El gas hidrógeno se produce mediante varios métodos industriales. Casi todo el suministro actual de hidrógeno del mundo se genera a partir de combustibles fósiles. [1] [2] : 1 La mayor parte del hidrógeno es hidrógeno gris obtenido mediante reformado de metano con vapor . En este proceso, el hidrógeno se produce a partir de una reacción química entre vapor y metano , principal componente del gas natural. Producir una tonelada de hidrógeno mediante este proceso emite entre 6,6 y 9,3 toneladas de dióxido de carbono. [3] Cuando se utiliza la captura y almacenamiento de carbono para eliminar una gran fracción de estas emisiones, el producto se conoce como hidrógeno azul . [4]
Generalmente se entiende que el hidrógeno verde se produce a partir de electricidad renovable mediante electrólisis del agua. [5] [6] Con menos frecuencia, las definiciones de hidrógeno verde incluyen el hidrógeno producido a partir de otras fuentes de bajas emisiones, como la biomasa . [7] Producir hidrógeno verde es actualmente más caro que producir hidrógeno gris, y la eficiencia de la conversión de energía es intrínsecamente baja. [8] Otros métodos de producción de hidrógeno incluyen la gasificación de biomasa , la pirólisis de metano y la extracción de hidrógeno subterráneo . [9] [10]
A partir de 2023, menos del 1% de la producción dedicada de hidrógeno será baja en carbono, es decir, hidrógeno azul, hidrógeno verde e hidrógeno producido a partir de biomasa. [11]
En 2020, se produjeron aproximadamente 87 millones de toneladas de hidrógeno [12] en todo el mundo para diversos usos, como el refinado de petróleo , la producción de amoníaco mediante el proceso Haber y la producción de metanol mediante la reducción de monóxido de carbono . El mercado mundial de generación de hidrógeno estaba valorado razonablemente en 155 mil millones de dólares en 2022 y se esperaba que creciera a una tasa de crecimiento anual compuesta del 9,3% entre 2023 y 2030. [13]
Se descubrió hidrógeno molecular en el pozo superprofundo de Kola . No está claro cuánto hidrógeno molecular hay disponible en los yacimientos naturales, pero al menos una empresa [14] se especializa en perforar pozos para extraer hidrógeno. La mayor parte del hidrógeno de la litosfera está unido al oxígeno del agua. La fabricación de hidrógeno elemental requiere el consumo de un portador de hidrógeno, como un combustible fósil o agua. El antiguo transportista consume el recurso fósil y en el proceso de reformado de metano con vapor (SMR) produce dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero. Sin embargo, en el nuevo proceso de pirólisis de metano no se produce dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero. Estos procesos normalmente no requieren ningún aporte de energía adicional más allá del combustible fósil.
El agua en descomposición , este último portador, requiere un aporte eléctrico o de calor, generado a partir de alguna fuente de energía primaria (combustible fósil, energía nuclear o una energía renovable ). Hidrógeno producido por electrólisis del agua utilizando fuentes de energía renovables como la eólica y la solar , lo que se conoce como hidrógeno verde . [15] Cuando se deriva del gas natural mediante pirólisis de metano con cero emisiones de efecto invernadero, se lo conoce como hidrógeno turquesa. [dieciséis]
Cuando el combustible fósil se deriva de emisiones de gases de efecto invernadero , generalmente se le denomina hidrógeno gris . Si se captura la mayor parte de las emisiones de dióxido de carbono, se denomina hidrógeno azul. [17] El hidrógeno producido a partir del carbón puede denominarse hidrógeno marrón o negro. [18]
A menudo se hace referencia al hidrógeno mediante varios colores para indicar su origen (quizás porque el gris simboliza el "hidrógeno sucio" [19] ). [20] [21] [10]
El hidrógeno se produce industrialmente a partir del reformado con vapor (SMR), que utiliza gas natural. [29] El contenido energético del hidrógeno producido es alrededor del 74% del contenido energético del combustible original, [30] ya que parte de la energía se pierde en forma de exceso de calor durante la producción. En general, el reformado con vapor emite dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero, y se conoce como hidrógeno gris. Si el dióxido de carbono se captura y almacena, el hidrógeno producido se conoce como hidrógeno azul.
El reformado de metano con vapor (SMR) produce hidrógeno a partir de gas natural, principalmente metano (CH 4 ), y agua. Es la fuente más barata de hidrógeno industrial, siendo la fuente de casi el 50% del hidrógeno mundial. [31] El proceso consiste en calentar el gas a 700-1100 °C (1300-2000 °F) en presencia de vapor sobre un catalizador de níquel . La reacción endotérmica resultante forma monóxido de carbono e hidrógeno molecular (H 2 ). [32]
En la reacción de transferencia de agua y gas , el monóxido de carbono reacciona con vapor para obtener cantidades adicionales de H2 . El WGSR también requiere un catalizador, normalmente sobre óxido de hierro u otros óxidos . El subproducto es CO 2 . [32] Dependiendo de la calidad de la materia prima (gas natural, nafta , etc.), una tonelada de hidrógeno producida también producirá de 9 a 12 toneladas de CO 2 , un gas de efecto invernadero que puede ser capturado . [33]
Para este proceso, el vapor de alta temperatura (H 2 O) reacciona con metano (CH 4 ) en una reacción endotérmica para producir gas de síntesis . [34]
En una segunda etapa, se genera hidrógeno adicional a través de la reacción exotérmica de cambio de agua-gas a baja temperatura, realizada a aproximadamente 360 °C (680 °F):
Básicamente, el átomo de oxígeno (O) se elimina del agua adicional (vapor) para oxidar el CO a CO 2 . Esta oxidación también proporciona energía para mantener la reacción. El calor adicional necesario para impulsar el proceso generalmente se obtiene quemando una parte del metano.
