El combustible de hidrógeno es un combustible sin carbono quemado con oxígeno. Se puede utilizar en pilas de combustible o motores de combustión interna (ver HICEV ). En cuanto a los vehículos de hidrógeno , el hidrógeno ha comenzado a utilizarse en vehículos comerciales de pila de combustible , como los turismos, y se ha utilizado en autobuses de pila de combustible durante muchos años. También se utiliza como combustible para la propulsión de naves espaciales .
A principios de la década de 2020, la mayor parte del hidrógeno se produce mediante el reformado de gas fósil con metano a vapor . Sólo una pequeña cantidad se produce por vías alternativas como la gasificación de biomasa o la electrólisis del agua [1] [2] o la termoquímica solar, [3] un combustible solar sin emisiones de carbono.
El hidrógeno se encuentra en el primer grupo y en el primer período de la tabla periódica , es decir, es el primer y más ligero elemento de todos. Puesto que el peso de hidrógeno es menor que el aire, que se eleva en la atmósfera y por lo tanto, rara vez se encuentra en su forma pura, H 2 . [4] En una llama de gas hidrógeno puro, que se quema en el aire, el hidrógeno (H 2 ) reacciona con el oxígeno (O 2 ) para formar agua (H 2 O) y libera energía.
- 2H 2 (g) + O 2 (g) → 2H 2 O (g) + energía
Si se lleva a cabo en aire atmosférico en lugar de oxígeno puro, como suele ser el caso, la combustión de hidrógeno puede producir pequeñas cantidades de óxidos de nitrógeno , junto con el vapor de agua.
La energía liberada permite que el hidrógeno actúe como combustible. En una celda electroquímica, esa energía se puede utilizar con una eficiencia relativamente alta. Si se utiliza simplemente para calentar, se aplican los límites termodinámicos habituales sobre la eficiencia térmica .
El hidrógeno generalmente se considera un portador de energía, como la electricidad, ya que debe producirse a partir de una fuente de energía primaria como la energía solar, la biomasa, la electricidad (por ejemplo, en forma de energía solar fotovoltaica o mediante turbinas eólicas) o hidrocarburos como el gas natural o carbón. [5] La producción de hidrógeno convencional utilizando gas natural induce impactos ambientales significativos; al igual que con el uso de cualquier hidrocarburo, se emite dióxido de carbono. [6] Al mismo tiempo, la adición de un 20% de hidrógeno (una proporción óptima que no afecta las tuberías de gas y los electrodomésticos) al gas natural puede reducir el CO
2emisiones provocadas por la calefacción y la cocción. [7]
Producción
Debido a que el hidrógeno puro no se produce de forma natural en la Tierra en grandes cantidades, por lo general requiere una entrada de energía primaria para producirlo a escala industrial. [8] El combustible de hidrógeno se puede producir a partir de metano o mediante electrólisis del agua. [9] A partir de 2020, la mayor parte del hidrógeno (∼95%) se produce a partir de combustibles fósiles mediante reformado con vapor u oxidación parcial de metano y gasificación de carbón con solo una pequeña cantidad por otras vías como la gasificación de biomasa o la electrólisis del agua. [1] [2] [10]
El reformado de vapor-metano, la tecnología líder actual para producir hidrógeno en grandes cantidades, [11] extrae hidrógeno del metano . Sin embargo, esta reacción libera dióxido de carbono fósil y monóxido de carbono a la atmósfera, que son gases de efecto invernadero exógenos al ciclo natural del carbono y, por lo tanto, contribuyen al cambio climático. [4] En la electrólisis, la electricidad pasa por el agua para separar los átomos de hidrógeno y oxígeno. Este método puede utilizar energía eólica, solar, geotérmica, hidráulica, combustibles fósiles, biomasa, nuclear y muchas otras fuentes de energía. [5] La obtención de hidrógeno a partir de este proceso se está estudiando como una forma viable de producirlo a nivel nacional a bajo costo.
