‘Hidrógeno’

Producción solar de hidrógeno a partir del agua: Proyecto HYDROSOL-Plant

[Autor: Alfonso Vidal; CIEMAT-Plataforma Solar de Almería]

Desde el punto de vista medioambiental, la mayor preocupación en los países industrializados está centrada en encontrar opciones viables al sector transporte causante de la emisión de gases de efecto invernadero. En efecto, el transporte, representa más del 30% del total de consumo de energía y depende de un 98% de los combustibles fósiles; este sector es la principal causa del incumplimiento de los objetivos y compromisos del Protocolo de Kioto.

Una de las respuestas a este problema es el uso de hidrógeno como fuente de energía y su transformación en electricidad por medio de las llamadas pilas de combustible. Esta propuesta reduciría la dependencia actual sobre los combustibles fósiles, ya que el hidrógeno podría ser generado a partir de otras fuentes primarias como las renovables. Igualmente se disminuiría la contaminación atmosférica y la emisión de gases de efecto invernadero, puesto que el único residuo generado por una pila de combustible es agua.

La utilización  hidrógeno a gran escala debería ir acompañada del necesario desarrollo de procesos de generación que garanticen un desarrollo sostenible sin el consumo de combustibles fósiles. El proyecto HYDROSOL tiene como objetivo principal  demostrar la viabilidad técnica de la producción solar de H2 a partir de radiación solar concentrada. 


Fig. 1 Vista del campo CRS con los helióstatos en primer término y la torre metálica.

El proyecto HYDROSOL PLANT, “Thermochemical HYDROgen production in a SOLar monolithic reactor: construction and operation of a 750 kW PLANT” (Producción solar termoquímica de hidrógeno en un reactor monolítico: construcción y operación de una planta de 750 KW), es proyecto financiado por la Unión Europea dentro de la iniciativa FCH-JU (Fuel Cell and Hydrogen Joint Undertaking, Iniciativa Tecnológica Conjunta en Pilas de Combustible e Hidrógeno). El proyecto cuenta con la participación de diferentes Instituciones y empresas europeas, APTL (Aerosol and Particle Technology Laboratory, Laboratorio de Tecnología de Partículas y Aerosoles, Grecia), DLR (German Aerospace Center, Agencia Aeroespacial Alemana, Alemania), HYGEAR (Engineering for sustainable growth, Ingeniería para un crecimiento sostenible, Holanda), CIEMAT (España) y HELP-RES (Hellenic Petroleum – Renewables Energy Resources S.A, Compañía de Petróleos Helénica-Fuentes de Energía Renovables, S.A.), y la Plataforma Solar de Almería perteneciente al  CIEMAT.

Este proyecto vendría a completar iniciativas anteriores, como HYDROSOL II e HYDROSOL-3D que han permitido demostrar la viabilidad técnica del proceso, puesto que se ha avanzado en  el desarrollo de un ciclo termoquímico,  la introducción el concepto de reactores solares monolíticos multi-canal y, finalmente, se ha conseguido la integración del receptor en una planta de torre central.

Los ciclos termoquímicos son procesos considerados como solución a medio-largo plazo para la producción masiva de H2 limpio a partir de energía solar mejorando los rendimientos alcanzados en la disociación electrolítica del agua (con eficiencias en el entorno del 25-30%). Los ciclos termoquímicos constan de una serie de reacciones químicas endotérmicas y exotérmicas que tienen como objetivo la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno de forma separada (en dos etapas distintas). Entre los más de 100 ciclos posibles que se encuentran descritos en bibliografía, merece la pena destacar los ciclos basados en óxidos metálicos cuyo esquema se resume en el diagrama siguiente:

Activación (1000 – 1200 ºC)

Hidrólisis (700 – 1000ºC)

El objetivo del proyecto HYDROSOL-Plant sería completar el estudio realizado en estos últimos años, mediante la construcción de una planta de demostración de 750 kW a instalar en la Plataforma Solar de Almería, PSA-CIEMAT,  que produzca hidrógeno a partir del agua  con unos requerimientos mínimos para la producción y almacenamiento in-situ. Por lo tanto, la futura planta integrará todas las etapas del proceso: producción, purificación y almacenamiento del hidrógeno producido. Este estudio se completará con un estudio técnico-económico y un análisis de mercado que determinará la viabilidad del escalado del proceso.

[1]. Página web proyecto  http://hydrosol-plant.certh.gr

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Nueva fuente de hidrógeno para los vehículos con pila de combustible

Autor: Guillermo Calleja-URJC

Las expectativas de los vehículos sin emisiones de carbono podrían crecer considerablemente gracias a una nueva forma de producir hidrógeno de la biomasa.

El transporte es responsable de una cuarta parte de las emisiones mundiales de dióxido de carbono. En la lucha por encontrar remedio a esta situación, nuevos métodos de obtención de combustibles limpios aparecen en escena con cierta frecuencia. Así, un nuevo método para producir Hidrógeno directamente de las plantas podría ser muy ventajoso económicamente, lo que permitiría suministrar este combustible limpio a vehículos alternativos a los convencionales. Ello supondría establecer el camino para la proliferación de estaciones de servicio de repostaje de hidrógeno obtenido de los residuos agrícolas.

Durante varios años, el investigador Percival Zhang, profesor de Ingeniería de sistemas biológicos en Virginia Tech, ha estado desarrollando un método enzimático para romper las moléculas complejas de los azúcares —como las que se encuentran en las plantas— para dar lugar a sus componentes químicos de base, compuestos más sencillos. El proceso desarrollado está “libre de células”, es decir, no requiere microorganismos como los utilizados en la fermentación. Ahora se ha demostrado mediante este proceso que se pueden convertir eficientemente los residuos de maíz en hidrógeno, y que el proceso produce tres veces más de hidrógeno por unidad de azúcar que los procesos convencionales de fermentación.