Los métodos para producir hidrógeno sin el uso de combustibles fósiles implican el proceso de división del agua , o división de la molécula de agua (H 2 O) en sus componentes oxígeno e hidrógeno. Cuando la fuente de energía para la división del agua es renovable o baja en carbono, el hidrógeno producido a veces se denomina hidrógeno verde . La conversión se puede lograr de varias maneras, pero actualmente todos los métodos se consideran más caros que los métodos de producción basados en combustibles fósiles.
El hidrógeno se puede producir mediante electrólisis a alta presión , electrólisis de agua a baja presión o una variedad de otros procesos electroquímicos emergentes, como la electrólisis a alta temperatura o la electrólisis asistida por carbono. [35] Sin embargo, los mejores procesos actuales para la electrólisis del agua tienen una eficiencia eléctrica efectiva del 70-80%, [36] [37] [38] de modo que producir 1 kg de hidrógeno (que tiene una energía específica de 143 MJ/kg o unos 40 kWh/kg) requiere entre 50 y 55 kWh de electricidad.
En algunas partes del mundo, el reformado de metano con vapor cuesta entre 1 y 3 dólares/kg en promedio, excluyendo el costo de presurización del gas hidrógeno. Esto hace que la producción de hidrógeno mediante electrólisis ya sea competitiva en costos en muchas regiones, como lo señalan Nel Hydrogen [39] y otros, incluido un artículo de la AIE [40] que examina las condiciones que podrían conducir a una ventaja competitiva para la electrólisis.
Una pequeña parte (2% en 2019 [41] ) se produce por electrólisis utilizando electricidad y agua, consumiendo aproximadamente de 50 a 55 kilovatios-hora de electricidad por kilogramo de hidrógeno producido. [42]
La electrólisis del agua utiliza electricidad para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. En 2020, menos del 0,1% de la producción de hidrógeno proviene de la electrólisis del agua. [43] La electrólisis del agua tiene una eficiencia del 70 al 80 % (una pérdida de conversión del 20 al 30 %) [44] [45] mientras que el reformado con vapor de gas natural tiene una eficiencia térmica de entre el 70 y el 85 %. [46] Se espera que la eficiencia eléctrica de la electrólisis alcance el 82-86% [47] antes de 2030, manteniendo al mismo tiempo la durabilidad a medida que el progreso en esta área continúa a buen ritmo. [48]
La electrólisis del agua puede funcionar a 50–80 °C (120–180 °F), mientras que el reformado de metano con vapor requiere temperaturas de 700–1100 °C (1300–2000 °F). [49] La diferencia entre los dos métodos es la energía primaria utilizada; ya sea electricidad (para electrólisis) o gas natural (para reformado de metano con vapor). Debido al uso de agua, un recurso fácilmente disponible, la electrólisis y métodos similares de división del agua han atraído el interés de la comunidad científica. Con el objetivo de reducir el coste de producción de hidrógeno, se han apuntado a fuentes de energía renovables que permitan la electrólisis. [50]
Hay tres tipos principales de celdas electrolíticas : celdas electrolizadoras de óxido sólido (SOEC), celdas de membrana de electrolito polimérico (PEM) y celdas de electrólisis alcalina (AEC). [51] Tradicionalmente, los electrolizadores alcalinos son más baratos en términos de inversión (generalmente utilizan catalizadores de níquel), pero menos eficientes; Los electrolizadores PEM, por el contrario, son más caros (generalmente utilizan costosos catalizadores de metales del grupo del platino ), pero son más eficientes y pueden funcionar a densidades de corriente más altas y, por lo tanto, pueden ser posiblemente más baratos si la producción de hidrógeno es lo suficientemente grande. [52]
Las SOEC funcionan a altas temperaturas, normalmente alrededor de 800 °C (1500 °F). A estas altas temperaturas, una cantidad significativa de la energía necesaria puede proporcionarse como energía térmica (calor) y, como tal, se denomina electrólisis a alta temperatura . La energía térmica puede obtenerse de diversas fuentes, incluido el calor industrial residual, centrales nucleares o plantas termosolares de concentración . Esto tiene el potencial de reducir el costo total del hidrógeno producido al reducir la cantidad de energía eléctrica necesaria para la electrólisis. [53] [54] [55] [56]
Las celdas de electrólisis PEM normalmente funcionan por debajo de los 100 °C (212 °F). [53] Estas celdas tienen la ventaja de ser comparativamente simples y pueden diseñarse para aceptar entradas de voltaje muy variables , lo que las hace ideales para su uso con fuentes de energía renovables, como los paneles solares fotovoltaicos . [57] Los AEC funcionan de manera óptima a altas concentraciones de electrolito (KOH o carbonato de potasio ) y a altas temperaturas, a menudo cerca de 200 °C (392 °F).
