La división del agua es la reacción química en la que el agua se descompone en oxígeno e hidrógeno : [1]
La descomposición eficiente y económica del agua sería un avance tecnológico que podría sustentar una economía basada en el hidrógeno . En la fotosíntesis se produce una versión de la descomposición del agua , pero no se produce hidrógeno. El proceso inverso de la descomposición del agua es la base de la pila de combustible de hidrógeno . La descomposición del agua mediante radiación solar no se ha comercializado.
La electrólisis del agua es la descomposición del agua (H 2 O) en oxígeno (O 2 ) e hidrógeno (H 2 ): [2]
La producción de hidrógeno a partir del agua requiere un gran consumo de energía. Normalmente, la electricidad consumida es más valiosa que el hidrógeno producido, por lo que este método no se ha utilizado ampliamente. A diferencia de la electrólisis de baja temperatura, la electrólisis de alta temperatura (HTE) del agua convierte más de la energía térmica inicial en energía química (hidrógeno), lo que potencialmente duplica la eficiencia hasta aproximadamente el 50%. [ cita requerida ] Debido a que parte de la energía en la HTE se suministra en forma de calor, se debe convertir menos energía dos veces (de calor a electricidad y luego a forma química), por lo que el proceso es más eficiente. [ cita requerida ]
La electrólisis de alta temperatura (también HTE o electrólisis de vapor ) es un método para la producción de hidrógeno a partir de agua con oxígeno como subproducto.
En la fotosíntesis se produce una versión de la división del agua, pero los electrones no se desvían hacia los protones, sino hacia la cadena de transporte de electrones del fotosistema II . Los electrones se utilizan para reducir el dióxido de carbono, que finalmente se incorpora a los azúcares.
La fotoexcitación del fotosistema I inicia la transferencia de electrones a una serie de aceptores de electrones, reduciendo finalmente NADP + a NADPH. El fotosistema I oxidado captura electrones del fotosistema II a través de una serie de pasos que involucran plastoquinona , citocromos y plastocianina . El fotosistema II oxidado oxida el complejo generador de oxígeno (OEC), que convierte el agua en O 2 y protones. [3] [4] Dado que el sitio activo del OEC contiene manganeso , muchas investigaciones se han centrado en compuestos sintéticos de Mn como catalizadores para la oxidación del agua. [5]
En la producción biológica de hidrógeno , los electrones producidos por el fotosistema no se desvían a un aparato de síntesis química sino a hidrogenasas , lo que da lugar a la formación de H 2 . Este biohidrógeno se produce en un biorreactor . [6]
El uso de la electricidad producida por sistemas fotovoltaicos ofrece potencialmente la forma más limpia de producir hidrógeno, aparte de la nuclear, la eólica, la geotérmica y la hidroeléctrica. Una vez más, el agua se descompone en hidrógeno y oxígeno por electrólisis, pero la energía eléctrica se obtiene mediante un proceso de celda fotoelectroquímica (PEC). El sistema también se denomina fotosíntesis artificial . [7] [8] [9] [10]
La catálisis y las membranas de relevo de protones suelen ser el foco del desarrollo. [11]
La conversión de energía solar en hidrógeno mediante el proceso de división del agua podría ser más eficiente si es asistida por fotocatalizadores suspendidos en agua en lugar de un sistema fotovoltaico o electrolítico, de modo que la reacción se lleve a cabo en un solo paso. [12] [13]
La radiación nuclear energética puede romper los enlaces químicos de una molécula de agua. En la mina de oro de Mponeng , Sudáfrica , los investigadores encontraron en una zona de alta radiación natural una comunidad dominada por Desulforudis audaxviator , un nuevo filotipo de Desulfotomaculum , que se alimenta principalmente de H 2 producido radiolíticamente . [14]
En la termólisis , las moléculas de agua se dividen en hidrógeno y oxígeno . Por ejemplo, a 2200 °C (2470 K; 3990 °F), aproximadamente el tres por ciento de todo el H 2 O se disocia en varias combinaciones de átomos de hidrógeno y oxígeno, principalmente H, H 2 , O, O 2 y OH. Otros productos de reacción como H 2 O 2 o HO 2 siguen siendo menores. A la temperatura muy alta de 3000 °C (3270 K; 5430 °F), más de la mitad de las moléculas de agua se descomponen. A temperaturas ambiente, solo una molécula en 100 billones se disocia por efecto del calor. [15] Los requisitos de alta temperatura y las limitaciones de material han limitado las aplicaciones del enfoque de descomposición térmica.
Otras investigaciones incluyen la termólisis en sustratos de carbono defectuosos , lo que hace posible la producción de hidrógeno a temperaturas apenas inferiores a 1.000 °C (1.270 K; 1.830 °F). [16]
Un beneficio adicional de un reactor nuclear que produce tanto electricidad como hidrógeno es que puede alternar la producción entre ambos. Por ejemplo, una planta nuclear podría producir electricidad durante el día e hidrógeno por la noche, adaptando su perfil de generación eléctrica a la variación diaria de la demanda. Si el hidrógeno se puede producir de manera económica, este sistema competiría favorablemente con los sistemas de almacenamiento de energía de la red existentes . En 2005, había suficiente demanda de hidrógeno en los Estados Unidos como para que estas plantas pudieran satisfacer toda la generación máxima diaria. [17]
El ciclo termoeléctrico híbrido cobre-cloro es un sistema de cogeneración que utiliza el calor residual de los reactores nucleares, específicamente el reactor de agua supercrítica CANDU . [18]
La energía solar concentrada puede alcanzar las altas temperaturas necesarias para dividir el 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 (1070 a 1470 K; 1470 a 2190 °F) necesarios para dividir el agua. Hydrosol II ha estado 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 que siguen al sol) de un tamaño adecuado. [19]
Las limitaciones de material debidas a las altas temperaturas requeridas se reducen mediante el diseño de un reactor de membrana con extracción simultánea de hidrógeno y oxígeno que aprovecha un gradiente térmico definido y la rápida difusión del hidrógeno. Con la luz solar concentrada como fuente de calor y solo agua en la cámara de reacción, los gases producidos son muy limpios y el único contaminante posible es el agua. Un "craqueador solar de agua" con un concentrador de unos 100 m2 puede producir casi un kilogramo de hidrógeno por hora de sol. [20]
El ciclo del azufre y el yodo (ciclo S-I) es una serie de procesos termoquímicos que se utilizan para producir hidrógeno . El ciclo S-I consta de tres reacciones químicas cuyo reactivo neto es el agua y cuyos productos netos son el hidrógeno y el oxígeno . Todos los demás productos químicos se reciclan. El proceso S-I requiere una fuente de calor eficiente.
Se han descrito más de 352 ciclos termoquímicos para la división del agua por termólisis . [21] Estos ciclos prometen producir hidrógeno y oxígeno a partir de agua y calor sin utilizar electricidad. [22] Dado que toda la energía de entrada para tales procesos es calor, pueden ser más eficientes que la electrólisis a alta temperatura. Esto se debe a que la eficiencia de la producción de electricidad es inherentemente limitada. La producción termoquímica de hidrógeno utilizando energía química del carbón o el gas natural generalmente no se considera, porque la ruta química directa es más eficiente.
Para todos los procesos termoquímicos, la reacción resumen es la de la descomposición del agua: [22]
![{\displaystyle {\ce {2H2O <=>[{\ce {Calor}}] 2H2{}+ O2}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f87596dad9be266529ce624d24d420a7c5529226)