La tecnología estudiada está todavía en fase inicial, habiéndose probado solamente a escala de laboratorio en un reactor de dos mililitros. Pero Zhang asegura que el método es casi tan rápido y eficiente en términos energéticos como los procesos existentes que utilizan microorganismos para producir combustibles, incluyendo el etanol proveniente de la celulosa del material orgánico.

Su próximo paso es aumentar la escala de producción, de solo unos pocos mililitros a más de un litro, teniendo previsto que se pueda llegar a diseñar el proceso para abastecer a las estaciones de servicio e hidrógeno en tres años. Incluso a más largo plazo, se piensa en la posibilidad de que los vehículos pudieran llevar su propio reactor para convertir los azúcares en combustible. Zhang tiene intención e comercializar el proceso a través de una compañía spinoff que ha co-fundado.

Los costes potenciales de la tecnología permanecen todavía inciertos. Aunque el trabajo reciente es “muy elegante desde el punto de vista bioquímico e ingenieril” y representa una vía mucho más eficiente de utilizar la biomasa que la fermentación –basada en microorganisos-,   queda todavía un largo camino hasta llegar a un proceso comercial viable, según otro profesor de biología molecular y química del Scripps Research Institute. Este profesor asegura que el proceso depende de las enzimas, que son caras, y que el coste del juego complete de enzimas diseñado por la tecnología de Zhang podría ser muy elevado tampoco está claro que las enzimas fueran lo suficientemente estables a gran escala.

Articulo de Mike Orcutt – Aparecido en Weekly Fuel,  20 Abril, 2015 (de MIT Technology Review)

Tagged: Energy, biofuel, transportation, hydrogen fuel cells

http://www.technologyreview.com/news/536741/a-new-source-of-hydrogen-for-fuel-cell-vehicles/

 

 

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Encuesta de aceptación social de hidrógeno

Autores: Francisco Javier Manzano, Diego Iribarren (Instituto IMDEA Energía)

La Unidad de Análisis de Sistemas del Instituto IMDEA Energía está llevando a cabo un estudio para evaluar la situación y acogida de las tecnologías del hidrógeno, orientadas especialmente al sector transporte, en la sociedad actual. Os animamos a colaborar en este estudio mediante la realización de la siguiente encuesta formada por 12 breves preguntas y cuya duración estimada es inferior a 5 minutos:

https://docs.google.com/forms/d/1AyIy5U0X0Xihpjbj5eYXWRpsgl-kH8xXQr6fJvDpn7s/viewform?c=0&w=1&usp=mail_form_link

¡Muchas gracias por vuestra participación!

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¿Llega la economía del hidrógeno?

[Autor: Javier Dufour. URJC-Grupo de Ingeniería Química y Ambiental]

La gente interesada en el mundo del hidrógeno sabe que éste ha experimentado numerosos vaivenes. Cuando Jeremy Rifkin lanzó el concepto de “economía del hidrógeno” en 2002, parecía que iba a ser la solución para cualquier problema mundial, no sólo iba a ayudar a acabar con el problema del calentamiento global, también iba a provocar un reordenamiento de la geopolítica mundial y un “boom” económico. Las expectativas eran casi infinitas, el hidrógeno “se puso de moda” y alcanzó hasta los foros políticos, protagonizando incluso algunos minutos de los debates presidenciales estadounidenses. Se invirtió un montón de dinero y esfuerzos en su investigación en la producción, el almacenamiento, el transporte y su uso final.

Se hicieron grandes avances en la producción a partir de materias primas y energías renovables, así como en mejorar los procesos convencionales a partir de hidrocarburos gaseosos, líquidos o sólidos. Los costes de fabricación han ido disminuyendo continuamente e incluso alguno de los métodos “renovables” se encuentran cerca del precio de mercado como la gasificación de biomasa, aunque la electrolisis todavía debe reducir sus costes.

En el transporte, se ha demostrado que el hidrógeno se puede inyectar hasta en una concentración del 15% en los gasoductos de gas natural que tiene una infraestructura bien desarrollada en Europa. Asimismo se han hecho grandes avances en el transporte por carretera, desarrollando estándares y normativa que también están sirviendo para vencer lentamente el recelo social en cuanto a la seguridad del hidrógeno por el conocido “efecto Hindenburg”.

En lo referente al uso, las pilas de combustible son una realidad, hay equipos que ya podemos comprar para aplicaciones portátiles. La tecnología para su aplicación en automóviles (el famoso coche de hidrógeno) está disponible, un poco cara, pero disponible.

Donde se encontró el “cuello de botella” fue en el almacenamiento. Es indudable que se han realizado grandes avances, aumentando la capacidad de almacenamiento (como en los hidruros metálicos), o desarrollando o aplicando nuevos materiales (como los MOFs, Metal-Organic Frameworks), pero todavía hay que solventar algunos problemas como costes, capacidad de liberación o condiciones de operación. Esto provocó que el hidrógeno se “desinflara”, teniendo en cuenta que además se empezó a apostar más fuerte por el coche eléctrico de batería. Disminuyó el número de grupos que investigaban según también decrecían los fondos dedicados para este tema. Todos los sucesos enumerados anteriormente han ocurrido en 10 años, es decir, con una velocidad notable.

