Fuentes de energía para automoción

JOSé LUIS G. FIERRO

Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (CSIC)

El hidrógeno: metodologías de producción

Al igual que la electricidad, el hidrógeno es un transportador excelente de energía, ya que puede producirse a partir de diferentes y abundantes precursores, tales como gas natural, carbón, agua y energías renovables. La utilización del hidrógeno en las celdas de combustible, particularmente en el sector del transporte, permitirá en el futuro diversificar el suministro energético, aprovechar los recursos domésticos y reducir la dependencia de la importación de petróleo.

General
El hidrógeno (H2) se considera como la energía más atractiva para el futuro próximo debido a que su combustión no resulta contaminante. El hidrógeno, cuando se combina con el oxígeno del aire, libera la energía química almacenada en el enlace H-H, generando solamente vapor de agua como producto de la combustión. Puede almacenarse como gas a presión y como líquido o distribuirse mediante gasoductos, por lo que se considera que puede reemplazar al gas natural a medio-largo plazo. DESTACADOSPerfil: José Luis G. Fierro
Puesto que no se producen gases de efecto invernadero durante su combustión, el hidrógeno ofrece un gran potencial para reducir las emisiones de CO2 que se generan durante la combustión de sus precursores de origen fósil. El hidrógeno prácticamente no se encuentra en estado libre en la Tierra, por lo que no es una energía primaria. Sin embargo, puede producirse a partir de distintos precursores mediante procesos químicos o bioquímicos. 

La industria química de producción de amoníaco, metanol y refinado de petróleo consume aproximadamente el 66% de la producción anual de H2, estimada en 35 millones de toneladas métricas (MTm). El resto de la producción se consume en otros procesos industriales. El hidrógeno se considera como un combustible ideal, dado que no emite gases de efecto invernadero durante la combustión. Este atractivo es aún mayor cuando se utiliza en las celdas de combustible. Estos dispositivos convierten la energía química almacenada en el enlace H-H en energía eléctrica mediante un proceso que no está sometido al ciclo de Carnot. Por esta razón, la eficiencia energética resulta de dos a tres veces superior a la de un motor térmico. Conforme a estos argumentos, no hay duda de la importancia que debe desempeñar el hidrógeno en los esquemas energéticos de los países desarrollados en una escala temporal de medio y largo plazo. La producción de hidrógeno a gran escala no solo aliviará la dependencia del petróleo sino que también reducirá la contaminación ambiental cuando se incorporen las celdas de combustible tanto en automoción como en aplicaciones estacionarias.




Planta moderna de reformado de gas natural con vapor de agua.


Procesos industriales
Aunque el H2 puede producirse mediante el proceso de reformado del gas natural, nafta, fuel pesado o carbón, la relación atómica H/C (hidrógeno/carbono) más elevada de la molécula CH4 con respecto a otros combustibles indica que el gas natural, cuyo componente mayoritario es el CH4, sea el precursor más idóneo para producir hidrógeno.


Reformado de hidrocarburos y metanol
El reformado de metano (CH4) con vapor es un proceso utilizado a lo largo de varias décadas para producir H2. Por tratarse de la tecnología más económica, este proceso es el que se utiliza en la actualidad en la producción industrial del hidrógeno. La reacción es:

CH4 + H2O → CO + 3H2


El gas natural reacciona con vapor de agua sobre un catalizador de níquel colocado en el reformador primario a temperaturas de 1.200 ºK y presión total de 20-30 bar. Puesto que el gas natural contiene impurezas de azufre, se requiere una etapa previa de eliminación de este contaminante para evitar el deterioro de la actividad catalítica. La corriente limpia de metano se hace reaccionar después en un reactor al que se incorpora un catalizador de níquel. El gas de salida es rico en hidrógeno pero contiene una cierta proporción de monóxido de carbono, que a su vez se transforma en otro reactor, o incluso en dos, en hidrogeno adicional mediante reacción con vapor de Puesto que no se producen gases de efecto invernadero durante su combustión, el hidrógeno ofrece un gran potencial para reducir las emisiones de CO2agua. El gas resultante tiene un contenido elevado de hidrógeno, junto a dióxido de carbono y cantidades mucho más bajas de metano no convertido y monóxido de carbono remanente, usualmente 1% en volumen. En las plantas modernas de producción de H2 se incorporan unidades de purificación mediante compresión/adsorción/desorción que permiten alcanzar un hidrógeno muy puro (99,999% volumen).

