Combustible de hidrógeno

El combustible de hidrógeno es un combustible sin carbono que se quema con oxígeno; siempre que se cree en un proceso que no involucre carbono. 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.

El hidrógeno se encuentra en el primer grupo y el primer período de la tabla periódica, es decir, es el elemento más ligero. El hidrógeno rara vez se encuentra en su forma pura en la atmósfera, H ₂. En una llama de hidrógeno puro que arde en el aire, el hidrógeno (H ₂) reacciona con el oxígeno (O ₂) para formar agua (H ₂ O) con liberación de energía.2H ₂ (g) + O ₂ (g) → 2H ₂ O (g) + energía

En el aire atmosférico, en lugar de oxígeno puro, la combustión de hidrógeno puede producir una pequeña cantidad de óxidos de nitrógeno con el vapor de agua.

La energía liberada permite utilizar hidrógeno como combustible. En una celda electroquímica, esa energía se puede utilizar con una eficiencia relativamente alta. Si la energía se utiliza para producir calor, la termodinámica limita la eficiencia térmica del proceso.

El hidrógeno suele considerarse 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 energía eléctrica (por ejemplo, en forma de energía solar fotovoltaica o mediante turbinas eólicas) o hidrocarburos como gas natural o carbón. La producción convencional de hidrógeno utilizando gas natural induce impactos ambientales significativos; como con el uso de cualquier hidrocarburo, se emite dióxido de carbono. Al mismo tiempo, la adición de un 20 % de hidrógeno (una proporción óptima que no afecta a las tuberías de gas ni a los electrodomésticos) al gas natural puede reducir las emisiones de CO ₂ de la calefacción y la cocina.

Producción

Debido a que el hidrógeno puro no se encuentra naturalmente en la Tierra en grandes cantidades, por lo general requiere un aporte de energía primaria para ser producido a escala industrial. El combustible de hidrógeno se puede producir a partir de metano o por electrólisis del agua. A partir de 2020, la mayoría 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 rutas, como la gasificación de biomasa o la electrólisis del agua.

El reformado de metano con vapor, la tecnología líder actual para producir hidrógeno en grandes cantidades, 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. En la electrólisis, la electricidad pasa a través del agua para separar el hidrógeno y el oxígeno. Este método puede utilizar energía eólica, solar, geotérmica, hidráulica, combustibles fósiles, biomasa, nuclear y muchas otras fuentes de energía. Se está estudiando la obtención de hidrógeno a partir de este proceso como una forma viable de producirlo en el país a bajo coste.

Se afirma 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 10 MW, inaugurada el 7 de marzo de 2020, en Namie, Prefectura de Fukushima. El sitio ocupa 180.000 m de terreno, gran parte del cual está ocupado por un panel solar; la energía de la red también se utiliza para la electrólisis del agua para producir combustible de hidrógeno.

La producción generalmente se clasifica en términos de etiquetas 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 también se produce CO ₂ y luego se captura a través de CCS, y finalmente el 'hidrógeno verde' se produce completamente a partir de fuentes renovables..

Energía

El hidrógeno está encerrado en enormes cantidades en agua, hidrocarburos y otras materias orgánicas. Uno de los desafíos de usar hidrógeno como combustible proviene de poder extraer hidrógeno de manera eficiente a partir de estos compuestos. Actualmente, el reformado con vapor, que combina vapor a alta temperatura con gas natural, representa la mayor parte del hidrógeno producido. Este método de producción de hidrógeno se produce entre 700 y 1100 °C y tiene una eficiencia del 60 al 75 %. 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 fuentes de energía renovables o nucleares. La eficiencia de la electrólisis del agua es de aproximadamente 70 a 80%,con un objetivo de 82–86 % de eficiencia para 2030 utilizando electrolizadores de membrana de intercambio de protones (PEM). 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 mayores cantidades de electricidad producida centralmente o se puede quemar para ejecutar una combustión. motor; todos los métodos que no producen emisiones de carbono o metano.En cada caso, el hidrógeno se combina con 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 en 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 liberando radiación térmica. Cuando se quema en el aire, la temperatura es de aproximadamente 2000 °C (igual que el gas natural). Históricamente, los compuestos de carbono han sido los portadores de energía más prácticos, ya que el hidrógeno y el carbono combinados son volumétricamente más densos, aunque el hidrógeno en sí tiene tres veces la energía específica (energía por unidad de masa) que el metano o la gasolina.

