27/5/2015 Elhidrgeno:metodologasdeproduccin

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FUENTESDEENERGAPARAAUTOMOCIN

JOSLUISG.FIERROInstitutodeCatlisisyPetroleoqumica(CSIC)

Elhidrgeno:metodologasdeproduccinAligualquelaelectricidad,elhidrgenoesuntransportadorexcelentedeenerga,yaquepuedeproducirseapartirdediferentesyabundantesprecursores,talescomogasnatural,carbn,aguayenergasrenovables.Lautilizacindelhidrgenoenlasceldasdecombustible,particularmenteenelsectordeltransporte,permitirenelfuturodiversificarelsuministroenergtico,aprovecharlosrecursosdomsticosyreducirladependenciadelaimportacindepetrleo.

GeneralElhidrgeno(H2)seconsideracomolaenergamsatractivaparaelfuturoprximodebidoaquesucombustinnoresultacontaminante.Elhidrgeno,cuandosecombinaconeloxgenodelaire,liberalaenergaqumicaalmacenadaenelenlaceHH,generandosolamentevapordeaguacomoproductodelacombustin.Puedealmacenarsecomogasapresinycomolquidoodistribuirsemediantegasoductos,porloqueseconsideraquepuedereemplazaralgasnaturalamediolargoplazo.Puesto

quenoseproducengasesdeefectoinvernaderodurantesucombustin,elhidrgenoofreceungranpotencialparareducirlasemisionesdeCO2quesegenerandurantelacombustindesusprecursoresdeorigenfsil.ElhidrgenoprcticamentenoseencuentraenestadolibreenlaTierra,porloqueno

esunaenergaprimaria.Sinembargo,puedeproducirseapartirdedistintosprecursoresmedianteprocesosqumicosobioqumicos.

Laindustriaqumicadeproduccindeamonaco,metanolyrefinadodepetrleoconsumeaproximadamenteel66%delaproduccinanualdeH2,estimadaen35millonesdetoneladasmtricas(MTm).Elrestodelaproduccinseconsumeenotrosprocesosindustriales.Elhidrgenoseconsideracomouncombustibleideal,dadoquenoemitegasesdeefectoinvernaderodurantelacombustin.Esteatractivoesanmayorcuandoseutilizaenlasceldasdecombustible.EstosdispositivosconviertenlaenergaqumicaalmacenadaenelenlaceHHenenergaelctricamedianteunprocesoquenoestsometidoalciclodeCarnot.Porestarazn,laeficienciaenergticaresultadedosatresvecessuperioraladeunmotortrmico.Conformeaestosargumentos,nohaydudadelaimportanciaquedebedesempearelhidrgenoenlosesquemasenergticosdelospasesdesarrolladosenunaescalatemporaldemedioylargoplazo.Laproduccindehidrgenoagranescalanosoloaliviarladependenciadelpetrleosinoquetambinreducirlacontaminacinambientalcuandoseincorporenlasceldasdecombustibletantoenautomocincomoenaplicacionesestacionarias.

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Puestoquenoseproducengasesdeefectoinvernaderodurantesucombustin,elhidrgenoofreceungranpotencialparareducirlasemisionesdeCO2

Plantamodernadereformadodegasnaturalconvapordeagua.

ProcesosindustrialesAunqueelH2puedeproducirsemedianteelprocesodereformadodelgasnatural,nafta,fuelpesadoocarbn,larelacinatmicaH/C(hidrgeno/carbono)mselevadadelamolculaCH4conrespectoaotroscombustiblesindicaqueelgasnatural,cuyocomponentemayoritarioeselCH4,seaelprecursormsidneoparaproducirhidrgeno.

ReformadodehidrocarburosymetanolElreformadodemetano(CH4)convaporesunprocesoutilizadoalolargodevariasdcadasparaproducirH2.Portratarsedelatecnologamseconmica,esteprocesoeselqueseutilizaenlaactualidadenlaproduccinindustrialdelhidrgeno.Lareaccines:

