La economía del hidrógeno es un término general que reúne las funciones que el hidrógeno puede desempeñar junto con la electricidad baja en carbono para descarbonizar aquellos sectores y actividades que pueden ser técnicamente difíciles de descarbonizar por otros medios, o donde no se encuentran disponibles soluciones limpias más baratas y más eficientes desde el punto de vista energético. . [2] En este contexto, la economía del hidrógeno abarca desde la producción del hidrógeno hasta sus usos finales de manera que contribuyan sustancialmente a la eliminación gradual de los combustibles fósiles y a limitar el cambio climático .
La mayor parte del hidrógeno producido hoy en día es hidrógeno gris , elaborado a partir de gas natural mediante reformado de metano con vapor (SMR), que representó el 1,8 % de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero en 2021. [3] Hidrógeno con bajas emisiones de carbono, que se fabrica utilizando SMR con captura y almacenamiento de carbono. ( hidrógeno azul ), o mediante electrólisis del agua utilizando energías renovables ( hidrógeno verde ), representaron menos del 1% de la producción. [4] Prácticamente todo el hidrógeno producido se utiliza en el refinado de petróleo (43% en 2021) y en la industria (57%), principalmente en la fabricación de amoníaco para fertilizantes y metanol . [5] : 18, 22, 29
En su contribución a limitar el calentamiento global a 1,5 °C, se prevé en términos generales que la futura economía del hidrógeno reemplace el hidrógeno gris por hidrógeno azul y predominantemente verde, producido en mayores volúmenes totales, para proporcionar un conjunto ampliado de usos finales. [6] Es probable que se trate de la industria pesada (por ejemplo, procesos de alta temperatura junto con la electricidad, materia prima para la producción de amoníaco verde y productos químicos orgánicos , como alternativa al coque derivado del carbón para la fabricación de acero), el transporte de larga distancia (por ejemplo, transporte marítimo, aviación y en menor medida, vehículos pesados) y almacenamiento de energía a largo plazo. [6] [7] Otras aplicaciones, como los vehículos ligeros y la calefacción de edificios, ya no forman parte de la futura economía del hidrógeno, principalmente por razones económicas y medioambientales. [8] [9] Estas razones incluyen la dificultad de desarrollar almacenamiento a largo plazo, tuberías y equipos de motor, preocupaciones de seguridad ya que el hidrógeno es altamente explosivo y la ineficiencia del hidrógeno en comparación con el uso directo de electricidad .
A partir de 2023 no existen alternativas reales al hidrógeno para la producción de amoníaco para fertilizantes , hidrogenación , hidrocraqueo e hidrodesulfuración . [10] Es probable que la evolución de los costes de producción del hidrógeno con bajas o nulas emisiones de carbono influya en la medida en que se utilizará el hidrógeno para descarbonizar materias primas químicas, la aviación y el transporte marítimo de larga distancia y el almacenamiento de energía a largo plazo. Las estimaciones de los costos futuros se enfrentan a numerosas incertidumbres (como la introducción de impuestos al carbono , la geografía y la geopolítica de la energía, los precios de la energía, las opciones tecnológicas y sus necesidades de materias primas), pero es probable que el hidrógeno verde o blanco (subterráneo [11] ) ver las mayores reducciones en los costos de producción a lo largo del tiempo. [12]
El concepto de economía del hidrógeno , aunque no el término, fue del genetista JBS Haldane en 1923, quien, anticipando el agotamiento de las reservas de carbón de Gran Bretaña para la generación de energía, propuso una red de turbinas eólicas para producir hidrógeno para el almacenamiento de energía a largo plazo mediante electrólisis. , para ayudar a abordar la producción variable de la energía renovable . [13] El término en sí fue acuñado por John Bockris durante una charla que dio en 1970 en el Centro Técnico de General Motors (GM). [14] Bockris la veía como una economía en la que el hidrógeno, respaldado por la energía nuclear y solar , ayudaría a abordar la creciente preocupación por el agotamiento de los combustibles fósiles y la contaminación ambiental, al servir como portador de energía para usos finales en los que la electrificación no era adecuada. [2]
La Universidad de Michigan propuso una economía del hidrógeno para resolver algunos de los efectos negativos del uso de combustibles de hidrocarburos donde el carbono se libera a la atmósfera (como dióxido de carbono, monóxido de carbono, hidrocarburos no quemados, etc.). El interés moderno en la economía del hidrógeno generalmente se remonta a un informe técnico de 1970 de Lawrence W. Jones de la Universidad de Michigan, [15] en el que se hacía eco del doble razonamiento de Bockris de abordar los desafíos ambientales y de seguridad energética. A diferencia de Haldane y Bockris, Jones sólo se centró en la energía nuclear como fuente de energía para la electrólisis y, principalmente, en el uso del hidrógeno en el transporte, donde consideraba que la aviación y el transporte de mercancías pesadas eran las máximas prioridades. [dieciséis]
Algunos críticos y defensores de tecnologías alternativas describieron repetidamente el aumento de atención al concepto de economía del hidrógeno durante la década de 2000 como exageración , [17] [18] [19] y los inversores perdieron dinero en la burbuja . [20] El interés en este vector energético resurgió en la década de 2010, en particular con la formación del Consejo Mundial del Hidrógeno en 2017. Varios fabricantes lanzaron comercialmente automóviles con pila de combustible de hidrógeno, y fabricantes como Toyota, Hyundai y grupos industriales en China habían planeado aumentar el número de automóviles a cientos de miles durante la próxima década. [21] [22]
El alcance global del papel del hidrógeno en los automóviles se está reduciendo en relación con las expectativas anteriores. [23] [24] A finales de 2022, se habían vendido 70.200 vehículos de hidrógeno en todo el mundo, [25] en comparación con 26 millones de vehículos eléctricos enchufables . [26]
Las visiones contemporáneas de la economía del hidrógeno comparten el énfasis de perspectivas anteriores en la complementariedad de la electricidad y el hidrógeno, y el uso de la electrólisis como pilar de la producción de hidrógeno. [6] Se centran en la necesidad de limitar el calentamiento global a 1,5 °C y priorizar la producción, el transporte y el uso de hidrógeno verde para la industria pesada (por ejemplo, procesos de alta temperatura junto con la electricidad, [27] materia prima para la producción de amoníaco verde y productos químicos orgánicos. , [6] como alternativa al coque derivado del carbón para la fabricación de acero ), [28] transporte de larga distancia (por ejemplo, transporte marítimo, aviación y, en menor medida, vehículos pesados de mercancías) y almacenamiento de energía a largo plazo. [6] [7]
