Durante esta serie de “Antología del Hidrógeno” voy a realizar unos artículos tratando las tecnologías relacionadas con el mismo, pasando desde su producción, almacenamiento y uso final, intentando relacionarlo con su uso en los automóviles.
Como presupongo que todos ya sabréis, el hidrógeno es el elemento más abundante en el universo; pero salvo en el centro de las estrellas, no se encuentra libre en la naturaleza. El hidrógeno es la base de infinidad de compuestos, desde los hidrocarburos (cadenas de carbono e hidrógeno, entre los cuales nos encontramos nosotros) hasta los hidruros metálicos, por ir un poco de lado a lado de la tabla periódica.
Esto hace que para conseguir hidrógeno tengamos que “sacarlo” de donde anda metido; para esto tenemos diversos procesos, que voy a dividir en dos categorías principales: procesos no renovables y procesos renovables.
El primer tipo lo podemos tipificar como fuel processing, o procesamiento de combustible, en la lengua de Cervantes. Estos procesos básicamente consisten en sacar el hidrógeno contenido en hidrocarburos como la gasolina, etanol, gas natural, etc.
El segundo tipo engloba los procesos que no requieren el procesado de un combustible fósil y que, por tanto, son de carácter renovable. Estos procesos parten de la biomasa y la electrólisis.
Procesamiento de combustibles
Como mencioné antes, podemos obtener hidrógeno desde derivados del petróleo o del gas natural. El proceso más común actualmente en la industria es la obtención de hidrógeno a través del metano, dado su bajo contenido en azufre hace que no sea tan perjudicial para los catalizadores utilizados. De todas maneras, vamos a echar una ojeada rápida a los distintos procesos posibles:
Reformado de hidrocarburos
Los procesos de reformado de hidrocarburos producen una corriente de gas compuesta principalmente por hidrógeno, monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO2). Estos procesos requieren de una fuente externa de calor. Los tres tipos principales son reformado por vapor, oxidación parcial y reformado autotérmico.
Los tipos explicados aquí son válidos para todo tipo de combustibles, pero la presencia de azufre en combustibles hace que sea necesario un tratamiento previo de desulfuración para no cargarse los catalizadores. No me voy a parar a explicar aquí estos procesos (que lo que nos interesa son los coches, no la química, si no sería quimicapasión futuro el titulo del blog).
Las diferencias entre estos procesos vienen de la no necesidad de oxígeno adicional en el reformado por vapor, que además tiene una temperatura de producción menor y una relación entre hidrógeno y CO de 3:1, siendo la más elevada. El mayor inconveniente de esta técnica es que tiene las emisiones más elevadas de las tres.
El reformado por oxidación parcial convierte las cadenas de hidrocarburos en hidrógeno por, como su propio nombre indica, oxidándolos parcialmente. Vamos, una combustión de toda la vida. El calor necesario para la reacción sale de la combustión controlada, tiene como ventajas la no necesidad de un catalizador para su funcionamiento, lo que implica una mayor tolerancia al azufre que los otros dos procesos. La principal desventaja es que la relación H2/CO es sólo de 1:1 o 2:1.
La combinación de estos dos primeros casos es el proceso autotérmico, que genera un proceso térmicamente neutro. El reformado autotérmico requiere sin embargo de una unidad de separación de oxigeno, que a parte de ser caro y complejo, sirve para añadir oxigeno puro al reactor. El mayor inconveniente de este proceso es que no está todavía muy implantado a nivel industrial, lo que lo hace más complejo, a pesar de reunir las características técnicas para imponerse como proceso de futuro.
Queda por decir que el proceso preferido por la industria es el reformado con vapor, a pesar de ser el que presenta el mayor grado de influencia del gran inconveniente de estos procesos, la formación de monóxido de carbono. El monóxido de carbono (CO) es un gas altamente tóxico y perjudicial para la salud y el medio ambiente, lo que hace que sea necesario un proceso de oxidación (o lo que es lo mismo, quemarlo) para poder proceder a su liberación a la atmósfera.
Otros procesos
Existen también otros procesos de reformado como el reformado por plasma, el reformado en fase acuosa y el reformado por amoniaco. Que son de interés investigador pero no a nivel industrial.
Estos procesos tienen una eficiencia que ronda entre el 60-85% que tienen los procesos de reformado por vapor, oxidación parcial y autotérmico hasta los 35-55% del reformado por amoniaco y el 9-85% del reformado por plasma.