CH4+H2OCO+3H2

Elgasnaturalreaccionaconvapordeaguasobreuncatalizadordenquelcolocadoenelreformadorprimarioatemperaturasde1.200Kypresintotalde2030bar.Puestoqueelgasnaturalcontieneimpurezasdeazufre,serequiereunaetapapreviadeeliminacindeestecontaminanteparaevitareldeteriorodelaactividadcataltica.Lacorrientelimpiademetanosehacereaccionardespusenunreactoralqueseincorporauncatalizadordenquel.Elgasdesalidaesricoenhidrgenoperocontieneunaciertaproporcindemonxidodecarbono,queasuvezsetransformaenotroreactor,oinclusoendos,enhidrogenoadicionalmediantereaccinconvapordeagua.Elgas

resultantetieneuncontenidoelevadodehidrgeno,juntoadixidodecarbonoycantidadesmuchomsbajasdemetanonoconvertidoymonxidodecarbonoremanente,usualmente1%envolumen.EnlasplantasmodernasdeproduccindeH2seincorporanunidadesdepurificacinmediantecompresin/adsorcin/desorcinquepermitenalcanzarunhidrgenomuypuro(99,999%volumen).

Comoelgasnaturalcontieneunapequeaproporcindeotroshidrocarburostalescomoetano,propanoybutano,quesedescomponenconfacilidadygeneranresiduoscarbonososenlas

condicionesdereformadodelmetano,componentemayoritario,serequiereunaetapapreviadereformado(prereformado)paratransformarunapartedeloshidrocarburospresentesenelgasnaturalenunamezcladeCO/H2.Esteprocesoseincorporaantesdelaunidaddereformadoypermiteoperarconunavariedaddealimentacionesasegurandoquelaalimentacinesconstanteentodaslasunidadesdereformado.Elprereformadotieneunfuerteefectosobrelacomposicingaseosaquealimentalaunidaddereformadoconvapor.As,loshidrocarburosdecadenamslargaseeliminancompletamentealmismotiempoqueseconvierteunafraccindelmetano.Dadoqueestoshidrocarburosdecadenalargatienentendenciaaformarcarbono,esteprocesodeprereformadominimizalaformacinderesiduosdecarbnduranteelpropioprocesodereformadodelmetano,loqueredundaenuntiempodevidalargodelossistemascatalticosutilizados.

Elvapordeagua,utilizadoenlareaccindereformadoconvapor,puedereemplazarsepordixidodecarbono,poroxgenooporunamezcladeambos.Estosconceptosavanzadosdelatecnologadereformadosonsimilaresalaclsicadereformadoconvaporperosolamenteseutilizanencasosmuyconcretos.Especficamente,seaplicancuandoserequiereutilizarlamezclaCO/H2parafabricarhidrocarburosometanolenvezdeproducirexclusivamentehidrgeno.

Enlugardemetano,sepuedeutilizarigualmentemetanolparalaproduccinindustrialdehidrgeno.Enesteproceso,elmetanolsehacereaccionarconvapordeaguasobreuncatalizadorparaproducirH2.Estaesunareaccinendotrmicaenlaqueelcalor

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Elhidrgenopermiteelaccesoaunampliogrupodeprecursoresprimariostalescomocombustiblesfsiles,energanuclearyconunapenetracincadavezmayordelasenergasrenovables(elica,solar,biomasa)

requeridoseobtienedelacombustindelgasdecolajuntoaotrapequeafraccindemetanol.Lacorrientedehidrgenosepurificaenunaunidaddeadsorcin/desercin,talcomosehaceenelreformadodemetano.Estareaccinessimpleyaquenotieneencuentalaformacindecompuestosoxigenadosintermedios,sibienporrazoneseconmicassoloseutilizaalldondehayunexcesodemetanol.

Ladisponibilidadybuenareddedistribucindegaseslicuadosdepetrleo(LPG)ydedestiladosmedioshacendeestasfraccionescandidatosidneosparaproduccindeH2.Sinembargo,sehadedicadomuypocaatencinaldesarrollodeunprocesobasadoenestoscombustibles.Laraznprincipaldelescasocuerpodetrabajoexistenteesquesedepositacarbnenlasuperficiecatalticaconrelativafacilidad.Elprocesoimplicabsicamenteoxidacinparcialdeestoshidrocarburos.Elreactorestrodeadodeunhornoelctricoconelquesecalientalamezcladehidrocarburoaire.AlasalidadelreactorseeliminacomoH2Syacontinuacinseinyectavapordeaguaantesdeincorporarelreactordedesplazamientodelgasdeagua.ParalasceldasdecombustibledemembranapolimricalosnivelesdeCOsemantienenpordebajode10ppmloqueseconsiguepasandolacorrientesobrecatalizadoresaltamenteactivosyselectivos,capacesdeoxidarlasimpurezasdeCOaCO2atemperaturaambiente.Elreformadoroperasatisfactoriamenteconvariostiposdecombustiblesinembargo,losproblemasderivadosdelapresenciadecompuestosdeazufreascomoeldepsitodecoquesobreloscatalizadoresnoestntotalmenteresueltos.Teniendoencuentaelimpactodeestatecnologaenelmedioambiente,losfabricantesdeautomvileslaconsiderancomounadelasopcionesposiblesdegenerarelH2abordoparaalimentarlaceldadecombustiblequegeneralaelectricidadrequeridaporelmotorelctrico.