La producción de hidrógeno a nivel mundial fue valorada en más de 155 mil millones de dólares en 2022 y se espera que crezca más del 9% anual hasta 2030. [29]
En 2021 se produjeron 94 millones de toneladas (Mt) de hidrógeno molecular ( H 2 ). [30] De este total, aproximadamente una sexta parte fue como subproducto de los procesos de la industria petroquímica . [4] La mayor parte del hidrógeno proviene de instalaciones de producción dedicadas, más del 99% de las cuales proviene de combustibles fósiles, principalmente a través del reformado con vapor de gas natural (70%) y la gasificación del carbón (30%, casi todo en China). [4] Menos del 1% de la producción dedicada de hidrógeno es baja en carbono: combustible fósil a vapor que se reforma con captura y almacenamiento de carbono , hidrógeno verde producido mediante electrólisis e hidrógeno producido a partir de biomasa . [4] Las emisiones de CO 2 de la producción de 2021, 915 MtCO 2 , [31] representaron el 2,5 % de las emisiones de CO 2 relacionadas con la energía [32] y el 1,8 % de las emisiones globales de gases de efecto invernadero. [3]
Prácticamente todo el hidrógeno producido para el mercado actual se utiliza en el refino de petróleo (40 Mt H 2 en 2021) y en la industria (54 MtH2). [5] : 18, 22 En el refinado de petróleo, el hidrógeno se utiliza, en un proceso conocido como hidrocraqueo , para convertir fuentes de petróleo pesado en fracciones más ligeras adecuadas para su uso como combustibles. Los usos industriales comprenden principalmente la producción de amoníaco para fabricar fertilizantes (34 Mt H 2 en 2021), la producción de metanol (15 Mt H 2 ) y la fabricación de hierro de reducción directa (5 Mt H 2 ). [5] : 29
A partir de 2022 [actualizar], más del 95% de la producción mundial de hidrógeno se obtendrá de gas fósil y carbón sin reducción de carbono. [33] : 1
A menudo se hace referencia al hidrógeno mediante varios colores para indicar su origen (quizás porque el gris simboliza el "hidrógeno sucio" [20] ). [34] [35]
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 [43] 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 calorífico, 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 . [44] Cuando se deriva del gas natural mediante pirólisis de metano con cero emisiones de efecto invernadero, se lo conoce como hidrógeno turquesa. [45]
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. [46] El hidrógeno producido a partir del carbón puede denominarse hidrógeno marrón o negro. [47]
El hidrógeno se produce industrialmente a partir del reformado con vapor (SMR), que utiliza gas natural. [48] El contenido energético del hidrógeno producido es alrededor del 74% del contenido energético del combustible original, [49] 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 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. [50] Sin embargo, los mejores procesos actuales para la electrólisis del agua tienen una eficiencia eléctrica efectiva del 70-80%, [51] [52] [53] 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 [54] y otros, incluido un artículo de la AIE [55] que examina las condiciones que podrían conducir a una ventaja competitiva para la electrólisis.
Una pequeña parte (2% en 2019 [56] ) se produce por electrólisis utilizando electricidad y agua, consumiendo aproximadamente de 50 a 55 kilovatios-hora de electricidad por kilogramo de hidrógeno producido. [57]
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) [58]
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. [59] 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. [60] El hidrógeno se puede extraer económicamente del gas del horno de coque. [61]
El hidrógeno se puede utilizar como combustible de dos formas distintas: en pilas de combustible que producen electricidad y mediante combustión para generar calor. [62] Cuando el hidrógeno se consume en las pilas de combustible, la única emisión en el punto de uso es vapor de agua. [62] La combustión de hidrógeno puede provocar la formación térmica de emisiones nocivas de óxidos de nitrógeno . [62]
En el contexto de limitar el calentamiento global , es probable que el hidrógeno bajo en carbono (particularmente el hidrógeno verde ) desempeñe un papel importante en la descarbonización de la industria. [63] El combustible de hidrógeno puede producir el calor intenso necesario para la producción industrial de acero, cemento, vidrio y productos químicos, contribuyendo así a la descarbonización de la industria junto con otras tecnologías, como los hornos de arco eléctrico para la fabricación de acero. [27] Sin embargo, es probable que desempeñe un papel más importante en el suministro de materia prima industrial para una producción más limpia de amoníaco y productos químicos orgánicos. [63] Por ejemplo, en la fabricación de acero , el hidrógeno podría funcionar como portador de energía limpia y también como catalizador con bajas emisiones de carbono en sustitución del coque derivado del carbón . [28]
El imperativo de utilizar hidrógeno con bajas emisiones de carbono para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero tiene el potencial de remodelar la geografía de las actividades industriales, ya que los lugares con un potencial adecuado de producción de hidrógeno en diferentes regiones interactuarán de nuevas maneras con la infraestructura logística, la disponibilidad de materias primas, los recursos humanos y tecnológicos. capital. [63]
Gran parte del interés en el concepto de economía del hidrógeno se centra en los vehículos de hidrógeno , en particular los aviones . [64] [65] [66] Los vehículos de hidrógeno producen significativamente menos contaminación del aire local que los vehículos convencionales. [67] Para 2050, las necesidades energéticas para el transporte podrían cubrirse entre un 20% y un 30% con hidrógeno y combustibles sintéticos . [68] [69] [70]
Es probable que el hidrógeno utilizado para descarbonizar el transporte encuentre sus mayores aplicaciones en el transporte marítimo , la aviación y, en menor medida, en los vehículos pesados de mercancías, mediante el uso de combustibles sintéticos derivados del hidrógeno, como el amoníaco y el metanol , y la tecnología de pilas de combustible. [6] El hidrógeno se utiliza desde hace muchos años en los autobuses de pila de combustible . También se utiliza como combustible para la propulsión de naves espaciales .