¿Cuál es la realidad actual? ¿La economía del hidrógeno era un mero invento? Hay que decir que las expectativas eran demasiado altas, pocos científicos creíamos que el hidrógeno era la solución única al problema energético, sino que era un aporte más para el “mix” energético del futuro. Dicho esto, creo que el hidrógeno sí que es ya una realidad inminente, estamos a las puertas de una sociedad donde el hidrógeno va a jugar un papel importante. Veamos algunos datos, Japón ha planteado dos experiencias piloto importantes: la construcción de una planta de 90 MW de generación eléctrica, quemado hidrógeno, y, la segunda, la construcción de dos barcos para el transporte de hidrógeno (podríamos llamarlos buques hidrogeneros por comparación con los petroleros), lo que les va a permitir importarlo desde otros países. Esto es un cambio paradigma (o al menos de mentalidad). Siempre se había hablado de que la producción del hidrógeno debía ser cautiva (a gran escala o distribuida) y que el transporte no era una opción, debido a las pérdidas durante el mismo. Parece que Japón no piensa lo mismo.

En Alemania se ha lanzado muy recientemente la iniciativa industrial “H2Mobility”, formada por Air Liquide, Daimler, Linde, OMV, Shell and Total y con una inversión cercana a los 350 M€. Uno de los objetivos es la construcción de hasta 400 estaciones de repostaje (¿hidrogeneras por comparación con las gasolineras?) en 2023, rompiendo la vieja cuestión del huevo o la gallina, ¿crear primero la necesidad o la infraestructura para satisfacerla? En este caso, se crea la infraestructura para facilitar el desarrollo del coche de hidrógeno (o como se prefiere llamarlo ahora, coche eléctrico de pila de combustible). De hecho en el nuevo Plan Nacional de Innovación para Hidrógeno y Pilas de Combustible, también en Alemania, se habla de tener 500.000 automóviles con esta tecnología circulando en 2025. En Japón, los números son aún más ambiciosos. En otros países europeos, con también importantes fabricantes automovilísticos, se habla de 2015 o 2016 como año de introducción en el mercado de los primeros modelos propulsados por pila de combustible.

Bien, con todos los datos anteriores, no sé si la “economía del hidrógeno”, con los matices anteriormente comentados,  nos ayudará a solventar todos nuestros problemas, incluso el de la crisis económica, lo que sí parece claro es que se está acercando a pasos agigantados.

 

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Utilización del grafeno para el almacenamiento de hidrógeno

Valentina Tozzini y Vittorio Pellegrini, del NEST-Istituto Nanoscienze, realizan una prospectiva de las características potenciales del grafeno para su uso en dispositivos de almacenamiento de hidrógeno (Fuente: Phys. Chem. Chem. Phys., 2013, 15, 80).

 Autora: [Isabel Rucandio - CIEMAT]

El hidrógeno está considerado en la actualidad como uno de los más prometedores combustibles “verdes”. Una de las claves para obtener tecnologías energéticas basadas en el hidrógeno es el desarrollo de sistemas fiables para su almacenamiento y transporte. Existen varias propuestas basadas en el diseño de materiales avanzados tales como hidruros de metal y diferentes estructuras de carbono que solventan ciertos problemas con respecto a la estrategia más convencional de compresión o licuefacción de hidrógeno en tanques. Sin embargo, ninguno de estos sistemas están ofreciendo en la actualidad los rendimientos deseados en términos de capacidad de almacenamiento de hidrógeno y control de los procesos de adsorción / desorción. Recientemente, se han realizado varios estudios sobre el potencial del grafeno (sustancia formada por carbono puro nanométrico bidimensional, con átomos dispuestos regularmente en configuración hexagonal en una lámina de un átomo de espesor) para el almacenamiento de hidrógeno.

 

La eficiencia en el almacenamiento de hidrógeno se evalúa mediante dos parámetros: la densidad gravimétrica y la densidad volumétrica. Es decir, un buen dispositivo práctico para el almacenamiento de hidrógeno debe ser simultáneamente ligero y compacto. Así el Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) resume las distintas alternativas para almacenamiento de hidrógeno en el gráfico anterior basado en estos dos parámetros.

A partir de los estudios disponibles, la mayoría de ellos todavía en un nivel teórico, el grafeno se presenta como un material prometedor para el almacenamiento de hidrógeno en términos de estos dos parámetros. La posibilidad de crear nanoestructuras de grafeno funcionalizado y sus características peculiares tales como gran conducción eléctrica, robustez y flexibilidad, abre escenarios interesantes para su explotación en la tecnología del hidrógeno del futuro. Esta funcionalización permitirá modificar las características del grafeno proporcionando cualidades específicas para aplicaciones determinadas. En este sentido se han realizado varios estudios teóricos y de modelización y queda mucho trabajo experimental por realizar.

Para aplicaciones de almacenamiento de hidrógeno resulta relevante el hecho de que el grafeno hoy en día se puede producir a gran escala y de forma rentable por varias técnicas (por ejemplo, exfoliación, crecimiento átomo a átomo, obtención previa de óxido de grafeno a partir de grafito). Actualmente, la forma de obtener grafeno en abundancia se realiza mediante exfoliación en fase líquida. En este caso se consigue grafeno en forma de agregados, lo que limita el área superficial disponible para la adsorción de hidrógeno. Por lo tanto la optimización de los métodos de producción de grafeno será crítico para el éxito del desarrollo de dispositivos prácticos de almacenamiento de hidrógeno.

El hidrógeno puede ser adsorbido en grafeno de dos formas diferentes: fisisorción, es decir, interaccionando mediante fuerzas de Van der Waals, y quimisorción, es decir, formando enlaces químicos con los átomos de carbono del grafeno. La primera de ellas se produce generalmente con hidrógeno en forma molecular, mientras que la segunda se da de forma más favorable a nivel atómico. En este último caso, estudios teóricos demuestran que la adsorción del primer átomo de hidrógeno modifica localmente la estructura del grafeno, de tal manera que favorece los enlaces de otros átomos de hidrógeno, estabilizando de forma colectiva la estructura.
Estos estudios generan nuevas esperanzas para el desarrollo de dispositivos de estado sólido eficientes para el almacenamiento y liberación del hidrógeno en condiciones ambientales.

