El hidrógeno más eficiente y menos contaminante que los combustibles fósiles

Para los próximos años, el hidrógeno, como combustible, es considerado como una fuente potencial de energía renovable, la cual es clave para evitar aún más el deterioro de nuestro medio ambiente, comparándolo con los combustibles fósiles obtenidos del petróleo que al momento de llevar a cabo el proceso de combustión son causantes de la mayor parte de las emisiones de bióxido de carbono (CO2), su uso como combustible permitirá disminuir por completo las emisiones globales de CO2 en nuestro planeta.

Introducción

El agotamiento del petróleo crudo en las próximas décadas es un hecho, importantes empresas en todo el orbe han realizado estudios de prospectiva, como Exxon y la British Petroleum, en los que afirman que se dispone de petróleo para los próximos 50 o 100 años. Por otra parte, se espera que el consumo de gas natural se intensifique en la economía mundial, cuyo pronóstico se estima que tenga una duración superior en diez años a la del petróleo, no hay que olvidar las alteraciones del cambio climático a consecuencia de la quema de los hidrocarburos fósiles que emiten bióxido de carbono. En 2001 el petróleo originó 44 por ciento de las emisiones de CO2 de origen fósil, notablemente por delante de las generadas por el carbón, que supusieron el 35 por ciento. El carbón directamente se considera el combustible más contaminante porque produce más emisiones de dióxido de carbono y azufre. Desde 1750 la concentración de CO2 en la atmósfera ha aumentado 30 por ciento y esto ha intensificado el proceso natural de retención de calor, también llamado efecto invernadero, hasta el punto de alterar el clima del planeta.

Efecto invernadero

El efecto invernadero es producido a consecuencia de la emisión de bióxido de carbono (CO2), metano (CH4), óxidos de nitrógeno (NOx), fluorocarbonos (freón 11 y 12) y el ozono (O3), estos gases absorben la energía emitida por el sol, el aumento en la emisión de estos gases provoca grandes cambios drásticos en el clima mundial, que sufre alteraciones en las temperaturas regionales, la deforestación y los incendios de los bosques aumenta el contenido de bióxido de carbono (CO2) en la atmósfera, los regímenes de lluvia, la descongelación de los casquetes polares, incrementa el nivel del mar causando inundaciones en las zonas costeras y continentales en todo el mundo. La emisión de gases producidos por la industria y las fuentes móviles que a nivel traza absorben radiación infrarroja emitida por la tierra principalmente por el bióxido de carbono y el vapor de agua se lleva a cabo en la troposfera de la tierra.

Propiedades del hidrógeno

El hidrógeno es el elemento más ligero y abundante en la naturaleza, presenta propiedades que hacen delicada su utilización en condiciones seguras: es altamente inflamable, tiene una alta detonabilidad en el medio ambiente, presenta un bajo calor de vaporización, una baja energía de ignición y posee la más grande energía de combustión por unidad de masa.

Obtención del hidrógeno

Actualmente hay varios caminos para obtener el hidrógeno, algunos de ellos se encuentran en etapa de desarrollo y otros en etapa de experimentación:
• Reformado a vapor a partir del gas natural.
• Oxidación parcial catalítica de hidrocarburos.
• Electrólisis del agua.
• Gasificación de los fondos de barril, coque, carbón y biomasa.
• Fotoproducción de hidrógeno.

Reformado a vapor a partir de gas natural

La reformación con vapor de agua y metano se aplicó por primera vez en 1941. En 1953, la M. W. Kellog diseñó el primer reformador a baja presión, 4,053 MPa. La reformación a vapor se realiza en los reformadores con vapor que son equipos que están diseñados para hacer reaccionar el gas natural con vapor para producir un gas cuyos componentes son: hidrógeno (H2), monóxido de carbono (CO).