En el Escenario de Emisiones Netas Cero (NZE) de la Agencia Internacional de Energía para 2022, se pronostica que el hidrógeno representará el 2% de la demanda de energía ferroviaria en 2050, mientras que se espera que el 90% de los viajes en ferrocarril estén electrificados para entonces (en comparación con el 45% actual). ). El papel del hidrógeno en el ferrocarril probablemente se centraría en líneas que resulten difíciles o costosas de electrificar. [71] La NZE prevé que el hidrógeno cubrirá aproximadamente el 30% de la demanda de energía de los camiones pesados en 2050, principalmente para el transporte pesado de larga distancia (y la energía eléctrica de baterías representará alrededor del 60%). [72]
Aunque el hidrógeno puede utilizarse en motores de combustión interna adaptados , las pilas de combustible, al ser electroquímicas , tienen una ventaja de eficiencia respecto a los motores térmicos. Las pilas de combustible son más caras de producir que los motores de combustión interna comunes, pero también requieren combustible de hidrógeno de mayor pureza que los motores de combustión interna. [73]
En el segmento de vehículos de carretera ligeros, incluidos los turismos, a finales de 2022 se habían vendido en todo el mundo 70.200 vehículos eléctricos de pila de combustible [25] , frente a 26 millones de vehículos eléctricos enchufables. [26] Con el rápido aumento de los vehículos eléctricos y la tecnología e infraestructura de baterías asociadas, el papel del hidrógeno en los automóviles es minúsculo. [23] [24]
El hidrógeno verde , procedente de la electrólisis del agua , tiene el potencial de abordar la variabilidad de la producción de energía renovable . La producción de hidrógeno verde puede reducir la necesidad de reducir la energía renovable durante períodos de alta producción de energías renovables y almacenarse a largo plazo para permitir la generación de energía durante períodos de baja producción. [74] [75]
Una alternativa al hidrógeno gaseoso como portador de energía es combinarlo con nitrógeno del aire para producir amoníaco, que puede licuarse, transportarse y utilizarse (directa o indirectamente) fácilmente como combustible limpio y renovable . [76] [77] Entre las desventajas del amoníaco como portador de energía se encuentran su alta toxicidad, la eficiencia energética de la producción de NH 3 a partir de N 2 y H 2 y el envenenamiento de las pilas de combustible PEM por trazas de NH 3 no descompuesto después de NH 3 a Conversión de N2 .
Numerosos grupos industriales (redes de gas, fabricantes de calderas de gas ) a lo largo de la cadena de suministro de gas natural están promoviendo calderas de combustión de hidrógeno para calentar espacios y agua, y aparatos de hidrógeno para cocinar, para reducir las emisiones de CO 2 relacionadas con la energía de los edificios residenciales y comerciales. [78] [79] [9] La propuesta es que los usuarios finales actuales de gas natural canalizado pueden esperar a la conversión y el suministro de hidrógeno a las redes de gas natural existentes y luego cambiar los aparatos de calefacción y cocina, y que no hay necesidad que los consumidores puedan hacer cualquier cosa ahora. [78] [79] [9]
Una revisión de 32 estudios sobre la cuestión del hidrógeno para calentar edificios, independientemente de los intereses comerciales, encontró que los beneficios económicos y climáticos del hidrógeno para calentar y cocinar en general se comparan muy mal con el despliegue de redes de calefacción urbana , la electrificación de la calefacción (principalmente a través de bombas de calor ) y la cocina, el uso de energía solar térmica , el calor residual y la instalación de medidas de eficiencia energética para reducir la demanda energética de calor. [9] Debido a las ineficiencias en la producción de hidrógeno, el uso de hidrógeno azul para reemplazar el gas natural para calefacción podría requerir tres veces más metano , mientras que el uso de hidrógeno verde requeriría de dos a tres veces más electricidad que las bombas de calor. [9] Las bombas de calor híbridas, que combinan el uso de una bomba de calor eléctrica con una caldera de hidrógeno, pueden desempeñar un papel en la calefacción residencial en áreas donde, de otro modo, sería costoso actualizar las redes para satisfacer la demanda eléctrica máxima. [9]
El uso generalizado de hidrógeno para calentar edificios implicaría mayores costos del sistema energético, mayores costos de calefacción y mayores impactos ambientales que las alternativas, aunque un papel de nicho puede ser apropiado en contextos y geografías específicas. [9] Si se implementara, el uso de hidrógeno en edificios aumentaría el coste del hidrógeno para aplicaciones más difíciles de descarbonizar en la industria y el transporte. [9]
A partir de 2019, [actualizar]aunque técnicamente posible la producción de gas de síntesis a partir de hidrógeno y dióxido de carbono a partir de bioenergía con captura y almacenamiento de carbono (BECCS) a través de la reacción de Sabatier está limitada por la cantidad de bioenergía sostenible disponible: [80] por lo tanto, cualquier bio-SNG fabricado podrá reservarse para la producción de biocombustibles para la aviación . [81]