 

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10° Edición del congreso en Hidrógeno y Pilas de combustible: HYPOTHESIS

 

 

[Autora: Gisela Orcajo Rincón-Grupo de Ingeniería Química y Ambiental. Universidad Rey Juan Carlos]

La comunidad científica de hidrógeno y pilas de combustible se reunió el 11 y 12 de junio en Edimburgo, Escocia, en la décima edición del congreso HYPOTHESIS 2013, organizado en esta oportunidad por la empresa Pure Energy Center. Allí se debatieron temas muy interesantes referidos a esta tecnología como: fundamentos y teoría de las pilas de combustible, transporte, aplicaciones estacionarias y portátiles, producción, almacenamiento de hidrógeno, simulación y modelado, motores de combustión interna de hidrógeno, regulación y seguridad, políticas y financiación de las tecnologías del hidrógeno. Al igual que en otras ediciones de este congreso, hubo sesiones plenarias muy interesantes, donde se analizaron los éxitos, las oportunidades y los desafíos de la economía del hidrógeno.

La siguiente edición del congreso se celebrará en Toledo, España, en septiembre de 2015, y lo organizará la Universidad Rey Juan Carlos junto con el Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Energía (IMDEA Energía). Se espera que sea un foro que reúna expertos mundiales del sector industrial, académico y público, para intercambiar de manera eficiente nuevas ideas de calidad sobre las tecnologías del hidrógeno.

 

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E.ON fabrica H2 a partir de energía eólica y lo inyecta a la red de gas natural por primera vez

La multinacional eléctrica alemana, E.ON, anunció la pasada semana que la planta “power-to-gas” (P2G), situada al este de Alemania, culminó a mediados de este mes la etapa de inyección de hidrógeno en el sistema de gas natural. Según E.ON, esta es la primera vez que realiza todas las etapas del proceso, desde la recepción de la electricidad hasta la inyección de hidrógeno en la red.

 Autor: [Javier Fermoso – Instituto IMDEA Energía]

 En Agosto de 2012 la multinacional alemana E.ON comenzó la construcción de una innovadora planta llamada “power-to-gas” (P2G) situada en Falkenhagen, al este de Alemania. Esta planta está localizada en un enclave estratégico ya que se encuentra cerca de varios parques eólicos situados en dicha región. E.ON anunció la pasada semana que la planta P2G culminó el pasado 13 de Junio la etapa de inyección de hidrógeno en la red de gas natural como parte de un test de funcionamiento con energía eólica. Según E.ON, esta es la primera vez que realiza todas las etapas de este proceso, desde la recepción de la electricidad procedente de un parque eólico hasta la inyección de hidrógeno en la red. Durante la prueba, que tuvo una duración de 3 horas, la planta produjo 160 metros cúbicos de hidrógeno, que fueron inyectados al sistema de distribución de gas natural.1 En la Figura 1 se muestra un dibujo simplificado de las instalaciones de la planta P2G.

 

Figura 1. Dibujo de la planta piloto de E.ON “power-to-gas” (P2G) para la producción de H2.

La planta P2G recibe la electricidad de un parque eólico cercano, y ésta hace funcionar el electrolizador que transforma el agua en oxígeno e hidrógeno. Este último es inyectado a continuación en el sistema regional de distribución de gas. El hidrógeno se convierte así en parte de la mezcla de gas natural y se puede utilizar para generar electricidad o calor.

E.ON tiene previsto que la planta P2G esté operativa a finales del mes de agosto. Una vez esté en funcionamiento, se utilizará el excedente de electricidad renovable generada mediante energía eólica, para producir alrededor de 360 metros cúbicos de hidrogeno por hora.1,2

Con frecuencia, los parques eólicos situados en la región donde se ha instalado esta planta producen más electricidad de la que la red local puede gestionar. E.ON considera que la instalación de esta planta en esta región tiene un carácter estratégico, ya que además de una alta producción de energía eólica, cuenta con las infraestructuras de energía y gas necesarias, así como con un centro de control para su gestión. De este modo, se podrá aprovechar la electricidad renovable que no puede ser vertida a la red, solucionando uno de los principales problemas de este tipo de generación eléctrica, su carácter discontinuo. Esto hace que en los momentos “valle” de consumo (durante la noche) en los que existe un excedente de producción, se pueda aprovechar ese excedente para la producción de hidrógeno.

Esta idea de producción de hidrógeno a partir de energía eólica no es nueva, ya que en España, en 2006 y 2008 a través de los proyectos de demostración “W2H2 (Wind to Hydrogen)”, apoyado por la Corporación Tecnológica de Andalucía, y “Producción de H2 con eólica” en el Parque Experimental de Sotavento, apoyado por la Consellería de Innovación, Industria y Comercio de la Xunta de Galicia, GAMESA3 Y GAS NATURAL FENOSA4,5, respectivamente, se iniciaron en este proceso de producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua. A diferencia de E.ON, este hidrógeno sería almacenado en depósitos a presión y utilizado posteriormente para generar energía eléctrica en una pila de combustible o en un motor de combustión interna, permitiendo al operador inyectar la electricidad a la red en los momentos “pico” de consumo. De esta forma, se pretendía gestionar de forma más eficiente la energía eléctrica generada por los parques eólicos, adaptando la curva de producción a la demanda del mercado.

Estos son ejemplos de las posibilidades que nos ofrece la combinación de diversas tecnologías basadas en energías renovables. Mediante dicha combinación, las debilidades de unas, como el carácter aleatorio y discontinuo de la energía eólica, son compensadas con otras como la producción de hidrógeno utilizando el excedente de energía eléctrica, e ir así hacia sistemas energéticos cada vez más eficientes, sostenibles y basados en fuentes de energía renovable.

