Producción de hidrógeno

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La producción industrial de hidrógeno  es una parte integral de la energía del hidrógeno , el primer eslabón en el ciclo de vida del consumo de hidrógeno . El hidrógeno prácticamente no existe en su forma pura en la Tierra y debe extraerse de otros compuestos utilizando varios métodos químicos .

Métodos de producción

Actualmente, existen muchos métodos para la producción industrial de hidrógeno: se han desarrollado tecnologías para la producción de hidrógeno a partir de residuos , etanol, escorias metalúrgicas [1] , biomasa [2] y otras tecnologías.
Tales métodos incluyen :

También en casos raros, se usa la reacción de aluminio y una solución alcalina .
Una variedad de métodos para producir hidrógeno es una de las principales ventajas de la energía del hidrógeno, ya que aumenta la seguridad energética y reduce la dependencia de ciertos tipos de materias primas.

La producción de hidrógeno a partir de combustibles fósiles se considera actualmente la más viable económicamente, y actualmente el proceso más accesible y económico es el reformado con vapor (según las previsiones, se utilizará en la etapa inicial de la transición a una economía del hidrógeno para simplificar la superación del "pollo de gallina"). y huevo”, cuando de - debido a la falta de infraestructura, no hay demanda de coches de hidrógeno , y debido a la falta de coches de hidrógeno, la infraestructura no se está construyendo. A largo plazo, sin embargo, una transición a las energías renovables fuentes de energía es necesario , ya que uno de los objetivos principales de la introducción de la energía del hidrógeno es reducir las emisiones de gases de efecto invernadero ; dichas fuentes pueden ser la energía eólica o la energía solar , que permiten la electrólisis del agua). Es posible reducir el nivel de emisiones de carbono en los sectores industriales debido al hidrógeno obtenido mediante tecnologías bajas en carbono, para ello es posible utilizar tecnologías de captura y almacenamiento de dióxido de carbono, así como la electrólisis del agua, “utilizando principalmente la energía de instalaciones nucleares, hidráulicas, eólicas y solares.
La gradación de color del hidrógeno depende del método de su producción y de la huella de carbono, es decir, la cantidad de emisiones nocivas [3] :

El costo del hidrógeno "verde" es de unos $ 10 por kg (lo que es "absolutamente no rentable", según el jefe del Fondo Nacional de Seguridad Energética); El hidrógeno "azul" y "amarillo" es varias veces más barato que el "verde", desde $ 2 por kilogramo.

La producción de hidrógeno se puede concentrar en grandes plantas centralizadas, lo que reduce el costo de producción, pero requiere costos adicionales para la entrega de hidrógeno a las estaciones de servicio de hidrógeno . Otra opción es la producción a pequeña escala directamente en estaciones de servicio de hidrógeno especialmente equipadas.


En diciembre[ ¿cuándo? ] 2013(?) El Instituto alemán Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) completó la construcción de una planta piloto para la producción de hidrógeno a partir de agua en concentradores solares ; potencia de la planta 100 kW [5] .
En 2019, comenzó en Alemania la construcción de la planta más grande del mundo para la producción de 1300 toneladas anuales de hidrógeno por electrólisis [6] .

Producción de hidrógeno a partir de diversas fuentes de materias primas

A 2019 se consumen en el mundo 75 millones de toneladas de hidrógeno, principalmente en la refinación de petróleo y la producción de amoníaco . De estos, más de 3/4 se produce a partir de gas natural , para lo cual se consumen más de 205.000 millones de m 3 de gas. [7] Casi todo lo demás está hecho de carbón. Alrededor del 0,1% (~100 mil toneladas) se produce por electrólisis. Durante la producción de hidrógeno, ~830 millones de toneladas de CO 2 ingresan a la atmósfera . El costo del hidrógeno del gas natural se estima en 1,5-3 dólares por 1 kg.

Del metano

Reformado al vapor con vapor a 1000 °C:

El hidrógeno se puede obtener en diferentes purezas: 95-98% o extra puro. Dependiendo del uso posterior, el hidrógeno se obtiene a diferentes presiones: de 1,0 a 4,2 MPa. La materia prima (gas natural o fracciones de petróleo ligero) se calienta a 350–400°C en un horno convectivo o intercambiador de calor y entra al aparato de desulfuración. El gas convertido del horno se enfría en el horno de recuperación, donde se produce vapor de los parámetros requeridos. Después de las etapas de conversión de CO a alta y baja temperatura, el gas se alimenta a la adsorción de CO 2 y luego a la metanización de óxidos residuales. El resultado es hidrógeno de 95-98,5 % de pureza que contiene 1-5 % de metano y trazas de CO y CO 2 .

