Sistema de hidrógeno

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¿Qué es un sistema de hidrógeno y cuál es la importancia de un sistema de hidrógeno?

El sistema de hidrógeno incluye la producción, el transporte, el almacenamiento y la utilización. Resulta especialmente crucial desarrollar una tecnología para la producción, el transporte y el almacenamiento eficaces de hidrógeno con una baja densidad energética. El Hidrógeno se considera un vector energético limpio y versátil porque puede producirse a partir de diversas fuentes renovables o no renovables con bajas emisiones de carbono, como la electrólisis mediante electricidad renovable o el reformado de metano al vapor con captura de carbono y almacenamiento en estado sólido.

• Generación: El hidrógeno está disponible en diferentes formas, pero la metodología para producir hidrógeno puro es la clave. El proceso de producción de Hidrógeno incluye la electrólisis, la gasificación de biomasa, el reformado al vapor de gas natural u otros hidrocarburos (incluyendo la captura y almacenamiento de carbono), etc.
• Almacenamiento: El almacenamiento de hidrógeno permite el crecimiento de la tecnología del hidrógeno y las Pilas de combustible en aplicaciones estacionarias, portátiles y de transporte. El Hidrógeno tiene la mayor energía por masa de cualquier combustible. El Hidrógeno producido puede almacenarse de múltiples formas. La tecnología para el almacenamiento de hidrógeno incluye el almacenamiento de gas líquido y comprimido, así como materiales de almacenamiento de hidrógeno en estado sólido. El Hidrógeno líquido se almacena a un punto de ebullición normal de -253 °C a una presión de 1 bar con una densidad de 70,8 kg/m3 en recipientes criogénicos. El hidrógeno comprimido se almacena a una presión de 70 Mpa para los vehículos ligeros y de 35 Mpa para los vehículos pesados en depósitos de almacenamiento reforzados con carbono.
• Distribución: En la actualidad, se utilizan remolques de tubos gaseosos o camiones cisterna de líquidos criogénicos para transportar el hidrógeno desde el lugar de producción hasta el lugar de uso. Las tuberías se instalan en zonas con una demanda importante (miles de toneladas al día) que se prevé constante durante años. En las zonas con una demanda en desarrollo o a pequeña escala, se utilizan remolques tubulares, fábricas de licuefacción y camiones cisterna. Es el sistema de tuberías, vehículos o barcos que transportan el hidrógeno desde los lugares de producción hasta los consumidores finales.
• Aplicación: El Hidrógeno tiene una amplia gama de aplicaciones en los distintos sectores debido a su versatilidad como vector energético. Algunas aplicaciones clave: 
  • Transporte: Combustible para coches, autobuses y camiones impulsados por hidrógeno y, potencialmente, para trenes y barcos impulsados por hidrógeno.
  • Industria: Utilizado en la producción de amoníaco, metanol y otros productos químicos y empleado en el proceso de refinado del petróleo para crear combustibles más limpios.
  • Almacenamiento de energía: Los almacenes que utilizan energía renovable para su uso posterior proporcionan soluciones estacionales de almacenamiento de energía.
  • Generación de energía: Genera electricidad a través de pila-de-combustible o combustión.
  • Calefacción: Utilizado para aplicaciones de calefacción residencial y comercial, ofrece una alternativa limpia al gas natural.

La demanda de sistemas energéticos sostenibles es cada vez mayor, y los sistemas energéticos basados en el hidrógeno podrían satisfacer esta necesidad. Una preocupación práctica importante es cómo almacenar el hidrógeno de forma segura y eficiente, aunque la producción de hidrógeno a gran escala a partir de fuentes renovables es, en última instancia, la última barrera tecnológica. Se están realizando esfuerzos de investigación y desarrollo para abordar estos retos y liberar todo el potencial del hidrógeno como solución energética limpia. Las iniciativas de colaboración entre los gobiernos, la industria y el mundo académico son esenciales para acelerar el despliegue de los sistemas de hidrógeno y hacer realidad su Rol en la consecución de los objetivos climáticos y energéticos mundiales. Como respuesta global y a largo plazo a los problemas energéticos, económicos y medioambientales del mundo, el sistema de energía del hidrógeno merece el apoyo de los gobiernos nacionales y locales, así como de las asociaciones empresariales.

