ENERGIA - HIDROGENO CONSTANZA VARGAS CASTELLANOS CONTENIDO GENERALIDADES DEL HIDROGENO VENTAJAS Y DESVENTAJAS HIDROGENO FRENTE A ENERGIAS CONVENCIONALES HIDROGENO FRENTE A ENERGIAS NO CONVENCIONALES CAPTURA, TRANSPORTE Y ALMACENAMIENTO DE CO2 GENERALIDADES DEL HIDROGENO El hidrógeno no es un combustible en sí, sino más bien un vector energético porque, a pesar de ser muy abundante en la naturaleza, no se encuentra libre y es necesario someter a diferentes procesos a materias primas que lo contengan El hidrógeno (H2) es el elemento más ligero y abundante de la naturaleza, formando parte de la molécula de agua, de la materia viva y de combustibles tradicionales. Asimismo, está presente entre los diez elementos más abundantes de la corteza de la Tierra, pero sin encontrarse en ningún momento libre. En condiciones de equilibrio con el ambiente, es un gas incoloro, inodoro, insípido, inflamable, razonablemente estable, poco viscoso y no tóxico ni contaminante. Proporciona una energía más alta que el resto de los combustibles (mayor relación energía/peso conocido) y sus emisiones, tras su transformación energética, o resultan insignificantes si hay combustión con aire en motores o turbinas (trazas de óxidos de nitrógeno NOx) o solo generan agua cuando el comburente es oxígeno puro. Si, por el contrario, se emplea en pilas de combustible, se extrae la energía del hidrógeno sin ninguna emisión y, además, con una mayor eficiencia energética que cualquier proceso de combustión. GENERALIDADES DEL HIDROGENO Síntesis del amoniaco 50% Usos de H2 Refinerías de petróleo Industria química y Petroquímica 37% 72% Síntesis de metanol Electrónica 8% 9% Metalurgia 8% Aeroespacial 3% Otras aplicaciones (agroalimentos y farmacéutica) 8% Otras aplicaciones 5% GENERALIDADES DEL HIDROGENO 500,000 millones de m3 45,000,000 T/año Producción de H2 Gas Natural 48% Combustibles Fósiles Petróleo 96% 30% Electrólisis 9% Carbón 18% GENERALIDADES DEL HIDROGENO 1 kg H2 2,78 kg Gasolina 2,8 kg Gasoleo 2,4 kg Metano 6,09 kg Metanol 2,54-3,14 kg Gas Natural 2,59 kg Propano 2,62 kg Butano VENTAJAS Es un vector energético limpio. Su utilización de manera directa como combustible, que ya se ha comentado, no emite GEI a la atmósfera (solo trazas de óxidos de nitrógeno en el caso de su empleo en motores o turbinas con aire como comburente). Dependiendo de la fuente de energía empleada para su obtención, se producirán o no contaminantes a la atmósfera, es decir, si se usa gas natural, petróleo o carbón, se obtiene dióxido de carbono (CO2) que habría que almacenar; si se emplean energías renovables, se producirán los mismos niveles de contaminación que estas. La única manera de no generar ningún tipo de emisión es a partir del empleo de electricidad para disociar la molécula de agua en hidrógeno y oxígeno, aunque también habría que tener en cuenta la energía primaria empleada para su generación. La asociación hidrógeno-energías renovables produciría unas sinergias muy importantes que no hay que menospreciar, sobre todo porque convertiría a alguna energía renovable intermitente, como la energía eólica, en gestionable, es decir, el sistema podría hacer uso de ella en función de la curva de demanda de energía eléctrica en cada momento, y así sustituir a combustibles tradicionales empleados hasta la fecha. El hidrógeno presenta la mayor relación energía/peso de todos los combustibles conocidos hasta el momento. Posee unas buenas características para ser empleado en motores de combustión ya que requiere poca energía para el inicio de la misma, permitiendo multitud de mezclas de combustible-aire para así poder economizar en cuanto a cantidad de combustible se refiere, y posee una elevada temperatura de autoignición, lo que posibilita una elevada compresión del gas y una elevada eficiencia térmica del sistema. La eficiencia de los sistemas en los que participa el hidrógeno