Producció d'hidrogen

Producció d'hidrogen

La producció d'hidrogen (més precisament, de dihidrógeno) es realisa per mig de diversos métodos que, intervenint sobre composts, separen l'element hidrogen d'uns atres elements químics, com el carbono (en els combustibles fòssils) o l'oxigen (en el cas del aigua), en els que forma dits composts.

L'hidrogen tradicionalment s'extrau dels combustibles fòssils (habitualment hidrocarburs composts de carbono i hidrogen) per mig de processos químics.

El hidrogen també pot obtindre's de l'aigua per mig de producció biològica en un biorreactor d'algues, o usant electricitat (per electrólisis - electrólisis de l'aigua), o per procediments químics (per reducció química) o per calor (per termólisis). Estos métodos es troben menys desenrollats en comparació a la generació d'hidrogen a partir d'hidrocarburs, pero estan aumentant, ya que les seues baixes emissions de diòxit de carbono permeten lluitar contra l'efecte hivernàcul i el canvi climàtic. El descobriment i desenroll de métodos més barats de producció massiva d'hidrogen accelerarà l'establiment de la denominada economia d'hidrogen.

A partir d'hidrocarburs

L'hidrogen pot ser generat del gas natural en aproximadament 80 % d'eficiència, o d'uns atres hidrocarburs en una eficiència variable. El método de conversió basat en hidrocarburs llibera diòxit de carbono (CO₂). ya que la producció es concentra en una sola planta, és possible separar el CO₂ i encarregar-se del mateix, per eixemple injectant-ho en una reserva de petròleu o gas (vore captura i almagasenament de carbono), encara que açò no es fa en la majoria dels casos.

Un proyecte d'injecció de diòxit de carbono ha segut iniciat per la companyia StatoilHydro de Noruega en el Mar del Nort, en el camp de gas Sleipner. No obstant, encara si el diòxit de carbono no és capturat, la producció total d'hidrogen a partir de gas natural i el seu us en un vehícul d'hidrogen, solament emet la mitat del diòxit de carbono que generaria un automòvil a gasolina. Encara que deu tindre's en conte que açò es deu a que la gasolina es compon de cadenes de carbono (...C-C-C...), que en cremar-se dona CO₂, mentres que el gas natural (casi tot CH₄) conté percentualment molt més hidrogen, que en cremar-se dona aigua (H₂O). És dir, la reducció d'emissions de gasos d'efecte hivernàcul no es produïx per utilisar hidrogen en la mitat del procés, sino per amprar gas natural a l'inici. Es conseguiria una reducció d'emissions inclús major si el vehícul fòra de gas natural en lloc d'hidrogen.

Reformat en vapor

L'hidrogen produït en massa per a fins industrials, sol obtindre's per reformat en vapor d'aigua del gas natural. A altes temperatures (700–1100 °C), el vapor d'aigua (H₂O) reacciona en el metà (CH₄) produint syngas (gas natural sintètic).

CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂ - 191,7 kJ/mol

La calor requerida per al procés és generalment proporcionat en cremar una part del metà.

Monòxit de carbono

Gasificació

Es pot obtindre hidrogen adicional en agregar més aigua per mig de la reacció del vapor d'aigua en el monòxit de carbono que requerix una menor temperatura (aproximadament 130 °C):

CO + H₂O → CO₂ + H₂ - 40,4 kJ/mol

Essencialment, l'àtom d'oxigen (O) és separat del vapor d'aigua adicional per a oxidar el CO en CO₂. Esta oxidació també proveïx l'energia per a continuar en la reacció.

Procés de Kværner

El Procés de Kværner o Procés de Kvaerner de negre de carbó i hidrogen (CB&H) és un método, desenrollat en la década de 1980 per una companyia noruega del mateix nom, per a la producció de negre de carbó i hidrogen a partir d'hidrocarburs (C_nH_m), com el metà, el gas natural o el biogás. De l'energia disponible, aproximadament el 48% és continguda en Hidrogen, 40% en carbó activat i 10% en vapor sobrecalentado.