Se afirma [12] que la instalación más grande del mundo para producir combustible de hidrógeno es el Campo de Investigación de Energía de Hidrógeno de Fukushima (FH2R), una unidad de producción de hidrógeno de clase 10MW, inaugurada el 7 de marzo de 2020, en Namie , Prefectura de Fukushima . [13] El sitio ocupa 180.000 metros cuadrados de terreno, gran parte del cual está ocupado por un panel solar ; pero la energía de la red también se usa para conducir la electrólisis del agua para producir combustible de hidrógeno. [12]
La producción generalmente se clasifica en términos de color; El 'hidrógeno gris' se produce como un subproducto de un proceso industrial, el 'hidrógeno azul' se produce a través de un proceso de producción en el que el CO
2también se produce y luego se captura a través de CCS, y finalmente se produce "hidrógeno verde" en su totalidad a partir de fuentes renovables.
Energía
El hidrógeno se retiene en cantidades enormes en agua, hidrocarburos y otras materias orgánicas. Uno de los desafíos del uso de hidrógeno como combustible proviene de poder extraer hidrógeno de manera eficiente a partir de estos compuestos. Ahora, el reformado con vapor, que combina vapor a alta temperatura con gas natural, representa la mayor parte del hidrógeno producido. [14] Este método de producción de hidrógeno se produce a temperaturas entre 700-1100 ° C y tiene una eficiencia resultante de entre 60-75%. [15] El hidrógeno también se puede producir a partir del agua a través de la electrólisis, que es menos intensiva en carbono si la electricidad utilizada para impulsar la reacción no proviene de plantas de energía de combustibles fósiles, sino de energía renovable o nuclear. La eficiencia de la electrólisis del agua está entre aproximadamente 70-80%, [16] [17] con un objetivo establecido para alcanzar una eficiencia de 82-86% para 2030 usando electrolizadores de membrana de intercambio de protones (PEM). [18] Una vez producido, el hidrógeno se puede usar de la misma manera que el gas natural: se puede entregar a las celdas de combustible para generar electricidad y calor, se puede usar en una turbina de gas de ciclo combinado para producir grandes cantidades de electricidad producida de manera centralizada o se puede quemar para hacer funcionar un motor de combustión; todos los métodos no producen emisiones de carbono o metano . [19] En cada caso, el hidrógeno se combina con el oxígeno para formar agua. Esta es también una de sus ventajas más importantes, ya que el combustible de hidrógeno es respetuoso con el medio ambiente. El calor de una llama de hidrógeno es una emisión radiante de las moléculas de agua recién formadas. Las moléculas de agua están en un estado excitado en la formación inicial y luego pasan a un estado fundamental; la transición libera radiación térmica. Cuando se quema al aire, la temperatura es de aproximadamente 2000 ° C (lo mismo que el gas natural). Históricamente, el carbono ha sido el portador de energía más práctico, ya que el hidrógeno y el carbono combinados son más densos volumétricamente, aunque el propio hidrógeno tiene tres veces la densidad de energía por masa que el metano o la gasolina. Aunque el hidrógeno es el elemento más pequeño y, por lo tanto, tiene una propensión ligeramente mayor a fugas de las venerables tuberías de gas natural, como las de hierro, se espera que las fugas de las tuberías de plástico (polietileno PE100) sean muy bajas, alrededor del 0,001%. [20] [21]
La razón por la que el reformado de metano con vapor se ha favorecido tradicionalmente sobre la electrólisis es porque mientras que el reformado de metano utiliza directamente gas natural, la electrólisis requiere electricidad. Como el costo de producir electricidad (a través de turbinas eólicas y energía solar fotovoltaica) cae por debajo del costo del gas natural, la electrólisis se vuelve más barata que la SMR. [22]
Usos
El combustible de hidrógeno puede proporcionar fuerza motriz para cohetes , automóviles, camiones, trenes, barcos y aviones de propulsante líquido , aplicaciones de celdas de combustible portátiles o aplicaciones de celdas de combustible estacionarias , que pueden alimentar un motor eléctrico. [23] Los problemas del uso de combustible de hidrógeno en los automóviles surgen del hecho de que el hidrógeno es difícil de almacenar en un tanque de alta presión o en un tanque criogénico. [24] Se están desarrollando medios de almacenamiento alternativos, como los de hidruros metálicos complejos. En general, las baterías son más adecuadas para vehículos del tamaño de un automóvil o más pequeños, pero el hidrógeno puede ser mejor para vehículos más grandes, como camiones pesados. [25]
El combustible de hidrógeno también se puede utilizar para alimentar plantas de generación de energía estacionarias o proporcionar una alternativa al gas natural para aplicaciones de calefacción.
