archuvo hidrogeno

8/18/2019 archuvo hidrogeno

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ENERGIA EN ENERGIA RENOVABLE: HIDROGENO

RAUL RAMON VAZQUEZ SAENZ

AL12519502

FACILITADOR:


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Activi! 1' R"!cci() *+,-ic! " &! $%.+cci() " /i%(").

Hidrogeno:

El hidrógeno es un transportador excelente de energía, ya que puedeproducirse a partir de diferentes y abundantes precursores, tales como gasnatural, carbón, agua y energías renovables. El hidrógeno puede ser producidopor varias fuentes, desde combustibles fósiles (gas natural o carbón o fuentesde energía renovables (biomasa, solar, eólica, hidroel!ctrica y mareomotri".Hay una gran variedad de procesos tecnológicos que se pueden utili"ar en laproducción de hidrógeno (químico, biológico, electrolítico, fotolítico,termoquímico, etc..

HIDRGENO A ARTIR DE COMBUSTIBLES FSILES

#e puede producir hidrógeno a partir de combustibles fósiles. $a comple%idaddel proceso es variable.

&roducción desde gas natural

El hidrógeno se puede producir a partir de gas natural por tres procesosquímicos diferentes:

'. eformado de vapor ). *xidación parcial+. eformado autot!rmico

'. El reformado de vapor es una conversión endot!rmica de metano yvapor de agua en hidrógeno y *. Este calor es a menudo aportado por lacombustión de parte de la alimentación de metano gas. El proceso típico ocurrea -/01 2 y presiones de + a )1 bares.

El producto gaseoso contiene un ')3 de *, el cual puede ser convertido m4starde en *) y H) a trav!s de la reacción con vapor de agua.


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). $a oxidación parcial de gas natural es un proceso por el cual se producehidrógeno por la combustión parcial de metano con oxígeno para producir *,carbón e hidrógeno

Es una reacción exot!rmica con lo cual se produce calor. 5o es

necesario un aporte externo de calor, con lo que el dise6o puede ser m4scompacto. El * puede convertirse en *) y H) como en el apartado anterior.

+. El reformado autot!rmico es una combinación de los dos apartadosanteriores. $a reacción total es exot!rmica, con lo cual se desprende calor. $atemperatura en el reactor es de 71/'' 2 y la presión por encima de los 'bares. omo antes, se puede producir H) a partir del * producido. $anecesidad de purificar los gases supone un coste adicional para la planta y

reduce la eficiencia.

%.+cci() ! $!%ti% " c!%3()

#e puede producir hidrógeno a partir de carbón a trav!s de una variedadde procesos de gasificación (lecho fi%o, lecho fluidi"ado, etc. $a conversión delcarbón en gas se ve favorecida a altas temperaturas.

$a reacción es endot!rmica por lo que es necesario un aporte de calor.

8e nuevo, el * se puede convertir en * ) y H). El hidrógeno producidoa partir de carbón es comercialmente viable, pero es m4s complicado que a

trav!s de gas natural. El coste de producción es tambi!n superior, pero como el


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carbón es bastante abundante en muchas partes del mundo, se est4investigando para el desarrollo de esta tecnología para su uso.

HIDRGENO A ARTIR DE LA RUTURA DEL AGUA

El hidrógeno puede ser producido a partir de la ruptura del aguautili"ando varios procesos:

E&"ct%(&i#i# "& !+!:

$a electrólisis del agua es un proceso en el cual el agua se rompe en

hidrógeno y oxígeno a trav!s de la aplicación de la energía el!ctrica.

$a energía total que se necesita para la electrólisis del agua aumentalentamente con la temperatura, mientras que la energía el!ctrica requeridadisminuye. $a electrolisis a alta temperaturas es posible cuando se dispone deuna cantidad alta de calor, procedente del recha"o de otro proceso.

1' E&"ct%(&i#i# !&c!&i)!:

$a electrolisis utili"a una disolución alcalina de 9*H como un electrolito

que circula por la celda electrolítica. #e utili"a para aplicaciones est4ticas y sepuede operar a unos )1 bares. Es una tecnología viable con muchasaplicaciones industriales.

Estas son las reacciones que tienen lugar en la celda electrolítica:


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$os electroli"adores comerciales consisten en un nmero de celdaselectrolíticas unidas a una celda fi%a. #e est4 buscando el dise6o deelectroli"adores de un menor coste y con mayor eficiencia energ!tica.