ElectrolisisdeaguaCuandolosvolmenesdehidrgenorequeridosenunadeterminadaaplicacinnosonelevados,elhidrgenoseobtienemedianteelectrolisisdeagua.Lareaccinelectrolticaserealizaenmedioalcalinodebidoaqueenestemedioseincrementalaconductividadelctrica.Elhidrgenoproducidoenelctodosedebepurificaryaquecontieneimpurezasdeoxgenoyunciertoniveldehumedad.LacorrientedehidrgenosesecamedianteunadsorbenteylasimpurezasdeoxgenoseeliminanconunconvertidorDeOxo.Adems,enelnododelelectrolizadorseproduceoxgeno,cuyovolumeneslamitaddelvolumendehidrgeno,talcomocorrespondealacomposicindelamolculadeagua.Lamayorpartedeloselectrolizadoressondetipotanqueconloselectrodosdispuestosenparalelo.Elcalorliberadoenelprocesoseeliminarecirculandoagua

alrededordelasceldas.Convienesealarelhechodequeelhidrgenoproducidoporelectrolisisesdelordende4.95.6kWhporcadam3dehidrgenoproducido,loqueresultaalmenosdosvecesmascaroqueelhidrgenoobtenidoporreformadodelgasnatural.

PuestoqueloselectrolizadoresconvencionalesproporcionanH2conuncosteelevado,sehandesarrolladootrosprocesoselectrolticos.Unodeelloseslaelectrolisisenfasedevapor.Elpotencialreversibledelaceldadecrecealaumentarlatemperatura.PuestoqueelcostedeelectricidadrequeridaenlaelectrolisisparaproducirH2apartirdeH2Oesproporcionalalafuerzaelectromotrizdelacelda,elcostedisminuyeconlatemperatura.La

celdaseenfradebidoaqueelprocesoesendotrmicoysemantieneatemperaturaconstanteaportandocalordesdeelexterior.EstosignificaqueelcalorseconvierteporvaelectroqumicaenH2sinpasarporunciclodeCarnot.As,a1.500Klacantidaddeenergatrmicaqueseutilizaenladescomposicintermoelectroqumicaesdel50%deltotal.Bajoestascondiciones,elcostedeproduccines50%msbajoqueenelprocesoconvencional.OtraalternativaeconmicadeproduccindeH2laproporcionannuevostiposdeelectrocatalizadoresquesoncapacesdedisminuirelsobrevoltaje,loquesuponeunareduccindelcoste.

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InstalacincomercialdeproduccindeH2(150m3/h)medianteelectrolisisdeagua.

LaopcindelosprecursoresrenovablesBiomasacelulsicaElhidrgenopuedeobtenerseapartirdeunafuenterenovablecomoeslabiomasacelulsica.LacelulosapuedeconvertirseenH2mediantevariosprocesostermoqumicostalescomocombustin,licuefaccin,pirlisisygasificacin.Elmateriallignocelulsicoseoxidaparcialmenteatemperaturassuperioresa1.000K,seproduceunafraccingaseosajuntoaunresiduocarbonosoquesereduceposteriormenteparaformarposteriormenteH2,CO,CO2yCH4.LagasificacindelabiomasaenpresenciadeO2generaunacorrientegaseosaricaenhidrgenoquesereformaconvapordeaguaalasalidadelgasificadorconelobjetivodeproducirhidrgenoadicional.Elinconvenienteprincipaldelagasificacindebiomasaeslaformacindealquitrn.Losresiduospesadospolimerizanyformanestructurasmscomplejasquenoresultanapropiadasparaproduccindehidrgenomediantereformadoconvapor.Laformacindealquitrnpuedeminimizarsemediantediseoapropiadodelgasificador,incorporacindeaditivoscatalticosytambinmedianteelcontroldelasvariablesdeoperacin.Loscatalizadoresreducenelcontenidodealquitrnperosonparticularmenteefectivosparamejorarlacalidadyconversindelafraccingaseosaproducida.Otroproblemainherentedelagasificacindebiomasaeslaformacindeceniza,quepuedeproduciracumulacindeslido,taponamientoydesactivacin.Estosproblemassehanreducidomedianteextraccinyfraccionamiento.