Como el gas natural contiene una pequeña proporción de otros hidrocarburos tales como etano, propano y butano, que se descomponen con facilidad y generan residuos carbonosos en las condiciones de reformado del metano, componente mayoritario, se requiere una etapa previa de reformado (pre-reformado) para transformar una parte de los hidrocarburos presentes en el gas natural en una mezcla de CO/H2. Este proceso se incorpora antes de la unidad de reformado y permite operar con una variedad de alimentaciones asegurando que la alimentación es constante en todas las unidades de reformado. El pre-reformado tiene un fuerte efecto sobre la composición gaseosa que alimenta la unidad de reformado con vapor. Así, los hidrocarburos de cadena más larga se eliminan completamente al mismo tiempo que se convierte una fracción del metano. Dado que estos hidrocarburos de cadena larga tienen tendencia a formar carbono, este proceso de pre-reformado minimiza la formación de residuos de carbón durante el propio proceso de reformado del metano, lo que redunda en un tiempo de vida largo de los sistemas catalíticos utilizados.  

El vapor de agua, utilizado en la reacción de reformado con vapor, puede reemplazarse por dióxido de carbono, por oxígeno o por una mezcla de ambos. Estos conceptos avanzados de la tecnología de reformado son similares a la clásica de reformado con vapor pero solamente se utilizan en casos muy concretos. Específicamente, se aplican cuando se requiere utilizar la mezcla CO/H2 para fabricar hidrocarburos o metanol en vez de producir exclusivamente hidrógeno.

En lugar de metano, se puede utilizar igualmente metanol para la producción industrial de hidrógeno. En este proceso, el metanol se hace reaccionar con vapor de agua sobre un catalizador para producir H2. Esta es una reacción endotérmica en la que el calor requerido se obtiene de la combustión del gas de cola junto a otra pequeña fracción de metanol. La corriente de hidrógeno se purifica en una unidad de adsorción/deserción, tal como se hace en el reformado de metano. Esta reacción es simple ya que no tiene en cuenta la formación de compuestos oxigenados intermedios, si bien por razones económicas solo se utiliza allí donde hay un exceso de metanol.

La disponibilidad y buena red de distribución de gases licuados de petróleo (LPG) y de destilados medios hacen de estas fracciones candidatos idóneos para producción de H2. Sin embargo, se ha dedicado muy poca atención al desarrollo de un proceso basado en estos combustibles. La razón principal del escaso cuerpo de trabajo existente es que se deposita carbón en la superficie catalítica con relativa facilidad. El proceso implica básicamente oxidación parcial de estos hidrocarburos. El reactor está rodeado de un horno eléctrico con el que se calienta la mezcla de hidrocarburo-aire. A la salida del reactor se elimina como H2S y a continuación se inyecta vapor de agua antes de incorporar el reactor de desplazamiento del gas de agua. Para las celdas de combustible de membrana polimérica los niveles de CO se mantienen por debajo de 10 ppm lo que se consigue pasando la corriente sobre catalizadores altamente activos y selectivos, capaces de oxidar las impurezas de CO a CO2 a temperatura ambiente. El reformador opera satisfactoriamente con varios tipos de combustible; sin embargo, los problemas derivados de la presencia de compuestos de azufre así como el depósito de coque sobre los catalizadores no están totalmente resueltos. Teniendo en cuenta el impacto de esta tecnología en el medio ambiente, los fabricantes de automóviles la consideran como una de las opciones posibles de generar el H2 a bordo para alimentar la celda de combustible que genera la electricidad requerida por el motor eléctrico. 


Electrolisis de agua
Cuando los volúmenes de hidrógeno requeridos en una determinada aplicación no son elevados, el hidrógeno se obtiene mediante electrolisis de agua. La reacción electrolítica se realiza en medio alcalino debido a que en este medio se incrementa la conductividad eléctrica. El hidrógeno producido en el cátodo se debe purificar ya que contiene impurezas de oxígeno y un cierto nivel de humedad. La corriente de hidrógeno se seca mediante un adsorbente y las impurezas de oxígeno se eliminan con un convertidor DeOxo. Además, en el ánodo del electrolizador se produce oxígeno, cuyo volumen es la mitad del volumen de hidrógeno, tal como corresponde a la composición de la molécula de agua. La mayor parte de los electrolizadores son de tipo tanque con los electrodos dispuestos en paralelo. El calor liberado en el proceso se elimina recirculando agua alrededor de las celdas. El hidrógeno permite el acceso a un amplio grupo de precursores primarios tales como combustibles fósiles, energía nuclear y con una penetración cada vez mayor de las energías renovables (eólica, solar, biomasa) Conviene señalar el hecho de que el hidrógeno producido por electrolisis es del orden de 4.9-5.6 kWh por cada m3 de hidrógeno producido, lo que resulta al menos dos veces mas caro que el hidrógeno obtenido por reformado del gas natural.

