EL HIDROGENOTHE HYDROGEN

Alexander BustamanteMechatronics Engineering

Engineering Faculty of Applied ScienceTechnical University of North

Email: ambustamantea@utn.edu.ec

Resumen—This document presents a review of informationobtained from the literature on hydrogen and energy, acquiringbasic fundamentals of the forms of production, biohydrogen,storage, transport and distribution, hydrogen fuel cells,applications and direct combustion were of hydrogen. Thecharacteristics and properties of hydrogen as a means ofapplying for alternative energy system provided by chemicaland electrical treatments, for many, hydrogen is the cleanfuel of the future because its only by product is waterdescribed. For hydrogen to become an important part of theenergy economy must face several key technological issues.Governments, institutions dedicated to research and business,including oil and gas, should play important roles for solvingproblems related to the production, transportation, storageand distribution of hydrogen.

KEYWORD: Forms of production, biohydrogen, storage,transport and distribution, hydrogen fuel cells, applicationsand direct combustion of hydrogen.

I. INTRODUCCION

En este documento se tratara una revision de informacionobtenida de la literatura sobre el hidrogeno y la energıa,adquiriendo fundamentos basicos de las formas deproduccion, el biohidrogeno, el almacenamiento, eltransporte y distribucion, las pilas de hidrogeno, aplicacionesy la combustion directa del hidrogeno. Se describe lascaracterısticas y propiedades del hidrogeno como losmedios de aplicacion para un sistema de energıa alternativaproporcionada por tratamientos quımicos y electricos,para muchos, el hidrogeno es el combustible limpio delfuturo porque su unico subproducto es el agua. Para queel hidrogeno se convierta en una parte importante de laeconomıa energetica, se deben enfrentar diversas cuestionestecnologicas fundamentales. Los gobiernos, las institucionesdedicadas a la investigacion y los negocios, incluyendola industria del petroleo y el gas, deben desempenarroles importantes para la resolucion de los problemasrelacionados con la produccion, transporte, almacenamientoy distribucion del hidrogeno.

PALABRA CLAVE: fundamentos basicos, formas deproduccion, el biohidrogeno, el almacenamiento, eltransporte y distribucion, las pilas de hidrogeno, aplicacionesy la combustion directa del hidrogeno.Ibarra,09 Junio 2016

II. PRODUCCION DE HIDROGENO

II-A. Procesos de produccion

Reformado con vapor de agua.

El proceso de reformado con vapor de agua (SMR,“Steam Methane Reformer”) se puede aplicar a granvariedad de hidrocarburos (gas natural, GLPs, hidrocarburoslıquidos) y alcoholes. De todos ellos el mas utilizado por sudisponibilidad y facilidad de manejo es el gas natural, quees para el que se particularizaran las reacciones quımicasexpuestas seguidamente. El proceso consta de tres fasesque se desarrollan en equipos diferentes, tal como muestrala FIGURA 1.

Fig.1 Esquema de proceso de reformado con vapor deagua.

Oxidacion parcial.

La oxidacion parcial (POX, “Partial OXidation”) consisteen una oxidacion incompleta de un hidrocarburo, porejemplo gas natural, donde solo se oxida el carbono (ysolo hasta CO), quedando libre el hidrogeno, segun lareaccion —I-3—. La entalpıa estandar de reaccion es de -36kJ/mol, siendo por tanto una reaccion exotermica, pudiendoası prescindir de quemadores externos para mantener lareaccion.

Reformado autotermico.

El reformado autotermico (ATR, “Auto-ThermalReforming”) es un proceso bien estudiado aplicadoindustrialmente en grandes unidades centralizadas. Solorecientemente se ha trasladado esta tecnologıa a pequenosequipos. Se trata de un metodo que combina el SMRy el POX, de modo que el calor liberado en el ultimose aproveche para el primero, dando lugar a un balanceneto nulo. El CO producido es desplazado con agua paraproducir mas hidrogeno y CO2. La eficiencia del procesoes similar a la del metodo de oxidacion parcial.

Procesos de pirolisis.

