través de procesos termoquímicos Los procesos termoquímicos regularmente son llamados de termólisis, que implican la extracción del hidrógeno a partir de la molécula de un hidrocarburo o agua, mediante la aplicación de calor. Bajo esta definición el reformado, la gasificación y la pirolisis, vistos anteriormente, se pueden entender como procesos de termólisis. A partir de la fuente de calor empleada se pueden considerar estos procesos, ya sea como métodos químicos o termolíticos. Así pues, se habla de procesos químicos, en el sentido dado en el tema 1.2.2, cuando el calor para el proceso es extraído de la propia materia prima a través de una combustión; por el contrario se diferenciará de la termólisis cuando el calor procede de una fuente externa, como la energía solar concentrada o la energía nuclear de alta temperatura.

Procesos termoquímicos divididos en clases según la temperatura de operación. ( L i n a r e s H . & M o r a t i l l a S , 2 0 0 7 )

Los procesos termolíticos se pueden agrupar, en función de la temperatura de operación, en tres clases de procesos, los cuales los podemos observar en la tabla 5. El proceso a temperatura de 2,500Kelvin (K) es el de la termólisis directa del agua, por lo que resulta inviable en la práctica. A temperatura intermedia (Clase II) se tienen los procesos de descarbonización de combustibles fósiles (pirólisis, gasificación y reformado), situados todos alrededor de 1,000K y ya tratados en el apartado 1.2.2. El hablar de ellos en este tema se debe a que la cantidad de calor que se requiere para las reacciones, puede ser abastecida a partir de una fuente como la solar o nuclear, pero que de igual forma fueron tratadas en el capítulo antes dicho.

Seminario de hidrógeno y bioenergía Unidad 1. El hidrógeno Las reacciones de reducción de óxidos metálicos, pertenecen también a la Clase II, que se sitúan en un nivel superior de temperaturas, sobre los 2,500K, siendo poco rentable . Por último, a “baja temperatura” (entre 900 y 1,000 K) se verifican ciertos ciclos termoquímicos, Clase I, de los que el de yodo-azufre es el más prometedor.

Procesos de Clase I Basado en ciclos termoquímicos de temperatura moderada, siendo principalmente, los basados en la familia del azufre y los de tipo UT-3. Familia del azufre Se trata de un ciclo termoquímico desarrollado por General Atomics en los años 70 y que requiere básicamente dos niveles térmicos, uno a 850ºC para la descomposición del ácido sulfúrico, H 2SO4 y otro a 360ºC para la descomposición del ácido yodhídrico, HI, tal como se muestra en la imagen 12.

Diagrama de bloques del ciclo del SI. ( L i n a r e s H . & M o r a t i l l a S , 2 0 0 7 )

La parte importante del proceso se lleva a cabo en la reacción de Bunsen, en la cual el yodo diatómico, I 2, reacciona con el dióxido de azufre, SO 2, y agua a una temperatura de 120°C; produciendo acido yodhídrico, agua, yodo diatómico sin reaccionar y ácido sulfúrico como se muestra en la reacción 9I2 + SO2 + 16H2O →

 

2HI + 10H2O + 8I2 + H2SO4 + 4H2O D1

D2

Tras esta reacción se realizan dos procesos de destilación, uno sobre los productos D1 y otro sobre los D2. La destilación sobre D1 produce HI y se verifica a 230ºC; con el HI separado se procede a su descomposición para la obtención de hidrógeno y yodo, según la reacción 2HI →

 

H2 + I2

La destilación sobre los productos D2, a 360ºC, produce H 2SO4, que finalmente es descompuesto a 870°C H2SO4 →



SO2 + H2O + ½O2

Seminario de hidrógeno y bioenergía Unidad 1. El hidrógeno Esta reacción es la que fija la demanda de calor de alta temperatura del proceso 4. El proceso descrito supone un ciclo del SO 2 y el H2O, de la última reacción y el I 2, producto de la reacción donde se obtuvo H 2, estos productos se dirigen hacia la reacción Bunsen, que sólo consume del exterior H2O. Como productos del ciclo se produce H 2 y O2. Observando las entradas y salidas de sustancias de este proceso podemos constatar que la reacción global propia del proceso de termólisis es H2O →

H2 + ½O2

Ciclo UT-3 Es un ciclo desarrollado por la Universidad de Tokio y requiere de diversos niveles térmicos, de hasta 750ºC. El proceso sufre una reducción de eficiencia debido al mal acoplamiento de las fuentes de calor disponibles, siendo las utilizadas en este país la de reactores nucleares de alta temperatura, aunado al riesgo que este proceso por sí mismo representa. En la separación del hidrógeno, es utilizan membranas que trabajan a una presión menor que la atmosférica, por lo que es preciso comprimir el H2 y el O2, con el consecuente consumo energético. La imagen 12 muestra un diagrama de bloques del proceso.