Referencias

 

  1. http://www.eonespana.com/es/sala-de-prensa/notas-de-prensa/2013/6/13/la-planta-de-power-to-gas-de-eon-inyecta-hidr-geno-al-sistema-de-gas-natural-por-primera-vez.html.
  2. http://futurenergyweb.es/node/95.
  3. http://www.gamesacorp.com/es/comunicacion/noticias/andalucia-apoya-un-proyecto-de-gamesa-relacionado-con-la-tecnologia-del-hidrogeno.html?idCategoria=65.
  4. http://www.gasnaturalfenosa.es/es/inicio/somos+energia/innovacion+y+futuro/lineas+de+actuacion/1297131825644/sotavento.html.
  5. http://www.sotaventogalicia.com/area_tecnica/py_produccion_hidrogeno.php.

 

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Obstáculos que aún debe superar el hidrógeno para consolidarse como combustible habitual en motores

El empleo de hidrógeno como combustible en motores es ya una tecnología totalmente viable, robusta y con ventajas ambientales evidentes. ¿Por qué no se hace entonces un uso generalizado del mismo? La clave a esta pregunta parece encontrarse en la dificultad actual de asegurar un suministro adecuado del mismo a precios económicos.

[Autora: Pilar Orihuela-INTA]

El uso de hidrógeno como combustible en motores tiene dos ventajas evidentes. En primer lugar, el hidrógeno puede considerarse un combustible prácticamente limpio, ya que, exceptuando los óxidos de nitrógeno que pueden generarse a muy alta temperatura, las emisiones de CO y CO2 son despreciables. Y en segundo lugar, los motores de combustión son una tecnología ampliamente desarrollada y robusta. Adecuando las condiciones de operación del motor a las particularidades combustibles del hidrógeno, es posible obtener potencia mecánica o eléctrica con total fiabilidad.

¿Por qué no se hace entonces un uso generalizado del mismo?

El presente artículo muestra algunos de los factores que dificultan la consolidación del hidrógeno como combustible en motores. La mayoría de estos factores son salvables con mayor o menor dificultad. Pero hay dos obstáculos fundamentales que impiden a día de hoy la implantación de una economía basada en el hidrógeno: (i) la dificultad de producir un hidrógeno barato y limpio, y (ii) la inexistencia de una red general de distribución para el mismo.

  • Infraestructura de producción, transporte y almacenamiento.

A día de hoy, uno de los principales obstáculos que se encuentra la implantación de la llamada economía del hidrógeno es la inexistencia de una infraestructura de producción, transporte y almacenamiento de hidrógeno.

El hecho de que no exista el hidrógeno tal cual en la naturaleza y que haya que fabricarlo, ya supone de por sí un inconveniente, ya que rivaliza con la disponibilidad y la abundancia de sus competidores, los combustibles fósiles. No obstante, se conocen a día de hoy varios métodos que permiten producir hidrógeno fácilmente, a un coste razonable, y sobre todo, con un mayor control de las emisiones.

Las técnicas de reformado con vapor de gas natural o de gasificación del carbón, son técnicas relativamente probadas y baratas. Siempre añaden un sobrecoste al precio de adquisición del combustible de partida, pero el CO2 que inevitablemente se genera de la descomposición del hidrocarburo, es emitido de forma centralizada con lo que es más fácil de separar y gestionar. En el caso de gasificar biomasa, el proceso resulta aún mucho más limpio.

La electrolisis se basa en la descomposición del agua por aplicación de una corriente eléctrica. Si el hidrógeno obtenido mediante esta técnica va a ser empleado a su vez para generación de electricidad, el proceso global es redundante y menos eficiente. Sin embargo, su empleo no carece de sentido dadas las ventajas que presenta el hidrógeno como vector energético en comparación con la electricidad y porque, además, el hidrógeno puede emplearse en otras aplicaciones finales, como por ejemplo la propulsión de vehículos. El hidrógeno producido por electrolisis es tan limpio como lo sea la electricidad empleada para su fabricación; si el origen de la electricidad empleada para el proceso es renovable, el hidrógeno se estará produciendo con muy bajas emisiones de gases de efecto invernadero.

La descomposición termoquímica del agua consiste en aprovechar las elevadas temperaturas de los reactores nucleares o de los concentradores solares para producir hidrógeno de la descomposición del agua. Se trata de uno de los procesos de producción de hidrógeno más limpios que existen. Y en el caso concreto de emplear un reactor nuclear, dado que se está aprovechando un calor residual de la planta, el coste asociado a la producción del hidrógeno es muy bajo.

También resultan muy limpios los procesos fotoelectroquímicos o fotobiológicos, los cuales consisten en producir hidrógeno por procesos metabólicos de bacterias o algas a partir de la luz solar. Sin embargo, estos procesos se encuentran aun en un estado de desarrollo más incipiente.

Cada uno de estos métodos lleva asociada una huella del carbono. Para que el uso de hidrógeno en motores sea competitivo es necesario mejorar los métodos de producción de hidrógeno: reducir los costes y reducir las emisiones asociadas de gases de efecto invernadero. Para lograr implantar de lleno una economía basada en el hidrógeno es indispensable sustituir las actuales fuentes energéticas de producción del hidrógeno por otras de origen totalmente renovable.

Otro de los obstáculos que dificultan el uso generalizado de hidrógeno en motores es su transporte y distribución. Como el hidrógeno tiene menos energía por unidad de volumen, los

costes de distribución son más altos que los de la gasolina o el gasóleo. Actualmente, la mayor parte del hidrógeno se produce in-situ o cerca del punto de consumo, generalmente en grandes plantas industriales; y la distribución se hace por tubería o por transporte terrestre (en tanques presurizados, o licuado). Sin embargo, la consolidación del hidrógeno como combustible a nivel global, requeriría una red de transporte y distribución mucho más amplia.