En el caso de que se requiera obtener hidrógeno de alta pureza, el equipo se complementa con una sección para la separación por adsorción del gas convertido. En contraste con el esquema anterior, la conversión de CO aquí es de una sola etapa. La mezcla de gases que contiene H 2 , CO 2 , CH 4 , H 2 O y una pequeña cantidad de CO se enfría para eliminar el agua y se envía a los aparatos de adsorción llenos de zeolitas. Todas las impurezas se adsorben en una etapa a temperatura ambiente. El resultado es hidrógeno con una pureza del 99,99%. La presión del hidrógeno resultante es de 1,5-2,0 MPa.

La oxidación catalítica con oxígeno también es posible :

Del carbón

Pasando vapor de agua sobre carbón caliente a una temperatura de unos 1000 ° C:

La forma más antigua de producir hidrógeno. El costo del proceso es de $2-$2,5 por kilogramo de hidrógeno. En el futuro, el precio puede reducirse a $1.50, incluido el envío y el almacenamiento.

Electrólisis

Electrólisis de soluciones acuosas de sales:

Electrólisis de soluciones acuosas de hidróxidos de metales activos (principalmente hidróxido de potasio ) [8]

Además, existe una tecnología industrial para la electrólisis de agua químicamente pura, sin el uso de ningún aditivo. De hecho, el dispositivo es una pila de combustible reversible con una membrana de polímero sólido [8] .

A partir de biomasa

El hidrógeno a partir de biomasa se produce mediante un método termoquímico o bioquímico . En el método termoquímico, la biomasa se calienta sin acceso a oxígeno a una temperatura de 500°-800° (para residuos de madera), que es mucho más baja que la temperatura del proceso de gasificación del carbón. El proceso libera H 2 , CO y CH 4 .

El costo del proceso es de $5 a $7 por kilogramo de hidrógeno. En el futuro, es posible una disminución a $1.0-$3.0.

En un proceso bioquímico , varias bacterias , como Rodobacter speriodes , producen hidrógeno .

Es posible utilizar varias enzimas para acelerar la producción de hidrógeno a partir de polisacáridos ( almidón , celulosa ) contenidos en la biomasa. El proceso tiene lugar a una temperatura de 30° Celsius a presión normal. El costo del proceso es de alrededor de $2 por kg.

Se puede obtener tres veces más energía de la cadena azúcar -hidrógeno- pila de combustible de hidrógeno [9] que de la cadena azúcar- etanol - motor de combustión interna .

Fuera de la basura

Se están desarrollando varias tecnologías nuevas de producción de hidrógeno. Por ejemplo, en octubre de 2006, la London Hydrogen Partnership publicó un estudio  (enlace no disponible) sobre la posibilidad de producir hidrógeno a partir de residuos municipales y comerciales . Según el estudio, se pueden producir 141 toneladas de hidrógeno al día en Londres tanto por pirólisis como por digestión anaeróbica de la basura . Se pueden producir 68 toneladas de hidrógeno a partir de residuos municipales.

141 toneladas de hidrógeno son suficientes para hacer funcionar 13.750 autobuses con motores de combustión interna que funcionan con hidrógeno. Más de 8.000 autobuses están actualmente en funcionamiento en Londres.

Reacción química del agua con los metales

En 2007, la Universidad de Purdue (EE. UU.) desarrolló un método para producir hidrógeno a partir de agua utilizando una aleación de aluminio.

Una aleación de aluminio y galio se forma en gránulos. Los pellets se colocan en un tanque de agua. El hidrógeno se produce como resultado de una reacción química. El galio evita la formación de una película de óxido en la superficie del aluminio, lo que ralentiza el proceso de oxidación del aluminio. Como resultado de la reacción, se crean hidrógeno y óxido de aluminio.

De una libra (≈453 g) de aluminio, se pueden obtener más de 2 kWh de energía de la combustión de hidrógeno y más de 2 kWh de energía térmica durante la reacción del aluminio con agua. En el futuro, al usar electricidad de reactores nucleares de 4ta generación, el costo del hidrógeno producido durante la reacción será equivalente al precio de la gasolina $ 3 por galón (≈3.8 litros).