La pirolisis consiste en la descomposicion de un combustiblesolido (carbon o biomasa) mediante la accion de calor(normalmente a unos 450oC para la biomasa y 1.200oC parael carbon) en ausencia de oxıgeno. Los productos finalesde este proceso dependen de la naturaleza del combustibleempleado, de la temperatura y presion de la operacion y delos tiempos de permanencia del material en la unidad. Losproductos que se pueden obtener son:-Gases compuestos por H2, CO, CO2 e hidrocarburos(normalmente metano).-Lıquidos hidrocarbonados.-Residuos carbonosos.

Procesos de gasificacion.

El proceso de gasificacion consiste en una combustion condefecto de oxıgeno en la que se obtiene CO, CO2, H2 yCH4, en proporciones diversas segun la composicion de lamateria prima y las condiciones del proceso. El oxıgenose limita entre un 10 y un 50 % del estequiometrico y latemperatura oscila entre 700 y 1.500oC. La gasificacionpuede aplicarse tanto a la biomasa como al carbon.

Fig.2 Proceso de gasificacion de un combustible, porejemplo el carbon.

III. BIOHIDROGENO

El Biohidrogeno esta definido como el hidrogeno quees producido biologicamente, por lo general realizadopor algas, bacterias y archaea. El biohidrogeno es un

potencial biocombustible accesible tanto por desechos decultivo como de materiales organicos. Si el hidrogenopor fermentacion es introducido a la industria, el procesode fermentacion sera dependiente de acidos organicoscomo substrato para la foto-fermentacion. Los acidosorganicos son necesarios para ındices altos de produccionde hidrogeno. Los acidos organicos pueden ser derivados decualquier fuente de materia organica como aguas residualeso residuos agrıcolas. Los acidos organicos mas importantesson el acido acetico (HAc), el acido Butırico (HBc) yel acido propanoico(HPc). Una ventaja considerable enla produccion de hidrogeno por fermentacion es que norequiere de la glucosa como substrato. La fermentacion dehidrogeno debe ser un proceso de fermentacion continuo,para poder obtener ındices altos de produccion, ya que lacantidad de tiempo para alcanzar niveles de produccionaltos por fermentacion toma varios dıas. Un proyecto muycontroversial es el de producion de biohidrogeno a partirdel suero lacteo expresado en la siguiente Figura.

Fig.3 Proceso de producion de biohidrogeno .

IV. ALMACENAMIENTO

Almacenamiento de Hidrogeno.

Aquı nos encontramos con uno de los mayores problemastecnicos que plantea la utilizacion del hidrogeno. Debido asu baja densidad energetica, es muy complicado almacenaren un volumen razonable y sobre todo a bajo costeuna cantidad de energıa medianamente aceptable. Porello, uno de los caballos de batalla de la economıa delhidrogeno es el desarrollo de sistemas de almacenamientocon costes aceptables. De los metodos planteados, soloen el almacenamiento mediante hidruros metalicos, noes absolutamente necesaria la utilizacion de compresores;si bien, la presion que e necesario alcanzar varıa de unmetodo a otro. La complicacion tecnica se situa en que, porun lado, es necesario modificar el sello de los compresorestradicionales debido a la alta difusividad del hidrogeno(Hart 1997), y por otro la cantidad de volumen de hidrogenoa comprimir para alcanzar una masa aceptable es muyimportante, lo que se traduce en unos costes muy elevados.Dependiendo del proceso utilizado, es posible utilizar un“expander” para recuperar parte de la energıa utilizada enla compresion. Hay que tener en cuenta que de los metodosplanteados, la compresion subterranea tan solo es validacuando se trabaja con grandes cantidades de hidrogeno.Para vehıculos de transporte, cualquiera de los tres primeros

metodos serıa valido; si bien, se aprecia que el coste dealmacenamiento es elevado.

IV-A. Hidrogeno comprimido

El hidrogeno comprimido (CGH2 or CGH2) es el estadogaseoso del elemento hidrogeno que se encuentra bajopresion. El hidrogeno comprimido en tanques de hidrogenosa 350 bares y 700 bares es usado para almacenamiento dehidrogeno movible en vehıculos de hidrogeno.Este usual-mente usado como gas combustible.

IV-B. Hidrogeno liquido

El hidrogeno lıquido es el elemento hidrogeno en estadolıquido. Es comunmente usado como combustible en laindustria aeroespacial donde se suele abreviar como LH2,ya que en la naturaleza se encuentra en forma molecularH2.