La distribución de hidrógeno por tuberías no resulta tecnológicamente muy compleja. El problema es que construir una red general de tuberías supone un desembolso inicial demasiado elevado. Una solución inicial podría ser producir el hidrógeno de forma regional o local. O también ir montando la infraestructura por fases, primero en núcleos donde se concentra mucho la demanda, y luego expandiéndola a otras áreas geográficas.

Otra opción que se está barajando es aprovechar la infraestructura de distribución del gas natural, inyectando hidrógeno en los gasoductos y separándolo del gas natural en el punto de destino. Un gaseoducto es capaz de transportar hasta un 20% en volumen de hidrógeno sin modificaciones sustanciales.

Una ventaja del hidrógeno es que puede mezclarse con gas natural en cualquier proporción para usarlo en los motores como combustible. Esto facilita la introducción del hidrógeno en el mercado a corto plazo, ya que la falta de una infraestructura de distribución puede ser compensada en parte con el uso de mezclas hidrógeno/gas natural.

El almacenamiento en sí del hidrógeno no supone especial inconveniente más que en aquellas aplicaciones donde el espacio está limitado. Es el caso del almacenamiento a bordo de vehículos. El uso de hidrógeno para propulsión de vehículos se enfrenta al problema de la autonomía. La baja densidad energética del hidrógeno por unidad de volumen implica que hacen falta depósitos de combustible mucho más grandes para proporcionar la misma autonomía que los combustibles convencionales (gasolina o diesel). Las opciones hoy en día son transportarlo presurizado, o transportarlo licuado; pero ambas opciones dificultan el repostaje y además presentan problemas de seguridad que aún deben solventarse.

Figura 1. Tanque de almacenamiento de hidrógeno licuado de Linde

  • Problemas asociados con la combustión.

El hidrógeno como combustible presenta varias particularidades que lo diferencian considerablemente de otros combustibles.

El primer problema que surge al emplear hidrógeno en un motor de combustión interna, especialmente en motores alternativos, es la disminución de la potencia. Por un lado, el contenido energético por unidad de volumen del hidrógeno es inferior al de otros combustibles; y por otro lado, su baja densidad reduce el espacio disponible en el cilindro o en la cámara de combustión para la entrada de aire. Con lo cual, el empleo de hidrógeno en un motor puede reducir su potencia hasta un 15%. Para evitar este problema, una solución es inyectar el hidrógeno comprimido o líquido.

Otro aspecto negativo del hidrógeno es su baja energía de ignición, que hace que éste sea propenso a autoencenderse. Cuando se usa en motores alternativos, la mera presencia de puntos calientes puede provocar el encendido prematuro de la mezcla antes de aplicar la chispa, lo que produce efectos de choque (golpeteo) y reduce la vida del motor. Existen varias formas de evitar este problema. Una forma es inyectar el hidrógeno líquido, ya que su baja temperatura previene la preignición. Otra sería retrasar la inyección del hidrógeno en el cilindro, o diluir la mezcla con gases del escape. En cualquier caso, conviene evitar los puntos calientes, ya sea empleando válvulas de escape refrigeradas, motores multiválvula, o cualquier otro sistema.

El hidrógeno también tiene una distancia de apagado muy pequeña lo que obliga a usar recubrimientos térmicos superficiales. La pequeña distancia de apagado, junto con la baja energía de ignición, favorecen además el retroceso de llama, por lo que el control de llama también se vuelve un aspecto importante en la combustión del hidrógeno.

En las turbinas de gas, un importante parámetro a controlar a la hora de quemar hidrógeno es la temperatura máxima de llama. Para unas mismas condiciones de operación, la temperatura de combustión del hidrógeno puede ser unos 125 ºCmás elevada que la del gas natural. La temperatura de llama afecta de forma directa a la generación de óxidos de nitrógeno; a partir de 1500 ºC, la formación de NOx aumenta exponencialmente con la temperatura. Y además, la exposición continuada a determinados niveles térmicos también puede dañar los materiales de la turbina. El amplio rango de inflamabilidad del hidrógeno facilita el control térmico, ya que permite utilizar mezclas aire-combustible muy pobres para diluir la mezcla y reducir así la temperatura de llama. Además existen otras técnicas para el control de las emisiones, como la dilución con vapor o con nitrógeno.

  • Producción masiva.

Por ser un combustible tan peculiar, la combustión de hidrógeno sólo es beneficiosa bajo ciertas condiciones de operación. En otras circunstancias, la combustión de hidrógeno presenta ciertos retos tecnológicos. Aun así, los motores de gasolina son fácilmente adaptables a la combustión de hidrógeno. Varios fabricantes como BMW, Ford, o Mazda, ya han demostrado la viabilidad de emplear hidrógeno como combustible para propulsión de vehículos, habiendo adaptado con

éxito motores de gasolina a su uso con hidrógeno, y alcanzando ya eficiencias por encima del 40%.

Figura 2. Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid, y BMW Hydrogen 7

Para que estos vehículos propulsados con motores de combustión de hidrógeno sean competitivos sólo es necesario que comiencen a fabricarse de forma masiva, ya que tecnológicamente no presentan especial complejidad.

El desarrollo de turbinas de gas alimentadas con hidrógeno no está tan avanzado pero también existen varios fabricantes como General Electric o Siemens que han adaptado algunos de sus modelos al uso de hidrógeno, obteniendo motores de suficiente fiabilidad y robustez.

Figura 3. Turbina de gas 7FA de General Electric, capaz de quemar hidrógeno.

  • Seguridad y aceptación social.