Aunque el hidrógeno molecular tiene una densidad de energía muy alta en términos de masa, en parte debido a su bajo peso molecular , como gas en condiciones ambientales tiene una densidad de energía muy baja en volumen. Si se va a utilizar como combustible almacenado a bordo del vehículo, el gas hidrógeno puro debe almacenarse en una forma densa en energía para proporcionar una autonomía de conducción suficiente. Como el hidrógeno es la molécula más pequeña, se escapa fácilmente de los contenedores. Teniendo en cuenta las fugas, los costes de transporte y producción, el hidrógeno podría tener un potencial de calentamiento global (GWP100) de 11,6. El metano, en comparación, tiene un PCA de 34. [82]
El aumento de la presión del gas mejora la densidad de energía por volumen, lo que genera tanques contenedores más pequeños. El material estándar para contener hidrógeno presurizado en remolques tubulares es el acero (no hay problema de fragilización por hidrógeno con el gas hidrógeno). Los tanques fabricados con plástico reforzado con fibras de carbono y vidrio, como los que se instalan en los camiones Toyota Marai y Kenworth, deben cumplir con las normas de seguridad. Pocos materiales son adecuados para tanques, ya que el hidrógeno, al ser una molécula pequeña, tiende a difundirse a través de muchos materiales poliméricos. El almacenamiento de hidrógeno a bordo más común en los vehículos actuales de 2020 es hidrógeno a una presión de 700 bar = 70 MPa. El coste energético de comprimir el hidrógeno a esta presión es significativo.
Los gasoductos presurizados siempre están hechos de acero y funcionan a presiones mucho más bajas que los remolques tubulares.
Alternativamente, se puede usar hidrógeno líquido o hidrógeno granizado con mayor densidad de energía volumétrica. Sin embargo, el hidrógeno líquido es criogénico y hierve a 20,268 K (–252,882 °C o –423,188 °F). El almacenamiento criogénico reduce el peso pero requiere grandes energías de licuación . El proceso de licuefacción, que implica pasos de presurización y enfriamiento, consume mucha energía. [83] El hidrógeno licuado tiene una densidad de energía por volumen menor que la gasolina en aproximadamente un factor de cuatro, debido a la baja densidad del hidrógeno líquido; en realidad, hay más átomos de hidrógeno oxidables en un litro de gasolina (116 gramos) que en un litro de gasolina. un litro de hidrógeno líquido puro (71 gramos). Como cualquier otro líquido a temperaturas criogénicas , los tanques de almacenamiento de hidrógeno líquido también deben estar bien aislados para minimizar la ebullición.
Japón tiene una instalación de almacenamiento de hidrógeno líquido (LH2) en una terminal en Kobe, y se esperaba que recibiera el primer envío de hidrógeno líquido a través del transportador LH2 en 2020. [84] El hidrógeno se licua reduciendo su temperatura a -253 °C, de manera similar. al gas natural licuado (GNL) que se almacena a -162 °C. Se puede lograr una pérdida potencial de eficiencia del 12,79 %, o 4,26 kWh/kg de 33,3 kWh/kg. [85]
A diferencia del almacenamiento de hidrógeno molecular, el hidrógeno se puede almacenar como un hidruro químico o en algún otro compuesto que contenga hidrógeno. El gas hidrógeno se hace reaccionar con algunos otros materiales para producir el material de almacenamiento de hidrógeno, que puede transportarse con relativa facilidad. En el momento de su uso, se puede hacer que el material de almacenamiento de hidrógeno se descomponga, produciendo gas hidrógeno. Además de los problemas de densidad de masa y volumen asociados con el almacenamiento de hidrógeno molecular, las barreras actuales a los esquemas prácticos de almacenamiento surgen de las condiciones de alta presión y temperatura necesarias para la formación de hidruros y la liberación de hidrógeno. [ cita necesaria ]
Un tercer enfoque consiste en adsorber hidrógeno molecular en la superficie de un material de almacenamiento sólido. A diferencia de los hidruros mencionados anteriormente, el hidrógeno no se disocia/recombina al cargar/descargar el sistema de almacenamiento y, por lo tanto, no sufre las limitaciones cinéticas de muchos sistemas de almacenamiento de hidruros. Se pueden lograr densidades de hidrógeno similares a las del hidrógeno licuado con materiales adsorbentes apropiados. Algunos adsorbentes sugeridos incluyen carbón activado , carbones nanoestructurados (incluidos CNT ), MOF e hidrato de clatrato de hidrógeno . [ cita necesaria ]
El almacenamiento subterráneo de hidrógeno es la práctica de almacenamiento de hidrógeno en cavernas , domos de sal y campos de petróleo y gas agotados. ICI almacena desde hace muchos años grandes cantidades de hidrógeno gaseoso sin dificultades en cavernas. [86] El almacenamiento subterráneo de grandes cantidades de hidrógeno líquido puede funcionar como almacenamiento de energía de la red . La eficiencia de ida y vuelta es de aproximadamente el 40 % (frente al 75-80 % de la hidroeléctrica de bombeo (PHES) ) y el costo es ligeramente mayor que el de la hidroeléctrica de bombeo. [87]
Otro estudio al que hace referencia un documento de trabajo del personal europeo encontró que para el almacenamiento a gran escala, la opción más barata es el hidrógeno a 140 €/MWh por 2.000 horas de almacenamiento utilizando un electrolizador, almacenamiento en cavernas de sal y una central eléctrica de ciclo combinado. [88] El proyecto europeo Hyunder [89] indicó en 2013 que para el almacenamiento de energía eólica y solar se necesitan 85 cavernas adicionales, ya que no pueden ser cubiertas por los sistemas PHES y CAES . [90]