Para mantenerlo en forma lıquida es necesario presurizarloy enfriarlo a una temperatura de 20,28 K (252,87 C/423,17F). El hidrogeno lıquido se suele usar como una formacomun de almacenar el hidrogeno puesto que ocupa menosespacio que el hidrogeno en estado gaseoso a temperaturanormal. Este se usa para el combustible de los Automovilesde Hidrogeno.

IV-C. Hidruros metalicos

En un hidruro metalico el estado de oxidacion delHidrogeno es -1; mientras que en un hidruro no metalico,el estado de oxidacion del Hidrogeno es +1. Ademas endisolucion acuosa pueden aparecer el cation H+ (usualmenteen la forma H3O+) y H-. Sin embargo, el cation H2+ nopuede existir fısicamente ya que el hidrogeno solo disponede un electron de valencia. Por otra parte el tratamientoriguroso de la mecanica cuantica predice que el anion H2-tampoco puede existir.

V. TRASNPORTE Y DISTRIBUCION

Transporte del hidrogeno.

El transporte del hidrogeno lıquido se realiza a traves decamiones, ferrocarriles y barcos, cada uno con capacidadesdiferentes. El hidrogeno es transportado en forma lıquidasolamente por una cuestion de costos. Un camion que llevahidrogeno lıquido serıa reemplazado por 30 camiones quellevan hidrogeno gaseoso.

Distribucion del hidrogeno

La distribucion es el proceso de puesta a disposiciondel usuario final del hidrogeno. Actualmente, se realizadesde tanques a presion en el punto de suministro. En elfuturo, cuando se generalice el uso del hidrogeno en lallamada (sociedad del hidrogeno), se disenaran sistemasde interconexion por tuberıa que lo hagan llegar a loshogares (similar a las actuales conexiones de gas natural), ytambien estaciones de servicio de hidrogeno, que permitiranuna rapida recarga de cualquier vehıculo propulsado por

hidrogeno. A dıa de hoy, son muchos los proyectos que hanavanzado estas soluciones. A modo de ejemplo, en el ano2004 hay ya mas de 80 estaciones de servicio de hidrogenoen todo el mundo.

VI. PILA DE HIDROGENO

VI-A. Tipo de pilas de hidrogeno

Pila de combustible, tambien llamada celula de combusti-ble o celda de combustible, es un dispositivo electroquımicoen el cual un flujo continuo de combustible y oxidante sufrenuna reaccion quımica controlada que da lugar a los productosy suministra directamente corriente electrica a un circuitoexterno.

Se trata de un dispositivo electroquımico de conversionde energıa similar a una baterıa. Se diferencia en queesta disenada para permitir el abastecimiento continuo delos reactivos consumidos. Es decir, produce electricidad deuna fuente externa de combustible y de oxıgeno1 u otroagente oxidante, en contraposicion a la capacidad limitada dealmacenamiento de energıa que posee una baterıa. Ademas,en una baterıa los electrodos reaccionan y cambian seguncomo este de cargada o descargada; en cambio, en una celdade combustible los electrodos son catalıticos y relativamenteestables.

El proceso electroquımico que tiene lugar es de altaeficiencia y mınimo impacto ambiental. En efecto, dadoque la obtencion de energıa en las pilas de combustible estaexenta de cualquier proceso termico o mecanico intermedio,estos dispositivos alcanzan eficiencias mayores que lasmaquinas termicas, que estan limitadas por la eficienciadel Ciclo de Carnot. En general, la eficiencia energetica deuna pila de combustible esta entre 40-60 %, y puede llegarhasta un ¿85 %-90 % en cogeneracion, si se captura el calorresidual para su uso. Por otra parte, dado que el procesono implica la combustion de los reactivos, las emisionescontaminantes son mınimas.

Fig.4 Pila de hidrogeno.

VII. APLICACIONES

En industria quımica.

La industria quımica utiliza el hidrogeno para la sıntesisde los plasticos, del poliester y del nailon. En el ambitoespacial, el hidrogeno es un carburante ligero y eficaz:como ejemplo, 1 kg de hidrogeno contiene tres veces masde energıa que 1 kg de gasolina. Reacciona con el oxıgeno

lıquido a bordo de los cohetes (sobre todo el Ariane 5) paraproporcionar una gran cantidad de energıa.

En la industria del vidrio.