). Electrolisis por membrana de electrolito polim!rico (&E;:

$os electroli"adores &E; requieren un electrolito no líquido, lo cualsimplifica el dise6o significativamente. El electrolito es una membranapolim!rica 4cida. Estos electroli"adores pueden traba%ar a varias centenas debares y se pueden utili"ar en aplicaciones est4ticas y móviles. El inconvenientede este sistema el limitado tiempo de vida de las membranas y sus principalesventa%as son su mayor seguridad, un dise6o m4s compacto y operar apresiones y temperaturas mayores. Esta tecnología est4 todavía en desarrollo.

+. Electrolisis a altas temperaturas

Est4 basado en la tecnología de c!lulas de combustible a altastemperaturas. $a electricidad requerida para romper al agua a '2 esmenor que la necesaria para electrolisis a '2. Esto significa que loselectroli"adores a altas temperaturas pueden operar a una mayor eficiencia quelos electroli"adores ordinarios. < estas temperaturas las reacciones de


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electrodo son m4s reversibles y la reacción de la celda de combustible serevierte m4s f4cilmente a la reacción de electrolisis.

F.t."&"ct%.&i#i#

$os sistemas fotovoltaicos unidos a electroli"adores est4ncomercialmente disponibles. $os sistemas ofrecen una mayor flexibilidad,produciendo energía desde las c!lulas fotovoltaicas e hidrógeno desde elelectroli"ador. $a fotoelectrolisis directa representa una alternativa avan"ada a

la anterior, uniendo los dos sistemas en un nico aparato.

$os esfuer"os fundamentales y aplicados de la investigación y desarrolloen lo referente a la ciencia e ingeniería de los materiales y a la ingeniería desistemas para las c!lulas foto/electroquímicas (&E se est4n emprendiendopor todo el mundo. #e est4n estudiando cuatro 4reas importantes del concepto&E, sistemas t4ndem t=o/photon, sistemas monolíticos de la multi/ensambladura, sistemas redox dual/bed, y los sistemas one/pot t=o/step.;ientras que los primeros dos conceptos emplean los dispositivos de películasfinas de cristal sumergidos en agua, los ltimos dos conceptos se basan en eluso de los catali"adores fotosensibles del polvo suspendidos en agua.

&ara avan"ar en el progreso de las c!lulas &E es necesario unprogreso en la ciencia e ingeniería de los materiales. Es muy importanteme%orar los materiales de los fotoelectrodos para me%orar la eficiencia yresistencia a la corrosión. Hay una necesidad fundamental de avan"ar con losmateriales semiconductores dopados


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&roducción fotobiológica

Esta producción de hidrógeno est4 basada en dos etapas: fotosíntesis yla producción catali"ada de hidrógeno por hidrogenasas en, por e%emplo, lasalgas verdes.


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8escomposición a alta temperatura

$a ruptura del agua a alta temperatura se produce a unos +2. < estatemperatura, un '3 del agua se descompone y el 73 se recicla. Hay otrosprocesos sugeridos que reba%an la temperatura:

'. iclos termoquímicos

). #istemas híbridos que unen la descomposición t!rmica yelectrolítica

+. 8escomposición catalítica directa con separación a trav!s demembrana de cer4mica

En estos procesos se puede esperar una eficiencia del 1 3. Elproblema es que hay que buscar materiales que tengan resistencia a lacorrosión a altas temperaturas, que los procesos de membrana y de separaciónson a altas temperaturas y la necesidad de intercambiadores de calor. Eldise6o de y la seguridad son muy importantes en estos procesos.

uptura termoquímica del agua

$a ruptura termoquímica del agua es la conversión de agua enhidrógeno y oxígeno a trav!s de una serie de reacciones químicas controladas.Estos ciclos son conocidos desde hace +1 a6os. Ha sido extensamenteestudiado en los a6os - y 0, pero ha tenido poco inter!s en los ltimos die"a6os.

Estos ciclos tienen un ba%o coste y un alto rendimiento y est4n siendodesarrolladas comercialmente.


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H>8?@E5* < & 8E B>*;


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#e necesita varios estudios para me%orar la economía de los procesosde producción y la forma de obtener la biomasa:

• &reparación de la alimentación e identificar las características de lasfuentes que permitir4 la tecnología a estudiar.

• @asificación de la biomasa: esto no es específico para el hidrógenopero sirve para la biomasa en general y las energías renovables.

• mane%o del gas sin refinar y limpie"a• #e puede investigar la relación entre la escala de producción y la

calidad de del combustible.

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$a producción industrial a gran escala de hidrógeno a partir de recursosde energía fósil es una tecnología comercial para propósitos industriales, peroan sin utilidades. El potencial de la producción a gran escala es que tiene unrelativo ba%o coste por unidad, no obstante, las de tama6o mediano pueden

reducir sus costes hacia las de gran tama6o. $as opciones de captura yalmacenamiento de *) no est4n t!cnica y comercialmente desarrolladas. Esimportante reducir el coste, incrementar la eficiencia de la planta y flexibilidadde las operaciones.