Celdas de combustible
Las pilas de combustible presentan la opción más atractiva para la conversión de energía de hidrógeno directamente a electricidad, debido a su alta eficiencia, bajo nivel de ruido y número limitado de partes móviles. Las pilas de combustible son de interés tanto para la generación de energía estacionaria como móvil a partir de hidrógeno. Las pilas de combustible a menudo se consideran parte del sistema de propulsión de un vehículo.
Usar una celda de combustible para alimentar un tren motriz electrificado que incluye una batería y un motor eléctrico es dos o tres veces más eficiente que usar un motor de combustión, aunque parte de este beneficio está relacionado con el tren motriz electrificado (es decir, incluido el frenado regenerativo). Esto significa que se dispone de una economía de combustible mucho mayor utilizando hidrógeno en una pila de combustible, en comparación con un motor de combustión de hidrógeno.
Conversiones de motores de combustión interna a hidrógeno
Junto con la combustión de hidrógeno monocombustible, los motores de combustión en vehículos comerciales tienen el potencial de convertirse para funcionar con una mezcla de hidrógeno y diésel. Esto se ha demostrado en prototipos en el Reino Unido, donde hasta un 40% de CO
2Las emisiones se han reducido durante las condiciones normales de conducción. [26] Esta flexibilidad de combustible dual elimina la ansiedad por la autonomía, ya que los vehículos pueden repostar alternativamente sólo con diésel, cuando no hay repostaje de hidrógeno disponible. Se necesitan modificaciones relativamente menores en los motores, así como la adición de tanques de hidrógeno a una compresión de 350 bares. [27] También se están realizando pruebas para probar la eficiencia de la conversión del 100% de un camión de servicio pesado Volvo FH16 para usar solo hidrógeno. Se espera que el alcance sea de 300 km / 17 kg; [28] lo que significa una eficiencia mejor que un motor diesel estándar [29] (donde la energía incorporada de 1 galón de gasolina es igual a 1 kilogramo de hidrógeno ).
En comparación con los combustibles convencionales, si el hidrógeno tuviera un precio de bajo coste (5 € / kg), [30] podrían lograrse importantes ahorros de combustible mediante una conversión de este tipo en Europa o el Reino Unido. Se necesitaría un precio más bajo para competir con el diesel / gasolina en los EE. UU., Ya que estos combustibles no están expuestos a altos impuestos en el surtidor.
Los motores de combustión que usan hidrógeno son de interés ya que la tecnología ofrece un cambio menos sustancial a la industria automotriz y potencialmente un menor costo inicial del vehículo en comparación con las alternativas totalmente eléctricas o de celda de combustible. Sin embargo, la naturaleza de cero emisiones del motor significa que no podrá operar en zonas urbanas de cero emisiones , a menos que sea parte de un sistema de propulsión híbrido. [ cita requerida ]
Inconvenientes
Aunque el hidrógeno tiene un alto contenido energético por unidad de masa, a temperatura ambiente y presión atmosférica tiene un contenido energético muy bajo por unidad de volumen, en comparación con los combustibles líquidos o incluso con el gas natural . Por esta razón, por lo general, se comprime o licúa bajando su temperatura a menos de 33 K. Los tanques de alta presión pesan mucho más que el hidrógeno que pueden contener. Por ejemplo, en el Toyota Mirai 2014 , un tanque lleno contiene solo 5.7% de hidrógeno, el resto del peso es el tanque. [31]
El combustible de hidrógeno es peligroso debido a la baja energía de ignición y la alta energía de combustión del hidrógeno, y porque tiende a filtrarse fácilmente de los tanques. [32] Se han notificado explosiones en estaciones de servicio de hidrógeno. [33] Las estaciones de abastecimiento de hidrógeno generalmente reciben entregas de hidrógeno por camión de los proveedores de hidrógeno. Una interrupción en una instalación de suministro de hidrógeno puede cerrar varias estaciones de abastecimiento de hidrógeno. [34]
Ver también
- Vehículo de pila de combustible
- HCNG
- Compresor de hidrógeno
- Seguridad del hidrógeno
- Almacenamiento de hidrógeno
- Tecnologías de hidrógeno
- Vehículo de hidrógeno
- Llama de oxihidrógeno
- División de agua fotocatalítica para aislar hidrógeno
- Combustible sintético
Referencias
Notas
- ↑ a b Roberts, David (16 de febrero de 2018). Esta empresa puede haber resuelto uno de los problemas más duros de las energías limpias ” . Vox . Consultado el 30 de octubre de 2019 .