Producción sin reformado
Hasta ahora, sólo he hablado de los procesos de producción de hidrógeno basados en reformar hidrocarburos. Ahora (si todavía no os habéis aburrido de mi clase de química industrial y no habéis cambiado de página) vamos a hablar de los procesos que no dependen de combustibles fósiles para producir hidrógeno.
Hidrógeno desde biomasa
La biomasa es el término genérico para referirse a toda la materia orgánica que podemos usar como combustible. La producción de hidrógeno desde biomasa puede ser a través de biogás (con procesos de reformado como los citados para los combustibles fósiles) o de “hidrógeno biológico”, que vienen a ser procesos donde por medio de la digestión de algas y bacterias obtenemos hidrógeno.
Muy pocos microorganismos son capaces de producir hidrógeno directamente como residuo de su digestión, por tanto, se ha modificado genéticamente algunos organismos para cumplir con esta misión. Esto nos deja el dilema ético de si modificar una forma de vida para nuestro propio uso y disfrute es moral. Lo hemos hecho primero con los animales de granja, pero de cruzar tipos de cabras a modificar en el laboratorio el genoma de una especie hay una considerable diferencia de “placer” para el ser en cuestión…
Hidrógeno desde el agua, la electrólisis
Éste puede que sea posiblemente el método más conocido de producción de hidrógeno de forma “limpia”, creo que todos lo hemos hecho en clase de química en el instituto y poco se puede comentar sobre este proceso que no se sepa ya. Pasamos una corriente eléctrica a través de dos electrodos en agua y, por artes de brujería los milagros de la ciencia, obtenemos hidrógeno y oxígeno.
El problema de la electrólisis es la eficiencia del proceso. En sistemas comerciales tenemos una eficiencia en el rango de 56-73% (70,1–53,4 kWh/kg H2 a 1 atmósfera de presión y 25 grados centígrados). Lo cual no es mucho, pero es bastante más que lo que seríamos capaces de sacar al mejor ciclo termodinámico. Pero en la búsqueda de mayores eficiencias, otros métodos han sido desarrollados.
Dentro de las posibilidades para generar la electrólisis tenemos desde pilas de combustible (si funcionan con hidrógeno son reversibles, pero lo trataremos con más calma en su artículo específico), reactores electrolíticos, hasta procesos termoquímicos y fotoelectrolíticos.
Los reactores electrolíticos pueden producir hidrógeno directamente a altas presiones y con gran pureza, pero tienen una eficiencia muy baja. Como nota curiosa de este proceso, a parte de ser considerablemente más caro que el reformado de combustibles fósiles, si se utiliza electricidad no procedente de energías renovables las emisiones son superiores a los métodos “tradicionales”. Siempre que el hidrógeno no tenga que ser transportado, ya que esto puede influir en el resultado final.
Estudios recientes dicen que si sigue subiendo el precio del gas natural, en breve la electrólisis será rentable frente al reformado del mismo. Como variación de los reactores electrolíticos, los reactores electrolíticos alcalinos utilizan hidruros de potasio (KOH) o sodio (NaOH), con una eficiencia del orden de 50-60%.
Los procesos fotoelectrolíticos consisten básicamente en un reactor electrolítico en el que el suministro de electricidad proviene de células fotovoltaicas. Y me diréis, ¿eso es un proceso distinto? Si, porque todo el proceso, desde la recepción de la luz solar hasta la salida del hidrógeno sale de la misma célula. El rendimiento de transformación de radiación solar en hidrógeno buscado es que sea >16%, situandose en los rangos de eficiencia de las células fotovoltaicas.
Los procesos termoquímicos separan el hidrógeno del oxígeno por calor, a una temperatura de unos 2500ºC. Con rendimientos del 50%. Pero, ¿todos los procesos tienen bajas eficiencias? Bueno, las células de óxidos sólidos pueden alcanzar rendimientos del 85-90% en medidas experimentales. Pero, eso si, en medidas experimentales.
Espero que después de esta clase de química industrial nos queden claras las formas posibles de producir hidrógeno, donde podemos ver que no es ni fácil ni barato el hacerlo de forma limpia. Eso si, no hay nada que no se pueda hacer, y con el dinero que se invierte en el mundo en nuevas investigaciones, es posible que en pocos años lo que aquí está escrito esté obsoleto, ¡y me toque cambiarlo para el futuro!
Imágenes | Flickr, BMW, Honda
Fuente | J.D. Holladay, J. Hu, D.L. King, Y. Wang, An overview of hydrogen production technologies
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