Fco. Javier Pino Araque – PED “La energía del hidrógeno...” – UNED 2.012/2.013

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PRUEBA DE EVALUACIÓN A DISTANCIA DE LA ASIGNATURA DE ENSEÑANZA ABIERTA

“LA ENERGÍA DEL HIDRÓGENO: ABUNDANTE, EFICIENTE Y LIMPIA. ANÁLISIS ECONÓMICO-

AMBIENTAL”.

1. Métodos de obtención de hidrógeno por oxidación catalítica de hidrocarburos.

Los procesos de conversión de hidrocarburos a hidrógeno se clasifican según los

puntos de vista termodinámico (endotérmicas/exotérmicas); por el uso de catalizadores

(catalizadas/no catalizadas), o por el papel oxidante (oxidativa/no oxidativa).

La obtención de hidrógeno por oxidación de hidrocarburos se puede representar

genéricamente: HC + [O] � xH2 + yCO +zCO2, dónde HC es un hidrocarburo y [O] es el oxidante

como O2 (exotérmica), o H2O y CO2 (endotérmicas).

Estos procesos requieren de altas temperaturas, por encima de los 1.000 ºC si la

reacción no está catalizada y entre 750-950ºC si se hace uso de catalizadores.

Los diferentes métodos de obtención de hidrógeno por oxidación catalítica de

hidrocarburos usados a nivel industrial son: reformado con vapor de agua (SMR: steam

methane reforming), oxidación parcial (POx: partial oxidation), y reformado autotérmico (ATR:

autothermal reforming).

* SMR: el más utilizado por la industria de producción de hidrógeno, se puede aplicar a una

gran variedad de hidrocarburos (gas natural, GLPs, hidrocarburos líquidos, alcoholes, etc.), se

realiza en tres etapas, la primera es la desulfuración, es necesario extraer el azufre de la

alimentación y evitar el “envenenamiento” de los catalizadores, los compuestos de azufre se

convierten en H2S por reacción de hidrogenación catalítica (catalizador Co-Mo), seguido por la

depuración del H2S en lecho de ZnO. Después se realiza el reformado a través de lechos

catalizadores de base de níquel. En el caso del gas natural la reacción sería:

CH4 + H2O(v)cat.Ni

� CO + 3 H2

La siguiente fase es el desplazamiento del CO y llevado de nuevo a reacción sobre catalizador

de cobre, según a reacción:

CO + H2O(v)cat.Cu

� CO2 + H2

Finalmente se purifica el H2 obtenido. El rendimiento del proceso de reformado está en torno

al 80%.

* POx: consiste en la oxidación incompleta de un hidrocarburo, como el gas natural. Existen

diferentes procedimientos, siendo el proceso global exotérmico, por lo que puede llevarse a

cabo con o sin catalizadores. El proceso catalizado, CPO Catalytic Partial Oxidation (oxidación

parcial catalítica), se lleva a cabo a unas temperaturas de 600-900ºC, usando combustibles

ligeros, como el metano, según la reacción:

CH4 + O2 cat

.� 2CO + H2

El rendimiento del proceso es aproximadamente del 70%.

* ATR: es un método que combina el SMR y el POx donde la energía térmica para la producción

del gas de síntesis es proporcionada por el proceso POx de hidrocarburos en un reactor

adiabático. El CO producido se desplaza con agua para producir más hidrógeno y CO2.

El rendimiento del proceso es similar al del POx.

2. Interprete brevemente el esquema presentado en la figura “Sistema Sol-Hidrógeno” y

rellene adecuadamente cada uno de los rectángulos vacíos.

El esquema representa el uso del hidrógeno como vector energético obtenido a partir

de la energía renovable que supone la energía solar.

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En ella la radiación solar puede ser usada a partir de celdas fotovoltaicas para provocar

la electrolisis del agua, y separar así el O2 del H2, que puede ser almacenado para ser usado

posteriormente como alimentación de una pila de combustible, a partir de la cual se obtiene

electricidad que se aporta a la red de suministro eléctrico.