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Sistemas de pilas de combustible Motor de pila de combustible E-60-HD (59 KW) Por Nuvera Fuel Cells LLC

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Estaciones de repostaje de hidrógeno Estación de llenado de hidrógeno GFS5000 Por Maximator GmbH

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¿Cuáles son las principales ventajas del uso del hidrógeno como vector energético frente a los combustibles tradicionales?

El potencial del Hidrógeno como futuro vector energético ofrece diversas ventajas. Hidrógeno presenta un camino prometedor hacia un futuro energético más sostenible y resistente, ofreciendo soluciones para abordar el cambio climático, la contaminación del aire, y las preocupaciones de seguridad energética. Comparado con la gasolina, que puede encenderse a una temperatura tan baja como 501k, el hidrógeno tiene una temperatura de ignición relativamente alta, de 858 K. Incluso cuando se enciende, la temperatura de la llama del hidrógeno es inferior a la de la llama de la gasolina (22318 K frente a 2470 K). Debido a su baja densidad, el hidrógeno no se acumula cerca del suelo, sino que se disipa en el aire, a diferencia de la gasolina y el gasóleo.

• Abundante suministro de energía renovable:<  El Hidrógeno es la fuente de energía más abundante disponible, a pesar de que puede requerir importantes recursos para su producción. Esto significa básicamente que, a diferencia de otras fuentes de energía, no existe la posibilidad de que se agote.
• Energía limpia:  El Hidrógeno es una fuente de energía limpia que puede ayudar a reducir las emisiones de carbono y la contaminación ambiental, ya que se produce utilizando fuentes de energía renovables como la solar o la eólica. No se liberan gases de efecto invernadero ni otros contaminantes durante la combustión del hidrógeno. El hidrógeno se utiliza en la industria aeronáutica como fuente de agua potable con la ayuda de pilas de combustible.
• La energía del Hidrógeno no es tóxica: Esto indica que no tiene efectos negativos sobre la salud humana. Debido a esta característica, se ve favorecida frente a fuentes de combustible alternativas como el gas natural y la energía nuclear, que son muy arriesgadas o difíciles de utilizar de forma segura. La energía nuclear es una energía basada en la fusión. Además, permite el uso de hidrógeno en lugares en los que podría estar prohibido el uso de otros combustibles.
• Más eficaz que otras fuentes de energía: El hidrógeno tiene una elevada relación energía-peso (unas tres veces más que la gasolina, el gasóleo o el queroseno), pero es menos inflamable que estos combustibles. Comparado con otros combustibles, el hidrógeno proporciona mucha más energía por unidad de peso. En comparación, concentraciones de gasolina de sólo el 1% son inflamables en el aire (los límites de inflamabilidad de la gasolina son de 1-7,6 vol.%). El Hidrógeno tiene una temperatura de ignición relativamente alta de 858 K comparada con una temperatura de ignición tan baja como 501 K para la gasolina. El hidrógeno arde incluso a una temperatura inferior a la de la gasolina una vez encendido.22318 K (incluidos los 2470 K del combustible).
• Potencialmente utilizado para alimentar naves espaciales y futuros automóviles impulsados por hidrógeno: Debido a su tremenda potencia y eficiencia, la energía del hidrógeno es una fuente de combustible perfecta para naves espaciales; de hecho, su potencia puede propulsar naves espaciales en misiones exploratorias con bastante rapidez. Esta tarea de alto consumo energético puede completarse de forma segura con esta fuente de energía. La gasolina y otros combustibles derivados de combustibles fósiles son tres veces menos potentes que la energía del hidrógeno. Para terminar una obra de gran envergadura, lo ideal es utilizar menos hidrógeno. Por el momento, el programa espacial de la NASA utiliza principalmente hidrógeno como combustible. Mientras que las Pilas de combustible de hidrógeno alimentan los sistemas eléctricos del transbordador, el hidrógeno líquido se utiliza para propulsar los transbordadores espaciales y otros cohetes. La tripulación del transbordador también se abastece de agua purificada a través de la pila-de-combustible de hidrógeno.
• Pilas de combustible de hidrógeno: Las pilas de combustible convierten directamente la energía química del hidrógeno en electricidad, con agua pura y calor como únicos subproductos. Comparadas con las tecnologías de combustión convencionales, las Pilas de combustible de hidrógeno pueden duplicar o triplicar su eficiencia sin contaminar. Casi todos los aparatos electrónicos portátiles que suelen funcionar con pilas pueden ser accionados por pilas-de-combustible. Además de alimentar vehículos, camiones, autobuses y embarcaciones, también pueden suministrar energía suplementaria a la tecnología de transporte convencional. Durante el vuelo del transbordador espacial, estas pilas de combustible suministran electricidad a los sistemas eléctricos.