Un estudio de caso alemán sobre el almacenamiento de hidrógeno en cavernas de sal encontró que si el excedente de energía alemán (7% de la generación renovable variable total para 2025 y 20% para 2050) se convirtiera en hidrógeno y se almacenara bajo tierra, estas cantidades requerirían unas 15 cavernas. de 500.000 metros cúbicos cada una hasta 2025 y unas 60 cavernas hasta 2050, lo que corresponde aproximadamente a un tercio del número de cavernas de gas actualmente en funcionamiento en Alemania. [91] En Estados Unidos, Sandia Labs está llevando a cabo investigaciones sobre el almacenamiento de hidrógeno en yacimientos de petróleo y gas agotados, que podrían absorber fácilmente grandes cantidades de hidrógeno producido de forma renovable, ya que existen unos 2,7 millones de pozos agotados. [92]
La infraestructura de hidrógeno consistiría principalmente en transporte de hidrógeno industrial por tuberías y estaciones de servicio equipadas con hidrógeno, como las que se encuentran en una autopista del hidrógeno . Las estaciones de hidrógeno que no estuvieran situadas cerca de un gasoducto se abastecerían a través de tanques de hidrógeno, remolques de tubos de hidrógeno comprimido , remolques de hidrógeno líquido , camiones cisterna de hidrógeno líquido o producción in situ dedicada.
Actualmente existen más de 700 millas de tuberías de hidrógeno en los Estados Unidos. [ cita necesaria ] Los oleoductos son la forma más barata de transportar hidrógeno a largas distancias en comparación con otras opciones. La tubería de gas hidrógeno es una rutina en las grandes refinerías de petróleo, porque el hidrógeno se utiliza para hidrocraquear combustibles a partir del petróleo crudo.
La fragilización por hidrógeno (una reducción en la ductilidad de un metal debido al hidrógeno absorbido ) no es un problema para los gasoductos de hidrógeno. La fragilización por hidrógeno sólo ocurre con hidrógeno "difusible", es decir, átomos o iones. El gas hidrógeno, sin embargo, es molecular (H 2 ) y existe una barrera energética muy importante para dividirlo en átomos. [93]
La AIE recomienda que se utilicen los puertos industriales existentes para la producción y los gasoductos existentes para el transporte, así como la cooperación internacional y el transporte marítimo. [94]
Corea del Sur y Japón , [95] que a partir de 2019 carecen de interconectores eléctricos internacionales , están invirtiendo en la economía del hidrógeno. [96] En marzo de 2020, se inauguró en Japón el campo de investigación de energía de hidrógeno de Fukushima , que afirma ser la instalación de producción de hidrógeno más grande del mundo. [97] El sitio ocupa 180.000 m 2 (1.900.000 pies cuadrados) de terreno, gran parte del cual está ocupado por un panel solar ; La energía de la red también se utiliza para la electrólisis del agua para producir combustible de hidrógeno. [98]
La electrólisis distribuida evitaría los problemas de distribución de hidrógeno distribuyendo electricidad. Utilizaría las redes eléctricas existentes para transportar electricidad a pequeños electrolizadores in situ ubicados en las estaciones de servicio. Sin embargo, tener en cuenta la energía utilizada para producir electricidad y las pérdidas de transmisión reduciría la eficiencia general.
El hidrógeno tiene uno de los rangos de mezcla explosiva/ignición más amplios con aire de todos los gases, con pocas excepciones como acetileno , silano y óxido de etileno , y en términos de energía de ignición mínima necesaria y proporciones de mezcla tiene requisitos extremadamente bajos para que ocurra una explosión. . Esto significa que cualquiera que sea la proporción de mezcla entre aire e hidrógeno, cuando se enciende en un espacio cerrado una fuga de hidrógeno probablemente provocará una explosión, no una simple llama. [99] Los sistemas y procedimientos para evitar accidentes implican considerar:
Existen muchos códigos y normas sobre la seguridad del hidrógeno en el almacenamiento, transporte y uso. Estos van desde regulaciones federales, [100] ANSI/AIAA, [101] NFPA, [102] e ISO [103] . El Programa Canadiense de Seguridad del Hidrógeno concluyó que el abastecimiento de hidrógeno es tan seguro o más seguro que el abastecimiento de gas natural comprimido (GNC), [104]
Un uso más generalizado del hidrógeno en las economías conlleva la necesidad de inversiones y costes en su producción, almacenamiento, distribución y uso. Por lo tanto, las estimaciones del coste del hidrógeno son complejas y es necesario hacer suposiciones sobre el coste de los insumos de energía (normalmente gas y electricidad), la planta y el método de producción (por ejemplo, hidrógeno verde o azul), las tecnologías utilizadas (por ejemplo, electrolizadores de membrana de intercambio de protones o alcalinos ), el almacenamiento. y métodos de distribución, y cómo los diferentes elementos de costos pueden cambiar con el tiempo. [105] : 49–65 Estos factores se incorporan en los cálculos de los costos nivelados del hidrógeno (LCOH). La siguiente tabla muestra un rango de estimaciones de los costos nivelados del hidrógeno gris, azul y verde, expresados en términos de dólares estadounidenses por kg de H 2 (cuando los datos se proporcionan en otras monedas o unidades, el tipo de cambio promedio a dólares estadounidenses en se utilizan el año indicado y se supone que 1 kg de H 2 tiene un poder calorífico de 33,3 kWh).
