La división del agua es la reacción química en la que el agua se descompone en oxígeno e hidrógeno :
La división eficiente y económica del agua sería un avance tecnológico que podría sustentar una economía del hidrógeno , basada en el hidrógeno verde . En la fotosíntesis se produce una versión de la división del agua , pero no se produce hidrógeno. Lo contrario de la división del agua es la base de la pila de combustible de hidrógeno .
La electrólisis del agua es la descomposición del agua (H 2 O) en oxígeno (O 2 ) e hidrógeno (H 2 ) debido al paso de una corriente eléctrica a través del agua. [1]
En los esquemas de producción de energía a gas , el exceso de energía o la energía fuera de las horas pico creada por los generadores eólicos o los paneles solares se utiliza para equilibrar la carga de la red energética almacenando y luego inyectando el hidrógeno en la red de gas natural.
La producción de hidrógeno a partir del agua requiere mucha energía. Los posibles suministros de energía eléctrica incluyen energía hidroeléctrica, turbinas eólicas o células fotovoltaicas. Normalmente, la electricidad consumida es más valiosa que el hidrógeno producido, por lo que este método no se ha utilizado ampliamente. En contraste con la electrólisis a baja temperatura, la electrólisis a alta temperatura (HTE) del agua convierte una mayor parte de la energía térmica inicial en energía química (hidrógeno), lo que potencialmente duplica la eficiencia a aproximadamente el 50%. [ cita necesaria ] Debido a que parte de la energía en HTE se suministra en forma de calor, se debe convertir dos veces menos energía (de calor a electricidad y luego a forma química), por lo que el proceso es más eficiente. [ cita necesaria ]
La eficiencia energética para la división electrolítica del agua fue del 60% al 70% en 2020. [2]
La electrólisis a alta temperatura (también HTE o electrólisis de vapor ) es un método para la producción de hidrógeno a partir de agua con oxígeno como subproducto. Otras investigaciones incluyen la termólisis en sustratos de carbono defectuosos , lo que hace posible la producción de hidrógeno a temperaturas de poco menos de 1000 °C (1270 K; 1830 °F). [3]
En la fotosíntesis se produce una versión de la división del agua , pero los electrones son desviados, no a protones, sino a la cadena de transporte de electrones en el fotosistema II . Los electrones se utilizan para convertir el dióxido de carbono en azúcares.
Cuando el fotosistema I se fotoexcita, se inician reacciones de transferencia de electrones, lo que da como resultado la reducción de una serie de aceptores de electrones, lo que eventualmente reduce el NADP + a NADPH y el fotosistema I se oxida. El fotosistema oxidado I captura electrones del fotosistema II a través de una serie de pasos que involucran agentes como plastoquinona , citocromos y plastocianina . Luego, el fotosistema II provoca la oxidación del agua, lo que da como resultado la evolución de oxígeno, siendo la reacción catalizada por grupos de CaMn 4 O 5 incrustados en un entorno proteico complejo; el complejo se conoce como complejo liberador de oxígeno (OEC). [4] [5]
En la producción biológica de hidrógeno , los electrones producidos por el fotosistema no son desviados a un aparato de síntesis química sino a hidrogenasas , lo que da como resultado la formación de H2 . Este biohidrógeno se produce en un biorreactor . [6]
El uso de electricidad producida por sistemas fotovoltaicos ofrece potencialmente la forma más limpia de producir hidrógeno, además de la nuclear, la eólica, la geotérmica y la hidroeléctrica. Nuevamente, el agua se descompone en hidrógeno y oxígeno mediante electrólisis, pero la energía eléctrica se obtiene mediante un proceso de celda fotoelectroquímica (PEC). El sistema también recibe el nombre de fotosíntesis artificial . [7] [8] [9] [10]
La catálisis y las membranas de retransmisión de protones suelen ser el foco del desarrollo. [11] [12]
La conversión de energía solar en hidrógeno mediante un proceso de división del agua es una forma de conseguir energía limpia y renovable. Este proceso puede ser más eficiente si está asistido por fotocatalizadores suspendidos directamente en agua en lugar de un sistema fotovoltaico o electrolítico, de modo que la reacción se produzca en un solo paso. [13] [14]
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 naturalmente alta de radiación una comunidad dominada por un nuevo filotipo de Desulfotomaculum , que se alimenta principalmente de H2 producido radiolíticamente . [15] También se está investigando el combustible nuclear gastado como fuente potencial de hidrógeno. [ cita necesaria ]
En la termólisis , las moléculas de agua se dividen en sus componentes atómicos hidrógeno y oxígeno . Por ejemplo, a 2200 °C (2470 K; 3990 °F) alrededor del 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 temperatura ambiente, sólo una molécula entre 100 billones se disocia por efecto del calor. [16] Las altas temperaturas y las limitaciones materiales han limitado las aplicaciones de este enfoque.
Un beneficio adicional de un reactor nuclear que produce electricidad e hidrógeno es que puede cambiar la producción entre los dos. Por ejemplo, una planta nuclear podría producir electricidad durante el día e hidrógeno durante la noche, adaptando su perfil de generación eléctrica a la variación diaria de la demanda. Si el hidrógeno se puede producir de forma económica, este sistema competiría favorablemente con los sistemas de almacenamiento de energía existentes en la red . En 2005, había suficiente demanda de hidrógeno en los Estados Unidos como para que dichas plantas pudieran gestionar todos los picos de generación diarios. [17]
El ciclo termoeléctrico híbrido Cobre-cloro es un sistema de cogeneración que aprovecha el calor residual de los reactores nucleares, en concreto del reactor de agua supercrítica CANDU . [18]
La concentración de energía solar 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 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. [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 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 de agua solar" con un concentrador de unos 100 m 2 puede producir casi un kilogramo de hidrógeno por hora de sol. [20]
El ciclo azufre-yodo (ciclo S-I) es una serie de procesos termoquímicos utilizados para producir hidrógeno . El ciclo S-I consta de tres reacciones químicas cuyo reactivo neto es agua y cuyos productos netos son hidrógeno y oxígeno . Todos los demás productos químicos se reciclan. El proceso S – I requiere una fuente eficiente de calor.
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. 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.
Para todos los procesos termoquímicos, la reacción resumida es la de descomposición del agua: [22]
![{\displaystyle {\ce {2H2O <=>[{\ce {Calor}}] 2H2{}+ O2}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f87596dad9be266529ce624d24d420a7c5529226)