La división del agua es la reacción química en la que el agua se descompone en oxígeno e hidrógeno :
- 2 H 2 O → 2 H 2 + O 2
La división del agua eficiente y económica sería un avance tecnológico que podría apuntalar una economía del hidrógeno , basada en el hidrógeno verde . Una versión de la división del agua ocurre en la fotosíntesis , pero no se produce hidrógeno. El reverso de la división del agua es la base de la pila de combustible de hidrógeno .
Electrólisis
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]
- Vion, Patente de Estados Unidos 28.793 , "Método mejorado para utilizar la electricidad atmosférica", junio de 1860.
En los esquemas de producción de energía a gas , el exceso de energía o la energía fuera de pico creada por generadores eólicos o paneles solares se utiliza para equilibrar la carga de la red de energía almacenando y luego inyectando hidrógeno en la red de gas natural.
La producción de hidrógeno a partir del agua consume mucha energía. Los posibles suministros de energía eléctrica incluyen energía hidroeléctrica, turbinas eólicas o células fotovoltaicas. Por lo general, 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 más de la energía térmica inicial en energía química (hidrógeno), duplicando potencialmente la eficiencia a aproximadamente un 50%. Debido a que parte de la energía en HTE se suministra en forma de calor, menos energía debe convertirse dos veces (de calor a electricidad y luego a forma química), por lo que el proceso es más eficiente.
División del agua en la fotosíntesis
Una versión de la división del agua ocurre en la fotosíntesis , pero los electrones se desvían, no a los 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 foto-excita, se inician reacciones de transferencia de electrones, lo que da como resultado la reducción de una serie de aceptores de electrones, lo que finalmente reduce NADP + a NADPH y el PS 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. El fotosistema II provoca entonces la oxidación del agua que da como resultado la evolución de oxígeno, la reacción es catalizada por grupos de CaMn 4 O 5 incrustados en un entorno proteico complejo; el complejo se conoce como complejo evolutivo de oxígeno (OEC). [2] [3]
En la producción de hidrógeno biológico , los electrones producidos por el fotosistema se desvían no a un aparato de síntesis química, pero a hidrogenasas , lo que resulta en la formación de H 2 . Este biohidrógeno se produce en un biorreactor . [4]
División de agua fotoelectroquímica
El uso de electricidad producida por sistemas fotovoltaicos ofrece potencialmente la forma más limpia de producir hidrógeno, además de la energía nuclear, eólica, geotérmica e hidroeléctrica. Nuevamente, el agua se descompone en hidrógeno y oxígeno por electrólisis, pero la energía eléctrica se obtiene mediante un proceso de celda fotoelectroquímica (PEC). El sistema también se llama fotosíntesis artificial . [5] [6] [7] [8]
División de agua fotocatalítica
La conversión de energía solar en hidrógeno por medio del proceso de división del agua es una de las formas más interesantes [ cita requerida ] para lograr 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. [9] [10]
Radiolisis
La radiación nuclear rompe de forma rutinaria los enlaces de agua, en la mina de oro de Mponeng , Sudáfrica , los investigadores encontraron en una zona de alta radiación natural , una comunidad dominada por un nuevo filotipo de Desulfotomaculum , alimentándose principalmente de H 2 producido radiolíticamente . [11] El combustible nuclear gastado / "desechos nucleares" también se está considerando como una fuente potencial de hidrógeno.
Polvo de aleación de aluminio nanogalvánico
Se demostró que un polvo de aleación de aluminio inventado por el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. En 2017 es capaz de producir gas hidrógeno al entrar en contacto con agua o cualquier líquido que contenga agua debido a su microestructura galvánica a nanoescala única. Según se informa, genera hidrógeno al 100 por ciento del rendimiento teórico sin la necesidad de catalizadores, productos químicos o energía suministrada externamente. [12] [13]
Descomposición térmica del agua
En la termólisis , las moléculas de agua se dividen en sus componentes atómicos, hidrógeno y oxígeno . Por ejemplo, a 2200 ° C aproximadamente el 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 una temperatura muy alta de 3000 ° C, más de la mitad de las moléculas de agua se descomponen, pero a temperatura ambiente solo una molécula de cada 100 billones se disocia por efecto del calor. [14] Las altas temperaturas y las limitaciones de los materiales han limitado las aplicaciones de este enfoque.