ProcesostrmicosOtrosprocesosrenovablesutilizanlaenergatrmicaparaproducirhidrgeno.Estosprocesosnosoncatalticoseincluyenladisociacintermoqumicadelaguausandoelcalordeunafuenteenergticaaelevadatemperatura,comoporejemploreactoresnuclearesyhornossolares.ElcalorpuedeutilizarseparallevaracaboreaccionesqumicasenserieconlaproduccinnetadeH2yO2atemperaturasporencimade950K.Unodeestosprocesossebasaenladescomposicindeunsulfatometlico.Enesteproceso,laprimeraetapaconsisteenladescomposicintrmicadelsulfatoatemperaturasprximasa1.100K,generandoelxidometlicoygases(SO2yO2).EnunasegundaetapaelxidometlicoseoxidaconvapordeaguaySO2,generandodenuevoelpropiosulfatoyliberandohidrgeno.Esteprocesotieneungranatractivo,yaquenoseproducenemisionesdeCO2ysueficienciaeselevada(85%)noobstante,todavanoestimplantadoaescalaindustrial.

ProcesosfotoqumicosOtroprocesoextraordinariamenteatractivodeproduccindehidrgenoesladisociacindelaguasobresemiconductoresutilizandoluzsolar.Laeficienciadeesteprocesovienedeterminadaprincipalmenteporlaspropiedadesfotofsicasylamorfologadelmaterialsemiconductorempleado.Conformealestadodelartedeestatecnologa,laaplicacincomercialdelaproduccindehidrgenomedianteenergafotnicadelespectrovisiblerequieredesarrollosimportantesenlacienciaeingenierahastaconseguirfotocatalizadoresactivosyestablesenlareaccindedisociacin.Cuestionescomolatransferenciadecargaentreelsemiconductoryelcocatalizadorysudependenciadefactoresestructuralesyelectrnicosdelainterfasepermanecenabiertas.Estasreasrepresentanoportunidadesexcelentesdemejoradelosfotocalizadoresutilizadosendisociacinfotoqumicadelagua.Elcontroldelamorfologadelcatalizadorenlaescalananomtricamedianteprocesosdefabricacininnovadoresesotradelasdireccionesquepermitirmodularlamorfologaylareactividaddelosfotocatalizadores.

ReformadodeetanolyazcaresUnaformasimpledetransportedelhidrgenoesmedianteprecursoresrenovables,talescomoetanol(C2H5OH)yazcares(C6H12O6)enfaselquida.Estosprecursoresse

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transformanenhidrgenomedianteprocesosdereformadoconvapordeaguaobajopresinenfaselquidaenelmismolugardondeseconsumeelhidrgeno.ElprocesodeliberarH2partirdeC2H5OHoC6H12O6serealizaenpresenciadecatalizadoresespecficosensistemasdereaccindiseadosparaoperarbienenfasegaseosaoenfaselquida.Laventajaquetienenambosprocesosesquelamateriaprima(C2H5OHyC6H12O6)puedeconsiderarseneutrarespectoalasemisionesdeCO2.Ladificultadprincipalquetienenestasreaccionesesquenosonselectivasdebidoaque,bajolascondicionesdereaccin,sevenfavorecidasotrasreaccioneslateralesquedanlugarasubproductosnodeseados(monxidodecarbono,metano,acetaldehdo)y,porello,aunadisminucindelaselectividadaH2.Adems,loscatalizadoresutilizadossufrenprocesosdedesactivacinpordepsitosdecarbn,loquedificultalapuestaenprcticadeestatecnologa.Elretoresideeneldesarrollodesistemascatalticosqueoperenatemperaturasmsbajasconelobjetivodeminimizarlosprocesosdedesactivacin.