El perfeccionament del procés de pirólisis de metà va permetre la seua aplicació a gran volum i baix cost. La pirólisis del metà és una forma d'hidrogen turquesa en la següent equació de reacció.

CH₄ → C + 2 H₂ + 74,8 kJ/mol

Carbó

El carbó pot ser convertit en gas de síntesis (hidrogen + monòxit de carbono en cantitats variables a través de la gasificació del carbó.

Producció d'hidrogen per fermentació

La producció d'hidrogen per fermentació és la conversió de matèria orgànica en biohidrógeno per un divers grup de bactèries per mig d'enzimes en un procés de tres passos similar a la digestió anaeròbica. La fermentació sense presència de llum, com el seu nom indica, no requerix llum, aixina que permet una producció d'hidrogen constant en el temps a partir de composts orgànics. La fotofermentación diferix de l'anterior perque solament es realisa en presència de llum. Per eixemple, en usar Rhodobacter sphaeroides SH₂C pot usar-se per a convertir menuts àcit grassos en hidrogen. l'electrohidrogénesis s'utilisa en cèlules de combustible microbiano.

A partir d'aigua

Producció biològica

Artícul principal → Producció biològica de l'hidrogen.

El biohidrógeno pot produir-se en un biorreactor d'algues. A finals del periodo 1990-2000 es va descobrir que, si a les algues se'ls priva de sofre, canviaran de produir oxigen —la fotosíntesis normal— a la producció d'hidrogen.

La producció és econòmicament viable en traspassar la barrera del 7-10 % de conversió de la llum solar en hidrogen.

El biohidrógeno pot produir-se en biorreactores que utilisen matèries primeres distintes de les algues, sent les més comunes els residus. El procés consistix que les bactèries s'alimenten d'hidrocarburs i exhalan hidrogen i CO₂. El CO₂ pot ser extret per varis métodos, deixant sol hidrogen. Un prototip de biorreactor d'hidrogen que utilisa residus com a matèria primera està en funcionament en la fàbrica de suc de raïm Welch's de North East (Pennsilvània).

Electrólisis

Artícul principal → Electrólisis de l'aigua.

Barco Hydrogen Challenger, que es propulsa en hidrogen produït per electrólisis

Frontal d'un electrolizador, en el panel elèctric en primer pla

L'hidrogen també pot produir-se per una via química directa utilisant la electrólisis. En un suministrament d'energia elèctrica renovable, com l'hidroelèctrica, les turbines eòliques o les cèlules fotovoltaiques, la electrólisis de l'aigua permet produir hidrogen sense contaminar ni emetre gasos d'efecte hivernàcul. Normalment l'electricitat consumida és més valiosa que l'hidrogen produït, per lo que este método no ha segut molt utilisat en el passat, pero l'importància de la electrólisis a alta temperatura està creixent i l'hidrogen es considera un vector energètic fonamental en estos moments d'emergència climàtica. La electrólisis es pot usar també per a almagasenar, en forma d'H₂, energia renovable quan hi ha més producció (per vent o sol) que demanda de la ret elèctrica.

Fotoelectrólisis

Utilisar l'electricitat produïda per cèlules fotovoltaiques és el sistema més net per a produir hidrogen. L'aigua es fracciona en una cèlula fotoelectroquímica, un procés que també es denomina fotosíntesis artificial o fotoelectrocatálisis. L'indústria fotovoltaica investiga per a produir cèlules fotovoltaiques multiunión de major eficiència.

Electrólisis a alta temperatura

Si es dispon d'una font de calor (per eixemple energia solar tèrmica, o energia nuclear) és més eficient realisar la electrólisis de l'aigua calfada a entre 100 °C i 850 °C. El procés s'ha demostrat en laboratori, pero no s'ha traslladat a l'us comercial.