Dado que el hidrógeno puede producirse de forma segura a partir de fuentes de energía renovables y es esencialmente no contaminante, acabará superando a la electricidad como principal vector energético. Además, se utilizará como combustible para coches de "cero emisiones", para generar electricidad, calentar edificios y propulsar aviones. El uso del hidrógeno es muy prometedor para reducir la dependencia de fuentes de energía extranjeras como el petróleo. Sin embargo, es necesario construir nuevos proyectos de infraestructuras y sistemas antes de que el hidrógeno pueda asumir un papel energético más importante y sustituir a la gasolina en muchas aplicaciones

¿Cuáles son los diferentes métodos utilizados para la generación de hidrógeno y cómo funciona el proceso SMR en la producción de hidrógeno?

Uno de los gases más fuertes que utilizamos es el Hidrógeno, que se emplea en autobuses, coches, lanzamientos espaciales desde el Cabo y otros usos. El Hidrógeno es el primer elemento de la tabla periódica química y se ha demostrado que es el mejor elemento, el más antiguo y el más puro. El Hidrógeno puede producirse mediante diversas técnicas, cada una de ellas con ventajas, inconvenientes y usos únicos. A continuación se muestran algunos de los métodos más utilizados.

• Reformado de metano por vapor: Este método consiste en hacer reaccionar metano (CH4) con vapor (H2O) a altas temperaturas y presiones en presencia de un catalizador para producir hidrógeno (H2) y monóxido de carbono (CO).
• El electrólisis del agua: La electrólisis es un proceso que utiliza electricidad para dividir el agua (H2O) en hidrógeno (H2) y oxígeno (O2). Existen tres tipos principales de electrólisis: Electrolisis alcalina, que utiliza una solución electrolítica alcalina, y Electrolitos de membrana de intercambio de protones (PEM), que utiliza una membrana electrolítica de polímero sólido, y Electrolitos de óxido sólido (SOE), que utiliza un electrolito de material cerámico sólido. La electrólisis puede ser accionada por fuentes de energía renovables, como la eólica o la solar, lo que la convierte en un método sostenible de producción de hidrógeno.
• Producción biológica: Algunas cepas de bacterias y algas, entre otros microbios, pueden crear hidrógeno mediante procesos biológicos que incluyen la fermentación y la fotosíntesis. Aunque todavía se encuentran en las primeras fases de investigación y desarrollo, estas técnicas resultan prometedoras para la producción de hidrógeno sostenible y ecológicamente benigna.
• Gasificación del carbón: El carbón se gasifica combinándolo con vapor y oxígeno a altas temperaturas para crear syngas, que es una mezcla de hidrógeno, monóxido de carbono y otros gases. El hidrógeno puede separarse y purificarse mediante procesos adicionales. Este método puede seguir siendo económicamente viable y se utiliza en zonas con abundantes yacimientos de carbón, a pesar de ser menos beneficioso para el medio ambiente que otras soluciones debido a las emisiones de carbono.
• Gasificación de biomasa: La gasificación es el proceso de conversión del combustible sólido de biomasa en combustible gaseoso. Se trata de una combustión subestequiométrica del combustible con un oxidante. Existen principalmente cuatro procesos importantes en la gasificación de la biomasa.
  1. Secado;
  2. Pirólisis;
  3. Incineración o combustión; y
  4. Procedimiento de reducción. Se produce la oxidación del carbón y de los productos de pirólisis (materia volátil), que a su vez se reducen a H2, Co, CH4, CO2, H2O y HHC (hidrocarburos superiores). Se trata de una reacción heterogénea entre el carbón vegetal y las especias gaseosas del producto de combustión de la pirólisis.
  5. Los productos de combustión de la pirólisis se reducen a H2, Co, CH4, CO2, H2O y HHC (hidrocarburos superiores)
• División termoquímica del agua: En los procesos termoquímicos, las reacciones químicas que dividen las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno se alimentan con calor procedente de fuentes como reactores nucleares o energía solar concentrada. Estos procedimientos pueden funcionar a altas temperaturas para producir hidrógeno de forma eficiente y suelen utilizar óxidos metálicos u otros materiales como catalizadores.
  1. Reformado de metano por vapor: El reformado al vapor del gas natural es actualmente la forma más barata, bien establecida técnica y comercialmente de producir hidrógeno, utilizado principalmente en las industrias petroquímica y química. La mayor parte del Hidrógeno producido en todo el mundo se obtiene mediante esta técnica, la más popular. El monóxido de carbono (CO) y el hidrógeno (H2) se producen combinando metano (CH4) con vapor (H2O) a altas presiones y temperaturas (700-1000°C) mientras está presente un catalizador. Preparación de la materia prima: El metano (CH4), principal componente del gas natural, suele prepararse como materia prima antes de iniciar el proceso. Los compuestos de azufre y otros contaminantes que podrían desactivar los catalizadores empleados en el proceso de reformado se eliminan del gas natural mediante purificación.