La seguridad en la implantación del hidrógeno como combustible es un tema que preocupa, sobre todo en su aplicación a vehículos. El hidrógeno es un gas incoloro e inodoro, difícilmente detectable por los sentidos humanos. Además, su amplio rango de inflamabilidad y su baja energía de ignición, favorecen la aparición de incendios. Los actuales sistemas de transporte y almacenamiento de hidrógeno ya disponen de estrictos medios de seguridad para controlar estos aspectos, sin embargo, aún existe cierto rechazo social hacia el hidrógeno. Para poder consolidar el hidrógeno como combustible es necesario favorecer la aceptación social del mismo, informando del estricto control de seguridad que existe, y educando en las importantes ventajas medioambientales de su uso.

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Ciclos termoquímicos basados en carbonatos alcalinos y óxidos metálicos para la producción de H2 y gas de síntesis

En los últimos años han comenzado a aparecer nuevos ciclos termoquímicos para producción de hidrógeno y gas de síntesis, basados en los procesos originales propuestos en los años 70 pero con modificaciones en los materiales, con el fin de aumentar la eficiencia, empleando sustancias  menos tóxicas y corrosivas que suponen una mejora medioambiental.

Autora: [Alicia Bayón Sandoval– Instituto IMDEA Energía]

La producción de hidrógeno mediante ciclos termoquímicos  constituye una tecnología libre de emisiones contaminantes, y capaz de ser acoplada a los sistemas de concentración de energía solar, y que por tanto   puede considerarse como un almacenamiento de esta fuente de energía en forma de enlaces químicos.

Dentro de los ciclos termoquímicos, los basados en óxidos metálicos están cobrando especial importancia en los últimos años. Estos procesos suponen el empleo de materiales los cuales son capaces de ser reducidos a temperaturas elevadas para, posteriormente, descomponer el agua (y el dióxido de carbono) y producir hidrógeno (o gas de síntesis, mezcla de H2 y CO)  según sea conveniente dependiendo del producto demandado. En esta etapa se lleva a cabo la oxidación del material correspondiente, que estaría disponible para iniciar un nuevo ciclo. En los ciclos de dos etapas, requieren de las elevadas temperaturas de reducción >1500ºC, las cuales se encuentran lejos de los valores de temperatura de trabajo de las plantas de concentración solar actuales y de los reactores nucleares (700-1000ºC).

En este contexto, los investigadores del Instituto Tecnológico de California han propuesto una modificación de los materiales del ciclo termoquímico original de Na-Mn (NaOH-MnO), con el fin de facilitar la descomposición del agua en hidrógeno siguiendo el siguiente proceso:

Figura 1: Esquema del ciclo termoquímico de Mn3O4/Na2CO3 [1]

En el esquema se observa cómo en una primera etapa, el Mn3O4 reacciona con carbonato para producir el óxido mixto NaMnO2 y MnO (1), formado a partir de la disociación del Mn2+ presente en la espinela Mn3O4. Posteriormente, el MnO junto con el Na2CO3 restante reaccionan con el H2O para producir hidrógeno y NaMnO2 a 850ºC(2). En la siguiente etapa, el óxido mixto formado se descompone mediante la extracción del Na+ de la estructura, empleando H2O a 80ºC, (3), formando materiales libres de sodio como el carbonato de manganeso y Mn3O4 inicial. Finalmente estos materiales se calcinan a 850ºC para recuperar todo el óxido de partida (4) mientras que el carbonato de sodio extraído es recirculado a la etapa de producción de hidrógeno (1), previa etapa de evaporación del agua.

Sobre este esquema inicial, los investigadores han estudiado varias modificaciones, como el empleo de carbonatos de potasio y litio (K2CO3 y Li2CO3), cuyas propiedades son similares a las del carbonato de sodio. En primer lugar se evaluó la producción de hidrógeno a partir de las distintas fuentes de carbonatos observándose que el carbonato de litio es el más activo de los tres compuestos para la formación de hidrógeno y que en la reacción con carbonato de potasio, el óxido de manganeso no fue capaz de oxidarse para producir hidrógeno. Sin embargo, el empleo del carbonato de litio en lugar del carbonato original, no supuso una ventaja añadida a la extracción iónica. En el óxido mixto LiMnO2, los iones Li+ no pueden intercambiarse por el H2O tan fácilmente como el sodio. Además en este estudio, se ha mejorado la eficacia de la extracción de sodio, mediante un burbujeo de CO2 en la suspensión del sólido NaMnO2.

También se ha sustituido el óxido metálico Mn3O4 por varias espinelas Fe3O4 y Co3O4. Cuando se empleó la espinela de cobalto (Co3O4) no se observó producción de H2 debido a que no se producía la oxidación del Co2+ a Co3+. En el caso de la espinela de hierro (Fe3O4) la producción de hidrógeno fue más efectiva para el empleo de las tres fuentes de carbonato, que la espinela de manganeso. Sin embargo, la extracción de iónica fue similar para el NaFeO2, comparado con el óxido mixto NaMnO2, y menos efectiva con el LiFeO2. De estos resultados se puede concluir que, para los óxidos estudiados cuanto  mayor es la actividad en producción de hidrógeno el óxido mixto formado es más difícil de descomponer.).

Además de la producción de hidrógeno, la descomposición conjunta de CO2 y H2O se llevó a cabo con los sistemas anteriormente planteados. Se determinó que para esta reacción, la espinela de hierro es más activa para la descomposición. Sin embargo, el sistema Mn3O4/Na2CO3 ofrece unos rangos de temperatura de trabajo mucho más adecuados para la ser acoplados con la energía solar concentrada (reducción a 850ºC del Mn2O3, frente a 1150ºC del Fe2O3), lo cual minimiza las pérdidas energéticas derivadas del calentamiento y enfriamiento de los reactivos, concluyéndose que este sistema es el más apropiado para su aplicación en las condiciones de trabajo actuales.