La razón por la que el reformado de metano con vapor se ha favorecido tradicionalmente sobre la electrólisis es que, mientras que el reformado de metano utiliza directamente gas natural como fuente de energía, la electrólisis requiere energía eléctrica para ello. Cuando el costo de producir energía eléctrica (a través de turbinas eólicas y energía solar fotovoltaica) cae por debajo del costo del gas natural, la electrólisis será más barata que la SMR.

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 impulsar un motor eléctrico. El hidrógeno se considera la principal fuente sostenible de energía renovable y es "muy necesario para los sistemas avanzados de conversión de energía".

Los problemas de usar combustible de hidrógeno en automóviles surgen de la dificultad de almacenar hidrógeno en un tanque de alta presión o en un tanque criogénico. Se están desarrollando medios de almacenamiento alternativos, como dentro de los hidruros metálicos complejos. En general, las baterías son más adecuadas para vehículos del tamaño de automóviles o más pequeños, pero el hidrógeno puede ser mejor para vehículos más grandes, como camiones pesados, porque el almacenamiento de energía de hidrógeno ofrece una mayor autonomía y un tiempo de recarga más rápido.

El combustible de hidrógeno también se puede utilizar para alimentar plantas de generación de energía estacionarias o para proporcionar una alternativa al gas natural para la calefacción.

Celdas de combustible

Las celdas de combustible presentan la opción más atractiva para la conversión de energía de hidrógeno a energía eléctrica, 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 celdas de combustible a menudo se consideran parte del sistema de propulsión de un vehículo.

El uso de una celda de combustible para impulsar un tren motriz electrificado que incluye una batería y un motor eléctrico es de dos a tres veces más eficiente que usar un motor de combustión, aunque parte de este beneficio está relacionado con el tren motriz electrificado (es decir, que incluye el frenado regenerativo). Esto significa que se dispone de una economía de combustible significativamente 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

Además de la combustión de hidrógeno monocombustible, los motores de combustión de los 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 sus emisiones de CO ₂ se han reducido hasta en un 40 % en condiciones normales de conducción. Esta flexibilidad de combustible dual elimina la ansiedad por la autonomía, ya que los vehículos pueden, alternativamente, llenarse solo con diésel cuando no hay reabastecimiento 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. También se están realizando pruebas para probar la eficiencia de la conversión del 100 % de un camión pesado Volvo FH16 para usar solo hidrógeno. Se espera que la autonomía sea de 300 km/17 kg;lo que significa una eficiencia mejor que un motor diesel estándar (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 bajo (5 €/kg), se podrían lograr importantes ahorros de combustible a través de dicha conversión en Europa o el Reino Unido. Se necesitaría un precio más bajo para competir con el diésel/gasolina en EE. UU., ya que estos combustibles no pagan tantos impuestos.

Los motores de combustión que usan hidrógeno son de interés ya que la tecnología ofrece un cambio menos sustancial para la industria automotriz y, potencialmente, un costo inicial más bajo del vehículo en comparación con las alternativas completamente eléctricas o de celdas de combustible. Sin embargo, la naturaleza de emisión distinta de cero del motor significa que no podrá operar en zonas de cero emisiones de la ciudad, a menos que sea parte de un sistema de propulsión híbrido.

Inconvenientes

El hidrógeno tiene un alto contenido de energía por unidad de masa. Sin embargo, a temperatura ambiente y presión atmosférica, tiene un contenido energético por unidad de volumen muy bajo en comparación con los combustibles líquidos o incluso con el gas natural. Por este motivo, suele comprimirse o licuarse bajando su temperatura por debajo de los 33 K. Los tanques de alta presión pesan mucho más que el hidrógeno que pueden contener. Por ejemplo, en el Toyota Mirai 2014, un depósito lleno contiene solo un 5,7 % de hidrógeno, siendo el resto de su masa la del depósito.

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 escaparse fácilmente de los tanques. Se han reportado explosiones en estaciones de servicio de hidrógeno. Las estaciones de servicio de hidrógeno, como la gasolina, generalmente reciben entregas de hidrógeno por camión de los proveedores de hidrógeno. Una interrupción en una instalación de suministro puede cerrar varias estaciones de servicio.