Producció química

Si s'utilisa hidròxit sòdic (NaOH) com a catalisador, l'alumini (Al) i les seues aleacions poden reaccionar en aigua per a produir hidrogen. Encara que la mateixa reacció pot conseguir-se en atres metals, l'alumini està entre els materials més prometedors, perque és més segur i fàcil de transportar que atres materials d'almagasenament d'hidrogen, com el borohidruro de sodi.

La reacció inicial (1) consumix hidròxit de sodi i produïx hidrogen gaseós i un aluminato com a subproducte. En alcançar el seu punt de saturació, el aluminato es descompon (2) en hidròxit de sodi i un precipitat cristalí of hidròxit d'alumini. Este procés és similar a les reaccions en l'interior d'una pila d'alumini.

(1) A el + 3 H₂O + NaOH → NaAl (OH)₄ + 1,5 H₂

(2) NaAl (OH)₄ → NaOH + Al (OH)₃

La reacció global es descriu en (3).

(3) A el + 3 H₂O → Al (OH)₃ + 1,5 H₂

En este procés l'alumini actua com un almagasenament d'hidrogen compacte, perque 1 quilogram (kg) d'alumini teòricament pot produir fins a 0,111 kg d'hidrogen (o l'11,1 % del seu pes). Quan s'ampra en una cèlula de combustible, eixe hidrogen també pot produir electricitat. Per comparar, un atre material d'almagasenage d'hidrogen, el borohidruro de sodi, pot almagasenar fins al 10,5 % del seu pes en hidrogen. El Departament d'Energia dels Estats Units ha descrit els seus objectius per a un dispositiu compacte d'almagasenament d'hidrogen i els investigadors estan provant múltiples vies, com utilisar una combinació d'alumini i borohidruro de sodi (NaBH₄) per a alcançar estos objectius.

Com l'oxidació de l'alumini és exotèrmica, estes reaccions poden donar-se a baixes temperatures i pressions, proporcionant aixina una font d'hidrogen estable i compacta. Este procés de reducció és especialment adequat per a aplicacions en llocs remots, dispositius mòvils o vehículs marins. Encara que la pasivación de l'alumini normalment frenaria considerablement la reacció, els seus efectes negatius poden ser minimisats canviant paràmetros com la temperatura, la concentració de álcali (el NaOH), la forma en que es troba l'alumini i la composició de la solució.

Producció termoquímica

Alguns processos termoquímicos poden produir hidrogen i oxigen a partir d'aigua i calor sense usar electricitat. Com en estos processos l'energia que s'introduïx és en forma de calor, poden ser més eficients que la electrólisis d'alta temperatura. Açò es deu a que l'eficiència de la producció d'electricitat està intrínsecament llimitada. La producció termoquímica d'hidrogen utilisant energia química del carbó o del gas natural generalment no es considera, perque la via química directa és més eficient.

S'han provat centenars de cicles termoquímicos. Alguns dels més prometedors són:

• cicle sofre-yodo (S-I)
• cicle ceri-clor (Ce-Cl)
• cicle ferro-clor (Fe-Cl)
• cicle magnesi-yodo (Mg-I)
• cicle vanadi-clor (V-Cl)
• cicle cobre-sulfat (Cu-SO₄)

Existixen variants "híbrides", que són cicles termoquímicos en un pas electroquímic:

• cicle híbrit de sofre
• cicle cobre-clor (Cu-Cl)

Per a tots els processos termoquímicos, la reacció global és la descomposició de l'aigua:

$H_{2}O\stackrel{Calor}{\rightleftharpoons }{H}_2+\frac{1}{2}{O}_2$

Els atres elements químics que s'ampren es reciclen.

Cap d'estos processos termoquímicos per a produir hidrogen s'ha provat a escala comercial, pero alguns sí a escala de laboratori.

En novembre de 2021, el Ministeri d'indústria i comerç va conectar el sistema Afk al proyecte pilot de Jabárovsk per a produir 350 000 tonellades d'hidrogen vert planificades anualment.