- ^ a b Ogden, JM (1999). "Perspectivas para la construcción de una infraestructura energética de hidrógeno" . Revisión anual de Energía y Medio Ambiente . 24 : 227-279. doi : 10.1146 / annurev.energy.24.1.227 .
- ^ "Q & A: Christian Sattler de DLR sobre el papel de la termoquímica solar en la producción de hidrógeno verde" . SolarPACES.org .
- ↑ a b Altork, LN & Busby, JR (octubre de 2010). Pilas de combustible de hidrógeno: parte de la solución. Maestra de Tecnología e Ingeniería, 70 (2), 22-27.
- ^ a b Centro de energía solar de Florida. (Dakota del Norte). Conceptos básicos del hidrógeno. Obtenido de: http://www.fsec.ucf.edu/en/consumer/hydrogen/basics/index.htm
- ^ Zehner, Ozzie (2012). Ilusiones verdes . Lincoln y Londres: University of Nebraska Press. págs. 1-169, 331-42.
- ^ "Esperanza de cambio climático para el combustible de hidrógeno" . BBC News . 2 de enero de 2020.
- ^ Wang, Feng (marzo de 2015). "Análisis termodinámico del reformado de combustible calentado con helio a alta temperatura para la producción de hidrógeno". Revista Internacional de Investigación Energética . 39 (3): 418–432. doi : 10.1002 / er.3263 .
- ^ Jones, JC (marzo de 2015). "Retorno de energía de la energía invertida para combustible de hidrógeno del reformado con vapor de gas natural". Combustible . 143 : 631. doi : 10.1016 / j.fuel.2014.12.027 .
- ^ "Emisiones del ciclo de vida del hidrógeno" . Energía de 4a generación . Consultado el 27 de mayo de 2020 .
- ^ Departamento de Energía de Estados Unidos. (Febrero de 2007). Potencial de producción de hidrógeno a partir de recursos renovables clave en los Estados Unidos. (Informe Técnico NREL / TP-640-41134). Laboratorio Nacional de Energía Renovable Golden, CO: Milbrandt, A. & Mann, M. Obtenido de: http://www.afdc.energy.gov/afdc/pdfs/41134.pdf
- ^ a b "La producción de hidrógeno de clase más grande del mundo, el campo de investigación de energía de hidrógeno de Fukushima (FH2R) ahora se completa en la ciudad de Namie en Fukushima" . Comunicados de prensa de Toshiba Energy . Corporaciones de Soluciones y Sistemas de Energía de Toshiba. 7 de marzo de 2020 . Consultado el 1 de abril de 2020 .
- ^ "Ceremonia de apertura del campo de investigación de energía de hidrógeno de Fukushima (FH2R) celebrada con el primer ministro Abe y el ministro de METI Kajiyama" . Comunicados de prensa de METI . Ministerio de Economía, Comercio e Industria. 9 de marzo de 2020 . Consultado el 1 de abril de 2020 .
- ^ "Centro de datos de combustibles alternativos: conceptos básicos del hidrógeno" . www.afdc.energy.gov . Consultado el 27 de febrero de 2016 .
- ^ Kalamaras, Christos M .; Efstathiou, Angelos M. (2013). "Tecnologías de producción de hidrógeno: estado actual y desarrollos futuros" . Artículos de conferencia en energía . 2013 : 1–9. doi : 10.1155 / 2013/690627 .
- ^ Stolten, Detlef (4 de enero de 2016). Ciencia e Ingeniería del Hidrógeno: Materiales, Procesos, Sistemas y Tecnología . John Wiley e hijos. pag. 898. ISBN 9783527674299. Consultado el 22 de abril de 2018 .
- ^ "ITM - Infraestructura de reabastecimiento de hidrógeno - febrero de 2017" (PDF) . level-network.com . pag. 12 . Consultado el 17 de abril de 2018 .
- ^ "Reducción de costes y aumento de rendimiento de electrolizadores PEM" (PDF) . fch.europa.eu . Empresa Común Pilas de Combustible e Hidrógeno. pag. 9 . Consultado el 17 de abril de 2018 .