es más elevada que la de cualquier otro combustible. Sirva como ejemplo la eficiencia de las pilas de combustible que se sitúa en más del 50%, frente a valores del 30-35 % de los motores de combustión interna. El límite inferior de inflamabilidad y detonación es elevado. Además, tiene una baja densidad y elevada volatilidad, lo que le hace ser seguro en espacios abiertos porque se difunde verticalmente de manera rápida. La elevada temperatura de combustión espontánea es otra ventaja desde el punto de vista de la seguridad. Su baja densidad energética por unidad de volumen (que dificulta su almacenamiento) hace que la energía que se libera en la combustión de un determinado volumen sea inferior al de otros combustibles. No es tóxico, por lo que en casos de no existir combustión, no hay riesgo para los humanos. Es un elemento muy abundante en la naturaleza. Debido a la versatilidad que posee, puede ser empleado en multitud de aplicaciones, tanto de manera centralizada como descentralizada, adaptándose perfectamente a una generación centralizada o distribuida. DESVENTAJAS • Aunque la elevada densidad energética por unidad de masa del hidrógeno le convierte en un buen combustible frente a otros tradicionales, es una desventaja desde el punto de vista de la seguridad. • La energía de activación que necesita el hidrógeno para su combustión es muy baja si se compara con la de otros combustibles, por lo que desde el punto de vista de la seguridad, es una desventaja importante porque cualquier chispa puede producir su combustión. Hoy por hoy la producción de hidrógeno tiene un elevado coste, por lo que es indispensable, para que este elemento se instaure de manera definitiva en el panorama energético mundial, que se produzca a unos costes inferiores a los actuales. Posee una temperatura de licuefacción baja, por lo que dificulta ostensiblemente el almacenamiento, la distribución y su empleo en estado líquido. Al poseer una molécula muy pequeña, las instalaciones de almacenamiento y distribución del hidrógeno deben estar correctamente selladas para evitar pérdidas innecesarias. Además, es necesaria la instalación de equipos de detección de pérdidas. No está difundido entre la ciudadanía las posibilidades que tiene este elemento como fuente de energía. En muchos casos, no se conoce la existencia de este elemento como vector energético. Es necesario legislar respecto al hidrógeno y a las pilas de combustible, no solo en lo que se refiere a la producción, también en el almacenamiento, en el transporte/ distribución y en la transformación energética. Desde un punto de vista medioambiental, la energía primaria que más se va a emplear para la generación de hidrógeno es el gas natural, por lo que las Administraciones Públicas deben hacer esfuerzos presupuestarios para que las energías renovables se impongan de manera absoluta en la obtención de hidrógeno. HIDROGENO FRENTE A ENERGIAS CONVENCIONALES Producción de H2 Técnicas de HIDROGENO FRENTE A ENERGIAS CONVENCIONALES Reformado de Gas Natural con Vapor de Agua CH4 + H2O → 3 H2 + CO Reformado de Alcoholes CH3OH + H2O → 3 H2 + CO2 Oxidación Parcial de Hidrocarburos 2CH4 + O2 → 4 H2 + 2CO Reformado autotérmico de Gas Natural Combina reformado y oxidación del GN Pirolisis de un Combustible Sólido Acción del calor en atmósfera con ausencia de oxígeno Gasificación de un Combustible Sólido Acción del calor en atmósfera deficiente de oxígeno Oxidación Parcial de Carbón Oxidación de Carbón previamente triturado Electrólisis del Agua Separación iónica del Agua por una corriente eléctrica Producción Termolítica a Alta Temperatura Producción a Alta Temperatura depende de la fuente de calor HIDROGENO FRENTE A ENERGIAS CONVENCIONALES Reformado Autotérmico de GN HIDROGENO FRENTE A ENERGIASNO CONVENCIONALES CAPTURA, TRANSPORTE Y ALMACENAMIENTO DE CO2
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