Relleno los rectángulos vacíos en el esquema con el nombre en rojo.

3. Producción de energía a partir del hidrógeno.

El hidrógeno no puede considerarse una fuente de energía, ya que no existe libre en la

naturaleza, debe obtenerse, consumiendo energía para ello, y posteriormente puede usarse el

hidrógeno para obtener energía, es por esto que es considerado un vector energético.

Globalmente hay dos formas de producir energía a partir del hidrógeno: como

generador de electricidad o como combustible directo.

Como generador de electricidad es usado en la conversión electroquímica en las pilas

de combustible, en las cuales se combina con oxígeno (puro, o del aire) con el hidrógeno para

producir electricidad y agua, existiendo varios tipos de pilas, difiriendo básicamente en el tipo

de electrolito (membrana de intercambio protónico, solución alcalina, carbonato fundido,

etc.).

Como combustible directo, puede usarse para combustión convencional, en parte ya

usado pues el gas ciudad es una mezcla de hidrógeno y metano, y los quemadores de gas

natural pueden usarse para combustión de hidrógeno con pequeñas modificaciones; también

puede usarse en combustión catalítica, que se realiza de una manera más eficaz y segura,

reduciendo además la contaminación, además se produce la combustión sin llama; otra forma

de usarlo es mediante la formación/descomposición de hidruros, ya que la formación de un

hidruro metálico es un proceso exotérmico, pudiendo usarse estas reacciones como bombas

de calor.

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4. Seguridad en la utilización del hidrógeno si se le compara con la de otros combustibles.

Ventajas e inconvenientes.

Uno de los problemas para la introducción del sistema energético del hidrógeno,

además de lo estrictamente económico, es conseguir una opinión pública favorable acerca de

la no peligrosidad de su uso, más allá de la que poseen los actuales combustibles fósiles. Por lo

que expondré primero los inconvenientes y posteriormente las ventajas.

- Inconvenientes: El hidrógeno posee unos límites de inflamabilidad muy extensos,

desde el 4 hasta el 75% de volumen en aire. Este elevado rango de inflamabilidad tiene

implicaciones graves para la seguridad con el añadido que la llama de la combustión del

hidrógeno es muy poco visible. Además, la difusión del hidrógeno por fugas es mucho más

rápida que otros combustibles, siendo además incoloro e inodoro.

- Ventajas: Tanto el gas natural como la gasolina tienen límites de inflamabilidad

similar o incluso superior. Para cualquier combustible fósil la energía de ignición es tan

pequeña que la diferencia con la del hidrógeno es técnicamente inapreciable. Los fuegos de

hidrógeno no producen compuestos tóxicos, a diferencia de los fuegos de combustibles fósiles.

La difusión del hidrógeno y su fugabilidad hacen también que se disipe más rápidamente,

sobre todo en espacios abiertos en los que no sucederá la explosión. Se puede solucionar el

problema de la no visibilidad de la llama añadiendo algún colorante al hidrógeno, e incluso

compuestos de azufre para darle olor.

El uso y almacenamiento de cualquier combustible es potencialmente peligroso, por

ello hay que tomar las precauciones necesarias y cumplir siempre con los procedimientos de

trabajo.

5. El hidrógeno y la contaminación ambiental. Ventajas e inconvenientes.

El planteamiento del uso del hidrógeno como alternativa a los combustibles fósiles, no

sólo parte de tratar de dar solución a los crecientes problemas económicos y sociales que

supone el uso de éstos, sino además tratar de buscar eliminar o al menos minimizar el

problema de la contaminación ambiental.

- Ventajas: es el combustible más limpio ya que elimina las emisiones contaminantes y

de efecto invernadero, CO, CO2, SO2, HC y partículas; la materia prima para su producción es

ilimitada.

- Inconvenientes: requiere catalizador en su combustión para no producir excesivo

NOx; hay que disponer de una infraestructura para su almacenaje y transporte, lo cual

requiere una inversión energética; no es una fuente de energía directa, por lo que su

producción puede tener un alto coste energético y provenir de energías no limpias.