     Reformado con vapor: En un recipiente reformador, el gas natural purificado se combina con vapor (H2O) a altas temperaturas (normalmente entre 700°C y 1000°C) y presiones moderadas. Se trata de un proceso de conversión en fase gaseosa que es extremadamente endotérmico (se absorbe calor). Requiere altas temperaturas de reacción, normalmente superiores a 600 K (823 °C), en presencia de catalizadores a base de Fe o Ni, que suelen estar soportados sobre AL2O3 y MgAl2O4, así como presiones de aproximadamente 3 MPa.
     La siguiente ecuación química describe cómo reaccionan el vapor y el metano cuando está presente el catalizador:
                                               
       CH₄ + H₂O ---> CO + 3H₂
     Esta reacción produce hidrógeno (H2) y monóxido de carbono (CO), que es un producto intermedio clave del proceso de reformado.
     Reacción de desplazamiento de gas de agua: La WGSR aumenta la concentración de hidrógeno del reformado; normalmente se forma metano en gran cantidad. El cambio de alta temperatura (HTS) se produce a unos 305°c, y el cambio de baja temperatura (LTS) se produce a unos 200°C. que produce más hidrógeno y dióxido de carbono (CO2) a partir del monóxido de carbono creado durante el proceso de reformado con vapor. Por añadiendo más vapor al recipiente reformador y utilizando un catalizador de cambio, se logra esta reacción:                 CO + H₂O ---> CO₂ + H₂
     La reacción de cambio agua-gas disminuye la concentración de monóxido de carbono, indeseable en el producto acabado de hidrógeno, y ayuda a aumentar el rendimiento de hidrógeno.
     Separación y purificación de gases: Hidrógeno, dióxido de carbono, monóxido de carbono, metano residual y trazas de contaminantes están presentes en el gas producto del reformador. El gas resultante se somete a procesos de purificación para eliminar contaminantes como el dióxido de carbono y obtener hidrógeno puro (99,99%). Para ello, se pueden utilizar diversas técnicas de purificación, como la separación por membranas y la adsorción por cambio de presión (PSA).
     Recuperación de calor e integración energética: Durante el proceso de reformado se produce una gran Cantidad de calor, que puede recuperarse y utilizarse para calentar la materia prima entrante o producir vapor para su uso en otros procesos industriales. El proceso de producción de hidrógeno se hace más eficiente en general con el uso de técnicas de integración de energía.

¿Cómo se puede almacenar el Hidrógeno con diferentes técnicas?

Se está reconociendo rápidamente que el hidrógeno es la fuente de energía preferida del siglo XXI. Para el desarrollo de tecnologías de hidrógeno y pilas de combustible en ámbitos como el transporte, la electricidad portátil y la energía estacionaria, el almacenamiento de hidrógeno es una tecnología facilitadora crucial. El hidrógeno es el combustible con la mayor densidad energética por masa de todos los combustibles, pero debido a su baja densidad a temperatura ambiente, tiene una baja densidad energética por unidad de volumen. Por lo tanto, es necesario desarrollar técnicas avanzadas de almacenamiento de la densidad energética. La necesidad de almacenamiento de hidrógeno, ya sea para el almacenamiento estacionario a granel como las estaciones de repostaje de vehículos o las plantas de producción paralela de hidrógeno para su uso en la industria, o para su consumo como fuente de energía limpia, complementa la demanda de hidrógeno. Cabe destacar las técnicas de almacenamiento de Hidrógeno que se enumeran a continuación:

• Hidrógeno líquido (LH2): El método preferido para almacenar hidrógeno a granel en la actualidad es el almacenamiento de hidrógeno líquido, que además cuenta con un excelente historial de seguridad. Dado que el hidrógeno tiene un punto de ebullición de -253 °C a 1 presión atmosférica, el almacenamiento de hidrógeno líquido requiere temperaturas criogénicas. El hidrógeno líquido se almacena en tanques criogénicos, que requieren un aislamiento avanzado para mantener las bajas temperaturas.  Normalmente se licúan grandes volúmenes (10-30 toneladas al día) de hidrógeno en el lugar de producción antes de transportarlos campo a través en camiones cisterna LH2 de 11.000 galones sin pérdidas por evaporación para su uso en instalaciones industriales de producción de hidrógeno. Lamentablemente, la licuefacción requiere una cantidad significativa de energía (normalmente el 30% del valor calorífico del hidrógeno), lo que aumenta el coste del hidrógeno en comparación con el hidrógeno gaseoso. En un futuro previsible, el LH2 seguirá siendo probablemente el principal método de almacenamiento estacionario de hidrógeno a granel. Los sistemas vehiculares de LH2 presentan las fracciones de masa de hidrógeno (H2) más elevadas y uno de los volúmenes de sistema más bajos, junto con un riesgo de desarrollo casi nulo, una buena capacidad de llenado rápido y unas características de seguridad aceptables.
• Los sistemas de LH2 para vehículos tienen una capacidad de llenado rápido muy buena y unas características de seguridad aceptables
• Hidrógeno gaseoso comprimido (GH2): El almacenamiento de hidrógeno como gas suele requerir depósitos de alta presión (350-700 bares [5000-10.000 psi] de presión del depósito). Los sistemas de hidrógeno comprimido para vehículos comprenden hidrógeno gaseoso a 34,5 MPa (5000 psi) en recipientes a presión bobinados con fibra de carbono y revestidos de plástico o metal. Estos sistemas ofrecen una elevada fracción de H2, una rápida capacidad de repostaje, un impacto mínimo en las infraestructuras, una elevada seguridad gracias a la resistencia inherente del recipiente a presión y un riesgo de desarrollo escaso o nulo. Las instalaciones de producción de LH2 a mayor escala, como los quemadores de oxidación parcial in situ, las estaciones de electrólisis y las plantas de reformado de gas natural, pueden permitir el almacenamiento de gas comprimido. Así pues, existe una vía plausible de transición de la infraestructura de H2. Estos factores hacen que el almacenamiento de gas comprimido a temperatura ambiente sea el método preferido de almacenamiento de combustible para los automóviles con pilas de combustible PEM. El GH2 tiene un volumen mucho mayor que el LH2, pero presenta las mismas ventajas para el almacenamiento estacionario de hidrógeno, como la estabilidad y la ausencia de pérdidas por ebullición. Incluso teniendo en cuenta las cargas de compresión, el hidrógeno gaseoso a alta presión es menos costoso que el LH2.
• Hidruros metálicos: El almacenamiento de hidruros implica la unión química del hidrógeno a un material sólido, como los hidruros metálicos o las aleaciones metálicas complejas. Cuando el hidrógeno es absorbido por el material, forma un compuesto estable. El hidrógeno almacenado puede liberarse aplicando calor o reduciendo la presión. El almacenamiento de hidruros ofrece altas densidades de almacenamiento y puede funcionar a presiones más bajas en comparación con el almacenamiento de gas comprimido. Sin embargo, su cinética de absorción y liberación de hidrógeno puede ser más lenta, lo que limita su aplicación en algunas situaciones.
  • Se pueden distinguir dos tipos de hidruros metálicos: los hidruros con bajas temperaturas de disociación y los que tienen altas temperaturas de disociación. Los hidruros de baja temperatura adolecen de una baja fracción de H2 (-2%). Los hidruros de alta temperatura requieren una fuente de calor para generar la alta temperatura de disociación (-300 °C). Los dos sistemas ofrecen unas características de seguridad decentes y un almacenamiento de H2 razonablemente denso. Los requisitos operativos de los hidruros metálicos para el almacenamiento de hidrógeno en vehículos no se adaptan bien a los sistemas PEM para vehículos, o simplemente son demasiado pesados. Los hidruros metálicos no funcionarán como medio de almacenamiento adecuado para los coches con pila de combustible PEM hasta que se produzca un avance significativo en la obtención de una fracción de peso elevada, baja temperatura, baja energía de disociación y tiempos de carga rápidos. El peso del sistema de hidruros metálicos pesados no es un inconveniente para el almacenamiento fijo.
• Absorción de carbono: La adsorción de hidrógeno gaseoso en superficies de carbono permite alcanzar densidades volumétricas de almacenamiento que superan a las del hidrógeno líquido. Las altas presiones y las bajas temperaturas, especialmente las criogénicas, aumentan significativamente la capacidad de adsorción. De hecho, fracciones significativas del hidrógeno contenido en los sistemas adsorbentes de carbono se mantienen en forma gaseosa dentro del volumen intersticial del adsorbente de carbono. Las nanofibras de carbono son una clase única de materiales adsorbentes de carbono que tienen el potencial de mejorar significativamente la capacidad de almacenamiento aprovechando un método radicalmente distinto de almacenamiento de hidrógeno. No obstante, la caracterización de los sistemas es especulativa, ya que la investigación y la evaluación de las nanofibras se encuentran aún en sus fases iniciales.