El rango de estimaciones de costos para los métodos de producción de hidrógeno disponibles comercialmente es amplio. A partir de 2022, el hidrógeno gris será el más barato de producir sin un impuesto sobre sus emisiones de CO 2 , seguido del hidrógeno azul y verde. No se prevé que los costos de producción de hidrógeno azul caigan sustancialmente para 2050, [108] [105] : 28 se puede esperar que fluctúen con los precios del gas natural y podrían enfrentar impuestos al carbono por las emisiones no capturadas. [105] : 79 El costo de los electrolizadores cayó un 60% entre 2010 y 2022, [109] antes de aumentar ligeramente debido a un creciente costo de capital . [20] Se prevé que su costo caiga significativamente para 2030 y 2050, [112] : 26 lo que reducirá el costo del hidrógeno verde junto con la caída del costo de la generación de energía renovable. [113] [105] : 28 Es más barato producir hidrógeno verde con un excedente de energía renovable que de otro modo se reduciría , lo que favorece a los electrolizadores capaces de responder a niveles de energía bajos y variables . [112] : 5
Un análisis de Goldman Sachs de 2022 anticipa que el hidrógeno verde a nivel mundial alcanzará la paridad de costos con el hidrógeno gris para 2030, antes si se impone un impuesto global al carbono sobre el hidrógeno gris. [12] En términos de coste por unidad de energía, el hidrógeno azul y gris siempre costará más que los combustibles fósiles utilizados en su producción, mientras que el hidrógeno verde siempre costará más que la electricidad renovable utilizada para producirlo.
Los subsidios a la producción limpia de hidrógeno son mucho mayores en Estados Unidos y la UE que en India. [114]
La distribución de hidrógeno para el transporte se está probando en todo el mundo, particularmente en EE.UU. ( California , Massachusetts), Canadá , Japón, la UE ( Portugal , Noruega , Dinamarca , Alemania ) e Islandia .
Un indicador de la presencia de grandes infraestructuras de gas natural ya existentes en los países y en uso por los ciudadanos es el número de vehículos a gas natural presentes en el país. Los países con mayor cantidad de vehículos a gas natural son (en orden de magnitud): [115] Irán , China , Pakistán , Argentina , India , Brasil , Italia , Colombia , Tailandia , Uzbekistán , Bolivia , Armenia , Bangladesh , Egipto , Perú . , Ucrania , Estados Unidos . Los vehículos a gas natural también se pueden convertir para funcionar con hidrógeno .
Algunos hospitales han instalado unidades combinadas de electrolizador, almacenamiento y pila de combustible para proporcionar energía de emergencia local. Estos son ventajosos para uso de emergencia debido a su bajo requerimiento de mantenimiento y facilidad de ubicación en comparación con los generadores impulsados por combustión interna. [ cita necesaria ]
Además, en algunas viviendas particulares se pueden encontrar microcentrales de cogeneración de pilas de combustible , que pueden funcionar con hidrógeno u otros combustibles como gas natural o GLP. [116] [117] Cuando funciona con gas natural, depende del reformado con vapor del gas natural para convertir el gas natural en hidrógeno antes de su uso en la celda de combustible. Por lo tanto, esto todavía emite CO 2 (ver reacción), pero funcionar (temporalmente) con esto puede ser una buena solución hasta el punto en que el hidrógeno comienza a distribuirse a través del sistema de tuberías (de gas natural).
El Departamento de Planificación e Infraestructura de Australia Occidental operó tres autobuses Daimler Chrysler Citaro de pila de combustible como parte de su prueba de energía de transporte sostenible para autobuses de pila de combustible de Perth en Perth. [118] Los autobuses eran operados por Path Transit en rutas regulares de autobuses públicos de Transperth. La prueba comenzó en septiembre de 2004 y concluyó en septiembre de 2007. Las pilas de combustible de los autobuses utilizaban un sistema de membrana de intercambio de protones y recibían hidrógeno bruto de una refinería de BP en Kwinana, al sur de Perth. El hidrógeno era un subproducto del proceso industrial de la refinería. Los autobuses repostaron combustible en una estación del suburbio malagueño del norte de Perth.