Un automóvil de motor de combustión interna de tamaño mediano con 350 libras (158 kg) de aluminio a bordo puede viajar 350 millas (560 km). En el futuro, el costo de dicho viaje será de $63 ($0,11/km), incluido el costo de la recuperación de óxido de aluminio en una planta de energía nuclear de cuarta generación. [diez]

Uso de algas

Los científicos de la Universidad de California en Berkeley (UC Berkeley) descubrieron en 1999 [11] que si las algas carecen de oxígeno y azufre, entonces sus procesos de fotosíntesis se debilitan drásticamente y comienza la producción rápida de hidrógeno.

El hidrógeno puede ser producido por un grupo de algas verdes como Chlamydomonas reinhardtii . Las algas pueden producir hidrógeno a partir del agua de mar o de las aguas residuales.

Sistemas domésticos de producción de hidrógeno

En lugar de construir estaciones de servicio de hidrógeno, se puede producir hidrógeno en plantas domésticas a partir de gas natural o por electrólisis del agua. Honda está probando su instalación doméstica llamada Honda Home Power Station . La planta doméstica produce hidrógeno a partir de gas natural. Parte del hidrógeno se utiliza en pilas de combustible para producir calor y electricidad para el hogar. El resto del hidrógeno se utiliza para alimentar el coche.

La empresa británica ITM Power Plc desarrolló y probó en 2007 un electrolizador doméstico para la producción de hidrógeno. El hidrógeno se produce por la noche, lo que suavizará los picos de consumo eléctrico. Un electrolizador de 10 kW produce hidrógeno a partir de agua y lo almacena a una presión de 75 bar. El hidrógeno producido es suficiente para una carrera de 40 km de un Ford Focus de combustible dual (hidrógeno/gasolina). La empresa tiene previsto iniciar la producción de electrolizadores domésticos a principios de 2008 . ITM Power ya alcanzó el costo de los electrolizadores de $164 por 1kW.

Principales productores de hidrógeno

Véase también

Notas

  1. ↑ http://www.financialexpress.com/news/tata-steel-develops-hydrogen-production-tech-granted-pct/370776/0
  2. ↑ http://www.fuelcellsworks.com/Supppage9358.html Archivado el 9 de enero de 2009 en Wayback Machine  (enlace descendente desde el 13/05/2013 [3451 días] - historial )
  3. ↑ Se encontró una alternativa al gas y al carbón en Rusia Copia de archivo fechada el 16 de mayo de 2021 en Wayback Machine // Lenta.ru , 15 de abril de 2021
  4. ↑ Siemens puso en marcha una de las plantas de hidrógeno verde más grandes de Alemania KP.RU, 19 de septiembre de 2022 | en el sitio web de siemens
  5. ↑ http://www.fuelcellsworks.com/Supppage9397.html  (enlace descendente)  (enlace descendente desde el 13-05-2013 [3451 días])
  6. ↑ Deutsche Welle 17/09/2018 Tren de hidrógeno Inza Wrede : avance tecnológico europeo con reservas Archivado el 25 de agosto de 2019 en Wayback Machine .
  7. ↑ Censo de HIDRÓGENO, Revista Gazprom, septiembre de 2019, p 42 . Consultado el 22 de octubre de 2019. Archivado desde el original el 22 de octubre de 2019.
  8. ↑ 1 2 Da Rosa, Aldo Vieira. Fundamentos de los procesos de energías renovables . - Amsterdam: Elsevier Academic Press, 2005. - Pág. 370. - xvii, 689 páginas p. — ISBN 0120885107 .
  9. ↑ Nueva tecnología de conversión de azúcar en hidrógeno promete independencia de combustible para el transporte | Noticias tecnológicas de Virginia | Virginia Tech . Consultado el 28 de diciembre de 2007. Archivado desde el original el 30 de diciembre de 2007.
  10. ↑ nanoHUB.org - Temas: Aleaciones a granel ricas en aluminio: un material de almacenamiento de energía para dividir el agua para producir gas de hidrógeno bajo demanda . Fecha de acceso: 24 de diciembre de 2007. Archivado desde el original el 28 de agosto de 2008.
  11. ↑ Producción de hidrógeno utilizando  organismos fotosintéticos oxigénicos que contienen hidrogenasa . Consultado el 17 de octubre de 2019. Archivado desde el original el 17 de octubre de 2019.

Enlaces