Eficiencia exergética de los métodos de obtención de hidrógeno
Actualmente la eficiencia en la obtención del hidrógeno es uno de los principales escollos para la implantación generalizada de las pilas de hidrógeno como solución viable tanto para transporte como para almacenamiento en la red eléctrica. La comparativa de las eficiencias exergéticas de los métodos de obtención de hidrógeno se hace indispensable para el desarrollo de esta tecnología.
A pesar de que el hidrógeno es el elemento más abundante en el universo representando alrededor de un 75% de su masa en las condiciones que se dan en la tierra sólo podemos encontrarlo en su forma molecular, H2, y es extremadamente escaso. Esto unido a su alta reactividad en la atmósfera (para dar agua, por ejemplo) hacen que tengamos que obtenerlo por diversos métodos y en condiciones muy específicas.
Métodos de obtención del hidrógeno
La producción de hidrógeno se realiza mediante diversos métodos que requieren la separación del hidrógeno de otros elementos químicos como el carbono (en los combustibles fósiles) y el oxígeno (del agua).
El hidrógeno se extrae tradicionalmente de los combustibles fósiles (habitualmente hidrocarburos) – compuestos de carbono e hidrógeno- por medio de procesos químicos.
Reformado: es el procedimiento más usado actualmente, aproximadamente el 95% de la producción mundial. En este proceso el metano, a partir de gas natural, reacciona con vapor de agua (reformado con vapor de agua) o con oxígeno (reformado por oxidación parcial) o mediante una combinación de ambos (reformado auto-térmico). En cualquiera de estos procesos el CO2 aparece como uno de sus subproductos.
Pirólisis: consiste en la descomposición controlada de carbón o biomasa mediante la acción de calor en ausencia de oxígeno para generar gas de síntesis rico en hidrógeno.
Gasificación: consiste en una combustión de carbón o biomasa pobre en oxígeno cuya posterior manipulación consigue generar hidrógeno de gran pureza.
Electrolisis: proceso en el que se usa la corriente eléctrica para romper la molécula de agua y disociar el hidrógeno y el oxígeno que contiene.
Fermentación: consiste en la producción de hidrógeno mediante la producción de etanol (fermentación alcohólica) o biogás (fermentación anaerobia) a partir de biomasa.
Fotólisis: procedimiento de carácter experimental que emplea la luz solar usando organismos (procesos foto-biológicos) o semiconductores de diseño específico (procesos foto-electroquímicos) para la producción de hidrógeno.
¿Qué es la exergía?
La exergía es una propiedad termodinámica que permite determinar el potencial de trabajo útil de una determinada cantidad de energía que se puede alcanzar por la interacción espontánea entre un sistema y su entorno. Informa de la utilidad potencial del sistema como fuente de trabajo. Es una propiedad termodinamica, por lo que es una magnitud que su variación solo dependen de los estados inicial y final del proceso, y no de los detalles del mismo. Este concepto incorpora propiedades cualitativas y cuantitativas de la energía. El objetivo del análisis de la exergía es determinar las pérdidas de exergía (imperfecciones termodinámicas) y evaluar cuantitativamente las causas de la imperfección termodinámica de los procesos bajo consideración.
Análisis exergético de los métodos de obtención de hidrógeno
Este proceso se realiza en varias etapas: la primera efectúa el análisis de la exergía de la electrolisis del metano o del agua y la segunda incluye el análisis de la exergía para cada uno de los sistemas de energías renovables. En una tercera etapa el hidrógeno producido en cada uno de los procesos es licuado y también se investiga la eficiencia exergética de este cambio de fase. En este estudio se consideran varias fuentes de energías renovables, como se observa en la figura.
Para el método de obtención de hidrógeno que todos conocemos, la electrolisis del agua, la eficiencia exergética calculada para la primera etapa es del 67,5%.
Generalmente el hidrógeno producido por todos los métodos se obtiene en estado gaseoso aunque para su manipulación y transporte sería deseable obtenerlo en estado líquido. La licuefacción del hidrógeno generado es un proceso que requiere mucha exergía, y su eficiencia exergética es muy baja del orden de 13,3%. La comparación de las eficiencias exergéticas de todos los procesos de producción de hidrógeno usando energías renovables se resumen en la figura siguiente indicando los valores obtenidos con y sin considerar la etapa de licuefacción.
Este análisis exergético tiene en cuenta el rendimiento de los sistemas de generación por lo que aquellos sistemas de generación con rendimientos menores también tendrán una eficiencia exergética menor. Es decir, poniendo un ejemplo un sistema de generación de hidrógeno mediante placas fotovolticas requiere de una mayor energía primaria (luz solar) que un sistema basado en la gasificación de biomasa (energía química procedente de la biomasa) para la obtención de la misma cantidad de hidrógeno.
La mayor eficiencia exergética de los procesos de producción de hidrógeno se obtiene para fuentes hidroeléctricas, seguidas de cerca por los sistemas de biomasa mediante gasificación. Estos además suponen una ruta directa ya que no necesitan la etapa de electrolisis del agua.
¿Cómo obtenemos hidrógeno a partir de biomasa?
A priori, la obtención de hidrógeno a partir de biomasa no difiere demasiado del método utilizado en los hidrocarburos aunque tiene algunas particularidades que tienen que ver con la gasificación de la biomasa.
Como vemos, el hidrógeno es un subproducto de la gasificación que puede ser extraído del syngas procedente de la gasificación para ser almacenado y usado en las aplicaciones que requieran de almacenamiento energético a través de una pila.
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¿Tienes estos datos publicados como artículo de investigación? ¿Has aplicado el balance exergético al LCA o solo sobre la producción?
Interesantes datos
Un saludo,
Mateo
La verdad es que estos datos los obtuve para justificar algunas de las afirmaciones que realicé en el bloque de introducción y motivación de mi proyecto de fin de carrera. Estos datos están refrentadospor gran cantidad de publicaciones (hago referencia a algunas) y como no me pareció que aportasen ninguna idea original nunca pensé en ello como una publicación.
Apliqué balance exergético porque me pareció más realista.
Un saludo Mateo.
A mí lo del hidrógeno me parece uno de los mayores castillos de naipes. Se usan combustibles fósiles en el 95% de su producción obteniendo CO2 como subproducto, la eficiencia energética del proceso no es buena y además el vapor de agua es un gas de efecto invernadero superior al del CO2. Si no se utiliza a elevada presión o licuado no tiene densidad de energía suficiente para competir contra otros medios de almacenamiento de energía y además tiene un riesgo mucho más elevado de explosión. No me extraña ni una pizca que se haya estado hablando antes del hidrógeno que de las baterías en vehículos y que sean estas últimas las que están empezando a llegar al mercado.
El hidrógeno tiene un gran potencial y actualmente se cuenta con los métodos correctos para su obtención sin utilizar combustibles fósiles. El problema es su almacenamiento y el rendimiento de las pilas.
En cuanto se consiga que el binomio de costo de producción y energía obtenida de un saldo positivo tendremos una nueva revolución industrial.