El hidrógeno es una de las fuentes alternativas de las energías limpias. Una de las actividades de investigación de mayor vigencia en la actualidad, a nivel mundial, es sin duda, la búsqueda de fuentes renovables para la producción de combustibles. Esto es estimulado por múltiples circunstancias tales como el calentamiento global, los problemas diplomáticos por reservas limitadas de hidrocarburos y por la distribución desigual de los recursos no renovables entre los diferentes países.
Con estas nuevas fuentes energéticas renovables se pretende detener el uso desmesurado de los combustibles fósiles (gas natural, carbón y petróleo) y disminuir consecuentemente el impacto ambiental generado por su combustión. Aunque existen opciones energéticas sustentables que pueden emerger, una alternativa que cumple con las características de ser limpia y sustentable: es la utilización de hidrógeno como combustible.
El hidrógeno posee un alto rendimiento energético (122-142 KJ/g), 2.75 veces mayor que el de los hidrocarburos, y puede ser utilizado directamente para producir electricidad mediante celdas de combustible. Esta tecnología tiene las ventajas de ser altamente eficiente, factible a cualquier escala y que solo produce agua y calor como desechos. Con ello, en la generación de energía se reducen a cero las emisiones contaminantes que acompañan la combustión de hidrocarburos.
Sin embargo, el hidrógeno no está disponible en forma natural como los combustibles fósiles, por lo tanto, el mayor interés está dado en la forma de producirlo y especialmente a partir de materiales renovables tales como la biomasa o el agua. Entre las distintas formas de obtención de hidrógeno, la producción biológica a partir de biomasa presenta el mayor interés por ser potencialmente inagotable. La bio-producción consiste en obtener hidrógeno a partir de organismos vivos, ya sea en presencia de luz solar o por fermentación.
Actualmente, alrededor de la mitad del hidrógeno que se produce en el mundo se obtiene de procesos termo catalíticos y de gasificación, los cuales utilizan gas natural como materia prima. Otras fuentes importantes de hidrógeno requieren aceites pesados y naftas; a estas les siguen la utilización de carbón natural y solo el 4% de hidrógeno es generado a partir del electrolisis del agua.
Recientemente, su uso en la refinación del petróleo ha estado creciendo muy rápidamente debido a una combinación de los factores relativos a los cambios en el crudo, el medio ambiente y normas como los límites de azufre en el DIESEL, los límites permisibles de Óxidos de N y S (NOX y SOX), de las emisiones de gases de la atmósfera, las concentraciones de hidrocarburos aromáticos y de la energía en la gasolina, entre otras.
El Hidrógeno como elemento energético
El hidrógeno fue descubierto por el científico británico Henry Cavendish, en 1776, quién informó de un experimento en el que había obtenido agua a partir de la combinación de oxígeno e hidrógeno, con la ayuda de una chispa eléctrica. Como estos elementos, no eran conocidos los denominó “aire sustentador de la vida” y “aire inflamable” respectivamente. El químico francés Antoine Lauren Lavoisier consiguió repetir con éxito el experimento en 1785 y dio el nombre de oxígeno al “aire sustentador de la vida” y el de hidrógeno al “aire inflamable”.
El hidrógeno es un energético secundario y puede producirse por una gran variedad de métodos, cada uno de ellos se caracteriza por la fuente de energía primaria utilizada para obtenerlo. El método de obtención de hidrógeno será una decisión crítica en la apuesta por un modelo energético sostenible.
El estudio del impacto para la obtención de hidrógeno debe incluir el costo ambiental y social debido a que dentro de las fuentes primarias para su obtención están incluidos recursos fósiles como el gas natural y el carbón; también se incluyen fuentes renovables como la biomasa, la energía solar, la eólica, la hidráulica y la nuclear. Las tecnologías de producción también representan una gran cantidad de alternativas, existen procesos químicos, biológicos, electrolíticos, foto líticos y termoquímicos.
Procedimiento para la producción de Hidrógeno
El hidrógeno es un energético secundario y puede producirse por medio de una gran variedad de métodos, que se caracterizan por la fuente de energía primaria utilizada para obtenerlo. En el estudio del impacto para la obtención de hidrógeno, se debe incluir el costo ambiental y social. Esto debido a que, dentro de las fuentes primarias para su obtención, están incluidos recursos fósiles como el gas natural y el carbón, además de otras fuentes renovables como la biomasa, la energía solar, la eólica, la hidráulica y la nuclear.
Las tecnologías de producción presentan una gran cantidad de alternativas como procesos químicos, biológicos, electrolíticos, fotolíticos y termoquímicos. Los estudios en la producción de hidrógeno biológico se han enfocado principalmente en la biofotolisis del agua empleando algas y cianobacterias; la foto fermentación de compuestos orgánicos por bacterias fotosintéticas y la fermentación oscura de compuestos orgánicos ricos en carbohidratos mediante bacterias anaerobias.
La producción de hidrógeno por biofotólisis, también citada como foto disociación biológica del agua, es la conversión de agua y energía solar (utilizada) a hidrógeno y oxígeno usando microorganismos, comúnmente micro algas o cianobacterias. La foto fermentación es un proceso que utiliza bacterias púrpuras no sulfurosas que producen hidrógeno, catalizado por la nitrogenasa bajo condiciones deficientes en N2, usando luz y compuestos reducidos, como ácidos orgánicos, que muchas veces están contenidos en sustancias de desecho.