La eficiencia de los generadores de hidrógeno modernos se mide por la energía consumida por volumen estándar de hidrógeno (MJ/m 3 ), suponiendo una temperatura y presión estándar del H 2 . Cuanto menor sea la energía utilizada por un generador, mayor será su eficiencia; un electrolizador 100% eficiente consumiría 39,4 kilovatios-hora por kilogramo (142 MJ/kg) de hidrógeno, [58] 12.749 julios por litro (12,75 MJ/m 3 ). La electrólisis práctica suele utilizar un electrolizador giratorio, donde la fuerza centrífuga ayuda a separar las burbujas de gas del agua. [59] Un electrolizador de este tipo a una presión de 15 bares puede consumir 50 kilovatios-hora por kilogramo (180 MJ/kg), y otros 15 kilovatios-hora (54 MJ) si el hidrógeno se comprime para su uso en automóviles de hidrógeno. [60]
La electrólisis alcalina convencional tiene una eficiencia de aproximadamente el 70%, [61] sin embargo, se encuentran disponibles electrolizadores de agua alcalina avanzados con una eficiencia de hasta el 82%. [62] Teniendo en cuenta el uso del valor calorífico más alto (debido a que la ineficiencia a través del calor puede redirigirse nuevamente al sistema para crear el vapor requerido por el catalizador), las eficiencias de trabajo promedio para la electrólisis PEM son alrededor del 80%, o el 82% usando el electrolizadores alcalinos más modernos. [63]
Se espera que la eficiencia de PEM aumente hasta aproximadamente el 86 % [64] antes de 2030. Se prevé que la eficiencia teórica de los electrolizadores de PEM sea de hasta el 94 %. [sesenta y cinco]
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A partir de 2020, el coste del hidrógeno por electrólisis ronda los 3-8 dólares el kg. [66] Considerando la producción industrial de hidrógeno y utilizando los mejores procesos actuales para la electrólisis del agua (PEM o electrólisis alcalina) que tienen una eficiencia eléctrica efectiva del 70 al 82%, [67] [68] [69] produciendo 1 kg de hidrógeno. (que tiene una energía específica de 143 MJ/kg o aproximadamente 40 kWh/kg) requiere entre 50 y 55 kWh de electricidad. Con un coste de electricidad de 0,06 dólares/kWh, según lo establecido en los objetivos de producción de hidrógeno del Departamento de Energía para 2015, [70] el coste del hidrógeno es de 3 dólares/kg.
El precio objetivo del DOE de EE. UU. para el hidrógeno en 2020 es de 2,30 dólares/kg, lo que requiere un costo de electricidad de 0,037 dólares/kWh, lo cual es alcanzable dadas las recientes licitaciones de PPA para energía eólica y solar en muchas regiones. [71] El informe de IRENA.ORG es un extenso informe fáctico de que la producción industrial actual de hidrógeno que consume entre 53 y 70 kWh por kg podría reducirse a aproximadamente 45 kWh/kg H.
2. [72] La energía termodinámica requerida para el hidrógeno por electrólisis se traduce en 33 kWh/kg, que es mayor que el reformado con vapor con captura de carbono y mayor que la pirólisis de metano. Una de las ventajas de la electrólisis sobre el hidrógeno procedente del reformado de metano con vapor (SMR) es que el hidrógeno se puede producir in situ, lo que significa que se evita el costoso proceso de entrega por camión o tubería.
Además de reducir el voltaje requerido para la electrólisis mediante el aumento de la temperatura de la celda de electrólisis, también es posible consumir electroquímicamente el oxígeno producido en un electrolizador mediante la introducción de un combustible (como carbono/carbón, [73] metanol , [74 ] [75] etanol , [76] ácido fórmico , [77] glicerol, [77] etc.) en el lado de oxígeno del reactor. Esto reduce la energía eléctrica requerida y tiene el potencial de reducir el costo del hidrógeno a menos del 40% al 60% con la energía restante proporcionada de esta manera. [78]
La electrólisis de agua asistida por carbono/hidrocarburos (CAWE) tiene el potencial de ofrecer un método más limpio y que consume menos energía para utilizar energía química en diversas fuentes de carbono, como carbones de bajo y alto contenido de azufre, biomasa, alcoholes y metano (gas natural). , donde el CO 2 puro producido puede secuestrarse fácilmente sin necesidad de separación. [79] [80]
La biomasa se convierte en gas de síntesis mediante gasificación y el gas de síntesis se convierte aún más en hidrógeno mediante la reacción de desplazamiento agua-gas (WGSR). [81]
La producción industrial de cloro y sosa cáustica mediante electrólisis genera una cantidad considerable de hidrógeno como subproducto. En el puerto de Amberes, una central eléctrica de demostración de pila de combustible de 1 MW funciona con dicho subproducto. Esta unidad ha estado operativa desde finales de 2011. [82] El exceso de hidrógeno a menudo se gestiona con un análisis de presión de hidrógeno .
El gas generado por los hornos de coque en la producción de acero es similar al gas de síntesis con un 60% de hidrógeno en volumen. [83] El hidrógeno se puede extraer económicamente del gas del horno de coque. [84]
La producción de hidrógeno a partir del gas natural y de los hidrocarburos más pesados se consigue mediante oxidación parcial. Una mezcla de combustible, aire o combustible y oxígeno se quema parcialmente , lo que da como resultado un gas de síntesis rico en hidrógeno y monóxido de carbono. Luego se obtienen más hidrógeno y dióxido de carbono a partir del monóxido de carbono (y agua) mediante la reacción de desplazamiento agua-gas. [32] El dióxido de carbono se puede coalimentar para reducir la proporción de hidrógeno a monóxido de carbono.