En el reformado a vapor la conversión de gas natural puede llevarse a cabo por diferentes procesos o por la combinación de éstos, las opciones más importantes son:
a) Reformación tubular (steam reforming).
b) Reformación por intercambio de calor.
c) Prerreformación adiabática.
d) Reformación secundaria y autotérmica.

a) También se le conoce como reformación primaria y consiste en la generación de hidrógeno por oxidación del gas natural conteniendo metano con vapor de agua, y donde el calentamiento se lleva a cabo en un reformador a fuego directo, debido a que la reacción es altamente endotérmica, es usada sola o en combinación con otros pasos de reformación tales como la prerreformación adiabática o la reformación secundaria.

b) En este tipo de proceso parte o todo el calor requerido para la reacción de reformación se suministra por intercambio de calor con el gas del mismo proceso, éste varía con la reformación tubular convencional donde todo el calor es suministrado por combustión externa.

c) Este proceso es utilizado para la reformación de carga de hidrocarburos, que van desde gas natural hasta nafta pesada, donde los hidrocarburos son convertidos a monóxido de carbono, hidrógeno y metano.

d) Es un proceso en el cual la conversión completa del hidrocarburo se lleva a cabo en un reactor por combustión interna mediante el uso de oxígeno.

Oxidación parcial catalítica de hidrocarburos

La oxidación parcial catalítica es un proceso que consiste en oxidar parcialmente el metano, pudiendo aplicar a otros hidrocarburos fósiles en presencia de catalizadores por impregnación húmeda, tales como óxidos comerciales La2O3, MgO, ZrO2, en donde el agente oxidante puede ser el aire, aire enriquecido con oxígeno u oxigeno puro. El problema que presenta este proceso es la deposición de carbón en el catalizador ocasionando la desactivación térmica del catalizador.

Este proceso consiste en una reacción catalítica de oxidación del metano:
2CH4 + O2 2CO + 4H2 _Hº (25 ºC) – 36 kJ/mol

La reacción está favorecida a altas temperaturas (T > 930 ºC) en exceso de metano. La relación molar O2/CH4 de la alimentación suele estar comprendida entre 0.5 y 1.

Electrólisis del agua

La otra tecnología común para la producción de hidrógeno es la electrólisis del agua. Aunque el elevado consumo eléctrico hace que esta alternativa no sea muy atractiva para la mayoría de los usuarios industriales, algunas ventajas específicas de este proceso lo convierten en un buen candidato para su utilización en regiones aisladas donde el suministro eléctrico se encuentre disponible a bajos precios.

Gasificación de los fondos de barril, coque, carbón y biomasa

Uno de procesos que ha cobrado importancia en los últimos años en el ámbito mundial, ha sido la gasificación de diversos tipos de carbón, los productos residuales de los fondos de barril, como coque e hidrocarburos líquidos pesados e incluso la biomasa.

La tecnología consiste en generar un gas de síntesis que podría no sólo usarse como combustible para la cogeneración de vapor y generación de energía eléctrica, sino también para la producción de hidrógeno.

Se conocen diversas tecnologías, la denominada primera generación a partir de la gasificación de carbón que incluye el lecho móvil que es el proceso de gasificación presurizado de Lurgi (1930); el lecho de flujo de arrastre para los procesos Texaco (1940) y Koppers Totzek (1950), y el lecho fluidizado del proceso Winkler (1920).

En los procesos de gasificación de lecho de flujo de arrastre se pueden tener dos variantes, puede procesar combustibles sólidos o líquidos, si se trata de un combustible sólido éste tiene que ser pulverizado finamente antes de entrar al gasificador, o si el combustible es líquido tiene que ser atomizado, en ambos casos se alimentan junto con el o los agentes gasificantes.

Los procesos de lecho fluidizado y lecho móvil únicamente pueden procesar combustibles sólidos, incluyendo la biomasa.

Fotoproducción de hidrógeno

En la fotoproducción del hidrógeno se utiliza como fuente energética la luz solar. El proceso denominado en forma genérica como fotoproducción de hidrógeno, incluye los procesos: fotoelectroquímico, fotoquímico y fotobiológico.