Esquema del ciclo UT-3. ( L i n a r e s H . & M o r a t i l l a S , 2 0 0 7 )

Estos procesos quedan limitados a la aplicación solamente en los países de donde provienen, debido a sus condiciones geográficas que los limitan a aprovechar al máximo todos los sistemas de generación de energía, siendo incosteables para lugares donde hay gran cantidad de formas de producir hidrógeno.

Procesos de Clase II Procesos por reducción de óxidos metálicos Este proceso queda descrito genéricamente mediante las reacciones MxOy → xM + y/2O 2 y xM + yH2O → MxOy + yH2

Seminario de hidrógeno y bioenergía Unidad 1. El hidrógeno donde MxOy representa un óxido metálico, que es descompuesto en sus elementos Metal, M y Oxígeno, O2. El Metal se reacciona con agua y se produce un oxido metálico, M xOy que libera Hidrógeno, H2. Aunque se pueden emplear varios óxidos metálicos, el más promisorio es el óxido de Zinc, ZnO, denominándose al ciclo Zinc/Óxido de Zinc, Zn/ZnO. El inconveniente de este ciclo es la reacción que se lleva a cabo a 2,300K. Para alcanzar esas temperaturas se están proyectando sistemas de concentración solar que serán comentados más adelante. El esquema de este procedimiento se representa en la imagen 13.

Diagrama de bloques del ciclo Zn/ZnO. ( L i n a r e s H . & M o r a t i l l a S , 2 0 0 7 )

Algunas variantes que se utilizar en este ciclo es la descomposición del ZnO con la ayuda de carbono, C, (disociación carbotérmica) procedente de biomasa, coque, etc., según la reacción que produce el metal que es Zn y monóxido de carbono. CO. ZnO + C →

Zn + CO

La ventaja de este procedimiento es que se reduce la temperatura de la reacción a 1,300K, es decir, unos 1,000K por debajo de la reacción propuesta del ciclo, aprovechando también la biomasa. . Como ya se ha mencionado, los procesos de reformado por vapor (SMR), pirólisis y gasificación, se incluyen en los medios termolíticos en la medida en que el calor que consumen se suministre mediante fuentes externas adecuadas y no mediante la combustión del propio recurso. Como se aprecia, los métodos termoquímicos ocurren al igual que los procesos por combustibles fósiles, pero abriéndose un gran abanico de posibilidades para proveer de calor por medio de energías renovables, evitando la emisión de gases de efecto invernadero.

Seminario de hidrógeno y bioenergía Unidad 1. El hidrógeno Actividad 2. Conociendo los métodos de producción del hidrógeno La siguiente actividad consiste en la elaboración de un cuadro comparativo de los métodos de producción del hidrógeno donde deberás realizar lo siguiente: 1. Investiga y lee artículos relacionados con los métodos de producción del hidrógeno. 2. Construye un cuadro comparativo donde consideres los siguientes aspectos: Ventajas y desventajas que incluyan costos de producción, Material necesarios, Cantidad de producción, Recursos disponibles en México (o su comunidad) con lo que se cuenta, etc. (considerara video o animación www.hynergreen.com)    

3. Comparte tu cuadro en la herramienta Base de datos y comenta y retroalimenta en por lo menos dos de los cuadros de tus compañeros.

Actividad 3. Métodos de producción del hidrógeno Participa en el foro de Métodos de producción. 1. Lee las preguntas detonadoras proporcionadas por tu Facilitador(a). 2. Comenta en por lo menos dos de las aportaciones de tus compañeros. 3. Consulta la rúbrica general de foros que se encuentra en la sección material de apoyo.