La reacción de oxidación parcial ocurre cuando una mezcla subestequiométrica de combustible y aire o combustible y oxígeno se quema parcialmente en un reformador o en un reactor de oxidación parcial. Se distingue entre oxidación parcial térmica (TPOX) y oxidación parcial catalítica (CPOX). La reacción química toma la forma general:
Los ejemplos idealizados para combustible para calefacción y carbón, asumiendo composiciones C 12 H 24 y C 24 H 12 respectivamente, son los siguientes:
El proceso Kværner o proceso de negro de humo e hidrógeno de Kvaerner (CB&H) [85] es un método de pirólisis por plasma , desarrollado en la década de 1980 por una empresa noruega del mismo nombre, para la producción de hidrógeno y negro de humo a partir de hidrocarburos líquidos (C n H m ). De la energía disponible de la alimentación, aproximadamente el 48% está contenida en hidrógeno, el 40% está contenida en carbón activado y el 10% en vapor sobrecalentado . [86] En el proceso no se produce CO 2 .
En 2009 se presentó una variación de este proceso que utiliza tecnología de eliminación de desechos por arco de plasma para la producción de hidrógeno, calor y carbono a partir de metano y gas natural en un convertidor de plasma . [87]
Para la producción de hidrógeno a partir de carbón se utiliza la gasificación del carbón . El proceso de gasificación del carbón utiliza vapor y oxígeno para romper los enlaces moleculares del carbón y formar una mezcla gaseosa de hidrógeno y monóxido de carbono. [50] El dióxido de carbono y los contaminantes pueden eliminarse más fácilmente del gas obtenido de la gasificación del carbón que de la combustión del carbón. [88] [89] Otro método de conversión es la carbonización del carbón a baja y alta temperatura . [90]
El gas de horno de coque elaborado a partir de pirólisis (calentamiento sin oxígeno) de carbón tiene aproximadamente un 60% de hidrógeno, siendo el resto metano, monóxido de carbono, dióxido de carbono, amoníaco, nitrógeno molecular y sulfuro de hidrógeno (H 2 S). El hidrógeno se puede separar de otras impurezas mediante el proceso de adsorción por cambio de presión . Las empresas siderúrgicas japonesas han producido hidrógeno mediante este método.
El coque de petróleo también se puede convertir en gas de síntesis rico en hidrógeno mediante la gasificación del carbón. El gas de síntesis producido se compone principalmente de hidrógeno, monóxido de carbono y H2S del azufre de la alimentación de coque. La gasificación es una opción para producir hidrógeno a partir de casi cualquier fuente de carbono. [91]
La inyección de microbios apropiados en pozos petroleros agotados les permite extraer hidrógeno del petróleo restante irrecuperable. Dado que los únicos insumos son los microbios, los costos de producción son bajos. El método también produce CO concentrado.
2que en principio podría capturarse. [92]
La radiación nuclear puede romper los enlaces de agua mediante radiólisis . [93] [94] En la mina de oro de Mponeng , Sudáfrica , los investigadores encontraron bacterias en una zona natural de alta radiación. La comunidad bacteriana, dominada por un nuevo filotipo de Desulfotomaculum , se alimentaba principalmente de hidrógeno producido radiolíticamente . [95]
El agua se disocia espontáneamente alrededor de los 2500 °C, pero esta termólisis se produce a temperaturas demasiado altas para las tuberías y equipos de proceso habituales, lo que da como resultado un potencial de comercialización bastante bajo. [96]
La pirólisis se puede dividir en diferentes tipos según la temperatura de pirólisis, a saber, pirólisis lenta a baja temperatura, pirólisis rápida a temperatura media y pirólisis instantánea a alta temperatura. [97] La fuente de energía es principalmente energía solar, con ayuda de microorganismos fotosintéticos para descomponer el agua o la biomasa para producir hidrógeno. Sin embargo, este proceso tiene rendimientos de hidrógeno relativamente bajos y un alto costo operativo. No es un método viable para la industria.
El reactor de alta temperatura refrigerado por gas (HTGR) es una de las técnicas nucleares libres de CO 2 más prometedoras para producir hidrógeno mediante la división del agua a gran escala. En este método, se seleccionaron el ciclo termoquímico yodo-azufre (IS) para dividir el agua y la electrólisis con vapor de alta temperatura (HTSE) como procesos principales para la producción de hidrógeno nuclear. El ciclo SI sigue tres reacciones químicas: [98]
Reacción de Bunsen: I 2 +SO 2 +2H 2 O=H 2 SO 4 +2HI
Descomposición HI: 2HI=H 2 +I 2
Descomposición del ácido sulfúrico : H 2 SO 4 =SO 2 +1/2O 2 +H 2 O
La tasa de producción de hidrógeno de HTGR con ciclo IS es de aproximadamente 0,68 kg/s y el costo de capital para construir una unidad de central eléctrica es de 100 millones de dólares.
Los ciclos termoquímicos combinan únicamente fuentes de calor ( termo ) con reacciones químicas para dividir el agua en sus componentes de hidrógeno y oxígeno . [99] El término ciclo se utiliza porque, además del agua, el hidrógeno y el oxígeno, los compuestos químicos utilizados en estos procesos se reciclan continuamente. Si la electricidad se utiliza parcialmente como insumo, el ciclo termoquímico resultante se define como híbrido.