La tecnología foto electroquímica inició en el año de 1972 cuando se pudo obtener hidrógeno en pequeñas cantidades iluminando celdas de bióxido de titanio (TiO2) a partir de la luz solar. Con esta tecnología se podría llevar a cabo la conversión de energía luminosa a energía eléctrica, mediante el uso de paneles fotovoltaicos.

La tecnología del proceso fotoquímico es aprovechando la propiedad que tiene el vapor de agua de absorber en el espectro infrarrojo, donde la energía de los fotones es insuficiente para producir la hidrólisis, siendo necesario adicionar alguna molécula o semiconductor capaz de absorber en otra región y permitir que se lleve a cabo la separación del hidrógeno y el oxígeno.

El proceso fotobiológico es objeto de estudio por parte de la biotecnología, que se ha consolidado en los últimos años como el conjunto de tecnologías encaminadas a la búsqueda de nuevas fuentes de energía conduciendo a la producción de biocombustibles (biodiesel, metano, etanol e hidrógeno). Se investiga la posibilidad de producir el hidrógeno a partir de las algas verdes, las que después de haber sido sometidas a condiciones anaerobias y oscuridad se les induce la síntesis y actividad de la hidrogenasa. Cuando estas algas son sometidas nuevamente a la luz, producen hidrógeno y oxígeno.

Utilización del hidrógeno

El hidrógeno se ha utilizado en la industria espacial para la propulsión de transbordadores, y su uso en las industrias de refinación, petroquímica, química, alimentaria, tiene dos tipos de aplicaciones:

1) El hidrógeno en el sector estacionario:
• Para los procesos de hidrodesulfuración de combustibles.
• Para el proceso de cogeneración de vapor y generación de energía eléctrica.
• Para la manufactura del amoniaco (NH3) y metanol (CH3OH), principalmente o mediante la síntesis catalítica Fischer Tropsch por hidrogenación indirecta a 200ºC y a diferentes presiones de trabajo, según se desee acentuar la obtención de hidrocarburos líquidos o de productos oxigenados como alcoholes, ácidos, ésteres, éteres, aldehídos o cetonas, como sustitutos del petróleo.
• Fabricación de celdas de combustible.

2) El hidrógeno en el sector de la industria automovilística:
• Distintas compañías automotrices realizan en la actualidad investigaciones en torno a las aplicaciones que podría tener el uso del hidrógeno directamente en motores de combustión interna o bien mediante el uso de celdas de combustibles en vehículos, lo cual representa un reto en el futuro, sobre todo por el almacenamiento y manejo del hidrógeno en el vehículo como fuente de suministro para la celda.

Conclusiones

No se puede seguir esperando a que el medio ambiente de la tierra siga deteriorándose, por un lado, están las emisiones de bióxido de carbono y metano provenientes de los combustibles fósiles y aunado a ello la tala indiscriminada de los bosques e incendios forestales.

Resulta indispensable investigar y adoptar en la medida de lo posible tecnologías de combustión más avanzadas con emisiones contaminantes cercanas a cero y con la capacidad de concentrar y secuestrar al bióxido de carbono.

El hidrógeno además de satisfacer actualmente algunos procesos de la industria de refinación de combustibles, cobrará mayor importancia en el futuro, reafirmando su aplicación como materia prima en la obtención de compuestos petroquímicos como sustitutos del petróleo, combinado con monóxido de carbono obtenido del proceso de gasificación, se obtiene el sustituto del gas natural (Syngas) para la generación de energía eléctrica mediante el proceso de ciclo combinado y como producto previamente purificado para las celdas de combustibles para el autotransporte.

En la actualidad la obtención del hidrógeno es muy importante en el desarrollo de países productores de petróleo, en el futuro será importante darle el uso adecuado y aprovechar todas sus bondades que como materia prima nos podría dar, con el fin de obtener mayores beneficios.

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