El combustible de hidrógeno con sus diversos nombres como combustible limpio, combustible sin carbono es el más accesible y futuro de los combustibles. El combustible es cualquier cosa que pueda reaccionar con otras sustancias para liberar energía y la presencia de hidrógeno en recursos domésticos como biomasa, gas natural, energía nuclear lo convierte en el combustible del futuro. Incluso se puede producir mediante energías renovables como la solar y la eólica. Todas estas cualidades se combinan para convertirlo en una opción de combustible alternativo para el transporte, aplicaciones de generación de electricidad, dispositivos electrónicos portátiles y sistemas de respaldo de energía.
En muchos sentidos, el hidrógeno es el combustible perfecto. Es la combustión más limpia y la más eficiente, creando un circuito energético renovable e inofensivo para el medio ambiente. El hidrógeno se combina químicamente con la mayoría de los elementos, por lo que se ha utilizado como sustancia química industrial en una amplia gama de aplicaciones durante muchos años. Con su abundante presencia, la forma de producción resulta ser variada. Pasemos a la producción de hidrógeno.
Las tecnologías de vanguardia de la producción de combustible de hidrógeno
El hidrógeno es el elemento más simple debido a su composición química de un solo protón y un electrón, lo que facilita la reacción con varias sustancias para transformarse en una forma que es capaz de resolver algunos de los principales problemas del combustible futuro. La eficiencia energética y el impacto medioambiental del hidrógeno dependen puramente de cómo se produce. Existen varios métodos utilizados en las industrias para producir hidrógeno como combustible. A continuación se habla de algunos de ellos:
Proceso electrolítico: Este método de separación de agua en hidrógeno y oxígeno utilizando una corriente electrónica se llama electrólisis. Es evidente que la electricidad que se produce mediante fuentes renovables, como la solar o la eólica, el hidrógeno resultante también se considerará renovable y tiene numerosos beneficios en materia de emisiones. Los proyectos de energía a hidrógeno están despegando, donde el exceso de electricidad renovable, cuando está disponible, se usa para producir hidrógeno a través de la electrólisis.
Pirólisis de metano: La producción de hidrógeno mediante pirólisis de metano con gas natural es un proceso reciente de un solo paso “sin gases de efecto invernadero”. El desarrollo de la producción en volumen utilizando este método es la clave para permitir una reducción más rápida de carbono mediante el uso de hidrógeno en procesos industriales, transporte de camiones pesados eléctricos con celdas de combustible y generación de energía eléctrica con turbinas de gas. La pirólisis de metano utiliza metano CH4 burbujeado a través del catalizador de metal fundido a altas temperaturas (1340 K, 1065 ° C o 1950 ° F) para producir gas hidrógeno H2 no contaminante en gran volumen, a bajo costo y produce carbono sólido no contaminante. C sin emisión de gases de efecto invernadero.
CH4 (g) → C (s) + 2 H2 (g) ΔH ° = 74 kJ / mol
La pirólisis de metano está en desarrollo y se considera adecuada para la producción comercial de hidrógeno a granel.
Reformado con vapor (método industrial): El hidrógeno se produce a menudo utilizando gas natural, lo que implica la eliminación de hidrógeno de los hidrocarburos a temperaturas muy altas, y el 48% de la producción de hidrógeno proviene del reformado con vapor. El hidrógeno comercial a granel generalmente se produce mediante el reformado con vapor de gas natural con la liberación de gas de efecto invernadero atmosférico o con captura mediante CAC y mitigación del cambio climático. El reformado con vapor también se conoce como el proceso Bosch y se usa ampliamente para la preparación industrial de hidrógeno.
A altas temperaturas (1000–1400 K, 700–1100 ° C o 1300–2000 ° F), el vapor reacciona con el metano para producir monóxido de carbono y H2.
CH4 + H2O → CO + 3 H2
Proceso biológico: Los procesos biológicos utilizan microbios como bacterias y microalgas y pueden producir hidrógeno a través de reacciones biológicas. En la conversión de biomasa microbiana, los microbios descomponen la materia orgánica como la biomasa o las aguas residuales para producir hidrógeno, mientras que en los procesos fotobiológicos los microbios utilizan la luz solar como fuente de energía.
Proceso impulsado por energía solar: La energía solar básicamente utiliza luz solar o radiaciones para formar hidrógeno. Básicamente, hay tres procesos impulsados por la energía solar de ese tipo: fotobiológico, fotoelectroquímico y termoquímico solar. Los procesos fotobiológicos utilizan la actividad fotosintética natural de bacterias y algas verdes para producir hidrógeno. Los procesos fotoelectroquímicos utilizan semiconductores especializados para separar el agua en hidrógeno y oxígeno. La producción de hidrógeno termoquímico solar utiliza energía solar concentrada para impulsar reacciones de división del agua a menudo junto con otras especies como los óxidos metálicos.
