HIDRÓGENO
“Creo que algún día el agua será utilizada
como combustible; que el hidrógeno o el oxígeno que forman parte del agua,
serán fuente inagotable de luz y calor”.
- Julio Verne, 1874
EL HIDROGENO - ELEMENTO SIMPLE
El
Hidrógeno es el elemento más simple conocido por la humanidad. Cada átomo de
hidrógeno tiene únicamete un protón. El hidrógeno es el gas más abundante en el
universo. Las estrellas están constituidas principalmente por hidrógeno.
El sol es
básicamente una gran masa de gases de hidrógeno y helio. En el núcleo del sol
los átomos de hidrógeno se combinan para formar átomos de helio. Este proceso
de combinación se denomina “fusión” que genera energía radiante.
Esta
energía radiante del sol, sostiene la vida en el planeta Tierra; proporciona
luz; permite el desarrollo de plantas y animales; genera viento y lluvia; se
almacena químicamente en combustibles fósiles. La mayor parte de la energía que utilizamos,
proviene de la radiación solar.
El
hidrógeno es menos pesado que el aire y se elevaría (perdería) en la atmósfera.
Por esta razón, el hidrógeno se encuentra únicamente en combinación con
otros elementos. Por ejemplo, en el agua (H2O) y el Metano (CH4). El hidrógeno se
encuentra también en en todos los vegetales (biomasa) que se desarrollan, y abundantemente en la capa terrestre superficial.
El
hidrógeno tiene el más alto contenido de energía en relación a su peso,
comparado con combustibles fósiles comunes (tres veces más energía que la
gasolina aproximadamente). El hidrógeno es el elemento más ligero, y es gas a
temperatura y presión normales.
El
hidrógeno es el elemento más ligero y abundante en la naturaleza, presenta
propiedades que hacen delicada su utilización en condiciones seguras: es
altamente inflamable, tiene una alta detonabilidad en el medio ambiente,
presenta un bajo calor de vaporización, una baja energía de ignición y posee la
más grande energía de combustión por unidad de masa.
HIDROGENO - PORTADOR DE ENERGIA
Los
portadores de energía, mobilizan energía útil de un lugar a otro. La
electricidad es la forma conocida comúnmente como portadora de energía. Es más
fácil utilizar la electricidad que los recursos de energía que generan la
electricidad. Utilizamos la electricidad que proviene del flujo del agua en
plantas hidroelectricas, y la que se genera a partir del carbón mineral,
uranio, etc. Que son recursos de energía que generan la electricidad.
Así como
la electricidad, el hidrógeno es portador de energía producida a través de otra
substancia (p.ej. agua H2o, biomasa, combustibles fósiles). El hidrógeno tiene
gran potencial como portador de energía y es subproducto de procesos químicos.
Al
contrario de la electricidad, el hidrógeno puede almacenarse fácilmente en
grandes cantidades para usarse en el futuro y, pudenusarse en lugares donde no
es posible generar ni usar electricidad. El hidrógeno puede almacenar y
mobilizar energía hasta donde y cuando se requiera.
¿COMO SE PRODUCE EL HIDROGENO?
El hidrógeno debe ser separado
de otros elementos, porque no se encuentra como gas en la atmosfera del planeta
Tierra. Podemos separar átomos de hidrógeno de moléculas de agua, biomasa gas
natural. Las dos formas más comunes para
producir hidrógeno son: electrólisis a partir del agua (H2 O) y reformación de
vapor. Algunas algas y bacyterias
ofrecen hidrógeno.
Reformación de Vapor: Es la forma económica de
producir hidrógeno y constituye el 95% de la producción de hidrógeno en Estados
Unidos. Este proceso se utiliza para separar átomos de hidrógeno de los átomos
de carbono contenidos en el metano (CH4). Este proceso que se genera a partir de
combustibles fósiles como el metano, produce gases de efecto invernadero
nocivos para la vida.
Electrólisis en el agua (H2O): Mediante
este proceso se separa el hidrógeno del óxígeno en el agua. Aún es un proceso
de alto costo, pero nuevas tecnologías se desarrollan para disminuir los
costos.
El hidrógeno puede ser producido
en instalaciones grandes o pequeñas. En todas las regiones del mundo hay
recursos para producir hidrógeno. Las características flexibles en el
hidrógeno, son sus ventajas principales.
USOS DEL HIDROGENO
Alrededor de nueve millones de
toneladas de hidrógeno se producen actualmente en Estados Unidos. Esta cantidad
de hidrógeno sería suficiente para proporcinar energía a 20 ó 30 millones de
automóviles ó 5 a 8 millones de hogares. Sin embargo, casi toda esta cvantidad de
hidrógeno se utiliza en la industria para tratar y refinar metales y en el procesamiento
de alimentos. La mayor parte de esta producción de hidrógeno se genera
fundamentalmente en 3 Estados: California, Louisiana y Texas.
La mayor
cantidad de hidrógeno como combustible en Estados Unidos, es utilizado por la
NASA (Aeronautics and Space Administration) en sus programas espaciales. La
fuerza del hidrógeno como combustible líquido eleva las naves espaciales que se
ponen en órbita. Las celdas (baterias)
de hidrógeno hacen funcionar los sistemas eléctricos en las naves espaciales.
El agua es el único subproducto del hidrógeno y, de esta agua bebe la
tripulación en las naves espaciales de la NASA.
HIDROGENO - CELDAS DE COMUSTIBLE
Las
celdas (baterias) de hidrógeno producen electricidad; son muy eficientes, y
costosas de fabricar. Las celdas de hidrógeno pequeñas pueden dar movimiento a
automóviles eléctricos. Las celdas de hidrógeno grandes púden proveer
electricidad en regiones lejanas sin necesidad de cables para transmisión de la
electricidad. Las celdas (baterias) de hidrógeno pueden utilizarse también como
fuente de energía de emergencia en hospitales. Las celdas (baterias) portátiles
de hidrógeno pueden utilizarse para proveer energía a laptops y teléfonos
celulares.