 

[1] Biungjun X, Bhawe Y, Davis M. E. PNAS.  2012. DOI: 10.1073/pnas1206407109

[2] Biungjun X, Bhawe Y, Davis M. E. Chem Mat.  2013. DOI: 10.1021/cm3038747

 

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Prototipos de hornos solares para producción de hidrógeno mediante ciclos termoquímicos de dos etapas

[Autora: Carolina Herradón-Grupo de Ingeniería Química y Ambiental. Universidad Rey Juan Carlos]

La producción termoquímica de H2 y O2 a partir de agua involucra una serie etapas endo- y exotérmicas, que convierten dicha materia prima en cantidades estequiométricas de H2 y O2 empleando el calor como única fuente de energía. Se trata de un proceso muy atractivo porque convierte directamente la energía térmica en energía química almacenable a temperaturas que, en función del ciclo termoquímico empleado, pueden ser alcanzadas por diferentes fuentes de energía (energía nuclear y energía solar principalmente) [1].

Los ciclos termoquímicos para disociación de la molécula de agua se han estudiado desde los años 1960-1970, existiendo en la actualidad más de 2000, que se clasifican en función del compuesto químico con el que se inicia el ciclo [2,3].

En los últimos años han cobrado significativa importancia los ciclos termoquímicos basados en óxidos metálicos que transcurren, generalmente, a través de dos etapas:

 

La primera etapa, reacción (1), consiste en la reducción térmica del óxido metálico, denominada también etapa de activación, con la consecuente liberación de oxígeno. Normalmente es endotérmica y, dependiendo del óxido metálico utilizado, se requiere una temperatura determinada como, por ejemplo, 900 ºCpara el sistema Co3O4/CoO, 1200 ºC en el caso de los sistemas Fe2O3/Fe3O4, y de hasta 3700 ºC en el caso del TiO2.

Durante la segunda etapa, reacción (2), se lleva a cabo la hidrólisis mediante la cual se produce H2 y se recupera el óxido metálico inicial. Es una reacción exotérmica que suele producirse a temperaturas inferiores a1000 ºC [4].

Las temperaturas “moderadas” requeridas por los ciclos basados en óxidos de hierro (ferritas) hacen que sea muy atractivo para ser combinado con tecnologías de energía solar concentrada, obteniendo así una forma totalmente limpia y renovable de obtener hidrógeno. Por todo ello, en el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) han sido diseñados, construidos y probados dos prototipos de horno solar, para la producción de hidrógeno a través de ciclos termoquímicos principalmente basados en óxidos de hierro. El primer reactor, mostrado en la Figura1.(a), consta de una única cámara monolítica y un soporte de canales de carburo de silicio (SiC) con forma de panal de abeja dentro de un reactor-receptor solar. Dicho soporte es recubierto con ferrita en polvo, en una configuración similar a la del convertidor catalítico de los tubos de escape en los coches. Con esta configuración se consigue llevar a cabo todo el proceso de producción de hidrógeno en un único receptor-reactor solar, se reduce significativamente la temperatura del proceso y se minimiza la recombinación de O2 e H2 fijando el oxígeno en el óxido metálico. La dificultad que presenta esta instalación es que, a elevadas temperaturas, el óxido de hierro no es químicamente inerte al SiC. Sin embargo, no está muy claro dónde y por qué puede afectar este componente al desarrollo de la reacción.

Con el fin de disponer de un sistema semi-continuo con suministro continuo de hidrógeno, el DLR ha construido un segundo reactor que consta de dos canales separados con absorbedores en forma de panal de abeja en cada uno de ellos (Figura 1.(b)) [5]. De este modo, mientras en uno de los canales tiene lugar la reacción de disociación de la molécula de agua a unos800 ºC, en el otro canal el material está siendo regenerado a temperaturas de hasta1200 ºC. Los resultados experimentales obtenidos del reactor prototipo, así como las simulaciones realizadas con el modelo de reactor correspondiente, apoyan el desarrollo y verificación de una estrategia de proceso para la producción continua de hidrógeno a gran escala [6].

 Figura 1. Reactor solar con (a) único soporte de canales de SiC en disposición de panal de abeja  y (b) dos canales con absorbedores en forma de panal de abeja, construidos por DLR, Colonia, Alemania [6, 7].

[1] Bingjun, X.; Yashodan, B., Mark, E.D.; Low-temperature, manganese oxide-based, thermochemical water splitting cycle; www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1206407109 (2012).

[2] Montes, M.J.; Abánades, A.; Martínez-Val J.M.; Producción de hidrógeno a partir de energía solar. Centro de Ançalisis de Desarrollo Energético Sostenible FFII, grupo de termotecnia, ETSII-UPM, (2010).

[3] Kodama, T.; Nobuyuki, G.; Thermochemical Cycles for High-Temperature Solar Hydrogen Production; Chemical reviews (2007)

[4] Charvin, P.; Abanades, S.; Lemort, F.; Flamant,G.; Hydrogen Production by Three-Step Solar Thermochemical Cycles Using Hydroxides and Metal Oxide Systems; Energy and Fuels 21 (2007) 2919-2928.

[5] Xiao, L.; Wu, SY.; Li, YR.; Advances in solar hydrogen production via two-step water-splitting thermochemical cycles based on metal redox reactions; Renewable Energy 41 (2012).

[6] Roeb, M.; Neises, M.; Säck, J-P.; Rietbrock, P., Monnerie, N.; Dersch, J.; Operational strategy of a two- step thermochemical process for solar hydrogen production. International Journal of Hydrogen Energy 34 (2009).

[7] Roeb, M.; Sattler, C.; Klüser, R.; Monnerie, N.; Oliviera, L.; Konstandopoulos, AG.; Solar hydrogen production by a two-step cycle based on mixed iron oxides. Journal of Solar Energy Engineering 128 (2) (2006) 125-33.

 

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