Actividad 4. Costos de producción de hidrógeno En la presente actividad deberás resolver los ejercicios que te proporciona tu Facilitador(a). 1. Lee detenidamente los problemas proporcionados por tu facilitador. 2. Resuelve los ejercicios y guarda tu documento con el nombre de SHB_U1_A1_XXYZ. 3. Envía tu resultado al Facilitador(a). Recuerda que tu documento no debe exceder los 4MB.

Seminario de hidrógeno y bioenergía Unidad 1. El hidrógeno Autoevaluación Antes de continuar con la última actividad de la unidad, es necesario que realices el siguiente ejercicio para que verifiques lo que aprendiste hasta el momento, para ello resuelve la Autoevaluación que se encuentra en la sesión de la Unidad 1. El hidrógeno .

Evidencia de aprendizaje. Estudio técnico de la viabilidad de un sistema de producción de hidrógeno Esta actividad tiene como objetivo, ayudarte a integrar la información que has obtenido a lo largo de la unidad, te permitirá identificar que métodos de producción puedes aplicar en tu comunidad. En tu comunidad:

1. Investiga que recursos naturales que se utilicen en la producción de energía de hidrógeno existen en tu comunidad, tomando en cuenta los métodos de producción de hidrógeno.

2. Retoma los resultados de las actividades 2 y 4, y obtén el costo de producción de cada recurso natural para producción de hidrógeno.

3. Elige la que consideres que sería la mejor opción para generar energía en tu comunidad. Metodología justificada

4. Una vez que identifiques la fuente y el método de producción del hidrógeno, incluyendo el costo, has una justificación del por qué es la mejor opción en tu comunidad.

5. Realiza un análisis del potencial energético del recurso natural elegido para la producción de hidrógeno en tu comunidad.

6. Guarda y envía tu actividad al Facilitador(a), espera su retroalimentación y de ser necesario modifica tu trabajo y vuelve a enviarlo.

7. Consulta la Escala de evaluación. *Recuerda que tu documento no debe exceder los 4 MB.

Seminario de hidrógeno y bioenergía Unidad 1. El hidrógeno Autorreflexiones Para finalizar con el estudio de la unidad debes entregar el ejercicio de Autorreflexión, a partir de las preguntas que te realizará tu Facilitador(a) en el foro de Preguntas de autorreflexión. Recuerda que debes realizar un documento por unidad y al entregar los 3 archivos correspondientes a cada unidad obtendrás el 10% de tu calificación final.

Cierre de la unidad Como pudimos percibir en esta unidad, las propiedades del hidrógeno le dan una gran ventaja sobre otros combustibles, además que tiene una gran variedad de métodos de producción desde pequeñas cantidades en un laboratorio, hasta gran escala para utilizarlo en la generación de energía eléctrica en pilas de combustible. Como puedes darte cuenta, no existe un método que sea la fórmula perfecta para la producción de hidrógeno, todos presentan sus ventajas y desventajas, pero sobretodo, es necesario que cada comunidad aproveche los recursos que su entorno le ofrece para producir hidrógeno al menor costo y con el menor impacto a la sociedad y el medio ambiente. Las celdas de combustible es un tema muy amplio que puede llevar hasta una materia aparte de la cual mucha es investigación para el uso de materiales menos costosos, puedes infórmate más de este tema en la sección para saber más…

Para saber más 

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LANDEROS AYALA, Salvador; Pedro MATABUENAS CASCAJARES y Omar SOLORZA FERIA. Tecnología del hidrógeno. Revista Ciencia y Desarrollo [en línea]. Abril 2006, vol. 32, no. 194. Disponible en: http://www.conacyt.mx/comunicacion/revista/194/Articulos/Tecnologiadelhidrogeno/TH00.html Red Nacional del hidrógeno, Asociación Civil, http://rnh2.org/

Fuentes de consulta 

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Canché Escamilla, G., Alzate Gaviria, L., Ordoñez, L. C., & Smit, M. (2008). Curso de biohidrógeno y celdas de combustible. Mérida, Yucatán: ANES. Guervós Sánchez, M. E. (2003). El hidrógeno como alternativa energética de futuro . Recuperado de http://es.scribd.com/doc/35980647/Hidrogeno-Como-Combustible

Unidad 1. El Hidrogeno

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