Puesto que los electrolizadores convencionales proporcionan H2 con un coste elevado, se han desarrollado otros procesos electrolíticos. Uno de ellos es la electrolisis en fase de vapor. El potencial reversible de la celda decrece al aumentar la temperatura. Puesto que el coste de electricidad requerida en la electrolisis para producir H2 a partir de H2O es proporcional a la fuerza electromotriz de la celda, el coste disminuye con la temperatura. La celda se enfría debido a que el proceso es endotérmico y se mantiene a temperatura constante aportando calor desde el exterior. Esto significa que el calor se convierte por vía electroquímica en H2 sin pasar por un ciclo de Carnot. Así, a 1.500 ºK la cantidad de energía térmica que se utiliza en la descomposición termo-electroquímica es del 50% del total. Bajo estas condiciones, el coste de producción es 50% más bajo que en el proceso convencional. Otra alternativa económica de producción de H2 la proporcionan nuevos tipos de electro-catalizadores que son capaces de disminuir el sobrevoltaje, lo que supone una reducción del coste.




Instalación comercial de producción de H2 (150 m3/h) mediante electrolisis de agua.


La opción de los precursores renovables
Biomasa celulósica
El hidrógeno puede obtenerse a partir de una fuente renovable como es la biomasa celulósica. La celulosa puede convertirse en H2 mediante varios procesos termoquímicos tales como combustión, licuefacción, pirólisis y gasificación. El material lignocelulósico se oxida parcialmente a temperaturas superiores a 1.000 ºK, se produce una fracción gaseosa junto a un residuo carbonoso que se reduce posteriormente para formar posteriormente H2, CO, CO2 y CH4. La gasificación de la biomasa en presencia de O2 genera una corriente gaseosa rica en hidrógeno que se reforma con vapor de agua a la salida del gasificador con el objetivo de producir hidrógeno adicional. El inconveniente principal de la gasificación de biomasa es la formación de alquitrán. Los residuos pesados polimerizan y forman estructuras más complejas que no resultan apropiadas para producción de hidrógeno mediante reformado con vapor. La formación de alquitrán puede minimizarse mediante diseño apropiado del gasificador, incorporación de aditivos catalíticos y también mediante el control de las variables de operación. Los catalizadores reducen el contenido de alquitrán pero son particularmente efectivos para mejorar la calidad y conversión de la fracción gaseosa producida. Otro problema inherente de la gasificación de biomasa es la formación de ceniza, que puede producir acumulación de sólido, taponamiento y desactivación. Estos problemas se han reducido mediante extracción y fraccionamiento.


Procesos térmicos
Otros procesos renovables utilizan la energía térmica para producir hidrógeno. Estos procesos no son catalíticos e incluyen la disociación termoquímica del agua usando el calor de una fuente energética a elevada temperatura, como por ejemplo reactores nucleares y hornos solares. El calor puede utilizarse para llevar a cabo reacciones químicas en serie con la producción neta de H2 y O2 a temperaturas por encima de 950 K. Uno de estos procesos se basa en la descomposición de un sulfato metálico. En este proceso, la primera etapa consiste en la descomposición térmica del sulfato a temperaturas próximas a 1.100 ºK, generando el óxido metálico y gases (SO2 y O2). En una segunda etapa el óxido metálico se oxida con vapor de agua y SO2, generando de nuevo el propio sulfato y liberando hidrógeno. Este proceso tiene un gran atractivo, ya que no se producen emisiones de CO2 y su eficiencia es elevada (85%); no obstante, todavía no está implantado a escala industrial.


Procesos fotoquímicos
Otro proceso extraordinariamente atractivo de producción de hidrógeno es la disociación del agua sobre semiconductores utilizando luz solar. La eficiencia de este proceso viene determinada principalmente por las propiedades foto-físicas y la morfología del material semiconductor empleado. Conforme al estado del arte de esta tecnología, la aplicación comercial de la producción de hidrógeno mediante energía fotónica del espectro visible requiere desarrollos importantes en la ciencia e ingeniería hasta conseguir fotocatalizadores activos y estables en la reacción de disociación. Cuestiones como la transferencia de carga entre el semiconductor y el co-catalizador y su dependencia de factores estructurales y electrónicos de la interfase permanecen abiertas. Estas áreas representan oportunidades excelentes de mejora de los fotocalizadores utilizados en disociación fotoquímica del agua. El control de la morfología del catalizador en la escala nanométrica mediante procesos de fabricación innovadores es otra de las direcciones que permitirá modular la morfología y la reactividad de los fotocatalizadores.