El ciclo azufre-yodo (ciclo SI) es un proceso de ciclo termoquímico que genera hidrógeno a partir del agua con una eficiencia de aproximadamente el 50%. El azufre y el yodo utilizados en el proceso se recuperan y reutilizan, y no se consumen en el proceso. El ciclo se puede realizar con cualquier fuente de temperaturas muy altas, aproximadamente 950 °C, como los sistemas de energía solar de concentración (CSP) y se considera muy adecuado para la producción de hidrógeno mediante reactores nucleares de alta temperatura , [100] y como tal, se está estudiando en el reactor de pruebas de ingeniería de alta temperatura en Japón. [101] [102] [103] [104] Existen otros ciclos híbridos que utilizan altas temperaturas y algo de electricidad, como el ciclo cobre-cloro , se clasifica como un ciclo termoquímico híbrido porque utiliza una reacción electroquímica en uno. De los pasos de reacción, opera a 530 °C y tiene una eficiencia del 43 por ciento. [105]
El ejército utiliza ferrosilicio para producir rápidamente hidrógeno para globos . La reacción química utiliza hidróxido de sodio , ferrosilicio y agua. El generador es lo suficientemente pequeño como para caber en un camión y requiere sólo una pequeña cantidad de energía eléctrica, los materiales son estables y no combustibles, y no generan hidrógeno hasta que se mezclan. [106] El método se ha utilizado desde la Primera Guerra Mundial . Se llena un recipiente a presión de acero pesado con hidróxido de sodio y ferrosilicio, se cierra y se agrega una cantidad controlada de agua; la disolución del hidróxido calienta la mezcla a aproximadamente 93°C e inicia la reacción; Se producen silicato de sodio , hidrógeno y vapor. [107]
En un biorreactor de algas se puede producir hidrógeno biológico . [108] A finales de los años 1990 se descubrió que si las algas son privadas de azufre pasarán de la producción de oxígeno , es decir, la fotosíntesis normal , a la producción de hidrógeno. Parece que la producción ahora es económicamente viable al superar la barrera del 7 al 10 por ciento de eficiencia energética (la conversión de la luz solar en hidrógeno). [109] con una tasa de producción de hidrógeno de 10 a 12 ml por litro de cultivo por hora. [110]
La conversión de energía solar en hidrógeno mediante un proceso de división del agua es una de las formas más interesantes de conseguir sistemas de energía limpia y renovable . Sin embargo, si este proceso es asistido por fotocatalizadores suspendidos directamente en agua en lugar de utilizar un sistema fotovoltaico y electrolítico, la reacción se realiza en un solo paso y se puede hacer más eficiente. [111] [112] [113] Sin embargo, los sistemas actuales tienen un bajo rendimiento para la implementación comercial. [114] [115]
En principio, la biomasa y los flujos residuales pueden convertirse en biohidrógeno mediante gasificación de biomasa , reformado con vapor o conversión biológica como la electrólisis biocatalizada [78] o la producción de hidrógeno fermentativo. [116]
Entre los métodos de producción de hidrógeno, las rutas biológicas son potencialmente menos intensivas en energía. Además, se puede utilizar una amplia variedad de residuos y materiales de bajo valor, como la biomasa agrícola, como fuentes renovables para producir hidrógeno mediante vías bioquímicas o termoquímicas. [81] Sin embargo, en la actualidad el hidrógeno se produce principalmente a partir de combustibles fósiles, en particular del gas natural, que son fuentes no renovables. El hidrógeno no sólo es el combustible más limpio, sino que también se utiliza ampliamente en diversas industrias, especialmente en las de fertilizantes, petroquímica y alimentaria. [117]
Las rutas bioquímicas para obtener hidrógeno se clasifican en procesos oscuros y de fotofermentación. En la fermentación oscura, los carbohidratos se convierten en hidrógeno mediante microorganismos fermentativos, incluidas bacterias anaerobias estrictas y anaeróbicas facultativas. Se puede producir un máximo teórico de 4 moles de H 2 /mol de glucosa. [ cita necesaria ] Los azúcares se pueden convertir en ácidos grasos volátiles (AGV) y alcoholes como subproductos durante este proceso. Las bacterias fotofermentativas pueden generar hidrógeno a partir de AGV. Por lo tanto, los metabolitos formados en la fermentación oscura se pueden utilizar como materia prima en la fotofermentación para mejorar el rendimiento general de hidrógeno. [117]
La producción fermentativa de hidrógeno convierte los sustratos orgánicos en hidrógeno. Un grupo diverso de bacterias promueve esta transformación. La fotofermentación se diferencia de la fermentación oscura porque sólo se produce en presencia de luz . Por ejemplo, se puede emplear la fotofermentación con Rhodobacter sphaeroides SH2C para convertir algunos ácidos grasos en hidrógeno. [118]
La producción fermentativa de hidrógeno se puede realizar mediante biofotólisis directa por algas verdes, biofotólisis indirecta por cianobacterias, fotofermentación por bacterias fotosintéticas anaeróbicas y fermentación oscura por bacterias fermentativas anaeróbicas. Por ejemplo, en la literatura se informan estudios sobre la producción de hidrógeno utilizando H. salinarium , una bacteria fotosintética anaeróbica, acoplada a un donante de hidrogenasa como E. coli . [119] Enterobacter aerogenes es otro productor de hidrógeno. [120]
Se han diseñado diversas vías enzimáticas para generar hidrógeno a partir de azúcares. [121]
Además de la fermentación oscura, otra posibilidad es la electrohidrogénesis (electrólisis con microbios). Utilizando pilas de combustible microbianas , se pueden utilizar aguas residuales o plantas para generar energía. La electrólisis biocatalizada no debe confundirse con la producción biológica de hidrógeno , ya que esta última solo utiliza algas y, en esta última, las propias algas generan el hidrógeno instantáneamente, mientras que con la electrólisis biocatalizada, esto sucede después de pasar por la celda de combustible microbiana y una variedad de plantas acuáticas. Se puede utilizar [122] . Estos incluyen pasto dulce de caña , pasto cordal, arroz, tomates, altramuces y algas. [123]
El polvo de aleación de aluminio reacciona con el agua para producir gas hidrógeno al entrar en contacto con el agua. Según se informa, genera hidrógeno al 100 por ciento del rendimiento teórico. [124] [125] Las rutas rentables para generar la aleación de aluminio siguen siendo difíciles de alcanzar.