¿Cuáles son los obstáculos y limitaciones que plantea el transporte y almacenamiento de hidrógeno?

Transporte: El transporte y almacenamiento de hidrógeno podría ser un reto potencial en la ampliación de la economía del hidrógeno. Entre todos los gases, el hidrógeno es el de menor densidad y, cuando se combina con la menor cantidad de aire, puede incendiarse. Debido a su baja densidad energética volumétrica, el hidrógeno puede resultar caro de transportar, almacenar y, en última instancia, suministrar en el lugar de aplicación. El Hidrógeno suele suministrarse y transportarse como líquido en tanques criogénicos superaislados cuando no se dispone de tuberías para largas distancias. Además, puede haber problemas de seguridad. La infraestructura mínima que existe actualmente puede no ser capaz de sostener el uso generalizado del Hidrógeno como fuente de energía. Las tuberías son el principal medio de transporte de hidrógeno en todo el mundo. Sin embargo, para reducir las fugas y la fragilización, las tuberías deben construirse con requisitos más estrictos. Como alternativa, el hidrógeno puede transportarse como hidrógeno orgánico líquido, metanol y amoníaco. El coste de convertir estos combustibles en energía es más elevado. El transporte de hidrógeno en camiones podría ser una opción práctica para volúmenes más pequeños.

Almacenamiento de Hidrógeno: El Hidrógeno necesita ser enfriado a temperaturas criogénicas(-253°/-423°F) para ser licuado. Una vez licuado, el hidrógeno puede conservarse a temperaturas extremadamente bajas en enormes depósitos aislados en la planta de licuefacción. El hidrógeno líquido puede suministrarse y almacenarse, pero para ser dispensado debe evaporarse finalmente en un gas a alta presión. La licuefacción del hidrógeno requiere energía; en la actualidad, consume más del 30% del contenido energético del hidrógeno y es costosa. Además, una cierta cantidad del hidrógeno líquido almacenado se evapora, sobre todo en los depósitos más pequeños, con una elevada relación superficie/volumen. La licuefacción del Hidrógeno es un proceso que requiere mucha energía, y mantener la temperatura lo suficientemente baja para el transporte y almacenamiento a larga distancia conlleva pérdidas de energía adicionales y gastos relacionados. Esto eleva el precio global del uso del hidrógeno como fuente de energía. El peso y el volumen de los Sistemas de almacenamiento de hidrógeno son actualmente demasiado elevados, lo que hace que la autonomía de los vehículos sea insuficiente en comparación con los vehículos convencionales alimentados con petróleo. La densidad energética del Hidrógeno es casi tres veces superior a la de la gasolina, 120 MJ por kg en masa, frente a los 44 MJ por kg del gas. Pero cuando se trata de volumen, las cosas son diferentes; la gasolina tiene una densidad de 32 MJ/L y el hidrógeno líquido de 8 MJ/L.

Un problema al que se enfrentan todos los métodos de almacenamiento de hidrógeno es la eficiencia energética. Los requisitos de energía de entrada y salida de hidrógeno son una preocupación para los materiales reversibles de estado sólido. El almacenamiento de hidruros químicos supone un obstáculo para la eficiencia energética del ciclo de vida, ya que el subproducto se regenera fuera del vehículo. Además, tanto para las tecnologías de hidrógeno comprimido como para las de hidrógeno líquido, hay que tener en cuenta la energía necesaria para la compresión y la licuefacción. La durabilidad de los Sistemas de almacenamiento de hidrógeno es inadecuada.

La durabilidad de los Sistemas de almacenamiento de hidrógeno es inadecuada.

¿Cómo utiliza la tecnología de Pilas de Combustible el hidrógeno para la generación de energía y cuáles son sus aplicaciones potenciales en diversos sectores?

