División del agua

división del agua es la reacción química en la que el agua se descompone en oxígeno e hidrógeno:

La división eficiente y económica del agua sería un avance tecnológico que podría sustentar una economía de hidrógeno, basada en el hidrógeno verde. Una versión de la división del agua ocurre en la fotosíntesis, pero el hidrógeno no se produce. El reverso de la división del agua es la base de la célula de combustible de hidrógeno.

Electrolisis

La electrólisis del agua es la descomposición del agua (H₂O) en oxígeno (O₂) e hidrógeno (H₂) debido a una corriente eléctrica que pasa a través del agua.

• Vion, U.S. patent 28,793, "Metodología mejorada de usar electricidad atmosférica", junio de 1860.

En los esquemas de producción de energía a gas, el exceso de energía o la energía fuera de las horas pico creada por los generadores eólicos o los paneles solares se utiliza para equilibrar la carga de la red energética almacenando y luego inyectando el hidrógeno en la red de gas natural.

La producción de hidrógeno a partir del agua requiere mucha energía. Los posibles suministros de energía eléctrica incluyen energía hidroeléctrica, turbinas eólicas o células fotovoltaicas. Normalmente, 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 una mayor parte de la energía térmica inicial en energía química (hidrógeno), lo que potencialmente duplica la eficiencia a aproximadamente el 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.

Actualmente, la eficiencia energética para la división electrolítica del agua es del 60 % al 70 %.

División del agua en la fotosíntesis

En la fotosíntesis se produce una versión de la división del agua, pero los electrones son desviados, no a 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 fotoexcita, se inician reacciones de transferencia de electrones, lo que resulta en la reducción de una serie de aceptores de electrones, lo que finalmente reduce el NADP⁺ a NADPH y el fotosistema 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. Luego, el fotosistema II provoca la oxidación del agua, lo que da como resultado la evolución de oxígeno, siendo la reacción catalizada por grupos de CaMn₄O₅ incrustados en un entorno proteico complejo; el complejo se conoce como complejo liberador de oxígeno (OEC).

En la producción biológica de hidrógeno, los electrones producidos por el fotosistema no se desvían a un aparato de síntesis química sino a hidrogenasas, lo que da como resultado la formación de H₂. Este biohidrógeno se produce en un biorreactor.

División fotoelectroquímica del agua

Utilizar electricidad producida por sistemas fotovoltaicos potencialmente ofrece la forma más limpia de producir hidrógeno, aparte de nuclear, eólica, geotérmica e hidroeléctrica. De nuevo, el agua se divide en hidrógeno y oxígeno por electrolisis, pero la energía eléctrica es obtenida por un proceso de célula fotoelectroquímica (PEC). El sistema también se llama fotosíntesis artificial.

División fotocatalítica del agua

La conversión de energía solar en hidrógeno mediante un proceso de división del agua es una forma de conseguir 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.

Radiolisis

La radiación nuclear energética puede romper los enlaces químicos de una molécula de agua. En la mina de oro de Mponeng, Sudáfrica, los investigadores encontraron en una zona naturalmente alta de radiación una comunidad dominada por un nuevo filotipo de Desulfotomaculum, que se alimenta principalmente de H2 producido radiolíticamente. También se está investigando el combustible nuclear gastado como 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 necesidad de catalizadores, productos químicos o energía suministrada externamente.