En octubre de 2021, la primera ministra de Queensland , Annastacia Palaszczuk , y Andrew Forrest anunciaron que Queensland albergará la planta de hidrógeno más grande del mundo. [119]
En Australia, la Agencia Australiana de Energías Renovables (ARENA) ha invertido 55 millones de dólares en 28 proyectos de hidrógeno, desde investigación y desarrollo en etapas iniciales hasta pruebas y despliegues en etapas iniciales. El objetivo declarado de la agencia es producir hidrógeno mediante electrólisis a 2 dólares el kilogramo, anunció el ministro de Energía y Emisiones, Angus Taylor, en una Declaración de tecnología de bajas emisiones de 2021. [120]
Los países de la UE que ya cuentan con un sistema de gasoductos relativamente grande son Bélgica , Alemania , Francia y los Países Bajos . [121] En 2020, la UE lanzó su Alianza Europea por un Hidrógeno Limpio (ECHA). [122] [123]
El hidrógeno verde se ha vuelto más común en Francia. En 2019 se estableció un Plan de Hidrógeno Verde de 150 millones de euros, que exige la construcción de la infraestructura necesaria para crear, almacenar y distribuir hidrógeno, así como utilizar el combustible para alimentar sistemas de transporte locales como autobuses y trenes. El Corredor H2, una iniciativa similar, creará una red de instalaciones de distribución de hidrógeno en Occitania a lo largo de la ruta entre el Mediterráneo y el Mar del Norte. El proyecto del Corredor H2 recibirá un préstamo de 40 millones de euros del BEI . [124] [125]
El fabricante de automóviles alemán BMW lleva años trabajando con hidrógeno. [ cuantificar ] . [126]
Islandia se ha comprometido a convertirse en la primera economía del hidrógeno del mundo para el año 2050. [127] Islandia se encuentra en una posición única. Actualmente, [ ¿cuándo? ] importa todos los productos petrolíferos necesarios para impulsar sus automóviles y su flota pesquera . Islandia tiene grandes recursos geotérmicos, hasta el punto de que el precio local de la electricidad en realidad es más bajo que el precio de los hidrocarburos que podrían usarse para producir esa electricidad.
Islandia ya convierte su excedente de electricidad en bienes exportables y sustitutos de hidrocarburos. En 2002, produjo 2.000 toneladas de gas hidrógeno mediante electrólisis, principalmente para la producción de amoníaco (NH 3 ) para fertilizantes. El amoníaco se produce, transporta y utiliza en todo el mundo, y el 90% del costo del amoníaco es el costo de la energía para producirlo.
Ninguna industria reemplaza directamente a los hidrocarburos. Reykjavík , Islandia, tenía una pequeña flota piloto de autobuses urbanos que funcionaban con hidrógeno comprimido, [128] y se están llevando a cabo investigaciones sobre cómo alimentar la flota pesquera del país con hidrógeno (por ejemplo, por parte de empresas como Islandic New Energy ). Para fines más prácticos, Islandia podría procesar el petróleo importado con hidrógeno para ampliarlo, en lugar de reemplazarlo por completo.
Los autobuses de Reykjavík son parte de un programa más amplio, HyFLEET:CUTE, [129] que opera autobuses impulsados por hidrógeno en ocho ciudades europeas. Los autobuses HyFLEET:CUTE también operaron en Beijing, China y Perth, Australia (ver más abajo). En la isla noruega de Utsira está operativo un proyecto piloto que demuestra la economía del hidrógeno . La instalación combina energía eólica y de hidrógeno. En los periodos en los que hay excedente de energía eólica, la potencia sobrante se utiliza para generar hidrógeno mediante electrólisis . El hidrógeno se almacena y está disponible para la generación de energía en periodos en los que hay poco viento. [ cita necesaria ]
Se dice que India adoptará el hidrógeno y el H-GNC por varias razones, entre ellas el hecho de que ya se está llevando a cabo un despliegue nacional de redes de gas natural y que el gas natural ya es un importante combustible para vehículos. Además, la India sufre una contaminación atmosférica extrema en las zonas urbanas. [130] [131] Según algunas estimaciones, se prevé que casi el 80% del hidrógeno de la India sea ecológico, impulsado por la disminución de costos y las nuevas tecnologías de producción. [132]
Sin embargo, actualmente la energía del hidrógeno se encuentra apenas en la etapa de Investigación, Desarrollo y Demostración (RD&D). [133] [134] Como resultado, el número de estaciones de hidrógeno puede seguir siendo bajo, [135] aunque se espera que pronto se introduzcan muchas más. [136] [137] [138]
Arabia Saudita, como parte del proyecto NEOM , busca producir aproximadamente 1,2 millones de toneladas de amoníaco verde al año, comenzando la producción en 2025. [139]
El Ministerio turco de Energía y Recursos Naturales y la Organización de las Naciones Unidas para el Desarrollo Industrial crearon el Centro Internacional de Tecnologías de la Energía del Hidrógeno (ONUDI-ICHET) en Estambul en 2004 y funcionó hasta 2012. [140] Una carretilla elevadora de hidrógeno, un carro de hidrógeno y un En las instalaciones de ONUDI-ICHET se están realizando demostraciones de casas móviles alimentadas con energías renovables. [ cita necesaria ] Un sistema de suministro de energía ininterrumpida funciona desde abril de 2009 en la sede de la empresa Istanbul Sea Buses . [ cita necesaria ] En 2023, el ministerio publicó una estrategia y una hoja de ruta de tecnologías del hidrógeno. [141]
El Reino Unido inició un programa piloto de pilas de combustible en enero de 2004; el programa utilizó dos autobuses de pila de combustible en la ruta 25 de Londres hasta diciembre de 2005 y cambió a la ruta RV1 hasta enero de 2007. [142] La Hydrogen Expedition está trabajando actualmente para crear un programa piloto de pilas de combustible. un barco propulsado por pilas de combustible y utilizarlo para circunnavegar el mundo, como forma de demostrar la capacidad de las pilas de combustible de hidrógeno. [143] En agosto de 2021, el gobierno del Reino Unido afirmó que era el primero en tener una estrategia de hidrógeno y elaboró un documento. [144]
En agosto de 2021, Chris Jackson renunció como presidente de la Asociación de Pilas de Combustible e Hidrógeno del Reino Unido, una asociación líder en la industria del hidrógeno, alegando que las compañías petroleras del Reino Unido y Noruega habían inflado intencionalmente sus proyecciones de costos para el hidrógeno azul con el fin de maximizar los futuros pagos de apoyo tecnológico por parte de la industria. Gobierno del Reino Unido. [145]