#e necesita investigación y desarrollo para la purificación de hidrógeno yla separación de gases. Esto implica el desarrollo de la cat4lisis, adsorción demateriales y membranas de separación de gases para la purificación dehidrógeno. El hidrógeno y la energía pueden ser producidos en plantas conciclos combinados de gasificación. Estas plantas son la solución m4s avan"ada


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y efica", donde se elimina el carbón del combustible y el hidrógeno se produceen un proceso de pre/combustión.

$a producción centrali"ada de hidrógeno requiere una gran demanda delmercado, así como la construcción de una nueva transmisión de hidrógeno e

infraestructura de distribución.

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*5E# F E*;E58*5E#

#e ha proporcionado una descripción del desarrollo potencial de laproducción del hidrógeno a partir de combustibles fósiles y de la ruptura delagua, así como las lagunas restantes de la investigación y desarrollo quedeben ser superados. &ara todos los procesos de producción del hidrógeno,

hay una necesidad de la me%ora significativa en eficacias de la planta, decostes de capital reducidos y de una fiabilidad mayor y de la flexibilidad de


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funcionamiento. El ob%etivo comercial del coste para la producción delhidrógeno es ,+ C#8Gg H), correspondiendo a un coste de la energía parala gasolina de ),1 C#8@ en un mercado competitivo. $a produccióndistribuida del hidrógeno basada en reformar es a menudo competitiva conelectrólisis, como el reformar cuesta 'I/)7 C#8@ y la electrólisis cuesta )/J C#8@, dependiendo de la inversión y de costes energ!ticos. En lasplantas de producción a gran escala basadas en el gas natural, el coste deproducción es 1/0 C#8@. $a producción distribuida del hidrógeno puede ser competitiva con el hidrógeno centralmente producido, dependiendo de ladistancia del transporte. &or e%emplo, el transporte del gas de hidrógenocomprimido para ' millas agregar4 '1/) C#8@ al coste.

< corto pla"o, la electrólisis del agua y los reformados a peque6a escalade gas natural son convenientes. $a electrólisis del agua es una tecnología

probada que se puede utili"ar para el sector de transporte. ;uchos equipos dereformado a peque6a escala de gas natural se est4n probando en proyectosde demostración.

< medio y largo pla"o, la producción del hidrógeno basada en laproducción centrali"ada del combustible fósil con captura del *) y elalmacena%e son factibles. $a captura y el almacena%e del *) no est4 hoytodavía t!cnica y comercialmente probado y requiere un desarrollo adicional enprocesos de absorciónseparación.

$os otros m!todos para la producción del hidrógeno son para un futurom4s le%ano.

D"4i)ici()

$a biomasa es el con%unto de recursos forestales, plantas terrestres yacu4ticas, y de residuos y subproductos agrícolas, ganaderos, urbanos eindustriales.

Esta fuente energ!tica puede ser aprovechada mediante su combustión directaa trav!s de su transformación en biog4s, bioalcohol, etc.

$os m!todos de conversión de la biomasa en combustible pueden agruparseen dos tipos: conversión bioquímica y conversión termoquímica. 8e la primera,se puede obtener el etanol y metano mediante la fermentación alcohólica ydigestión anaerobia. 8e la segunda, se puede obtener gas pobre, carbón y %ugos pirole6osos mediante gasificación y pirolisis.

Ti$.# " Bi.-!#!'


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$a m4s amplia definición de biomasa sería considerar como tal a toda lamateria org4nica de origen vegetal o animal, incluyendo los materialesprocedentes de su transformación natural o artificial. lasific4ndolo de lasiguiente forma:

2'1' Bi.-!#! )!t+%!&: es la que se produce en la naturale"a sin laintervención humana.

2'2' Bi.-!#! %"#i+!&: que es la que genera cualquier actividad humana,

principalmente en los procesos agrícolas, ganaderos y los del propio hombre,tal como, basuras y aguas residuales.

2'6' Bi.-!#! $%.+ci!: que es la cultivada con el propósito de obtener

biomasa transformable en combustible, en ve" de producir alimentos, como laca6a de a"car en Brasil, orientada a la producción de etanol para carburante.

En esta definición quedan excluidas del t!rmino de biomasa todos los

productos agrícolas que sirven de alimentación al hombre y a los animalesdom!sticos, así como los combustibles fósiles. Estos ltimos, aunque derivande materiales biológicos, a trav!s de transformaciones se ha alterado muyprofundamente su naturale"a.

$a naturale"a de la biomasa es muy variada, ya que depende de la propiafuente, pudiendo ser animal o vegetal, pero generalmente se puede decir quese compone de hidratos de carbono, lípidos y prótidos. #iendo la biomasavegetal la que se compone mayoritariamente de hidratos de carbono y laanimal de lípidos y prótidos.