Nuclear-térmica
Un beneficio secundario de un reactor nuclear que produce tanto electricidad como hidrógeno es que puede cambiar la producción entre los dos. Por ejemplo, la planta podría producir electricidad durante el día e hidrógeno durante la noche, haciendo coincidir su perfil de generación eléctrica con la variación diaria de la demanda. Si el hidrógeno se puede producir económicamente, este esquema competiría favorablemente con los esquemas de almacenamiento de energía de la red existentes . Es más, hay suficiente demanda de hidrógeno en los Estados Unidos para que toda la generación máxima diaria pueda ser manejada por tales plantas. [15]
El ciclo híbrido termoeléctrico de cobre-cloro es un sistema de cogeneración que utiliza el calor residual de los reactores nucleares, específicamente el reactor de agua supercrítica CANDU . [dieciséis]
Solar térmica
Las altas temperaturas necesarias para dividir el agua se pueden lograr mediante el uso de energía solar de concentración . 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 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 se pueda escalar 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. [17]
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 "Cracker de agua solar" con un concentrador de aproximadamente 100 m² puede producir casi un kilogramo de hidrógeno por hora de sol. [18]
Investigar
Se están realizando investigaciones sobre la fotocatálisis , [19] [20] la aceleración de una fotorreacción en presencia de un catalizador. Su comprensión ha sido posible desde el descubrimiento de la electrólisis del agua por medio del dióxido de titanio. La fotosíntesis artificial es un campo de investigación que intenta replicar el proceso natural de la fotosíntesis, convirtiendo la luz solar, el agua y el dióxido de carbono en carbohidratos y oxígeno. Recientemente, esto ha tenido éxito en la división del agua en hidrógeno y oxígeno utilizando un compuesto artificial llamado Nafion . [21]
La electrólisis de alta temperatura (también HTE o electrólisis de vapor ) es un método que se está investigando actualmente 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 justo por debajo de los 1000 ° C. [22]
El ciclo del óxido de hierro es una serie de procesos termoquímicos que se utilizan para producir hidrógeno . El ciclo del óxido de hierro consta de dos reacciones químicas cuyo reactivo neto es el agua y cuyos productos netos son el hidrógeno y el oxígeno . Todos los demás productos químicos se reciclan. El proceso del óxido de hierro requiere una fuente de calor eficiente.
El ciclo azufre-yodo ( ciclo SI) es una serie de procesos termoquímicos que se utilizan para producir hidrógeno . El ciclo SI consta de tres reacciones químicas cuyo reactante neto es agua y cuyos productos netos son hidrógeno y oxígeno . Todos los demás productos químicos se reciclan. El proceso SI requiere una fuente de calor eficiente.
Se han descrito más de 352 ciclos termoquímicos para la disociación o termólisis del agua . [23] Estos ciclos prometen producir hidrógeno, oxígeno a partir del agua y el calor sin utilizar electricidad. [24] 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. La producción termoquímica de hidrógeno utilizando energía química del carbón o del gas natural generalmente no se considera, porque la ruta química directa es más eficiente.
Para todos los procesos termoquímicos, la reacción resumen es la de la descomposición del agua:
Todos los demás reactivos se reciclan. Ninguno de los procesos de producción de hidrógeno termoquímico se ha demostrado a niveles de producción, aunque varios se han demostrado en laboratorios.
También se está investigando la viabilidad de nanopartículas y catalizadores para reducir la temperatura a la que se divide el agua. [25] [26]
Recientemente , se ha demostrado que los materiales a base de Marco Metal-Orgánico (MOF) son un candidato muy prometedor para la división del agua con metales de transición baratos de primera fila . [27] [28]
La investigación se concentra en los siguientes ciclos: [24]
Ciclo termoquímico | Eficiencia LHV | Temperatura (° C / F) |
---|---|---|
Ciclo de óxido de cerio (IV)-óxido de cerio (III) (CeO 2 / Ce 2 O 3 ) | ? % | 2.000 ° C (3.630 ° F) |
Ciclo híbrido del azufre (HyS) | 43% | 900 ° C (1,650 ° F) |
Ciclo del yodo azufre (ciclo SI) | 38% | 900 ° C (1,650 ° F) |
Ciclo del sulfato de cadmio | 46% | 1.000 ° C (1.830 ° F) |
Ciclo del sulfato de bario | 39% | 1.000 ° C (1.830 ° F) |
Ciclo del sulfato de manganeso | 35% | 1.100 ° C (2.010 ° F) |
Ciclo de zinc-óxido de zinc (Zn / ZnO) | 44% | 1.900 ° C (3.450 ° F) |
Ciclo de cadmio híbrido | 42% | 1.600 ° C (2.910 ° F) |
Ciclo de carbonato de cadmio | 43% | 1.600 ° C (2.910 ° F) |
Ciclo del óxido de hierro () | 42% | 2.200 ° C (3.990 ° F) |
Ciclo de manganeso de sodio | 49% | 1.560 ° C (2.840 ° F) |
Ciclo de ferrita de níquel manganeso | 43% | 1.800 ° C (3.270 ° F) |
Ciclo de ferrita de zinc-manganeso | 43% | 1.800 ° C (3.270 ° F) |
Ciclo cobre-cloro (Cu-Cl) | 41% | 550 ° C (1.022 ° F) |
Ver también
- División de agua fotocatalítica
- Reacción de cambio de gas de agua
Referencias
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enlaces externos
- JEAC