La tecnología de pilas de combustible convierte la energía química en energía eléctrica almacenada en el Combustible de hidrógeno directamente en energía eléctrica a través de un proceso electroquímico. He aquí una explicación de cómo funciona:
Combustible Hidrógeno: El sistema de pila de combustible comienza con un suministro de gas hidrógeno(H2). Se elige el hidrógeno porque es abundante y puede producirse a partir de diversas fuentes, como el agua, el gas natural y recursos renovables como la biomasa o la electrólisis del agua utilizando electricidad renovable.
Ánodo (electrodo negativo): El gas hidrógeno se introduce en el ánodo de la pila de combustible. En el ánodo, las moléculas de hidrógeno se dividen en protones(H+) y electrodo (e-) a través de un proceso llamado oxidación electroquímica o reacción de oxidación del hidrógeno:

                                            H₂  ----> 2H⁺ + 2e^-

El Electrolito: Los protones generados en el ánodo atraviesan una membrana electrolítica. El electrolito es un material especial que sólo permite el paso de iones con carga positiva (como los protones) mientras bloquea los electrones. Esta membrana impide la mezcla de gases de hidrógeno y oxígeno y facilita el movimiento de los iones.
Cátodo (electrodo positivo): Simultáneamente, se suministra oxígeno (normalmente del aire) al cátodo de la pila de combustible. En el cátodo, las moléculas de oxígeno reaccionan con los electrones que han viajado a través de un circuito externo (para suministrar energía) y los protones que han pasado a través de la membrana electrolítica, lo que da lugar a la formación de agua:

El cátodo de la pila de combustible es un electrodo positivo

                                            O₂ + 4H⁺ + 4e^-  -----> 2H₂O

Circuito eléctrico: A medida que los electrones fluyen desde el ánodo al cátodo a través de un circuito externo, crean una corriente eléctrica que puede ser utilizada para alimentar dispositivos eléctricos o cargar baterías.

Agua y calor: Los únicos subproductos de esta reacción electroquímica son el vapor de agua y el calor. El vapor de agua se libera normalmente como un escape inofensivo, y el calor generado puede utilizarse para diversos fines, como la calefacción de edificios o como parte de un sistema combinado de calor y electricidad (CHP). En general, las Pilas de combustible ofrecen una forma limpia y eficiente de generar electricidad, con el agua como única emisión cuando se utiliza hidrógeno como combustible. Esto hace que las pilas-de-combustible sean prometedoras para una amplia gama de aplicaciones, como el transporte, la generación de energía estacionaria y la electrónica portátil.

Aplicaciones en diversos sectores:

La tecnología de pila-de-combustible tiene una amplia gama de aplicaciones potenciales en varias industrias debido a su versatilidad, eficiencia y beneficios ambientales. Algunas de las industrias notables en las que se pueden aplicar las pilas-de-combustible incluyen:

1. Transporte: Las pilas de combustible pueden alimentar vehículos eléctricos (FCEVs), proporcionando una alternativa a los vehículos tradicionales con motor de combustión interna. Los FCEV ofrecen una gran autonomía de conducción, tiempos de repostaje rápidos y cero emisiones de tubo de escape, lo que los hace idóneos para diversas aplicaciones de transporte, como coches, autobuses, camiones e incluso trenes y buques marítimos.
2. Generación de energía estacionaria: Las pilas de combustible pueden utilizarse para distribuir sistemas de generación de energía para hogares, empresas e instituciones. Pueden proporcionar una generación de electricidad fiable y eficiente, especialmente en zonas con infraestructuras de red poco fiables o donde la conexión a la red no es factible. Las pilas de combustible también pueden integrarse con fuentes de energía renovables, como la solar y la eólica, para crear sistemas de energía híbridos.
3. Potencia de reserva y aplicaciones de red: Las pilas de combustible son idóneas para suministrar energía de reserva en infraestructuras críticas como hospitales, centros de datos, instalaciones de telecomunicaciones y centros de respuesta a emergencias. También se pueden utilizar en aplicaciones fuera de la red, como torres de telecomunicaciones remotas, estaciones de monitorización remota e instalaciones militares.
4. Equipos de manipulación de materiales: Las pilas de combustible pueden alimentar carretillas elevadoras eléctricas, transpaletas y otros equipos de manipulación de materiales en almacenes, centros de distribución e instalaciones de fabricación. En comparación con los equipos tradicionales alimentados por baterías, los vehículos propulsados por pilas de combustible ofrecen tiempos de funcionamiento más largos, tiempos de repostaje más cortos y un rendimiento constante durante todo el turno de trabajo.
5. Aeroespacial y aviación: Las pilas de combustible pueden utilizarse en aeronaves como unidades de potencia auxiliares (APU) para suministrar electricidad y otros servicios de a bordo, reduciendo la dependencia de las APU convencionales basadas en combustibles fósiles y mejorando la eficiencia.
6. Aplicaciones marítimas: Las pilas de combustible pueden utilizarse para alimentar sistemas auxiliares en barcos y botes, reduciendo las emisiones y mejorando la eficiencia. Las Pilas de combustible de hidrógeno también pueden utilizarse en buques propulsados por pilas de combustible para el transporte por vías navegables interiores y el transporte marítimo de corta distancia.
7. Pilas de combustible de hidrógeno:Las pilas de combustible de hidrógeno también pueden utilizarse en buques propulsados por pilas de combustible para el transporte por vías navegables interiores y el transporte marítimo de corta distancia.
8. Militar y Defensa: Las pilas de combustible ofrecen ventajas para aplicaciones militares, como un funcionamiento silencioso, una menor emisión de calor y una mayor independencia energética. Pueden alimentar una gran variedad de equipos militares, incluidos vehículos aéreos no tripulados (UAV), vehículos terrestres y sistemas de alimentación portátiles para soldados sobre el terreno.