BiofotolisisdeaguaElhidrgenopuedeproducirsetambinmediantesistemasbiolgicos.Algunosmicroorganismosfotosintticossoncapacesderealizarlarupturadelamolculadeaguaensuscomponentes(H2yO2).Algunasalgas,comoelalgaverdeScenedesmus,producenH2cuandoseiluminanconluzvisibleocuandosemantienenencondicionesanaerobiasyenausenciadeluz.LasalgasverdesseaplicanigualmenteenotromtododeproduccindeH2.LaespecieScenedesmusproducehidrgenonosolamentebajoirradiacinconluzsinotambinporvafermentativaencondicionesanaerobias,utilizandoalmidncomofuentereductora.AunquelavelocidaddeproduccindeH2porunidaddepesoconformealavafermentativaesmenorquelaobtenidamedianteirradiacinconluz,laproduccinsemantieneestabledebidoalaausenciadeoxgeno.Lascianobacteriasproducentambinhidrgenomediantefermentacin,enausenciadeluzyencondicionesanaerobias.Entrelasdistintascianobacteriasensayadas,laespecieSpirulinaeslaquepresentaactividadmselevada.

Laproduccindehidrgenomediantesistemasbiolgicosrepresentaunodelosretosmsimportantesdelabiotecnologaenrelacinconlosproblemasambientales.Laeficienciadelaconversindelaenergasolarenenergaqumicamediantesistemasbiolgicosesactualmentebastantebaja,sibienpuedecompensarseteniendoencuentaloscostesreducidosdeinversinparalapuestaenprcticadeestametodologa.Adems,laexperimentacinrealizadaaescaladelaboratoriohamostradoquepuedealcanzarseunaeficienciaenlaconversindeenergasolarhasta7%mediantesistemasfotoheterotrficos.

ConclusinLavaseleccionadadeproduccindeH2vienedictadaporlaeconomadelproceso,lasnecesidadesdelmercadoytambinporlasregulacionesambientales.Elhidrgenopermiteelaccesoaunampliogrupodeprecursoresprimariostalescomocombustiblesfsiles,energanucleary,conunapenetracincadavezmayor,lasenergasrenovables(elica,solar,biomasa).Mediantetodasestasalternativas,elcostedelhidrgenocomoportadordeenerganocontaminantesermsestablequecualquierotrafuente.Laintroduccindelhidrgenoylaelectricidadcomoportadoresdeenergapermitirexplotarlosrecursosautctonosyasreducirlafuertedependenciadelpetrleo.

Perfil:JosLuisG.Fierro

DoctorenCienciasQumicasporlaUniversidadComplutensedeMadrid,realizvariasestanciasenelextranjeroantesdeincorporarsealInstitutodeCatlisisyPetroleoqumicadelCSICen1978,dondetrabajacomoprofesordeinvestigacindesde1989.Suslneasdetrabajoincluyencatlisisheterognea,produccindehidrgeno,petroqumica,conversindegasnatural,tecnologaqumica,catlisisambiental,tecnologaslimpiasdeproduccinyqumicademateriales.Unabuenapartedeestaactividadcientficahaestadounidaalsectorproductivo.

Esautorycoautorde920publicacionesdiseminadasenrevistascientficasespecializadas,autorde30

patentesyeditorycoautordeocholibros.Directorde30tesisdoctorales,hasidomiembrodelComitConsultivoInternacionaldeTecnologadeRepsol,representanteelectodelaSociedadEspaoladeCatlisisenelConsejoInternacionaldeCatlisis,coordinadordelreadeQumicayTecnologasQumicas(CSIC)yMiembrodelComitCientficoAsesordelCSIC.

Entresusnumerosospremiosydistinciones,cabecitarelpremiodelasFederacionesIberoamericanasdeCatlisis,elpremiodeinvestigacinseniorMiguelCatalndela

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ComunidaddeMadrid,elpremioalasEnergasRenovablesyelDoctoradoHonorisCausaporlaUniversidaddePatras(Grecia).

PrivacidadyAvisolegalContactoFundacinGeneralCSIC.Todoslosderechosreservados.

Lychnos.ISSN:21716463(ed.impresaenespaol),21720207(ed.impresaeningls)y21745102(ed.digital)