La industria del vidrio tambien utiliza el hidrogeno.Para obtener vidrio plano (para el acristalamiento, laspantallas planas, etc.), el vidrio en fusion se estira a unatemperatura aproximada de 1.000 C sobre un bano de estanotambien en fusion. Una atmosfera protectora formada pornitrogeno e hidrogeno tambien permite proteger este banode estano.

En electronica.

En electronica, el hidrogeno se utiliza como gas debarrido durante las fases de deposito de silicio o deproduccion de circuitos impresos.

En el sector automotriz.

El hidrogeno tambien se emplea en las pilas de combustible,en las que se combina con el oxıgeno del aire para producirelectricidad expulsando unicamente agua. Este sistema tansilencioso ya permite propulsar vehıculos.Desde el punto de vista institucional las diversasadministraciones se han puesto en marcha. Ası, enEstados Unidos se trabaja desde el programa Freedom-CAR [GONZ06], que hasta 2010 financia investigacionrespecto a la introduccion del uso del hidrogeno en elsector transporte, principalmente a traves de las pilasde combustible. Se inicio en enero de 2002 con laparticipacion de la Administracion norteamericana, FORD,Daimler Chrysler y General Motors. Posteriormente fuerefrendado a traves de la Iniciativa del Hidrogeno delpresidente Bush, que en el discurso sobre el estado de laUnion de 28 de enero de 2003 dijo: “con un nuevo comitenacional, nuestros cientıficos e ingenieros superaran losobstaculos para llevar estos coches desde el laboratorio ala demostracion de modo que el primer coche conducidopor un muchacho nacido hoy podrıa estar accionado porhidrogeno y libre de emisiones” [GONZ06]. Esta iniciativafue dotada por el gobierno estadounidense con 1,2 billonesde dolares.

VIII. COMBUSTION DIRECTA DEL HIDROGENO

La combustion del hidrogeno con oxıgeno puro conducea la formacion de vapor de agua puro.

Fig.5 Formula combustion Directa.

El principal inconveniente de esta reaccion es la alta tem-peratura desarrollada en la zona de la llama, superior a3.000oC, lo que acarrea problemas con los materiales delos equipos y por la generacion de NOx, como se co-mento previamente. Para solventarlos puede recurrirse a

la inyeccion de agua adicional, lo que permite ajustar latemperatura del vapor al valor deseado, pudiendo obtenersevapor saturado o sobrecalentado. Otra alternativa es recurriral empleo de catalizadores basados en platino (combustioncatalıtica), consiguiendo que la reaccion tenga lugar a me-nores temperaturas, desde ambiente hasta 500 oC. Los gasesde combustion producidos pueden llevarse directamente auna turbina de gas o a un ciclo combinado de turbina devapor/turbina de gas para la generacion de electricidad.

IX. CONCLUSIONES

-El hidrogeno que es una de las sustancias masinflamables de las que se conoce, y en presencia de fuegorealiza una explosion, por lo que al mismo tiempo produceuna fuerza, y esta fuerza puede ser utilizada como energıa

-Los motores de hidrogeno son estructuras capaces derealizar la misma funcion que los motores a gasolina, conun mayor beneficio ecologico porque al ser el hidrogenoun gas natural, su combustion no afecta el medio ambiente,el cual se encuentra tan afectado por la contaminacionen la actualidad. Estos motores a base de hidrogenofuncionarıan de la misma manera que lo hace uno abase de gasolina, ya que solo se sustituiran los compuestosque hacen capaces la explosion, sin modificar su mecanismo.

- Este gas conforma el 75 % de la composicion deluniverso, por lo que hay una fuente inagotable de este gas,a diferencia de la gasolina, que es un derivado del petroleo,el cual se encuentra en mucha menor proporcion. Tambienvale recalcar que el hidrogeno necesita menos procesos derefinacion ya que en su estado natural es capaz de produciruna explosion en presencia de fuego.

X. RECOMENDACIONES

-Es recomendable optar por la utilizacion de lacombustion a base de hidrogeno ya que este garantiza unamenor contaminacion al medio ambiente, ası como tambiensiendo mucho mas economico para la humanidad.

-Se recomendaria usar el hidrogeno como un combustibleteniendo en cuenta la forma mas apropiada dealmacenamiento ya que en esta etapa es sumamenteinpresindible la investigacion para lograr algun metodo dealmacenamiento menos riesgoso y de altas prestaciones.

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