CC-HOD (Carbón catalítico – Hidrógeno bajo demanda) es un proceso de baja temperatura en el que el carbono y el aluminio se sumergen y se calientan a aproximadamente 80 °C (176 °F), lo que provoca una reacción química que produce hidrógeno.
El hidrógeno también está presente de forma natural bajo tierra. Este hidrógeno natural , también llamado hidrógeno blanco o hidrógeno dorado, se puede extraer de los pozos de forma similar a los combustibles fósiles como el petróleo y el gas natural. [126] [127] [10]
"El hidrógeno blanco podría encontrarse o producirse en el Sistema del Rift del Medio Continente a escala para una economía del hidrógeno renovable ". Se podría bombear agua hasta rocas calientes ricas en hierro para extraer el hidrógeno. [128]
La pirólisis de metano (gas natural) con un proceso de un solo paso [129] burbujeando metano a través de un catalizador de metal fundido es un enfoque "sin gases de efecto invernadero" para producir hidrógeno que se demostró en condiciones de laboratorio en 2017 y ahora se está probando a escalas más grandes. [130] [131] El proceso se lleva a cabo a altas temperaturas (1065 °C). [132] [133] [134] [135] Producir 1 kg de hidrógeno requiere aproximadamente 18 kWh de electricidad para el calor del proceso. [136] La pirólisis del metano se puede expresar mediante la siguiente ecuación de reacción. [137]
El carbono sólido de calidad industrial puede venderse como materia prima para la fabricación o depositarse en vertederos.
Las tecnologías de pirólisis de metano se encuentran en las primeras etapas de desarrollo a partir de 2023. Tienen numerosos obstáculos que superar antes de su comercialización. [138]
La producción fermentativa de hidrógeno es la conversión fermentativa de sustrato orgánico en biohidrógeno manifestada por un grupo diverso de bacterias que utilizan sistemas multienzimáticos que implican tres pasos similares a la conversión anaeróbica . Las reacciones de fermentación oscura no requieren energía lumínica, por lo que son capaces de producir constantemente hidrógeno a partir de compuestos orgánicos durante todo el día y la noche. La fotofermentación se diferencia de la fermentación oscura porque sólo se produce en presencia de luz . Por ejemplo, se puede emplear la fotofermentación con Rhodobacter sphaeroides SH2C para convertir ácidos grasos de pequeño peso molecular en hidrógeno. [139] La electrohidrogénesis se utiliza en pilas de combustible microbianas donde se produce hidrógeno a partir de materia orgánica (por ejemplo, de aguas residuales o materia sólida [140] ) mientras se aplican entre 0,2 y 0,8 V.
En un biorreactor de algas se puede producir hidrógeno biológico . A finales de los años 1990 se descubrió que si se priva a las algas de azufre, pasarán de la producción de oxígeno , es decir, la fotosíntesis normal , a la producción de hidrógeno. [141]
El hidrógeno biológico se puede producir en biorreactores que utilizan materias primas distintas de las algas, siendo la materia prima más común los flujos de residuos. El proceso implica que las bacterias se alimenten de hidrocarburos y excreten hidrógeno y CO 2 . El CO 2 puede secuestrarse con éxito mediante varios métodos, dejando gas hidrógeno. En 2006-2007, NanoLogix demostró por primera vez un prototipo de biorreactor de hidrógeno que utiliza residuos como materia prima en la fábrica de jugo de uva de Welch en el noreste, Pensilvania (EE. UU.). [142]
Además de la electrólisis normal, otra posibilidad es la electrólisis con microbios. Con la electrólisis biocatalizada, el hidrógeno se genera después de pasar por la pila de combustible microbiana y se puede utilizar una variedad de plantas acuáticas. Estos incluyen pasto dulce , pasto cordal, arroz, tomates, altramuces y algas [143].