Varias empresas automovilísticas nacionales estadounidenses han desarrollado vehículos que utilizan hidrógeno, como GM y Toyota. [146] Sin embargo, en febrero de 2020, la infraestructura para el hidrógeno estaba subdesarrollada, excepto en algunas partes de California. [147] Estados Unidos tiene su propia política de hidrógeno . [ cita necesaria ] Una empresa conjunta entre NREL y Xcel Energy está combinando energía eólica y energía de hidrógeno de la misma manera en Colorado. [148] Hydro en Terranova y Labrador está convirtiendo el actual sistema de energía eólica y diésel en la remota isla de Ramea en una instalación de sistemas de energía híbridos eólicos e hidrógeno . [149]
Un proyecto piloto similar en la isla Stuart utiliza energía solar , en lugar de energía eólica , para generar electricidad. Cuando hay exceso de electricidad disponible después de que las baterías están completamente cargadas, el hidrógeno se genera mediante electrólisis y se almacena para su posterior producción de electricidad mediante pilas de combustible. [150] Estados Unidos también cuenta con un gran sistema de gasoductos. [121]
La pirólisis de metano (gas natural) con un proceso de un solo paso [151] 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. [152] [45] El proceso se lleva a cabo a altas temperaturas (1065 °C). [153] [154] [155] [156] Producir 1 kg de hidrógeno requiere aproximadamente 18 kWh de electricidad para el calor del proceso. [157] La pirólisis del metano se puede expresar mediante la siguiente ecuación de reacción. [158]
El carbono sólido de calidad industrial puede venderse como materia prima para la fabricación o depositarse en vertederos (sin contaminación).
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. [159] 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 [160] ) mientras se aplican 0,2 - 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. [161]
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.). [162]
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 [163].
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 120-200 bar (1740-2900 psi , 12-20 MPa ). [164] 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, [165] el consumo promedio de energía para la compresión interna es de alrededor del 3%. [166] 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. [167]
El hidrógeno se puede generar a partir de energía suministrada en forma de calor y electricidad mediante electrólisis de alta temperatura (HTE). Debido a que parte de la energía en HTE se suministra en forma de calor, menos energía debe convertirse dos veces (de calor a electricidad y luego a forma química), por lo que potencialmente se requiere mucha menos energía por kilogramo de hidrógeno producido.
Si bien la electricidad generada nuclear podría usarse para la electrólisis, el calor nuclear puede aplicarse directamente 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. La investigación sobre reactores nucleares de alta temperatura puede eventualmente conducir a un suministro de hidrógeno que sea competitivo en costos con el reformado con vapor de gas natural. General Atomics predice que el hidrógeno producido en un reactor refrigerado por gas de alta temperatura (HTGR) costaría 1,53 dólares el kg. En 2003, el reformado con vapor de gas natural produjo hidrógeno a 1,40 dólares el kg. En los precios del gas natural de 2005, el hidrógeno cuesta 2,70 dólares el kg.
Se ha demostrado en un laboratorio la electrólisis a alta temperatura, a 108 MJ (térmica) por kilogramo de hidrógeno producido, [168] pero no a escala comercial. Además, se trata de hidrógeno de calidad "comercial" de menor calidad, inadecuado para su uso en pilas de combustible. [169]
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 . [170] 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. [171] 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. [172] [173]
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. [172] [173]
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%. [174]
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. [175] 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. [176]
Hay más de 352 [177] ciclos termoquímicos que se pueden utilizar para la división del agua , [178] 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. [179] 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.
Se ha conseguido una recuperación del 97% de hidrógeno calentando en el microondas durante unos segundos plásticos que han sido triturados y mezclados con óxido de hierro y óxido de aluminio . [180]
El proceso Kværner o proceso de negro de carbón e hidrógeno de Kvaerner (CB&H) [181] 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. [182]
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. [183] En los últimos años se han realizado más descubrimientos de hidrógeno natural en entornos geológicos terrestres continentales [184] que abren el camino al nuevo campo del hidrógeno natural o nativo, apoyando los esfuerzos de transición energética . [185] [186]
Se podría encontrar o producir hidrógeno blanco en el Sistema del Rift del Medio Continente a escala para una economía de hidrógeno renovable. Se podría bombear agua hasta rocas calientes ricas en hierro para producir hidrógeno y extraerlo. [187]
{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace ){{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)Se predicen factores de eficiencia para los electrolizadores PEM de hasta el 94%, pero esto es sólo teórico en este momento.
Sin embargo, la situación es mucho peor, porque antes de que el hidrógeno pueda transportarse a cualquier lugar, es necesario comprimirlo o licuarlo. Para licuarlo hay que refrigerarlo a una temperatura de -253 °C (20 grados sobre el cero absoluto). A estas temperaturas, las leyes fundamentales de la termodinámica hacen que los refrigeradores sean extremadamente ineficientes. Como resultado, alrededor del 40 por ciento de la energía del hidrógeno debe gastarse para licuarlo. Esto reduce el contenido energético neto real de nuestro combustible producto a 792 kcal. Además, debido a que es un líquido criogénico, se podría esperar que se pierda aún más energía a medida que el hidrógeno se evapora al calentarse por el calor que se filtra desde el ambiente exterior durante el transporte y el almacenamiento.