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 (2470 K; 3990 °F), aproximadamente el tres por ciento de todo el H₂O se disocia en varias combinaciones de átomos de hidrógeno y oxígeno, principalmente H, H_{2<. /sub>, O, O2 y OH. Otros productos de reacción como H2O2 o HO2 siguen siendo menores. A la temperatura muy alta de 3000 °C (3270 K; 5430 °F), más de la mitad de las moléculas de agua se descomponen. A temperatura ambiente, sólo una molécula entre 100 billones se disocia por efecto del calor. Las altas temperaturas y las limitaciones materiales han limitado las aplicaciones de este enfoque.}

Nuclear-térmica

Un beneficio adicional de un reactor nuclear que produce electricidad e hidrógeno es que puede cambiar la producción entre los dos. Por ejemplo, una planta nuclear podría producir electricidad durante el día e hidrógeno durante la noche, adaptando su perfil de generación eléctrica a la variación diaria de la demanda. Si el hidrógeno se puede producir de forma económica, este sistema competiría favorablemente con los sistemas de almacenamiento de energía existentes en la red. En 2005, había suficiente demanda de hidrógeno en los Estados Unidos como para que dichas plantas pudieran gestionar todos los picos de generación diarios.

El ciclo termoeléctrico híbrido Cobre-cloro es un sistema de cogeneración que aprovecha el calor residual de los reactores nucleares, concretamente del reactor de agua supercrítica CANDU.

Solar-térmica

La concentración de energía solar puede alcanzar las altas temperaturas necesarias para dividir el agua. 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 (1070 a 1470 K; 1470 a 2190 °F) 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 pueda ampliarse 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.

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. Una "galleta de agua solar" con un concentrador de unos 100 m² se puede producir casi un kilogramo de hidrógeno por hora de sol.

Investigación

Se están realizando investigaciones sobre la fotocatálisis, la aceleración de una fotorreacción en presencia de un catalizador. Su comprensión ha sido posible desde el descubrimiento de la electrólisis del agua mediante 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 logrado dividir el agua en hidrógeno y oxígeno utilizando un compuesto artificial llamado Nafion.

La electrólisis a alta temperatura (también HTE o electrólisis de vapor) es un método que actualmente se está investigando 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 de poco menos de 1000 °C (1270 K; 1830 °F).

El ciclo del óxido de hierro es una serie de procesos termoquímicos utilizados para producir hidrógeno. El ciclo del óxido de hierro consta de dos reacciones químicas cuyo reactivo neto es agua y cuyos productos netos son hidrógeno y oxígeno. Todos los demás productos químicos se reciclan. El proceso de óxido de hierro requiere una fuente eficiente de calor.

El ciclo azufre-yodo (ciclo S-I) es una serie de procesos termoquímicos utilizados para producir hidrógeno. El ciclo S-I consta de tres reacciones químicas cuyo reactivo neto es agua y cuyos productos netos son hidrógeno y oxígeno. Todos los demás productos químicos se reciclan. El proceso S – I requiere una fuente eficiente de calor.

Se han descrito más de 352 ciclos termoquímicos para la división o termólisis del agua. Estos ciclos prometen producir hidrógeno y oxígeno a partir de agua y calor sin utilizar electricidad. Dado que toda la energía de entrada para estos 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. Generalmente no se considera la producción termoquímica de hidrógeno utilizando energía química del carbón o del gas natural, porque la vía química directa es más eficiente.

Para todos los procesos termoquímicos, la reacción resumida es la de descomposición del agua:

$${\fnMicrosoft Sans Serif} 2H2{}+ O2}}$$

Todos los demás reactivos se reciclan. Ninguno de los procesos termoquímicos de producción de hidrógeno se ha demostrado a niveles de producción, aunque varios se han demostrado en laboratorios.

También se están investigando la viabilidad de nanopartículas y catalizadores para reducir la temperatura a la que se divide el agua.

Recientemente se ha demostrado que los materiales basados en estructuras metal-orgánicas (MOF) son un candidato muy prometedor para la división del agua con metales de transición baratos de primera fila.

La investigación se concentra en los siguientes ciclos:

Hidrógeno blanco (naturalmente ocurriendo)

El hidrógeno blanco podría generarse termoquímicamente en el sistema del Rift continental medio. Esto podría hacerse a escala para una economía del hidrógeno renovable. Se podría bombear agua hasta rocas calientes ricas en hierro para producir hidrógeno y extraerlo.