- ^ Ono, Katsutoshi (enero de 2015). "Teorías fundamentales sobre un ciclo de energía combinado de una celda electrolítica de inducción electrostática y una celda de combustible para producir energía de hidrógeno totalmente sostenible". Ingeniería eléctrica en Japón . 190 (2): 1–9. doi : 10.1002 / eej.22673 .
- ^ "Pensamientos y sorpresas energéticas" . 2016-11-17 . Consultado el 22 de abril de 2018 .
- ^ Sadler, Dan (6 de abril de 2018). "El hidrógeno al 100% lo desbloquea todo" . medium.com . cH2ange . Consultado el 22 de abril de 2018 .
- ^ Philibert, Cédric. "Comentario: producción de hidrógeno industrial a partir de energías renovables" . iea.org . Agencia Internacional de Energía . Consultado el 22 de abril de 2018 .
- ^ Colella, WG (octubre de 2005). "El cambio a una flota de vehículos de pila de combustible de hidrógeno de Estados Unidos: el cambio resultante en las emisiones, el uso de energía y los gases de efecto invernadero". Revista de fuentes de energía . 150 (1/2): 150–181. Código bibliográfico : 2005JPS ... 150..150C . doi : 10.1016 / j.jpowsour.2005.05.092 .
- ^ Zubrin, Robert (2007). Energy Victory: Ganar la guerra contra el terrorismo liberándonos del petróleo . Amherst, Nueva York: Prometheus Books. pag. 121 . ISBN 978-1-59102-591-7.
- ^ "Hyundai aumenta el juego del hidrógeno a medida que llegan nuevos camiones a Europa" . Reuters . 2021-05-24 . Consultado el 14 de junio de 2021 .
- ^ "ULEMCo firma un memorando de entendimiento con ENGV Pty Ltd para abrir el mercado de conversiones de hidrógeno en Australia" . Congreso de coches ecológicos . Consultado el 14 de junio de 2021 .
- ^ Dalagan, María Teresa. "ULEMCO desarrollando vehículos propulsados por hidrógeno" . freightwaves.com . Consultado el 22 de abril de 2018 .
- ^ "Empresa del Reino Unido para demostrar" el primer "camión con motor de combustión de hidrógeno del mundo" . theengineer.co.uk . Centaur Media plc. 2018-04-17 . Consultado el 22 de abril de 2018 .
- ^ Mårtensson, Lars. "Emisiones de los camiones Volvo" (PDF) . volvotrucks.com . pag. 3 . Consultado el 22 de abril de 2018 .
- ^ André Løkke, Jon. "Amplia adaptación de la solución competitiva de hidrógeno" (PDF) . nelhydrogen.com/ . Nel ASA. pag. 16 . Consultado el 22 de abril de 2018 .
- ^ Mike Millikin (18 de noviembre de 2014). "Toyota FCV Mirai se lanza en Los Ángeles; especificaciones iniciales de TFCS; arrendamiento de $ 57,500 o $ 499; apoyándose en la analogía del Prius" . Congreso de coches ecológicos . Consultado el 23 de noviembre de 2014 .
- ^ Utgikar, Vivek P; Thiesen, Todd (2005). "Seguridad de los tanques de combustible de hidrógeno comprimido: Fuga de vehículos estacionados". Tecnología en la sociedad . 27 (3): 315–320. doi : 10.1016 / j.techsoc.2005.04.005 .
- ^ Dobson, Geoff (12 de junio de 2019). "La explosión de la estación de hidrógeno conduce a la parada de FCV" . EV Talk.
- ^ Woodrow, Melanie. "Bay Area experimenta escasez de hidrógeno después de una explosión" , ABC News, 3 de junio de 2019
Bibliografía
- McCarthy, John. "Hidrógeno" .
- Administración de Información Energética. "Hidrógeno explicado a una audiencia juvenil" . Estadísticas de energía oficiales de la EIA del gobierno de EE. UU.
- Milbrandt, A. "Producción de hidrógeno a partir de recursos renovables clave en los Estados Unidos" (PDF) . Departamento de Energía de EE. UU., Laboratorio Nacional de Energía Renovable . Consultado el 13 de septiembre de 2013 .
- El hidrógeno como combustible del futuro, informe del DLR