La electrólisis a alta presión es la electrólisis del agua mediante la descomposición del agua (H 2 O) en oxígeno (O 2 ) e hidrógeno gaseoso (H 2 ) mediante el paso de una corriente eléctrica a través del agua. La diferencia con un electrolizador estándar es la producción de hidrógeno comprimido alrededor de 120 a 200 bar (1740 a 2900 psi , 12 a 20 MPa ). [144] Al presurizar el hidrógeno en el electrolizador, a través de un proceso conocido como compresión química, se elimina la necesidad de un compresor de hidrógeno externo, [145] el consumo promedio de energía para la compresión interna es de alrededor del 3%. [146] La planta de producción de hidrógeno más grande de Europa (1.400.000 kg/a, electrólisis del agua a alta presión, tecnología alcalina) está funcionando en Kokkola, Finlandia. [147]
El hidrógeno se puede generar a partir de energía suministrada en forma de calor y electricidad mediante electrólisis de alta temperatura (HTE). Dado que parte de la energía en HTE se suministra en forma de calor, menos energía debe convertirse dos veces de calor en electricidad y luego en hidrógeno. Por lo tanto, se requiere potencialmente menos energía para producir hidrógeno. El calor nuclear podría utilizarse para separar el hidrógeno del agua. Los reactores nucleares refrigerados por gas de alta temperatura (950-1000 °C) tienen el potencial de separar el hidrógeno del agua por medios termoquímicos utilizando calor nuclear. Se ha demostrado en un laboratorio la electrólisis a alta temperatura, a 108 MJ (térmica) por kilogramo de hidrógeno producido, [148] pero no a escala comercial. Además, se trata de hidrógeno de calidad "comercial" de menor calidad, inadecuado para su uso en pilas de combustible. [149]
El uso de electricidad producida por sistemas fotovoltaicos ofrece la forma más limpia de producir hidrógeno. El agua se descompone en hidrógeno y oxígeno mediante electrólisis, un proceso de células fotoelectroquímicas (PEC) que también se denomina fotosíntesis artificial . [150] William Ayers de Energy Conversion Devices demostró y patentó el primer sistema fotoelectroquímico multiunión de alta eficiencia para la división directa del agua en 1983. [151] Este grupo demostró la división directa del agua ahora conocida como "hoja artificial" o "agua solar inalámbrica". división" con una lámina multiunión de silicio amorfo de película delgada de bajo costo sumergida directamente en agua. [152] [153]
El hidrógeno se desprendía de la superficie frontal de silicio amorfo decorada con varios catalizadores, mientras que el oxígeno se desprendía del sustrato metálico posterior. Una membrana de Nafion encima de la celda multiunión proporcionó un camino para el transporte de iones. Su patente también enumera una variedad de otros materiales semiconductores multiunión para la división directa del agua, además de aleaciones de silicio amorfo y silicio germanio. Continúa la investigación para desarrollar tecnología de células multiunión de alta eficiencia en las universidades y la industria fotovoltaica. Si este proceso es asistido por fotocatalizadores suspendidos directamente en agua en lugar de utilizar un sistema fotovoltaico y electrolítico, la reacción se realiza en un solo paso, lo que puede mejorar la eficiencia. [152] [153]
Un método estudiado por Thomas Nann y su equipo en la Universidad de East Anglia consiste en un electrodo de oro cubierto de capas de nanopartículas de fosfuro de indio (InP). Introdujeron un complejo de hierro y azufre en la disposición de capas, que cuando se sumergió en agua y se irradió con luz bajo una pequeña corriente eléctrica, produjo hidrógeno con una eficiencia del 60%. [154]
En 2015, se informó que Panasonic Corp. había desarrollado un fotocatalizador basado en nitruro de niobio que puede absorber el 57% de la luz solar para favorecer la descomposición del agua y producir gas hidrógeno. [155] La empresa tiene previsto lograr la aplicación comercial "lo antes posible", no antes de 2020.
Se requieren temperaturas muy altas para disociar el agua en hidrógeno y oxígeno. Se requiere un catalizador para que el proceso funcione a temperaturas factibles. El calentamiento del agua se puede lograr mediante el uso de energía solar de concentración de agua . Hydrosol-2 es una planta piloto de 100 kilovatios en la Plataforma Solar de Almería en España que utiliza la luz solar para obtener los 800 a 1200 °C necesarios para calentar el agua. Hydrosol II está en funcionamiento desde 2008. El diseño de esta planta piloto de 100 kilovatios se basa en un concepto modular. Como resultado, es posible que esta tecnología pueda ampliarse fácilmente al rango de megavatios multiplicando las unidades de reactor disponibles y conectando la planta a campos de helióstatos (campos de espejos de seguimiento solar) de un tamaño adecuado. [156]
Hay más de 352 [157] ciclos termoquímicos que se pueden utilizar para la división del agua , [158] alrededor de una docena de estos ciclos, como el ciclo del óxido de hierro , el ciclo del óxido de cerio (IV)-óxido de cerio (III), el ciclo del óxido de cerio (IV)-óxido de cerio (III) , el ciclo del zinc-cinc- El ciclo del óxido , el ciclo del azufre-yodo , el ciclo del cobre-cloro y el ciclo híbrido del azufre , el ciclo del óxido de aluminio y aluminio, se encuentran en fase de investigación y pruebas para producir hidrógeno y oxígeno a partir de agua y calor sin utilizar electricidad. [159] Estos procesos pueden ser más eficientes que la electrólisis a alta temperatura, típica en el rango del 35% al 49% de eficiencia LHV . Generalmente no se considera la producción termoquímica de hidrógeno utilizando energía química del carbón o del gas natural, porque la vía química directa es más eficiente.
Ninguno de los procesos termoquímicos de producción de hidrógeno se ha demostrado a niveles de producción, aunque varios se han demostrado en laboratorios.