F+")t"# " "7t%!cci()


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6'1' B.#*+"#: $a nica biomasa explotada actualmente para finesenerg!ticos es la de los bosques. 5o obstante, el recurso de la biomasa de losbosques para cubrir la demanda energ!tica sólo puede constituir una opciónra"onable en países donde la densidad territorial de dicha demanda es muyba%a, así como tambi!n la de la población (Aercer mundo. En Espa6a (paísdeficitario de madera sólo es ra"onable contemplar el aprovechamientoenerg!tico de la tala, de la limpie"a de las explotaciones forestales (le6a,rama%e, folla%e, etc. y de los residuos de la industria de la madera.

6'2' R"#i+.# !%,c.&!# 8 deyecciones 8 camas de ganado: Estosconstituyen otra fuente importante de bioenergía, aunque no siempre seara"onable darles este tipo de utilidad. En Espa6a sólo parece recomendablecon ese fin el uso de la pa%a de los cereales en los casos en que el retirarla delcampo no afecte apreciablemente a la fertilidad del suelo, y de las deyecciones

y camas del ganado cuando el no utili"arlas sistem4ticamente como esti!rcolno per%udique las productividades agrícolas.

6'6' C+&tiv.# ")"%tic.#: Es muy discutida la conveniencia de los cultivos oplantaciones con fines energ!ticos, no sólo por su rentabilidad, sino tambi!npor la competencia que e%ercerían con la producción de alimentos y otrosproductos necesarios (madera, etc.. $as dudas aumentan en el caso de lasregiones templadas, donde la asimilación fotosint!tica es inferior a la que seproduce en "onas tropicales.


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'1'1' L! c.-3+#ti(): *xidación de la biomasa por el oxígeno del aire, liberasimplemente agua y gas carbónico, y puede servir para la calefaccióndom!stica y para la producción de calor industrial.

'1'2' L! $i%.&i#i#: ombustión incompleta de la biomasa en ausencia deoxigeno, a unos 1 grados centígrados, se utili"a desde hace mucho tiempopara producir carbón vegetal.


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dos sustancias. &ero la destilación, que permite obtener alcohol etílicopr4cticamente anhidro, es una operación muy costosa en energía. En estascondiciones la transformación de la biomasa en etanol y despu!s la utili"aciónde este alcohol en motores de explosión, tienen un balance energ!tico globaldudoso. < pesar de esta reserva, ciertos países (Brasil, E.C.


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entral de biomasa

>'


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@' V")t!!# " i)c.)v")i")t"# -"i.!-3i")t!&"#:

@'1' V")t!!#

'. Es renovable.

). Es la nica fuente de energía que aporta un balance de *) favorable, demanera que la materia org4nica es capa" de retener durante su crecimientom4s *) del que se libera en su combustión.

+. 5o depende de ninguna fuer"a (como en la eólica.

J. $os combustibles que se generan a partir de la biomasa tienen una granvariedad de usos (probablemente sean los nicos combustibles primarios quepuedan sustituir a la gasolina para el transporte.

1. $a construcción de una central y su mantenimiento generan puestos detraba%o.

I. Es una forma de crear infraestructura rural, abre nuevas oportunidades.

-. Aiene un gran potencial para rehabilitar tierras degradadas.

0. #e evita la contaminación del medio aprovechando los residuos org4nicospara la obtención de energía.

7.


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El potencial energ!tico de la biomasa existente en el planeta podría bastar paracubrir la totalidad de las necesidades energ!ticas mundiales. 5o obstante, unaserie de circunstancias limitan notablemente su aprovechamiento. &or e%emplo:

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En cuanto a los residuos sólidos urbanos, su aprovechamiento energ!tico sebasa en modernas plantas incineradoras, cuya utili"ación no ha de tener unarepercusión negativa respecto al aumento del reciclado y a las políticastendentes a disminuir la cantidad de residuos, ya que son complementariascuando se dise6a una estrategia de tratamiento integral de los residuos.

especto al aprovechamiento de los cultivos energ!ticos, los proyectosexistentes no pasan de ser meros estudios piloto de algunas especiesautóctonas, por lo que no cabe esperar avances significativos en este campodurante los próximos a6os.


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En principio, es posible obtener alcoholes a partir de cualquier producto quecontenga glcidos fermentablesK en particular, el proceso de fermentaciónalcohólica se puede dar con sustancias a"ucaradas (ca6a de a"car, mostos,remolacha, %ugos de frutas, etc., amil4ceas (cereales y tub!rculos ycelulósicas (madera, pa%a de cereal, etc.pero los rendimientos son muydesiguales.


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