HIDROGENO – USO EN VEHICULOS
Se estima que en Estados UNidos hay entre 400
y 500 mil vehículos propulsados por hidrógeno, principalmente en
California. La mayoría de estos vehiculos son autobuses para pasajeros y
automóviles con motores eléctricos. En los tanques de estos vehículos se
almacena el hidrógeno en forma de gás ó líquido, y convierten el hidrógeno en
electricidad para el motor mediante una celda (batería) de hidrógeno. Sólo en
algunos de estos vehículos se usa directamente el hidrógeno como combustible.
El alto costo en los vehículos que usan hidrógeno radica en la fabricación de
las celdas (baterías) de hidrógeno.
Las
preguntas ineludibles:
- ¿Sin lugares donde se venda
hidrógeno, quién invertiría en la compra de vehículos propulsados con
hidrógeno?
- ¿Sin vehículos propulsados
con hidrógeno, quien invertiría en lugares donde se venda hidrógeno?
- ¿Habrá generadores de
hidrógeno del tamaño de un refrigerador en los garages de las casas donde
se guardan automóviles propulsados con hidrógeno o con electricidad
producida mediante hidrógeno?
HIDROGENO – FUTURO
El
hidrógeno es portador de energía limpia con enorme potencial. Se requieren
equipos e instalaciones para producir, almacenar y trasladar hidrógeno; celdas
(baterias) de hidrógeno económicas; capacitación en el uso de hidrógeno y
tecnologías seguras.
Producción
Decíamos que el Hidrógeno se encuentra siempre en combinación con otros elementos. Es necesario aislar el Hidrógeno, ya sea del agua, combustibles fósiles, biomasa u otros compuestos para poder obtener energía.
Actualmente, la mayor parte del Hidrógeno se produce
a partir de gas natural, teniendo pérdidad de enegía asociada al proceso, se genera
dióxido de carbono y se presenta intercambio entre combustibles relativamente
limpios (Gas Natural – Hidrógeno). De tal forma, la cantidad de energía utilizada
para producir Hidrógeno es igual a la cantidad de energía que el Hidrógeno
produce.
Pequeñas cantidades de Hidrógeno de alta pureza se
obtienen mediante electrólisis, pero la energía para la electrólisis se obtiene
en ocasiones de combustibles fósiles. Sin embargo, es factible producir
Hidrógeno con fuentes renovables de energía como la Solar y Eólica.
A
continuación algunas formas para producir Hidrógeno:
a)
Termoquímica
Se eleva de temperatura de la biomasa en ausencia de
oxígeno para obtener Gas (“Syngas”) ó “Bio-Aceite” que contienen hidrógeno y
monóxido de carbono. El “Syngas” puede convertirse catalíticamente mediante
reacción agua-gas para aumentar la cantidad de Hidrógeno. El “Bio-Aceite” puede convertirse a Hidrógeno
utilizando vaporización y reacción agua-gas.
b) Fermentación
Investigadores
trabajan para identificar microorganismos eficientes como Clostridium thermocellum para convertir biomasa ligno-celulósica en
Hidrógeno. Se trata de obtener azúcares
a partir de ligno-celulosa. Estos azúcares serían fermentados por los
microorganismos y, como resultado de las fermentaciones se obtendría Hidrógeno.
c) Fotosíntensis Artificial
Se trata de utilizar la energía solar directamente
para aislar el Hidrógeno y el Oxígeno del Agua (H2O). Moléculas Artificiales son diseñadas para lograr
las reaciones complicadas que son necesarias en la fotosíntesis que produce
hidrógeno.
d)
Foto-Biológica
En la producción Foto-Biológica de Hidrógeno se
utilizan Cianobacterias, así como MicroAlgas Verdes para aislar en Hidrógeno
del Agua sin emitar gases nocivos a la atmósfera. El problema radica en que la
Enzima reversible Hidrogenasa, principal emisora de Hidrógeno, es muy sensible
al Oxígeno que se genera en el proceso de Fotosíntesis. Este Oxígeno producido
durente la fotosíntesis detiene la producción de Hidrógeno a partir de la
Fotosíntesis en Cianobacterias y MicroAlgas Verdes. Los Investigadores tratan
de encontrar microorganismos fotosintéticos tolerantes al Oxígeno y productores
sustentables de Hidrógeno.
La Enzima que opera en el Sistema de Fotosíntesis II
posee Cuatro Iones de Manganeso en sitio activo y puede aislar el Oxígeno del
Agua (H2O). Muchos otros Microorganismos tienen otras enzimas llamadas Hidrogenasas
que son capaces de generar gas de Hidrógeno a partir de Protones y de
Electrones utilizando un Compuesto de Hierro.
Investigadores tratan de copiar los componentes de las
enzimas Hidrogenasas mediante Química Bio-Mimética para lograr catálisis
artificial que produzca las mismas reacciones propiciadas por estas enzimas
Hidrogenasas que generan Hidrógeno. Estos catalizadores se encuentran ligados
químicamente a compuestos de Rutenio que Absorben Luz.
Utilizando Luz, es posible extraer electrones de
Compuestos de Manganeso para lograr altos niveles de oxidación. Se trata de
fabricar un Compuesto de Manganeso que catalíticamente pueda aislar del Agua el
Oxígeno Molecular utilizando Energía Luminosa. En la otra parte del sistema,
los electrones extraidos del agua serían utilizados para fabricar Gas de
Hidrógeno.