La generación de bio-hidrógeno a través de la fermentación oscura se logra principalmente por bacterias estrictamente anaerobias o anaerobias facultativas. Este proceso no depende de la luz. Usualmente, los monosacáridos son la principal fuente de carbono donde se destaca particularmente la glucosa seguido de la xilosa, el almidón, la celulosa y otras fuentes que pueden ser generadas a partir del hidrolisis de polisacáridos, proteínas y lípidos.
En general el hidrógeno forma parte de la generación de biogas por procesos fermentativos, los cuales conducen al rompimiento de complejos orgánicos biodegradables en un proceso de cuatro etapas:
1. Hidrólisis: Grandes macromoléculas de proteínas, grasas y polímeros de carbohidratos (como la celulosa y almidón) se descomponen a través de hidrólisis en aminoácidos, ácidos grasos de cadena larga y azúcares.
2. Acidogénesis: Estos productos posteriormente son fermentados durante la acidogénesis para formar ácidos grasos de cadena corta, principalmente láctico, propicio, butírico y ácido valérico.
3. Acetogénesis: las bacterias consumen los productos de la fermentación y generan ácido acético, dióxido de carbono e hidrógeno.
4. Metanogénesis: Los organismos metanogénicos consumen el acetato, el hidrógeno y algo de dióxido de carbono para producir metano. Bacterias Metanogénicas Hidrógenofílicas: son aquellas que utilizan el hidrógeno (H2) para reducir el anhídrido carbónico (CO2) y así producir metano.
CO2 + 4H2 —> CH4 + 2H2O
Bacterias Metanogénicas Acetoclásticas: son aquellas que hidrolizan el acetato, oxidando el grupo carbonilo a anhídrido carbónico (CO2), reduciendo el grupo metilo a metano (CH4). Se estima que aproximadamente el 70% del metano producido procede de la “descarboxilación del ácido acético” con bacterias metanogénicasacetoclásticas.
4CH3COOH —> 4CO2 + 4CH4
Es importante mencionar que el metano (CH4) es producido sólo si las bacterias metanogénicas se encuentran involucradas en la descomposición anaeróbica. En diferentes condiciones y con otros microorganismos anaeróbicos, podrían producir otros gases como hidrógeno (H2) y sulfuro de hidrógeno (H2S). Sin embargo, las bacterias metanogénicas se encuentran comúnmente en la naturaleza y en la mayoría de los casos resulta predominantemente la generación de la mezcla CH4 y CO2.
Un esquema general del proceso de producción fermentativa de hidrógeno se basa en la siguiente reacción: C6H12O6 + 2H2O ———–>2CH3COOH + 2CO2 + 4H2
Este proceso es capaz de generar 0.5 m3 de hidrógeno por kg de hidrato de carbono utilizado. Además de dichos sistemas fotosintéticos y fermentativos, también se han desarrollado sistemas mixtos que combinan diversos procesos a la vez.
Para qué el Hidrógeno
En lo que se refiere al uso de fuentes energéticas, los combustibles fósiles (petróleo, gas natural, carbón, etc.) producen un enorme impacto sobre el planeta en diferentes formas, incluyendo la seguridad y el aspecto ambiental, debido a que producen enormes cantidades de sustancias tóxicas, tales como SOx, NOx, y principalmente CO2.
El H2 es considerado como un combustible limpio, ya que en la combustión sólo se genera agua. Por lo tanto, puede ser utilizado en diversas aplicaciones: como combustible no contaminante en los vehículos, o combustible doméstico. Siendo la obtención de energía sustentable una de las principales problemáticas, a nivel mundial, es de suma importancia encontrar sistemas sustentables para su obtención, una opción es la producción de hidrógeno.
Tipos de hidrógeno
El hidrógeno azul: El proceso de obtención de hidrógeno azul implica el uso de hidrocarburos. A partir de compuestos como el metano, por ejemplo, se realiza un proceso químico llamado reformado que permite obtener hidrógeno, por un lado, y dióxido de carbono, por otro. Este CO2 se puede capturar, liberar a la atmósfera o utilizar y para ello se emplean sistemas de captura de CO2 a partir de tecnología de reformado pero tienen una eficiencia del 60-65%, con lo que hay un 30-35% de dióxido de carbono que se emite a la atmósfera.
El hidrógeno verde: El hidrógeno verde se obtiene mediante la separación del hidrógeno del oxígeno por medio de la electrólisis del agua. Esta electrólisis se puede realizar con energía procedente de fuentes renovables, lo que hace que el proceso sea más sostenible y nos encontremos con una fuente de energía limpia. Este tipo de hidrógeno obtenido de esta forma se almacena o utiliza en procesos industriales o de movilidad pesada, mientras que el oxígeno resultante se libera a la atmósfera o se podrá aprovechar como subproducto. De la misma forma, el electrolizador genera calor que puede ser aprovechado mediante el uso de las tecnologías de bomba de calor para calefacción de distrito. Es, por tanto, un proceso libre de emisiones contaminantes.
Fuente principal:
Griselda Argelia Rivera Vargas, “El hidrógeno como fuente alterna de energía”. Centro De Investigación Y De Estudios Avanzados Del Instituto Politécnico Nacional Unidad Zacatenco. Ciudad de México, junio de 2016.