Aplicaciones prácticas en la industria tecnológica
Aplicaciones en la industria del automóvil
Se cree que el hidrógeno es el combustible alternativo para la industria del automóvil debido a su alta eficiencia y cero emisiones de carbono. El uso de hidrógeno en vehículos es uno de los principales objetivos de la investigación y el desarrollo de pilas de combustible. En países como Estados Unidos, también tienen estaciones de recarga de hidrógeno. La mayoría de los vehículos que funcionan con hidrógeno son automóviles y autobuses de tránsito que tienen un motor eléctrico impulsado por una celda de combustible de hidrógeno. Algunos de estos vehículos queman hidrógeno directamente. El alto costo de las pilas de combustible y la disponibilidad limitada de estaciones de servicio de hidrógeno han limitado el número de vehículos que funcionan con hidrógeno. Incluso la pila de combustible de hidrógeno se utiliza en trenes en Alemania y se descubrió que en los próximos cinco años podría llegar a Gran Bretaña, Francia, Italia, Japón y Estados Unidos. Para vehículos de uso personal, nueve de los principales fabricantes de automóviles están desarrollando vehículos eléctricos de celda de combustible de hidrógeno (FCEV) para uso personal. Los modelos notables incluyen Toyota Mirai, Honda Clarity, Hyundai Nexo y BMW.
En la producción de Electricidad
Las pilas de combustible de hidrógeno producen electricidad mediante la combinación de átomos de hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno reacciona con el oxígeno a través de una celda electroquímica similar a la de una batería para producir electricidad, agua y pequeñas cantidades de calor. Hay muchos tipos diferentes de pilas de combustible disponibles para una amplia gama de aplicaciones. Las celdas de combustible pequeñas pueden alimentar computadoras portátiles e incluso teléfonos celulares y aplicaciones militares. Las celdas de combustible grandes pueden proporcionar electricidad para respaldo o energía de emergencia en edificios y suministrar electricidad en lugares que no están conectados a redes eléctricas.
Aparte de eso, el hidrógeno también se utiliza en una serie de aplicaciones marinas, aplicaciones espaciales y principalmente en la generación de respaldo de energía.
Retos que plantea el hidrógeno como combustible alternativo
Siempre hemos escuchado que una moneda tiene dos caras, lo mismo ocurre con el nuevo combustible del futuro. Hablando de desafíos para usar combustible de hidrógeno en las industrias, muchos son razonables e inevitables. Algunos de ellos se enumeran a continuación: -
Extracción de hidrógeno
A pesar de estar disponible en tal abundancia en el universo, la extracción es bastante difícil. El hidrógeno no existe por sí solo, por lo que debe extraerse del agua mediante electrólisis o separarse de los combustibles fósiles de carbono. Ambos procesos requieren una cantidad significativa de energía para su realización. Esta energía puede ser superior a la obtenida del propio hidrógeno, además de ser cara.
Costo de materias primas e inversión adicional
Para extraer hidrógeno, se necesitan metales preciosos como el platino y el iridio como catalizadores y pocos electrolizadores para la electrólisis. Todos estos gastos extra encarecen el coste de la materia prima. El alto coste ha disuadido a algunos de invertir en pilas de combustible de hidrógeno la tecnología. Es necesario reducir esos costos para que las pilas de combustible de hidrógeno sean una fuente de combustible viable para todos. Las pilas de combustible de hidrógeno necesitan inversiones para desarrollarse hasta el punto de convertirse en una fuente de energía realmente viable. Esto también requerirá voluntad política para invertir tiempo y dinero en el desarrollo con el fin de mejorar y madurar la tecnología.
Infraestructura y almacenamiento de hidrógeno
Los combustibles fósiles se han utilizado durante décadas, la infraestructura para este suministro de energía ya existe. La adopción a gran escala de la tecnología de celda de combustible de hidrógeno para aplicaciones automotrices requerirá una nueva infraestructura de reabastecimiento de combustible para respaldarla, aunque para aplicaciones de largo alcance, como las de vehículos pesados y camiones de reparto, es probable que se utilice el reabastecimiento de combustible de principio a fin.
El almacenamiento y transporte de hidrógeno son más complejos que los necesarios para los combustibles fósiles. Esto implica costos adicionales a considerar para las pilas de combustible de hidrógeno como fuente de energía.
El combustible de hidrógeno es la mejor opción de combustible alternativo y sostenible para el futuro cercano y sus aplicaciones son críticas no solo para el medio ambiente, sino también para la creciente demanda de combustible. Los investigadores y las empresas innovadoras deberían esforzarse por hacer que el hidrógeno esté disponible como el agua no solo para uso industrial sino también para uso personal.
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