Reformado de etanol y azúcares
Una forma simple de transporte del hidrógeno es mediante precursores renovables, tales como etanol (C2H5OH) y azúcares (C6H12O6) en fase líquida. Estos precursores se transforman en hidrógeno mediante procesos de reformado con vapor de agua o bajo presión en fase líquida en el mismo lugar donde se consume el hidrógeno. El proceso de liberar H2 partir de C2H5OH o C6H12O6 se realiza en presencia de catalizadores específicos en sistemas de reacción diseñados para operar bien en fase gaseosa o en fase líquida. La ventaja que tienen ambos procesos es que la materia prima (C2H5OH y C6H12O6) puede considerarse neutra respecto a las emisiones de CO2. La dificultad principal que tienen estas reacciones es que no son selectivas debido a que, bajo las condiciones de reacción, se ven favorecidas otras reacciones laterales que dan lugar a subproductos no deseados (monóxido de carbono, metano, acetaldehído) y, por ello, a una disminución de la selectividad a H2. Además, los catalizadores utilizados sufren procesos de desactivación por depósitos de carbón, lo que dificulta la puesta en práctica de esta tecnología. El reto reside en el desarrollo de sistemas catalíticos que operen a temperaturas más bajas con el objetivo de minimizar los procesos de desactivación.


Biofotolisis de agua
El hidrógeno puede producirse también mediante sistemas biológicos. Algunos microorganismos fotosintéticos son capaces de realizar la ruptura de la molécula de agua en sus componentes (H2 y O2). Algunas algas, como el alga verde Scenedesmus, producen H2 cuando se iluminan con luz visible o cuando se mantienen en condiciones anaerobias y en ausencia de luz. Las algas verdes se aplican igualmente en otro método de producción de H2. La especie Scenedesmus produce hidrógeno no solamente bajo irradiación con luz sino también por vía fermentativa en condiciones anaerobias, utilizando almidón como fuente reductora. Aunque la velocidad de producción de H2 por unidad de peso conforme a la vía fermentativa es menor que la obtenida mediante irradiación con luz, la producción se mantiene estable debido a la ausencia de oxígeno. Las cianobacterias producen también hidrógeno mediante fermentación, en ausencia de luz y en condiciones anaerobias. Entre las distintas cianobacterias ensayadas, la especie Spirulina es la que presenta actividad más elevada.


La producción de hidrógeno mediante sistemas biológicos representa uno de los retos más importantes de la biotecnología en relación con los problemas ambientales. La eficiencia de la conversión de la energía solar en energía química mediante sistemas biológicos es actualmente bastante baja, si bien puede compensarse teniendo en cuenta los costes reducidos de inversión para la puesta en práctica de esta metodología. Además, la experimentación realizada a escala de laboratorio ha mostrado que puede alcanzarse una eficiencia en la conversión de energía solar hasta 7% mediante sistemas foto-heterotróficos.


Conclusión
La vía seleccionada de producción de H2 viene dictada por la economía del proceso, las necesidades del mercado y también por las regulaciones ambientales. El hidrógeno permite el acceso a un amplio grupo de precursores primarios tales como combustibles fósiles, energía nuclear y, con una penetración cada vez mayor, las energías renovables (eólica, solar, biomasa). Mediante todas estas alternativas, el coste del hidrógeno como portador de energía no contaminante será más estable que cualquier otra fuente. La introducción del hidrógeno y la electricidad como portadores de energía permitirá explotar los recursos autóctonos y así reducir la fuerte dependencia del petróleo.

Perfil: José Luis G. Fierro

Doctor en Ciencias Químicas por la Universidad Complutense de Madrid, realizó varias estancias en el extranjero antes de incorporarse al Instituto de Catálisis y Petroleoquímica del CSIC en 1978, donde trabaja como profesor de investigación desde 1989. Sus líneas de trabajo incluyen catálisis heterogénea, producción de hidrógeno, petroquímica, conversión de gas natural, tecnología química, catálisis ambiental, tecnologías limpias de producción y química de materiales. Una buena parte de esta actividad científica ha estado unida al sector productivo. 

Es autor y coautor de 920 publicaciones diseminadas en revistas científicas especializadas, autor de 30 patentes y editor y coautor de ocho libros. Director de 30 tesis doctorales, ha sido miembro del Comité Consultivo Internacional de Tecnología de Repsol, representante electo de la Sociedad Española de Catálisis en el Consejo Internacional de Catálisis, coordinador del Área de Química y Tecnologías Químicas (CSIC) y Miembro del Comité Científico Asesor del CSIC.

Entre sus numerosos premios y distinciones, cabe citar el premio de las Federaciones Iberoamericanas de Catálisis, el premio de investigación senior “Miguel Catalán” de la Comunidad de Madrid, el premio a las Energías Renovables y el Doctorado Honoris Causa por la Universidad de Patras (Grecia).   

Publicado en Núm. 06


  • ® Fundación General CSIC.
    Todos los derechos reservados.
  • Lychnos. ISSN: 2171-6463 (ed. impresa en español),
    2172-0207 (ed. impresa en inglés) y 2174-5102 (ed. digital)
  • Privacidad y Aviso legal
  • Contacto

¿Te gusta lo que hacemos? Síguenos en todo momento, a través de Facebook, Twitter y YouTube

Opciones de búsqueda