El proceso Kværner o proceso de negro de carbón e hidrógeno de Kvaerner (CB&H) [160] es un método, desarrollado en la década de 1980 por una empresa noruega del mismo nombre , para la producción de hidrógeno a partir de hidrocarburos (C n H m ), como el metano. , gas natural y biogás . De la energía disponible de la alimentación, aproximadamente el 48% está contenida en hidrógeno, el 40% en carbón activado y el 10% en vapor sobrecalentado. [161]
A partir de 2019 [actualizar], el hidrógeno se utiliza principalmente como materia prima industrial, principalmente para la producción de amoníaco y metanol , y en la refinación de petróleo. Aunque inicialmente se pensaba que el gas hidrógeno no se encontraba naturalmente en yacimientos convenientes, ahora se ha demostrado que no es así; Actualmente se está explotando un sistema de hidrógeno cerca de Bourakebougou, en la región de Koulikoro, en Malí, para producir electricidad para las aldeas circundantes. [162] En los últimos años se han realizado más descubrimientos de hidrógeno natural en entornos geológicos terrestres continentales [163] que abren el camino al nuevo campo del hidrógeno natural o nativo, apoyando los esfuerzos de transición energética . [164] [165]
Se podría encontrar o producir hidrógeno blanco en el Sistema del Rift del Medio Continente a escala para una economía del hidrógeno renovable. Se podría bombear agua hasta rocas calientes ricas en hierro para producir hidrógeno y extraerlo. [166]
La mayor parte del hidrógeno se produce a partir de combustibles fósiles , lo que genera emisiones de dióxido de carbono . [167] El hidrógeno producido mediante esta tecnología se ha descrito como hidrógeno gris cuando las emisiones se liberan a la atmósfera, e hidrógeno azul cuando las emisiones se capturan mediante la captura y almacenamiento de carbono (CAC). [168] [169] Se ha estimado que el hidrógeno azul tiene una huella de gases de efecto invernadero que es un 20 % mayor que la quema de gas o carbón para generar calor y un 60 % mayor en comparación con la quema de diésel para generar calor, asumiendo que el metano se encuentra en las etapas inicial y media de los EE. UU. tasas de fuga y producción a través de reformadores de metano con vapor (SMR) modernizados con captura de dióxido de carbono. [170]
El uso de reformadores autotérmicos (ATR) con captura integrada de dióxido de carbono permite tasas de captura más altas con eficiencias energéticas satisfactorias y las evaluaciones del ciclo de vida han mostrado menores emisiones de gases de efecto invernadero para dichas plantas en comparación con los SMR con captura de dióxido de carbono. [171] Se ha evaluado que la aplicación de la tecnología ATR con captura integrada de dióxido de carbono en Europa tiene una huella de gases de efecto invernadero menor que la quema de gas natural, por ejemplo, para el proyecto H21, con una reducción reportada del 68% debido a una menor intensidad de dióxido de carbono de gas natural combinado con un tipo de reactor más adecuado para la captura de dióxido de carbono. [172]
El hidrógeno producido a partir de fuentes de energía renovables suele denominarse hidrógeno verde . Se afirma que son prácticas dos formas de producir hidrógeno a partir de fuentes de energía renovables. Uno es utilizar power to gas , en el que se utiliza energía eléctrica para producir hidrógeno a partir de la electrólisis del agua , y el otro es utilizar gas de vertedero para producir hidrógeno en un reformador de vapor. El combustible de hidrógeno, cuando se produce a partir de fuentes de energía renovables como la eólica o la solar, es un combustible renovable . [173] [174] El hidrógeno producido a partir de energía nuclear mediante electrólisis a veces se considera un subconjunto del hidrógeno verde , pero también puede denominarse hidrógeno rosa . La central nuclear de Oskarshamn llegó a un acuerdo en enero de 2022 para suministrar hidrógeno rosa comercial del orden de kilogramos por día. [175]
A partir de 2020 [actualizar], los costos de producción estimados son de 1 a 1,80 dólares/kg para el hidrógeno gris y el hidrógeno azul, [176] y de 2,50 a 6,80 dólares para el hidrógeno verde. [176]
En 2022, se producirán 94 millones de toneladas de hidrógeno gris en todo el mundo utilizando combustibles fósiles, principalmente gas natural, y, por lo tanto, son una fuente importante de emisiones de gases de efecto invernadero. [177] [178] [179] [180]
El hidrógeno se utiliza para la conversión de fracciones pesadas del petróleo en otras más ligeras mediante hidrocraqueo . También se utiliza en otros procesos, incluido el proceso de aromatización , hidrodesulfuración y la producción de amoníaco mediante el proceso Haber , el principal método industrial para la producción de fertilizantes nitrogenados sintéticos para cultivar el 47 por ciento de los alimentos en todo el mundo. [181]
El hidrógeno se puede utilizar en pilas de combustible para la generación de electricidad local o potencialmente como combustible para el transporte.
El hidrógeno se produce como subproducto de la producción industrial de cloro mediante electrólisis. Aunque requiere tecnologías costosas, el hidrógeno puede enfriarse, comprimirse y purificarse para su uso en otros procesos in situ o venderse a un cliente a través de tuberías, cilindros o camiones. El descubrimiento y desarrollo de métodos menos costosos de producción de hidrógeno a granel es relevante para el establecimiento de una economía del hidrógeno . [116]
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{{cite web}}: Mantenimiento CS1: URL no apta ( enlace )hidrógeno verde... precio actual de entre 3 y 8 dólares el kilogramo... hidrógeno gris, que cuesta tan solo 1 dólar
Se predicen factores de eficiencia para los electrolizadores PEM de hasta el 94%, pero esto es sólo teórico en este momento.