En general, la tecnología de pilas-de-combustible tiene el potencial de revolucionar múltiples industrias al ofrecer soluciones de generación de energía limpias, eficientes y versátiles. Los continuos esfuerzos de investigación y desarrollo se dirigen a mejorar el rendimiento, reducir los costes y ampliar la gama de aplicaciones de las pilas-de-combustible.

¿Explicar el concepto de "economía del hidrógeno" y su posible impacto en el futuro de los sistemas energéticos?

El concepto de "economía del hidrógeno" gira, en efecto, en torno a la utilización del hidrógeno como vector energético versátil para facilitar la transición hacia un sistema energético bajo en carbono o neutro en carbono. Esto implica la utilización del hidrógeno en diversos sectores en los que los métodos tradicionales de descarbonización podrían no ser tan viables o eficaces. El Hidrógeno puede producirse por diversos métodos, como la electrólisis, utilizando fuentes de energía renovables como la eólica o la solar, o mediante procesos de reformado como el reformado de metano por vapor (SMR) acoplado a la captura y almacenamiento de carbono (CCS) para mitigar las emisiones. Una vez producido, el hidrógeno puede utilizarse en multitud de aplicaciones, como el transporte (vehículos con Pilas de combustible), los procesos industriales (como la producción de acero y cemento), la calefacción y el almacenamiento de energía. La economía del hidrógeno prevé un sistema de suministro de energía basado en el hidrógeno, un transportador de energía libre de carbono. Las Pilas de combustible generarían electricidad a partir del hidrógeno, produciendo calor y vapor de agua como subproductos.
Las ventajas del hidrógeno en este contexto residen en su capacidad para servir de vector energético limpio y versátil, capaz de almacenarse y transportarse eficazmente, y de aplicarse en distintos sectores de la economía. Por medio de la integración del hidrógeno en diversas industrias y actividades, se pretende reducir la dependencia de los combustibles fósiles, disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero y, en última instancia, mitigar los impactos del cambio climático.

El hidrógeno es un vector energético sintético que transporta energía producida por otros procesos, normalmente mediante la electrolización de agua con energía eléctrica de alta calidad. pero para esta operación se necesita energía adicional para comprimir, licuar, transportar, almacenar y transferir el material. Los hidrocarburos sintéticos líquidos, que mezclan hidrógeno producido a partir de fuentes nucleares o renovables con carbono procedente de biomasa o CO2 recogido, tienen potencial para convertirse en futuros vectores energéticos, aunque el hidrógeno sea un rival de la energía de red para usos estacionarios. La sostenibilidad de una economía del hidrógeno depende de su eficiencia energética en comparación con otras opciones, incluso con medidas de reducción de costes. Además, a diferencia de las actuales redes de distribución de hidrocarburos líquidos, el paso al hidrógeno exigiría grandes inversiones en infraestructuras. El análisis de los procedimientos de producción, envasado, transporte, almacenamiento y transferencia en relación con el contenido energético del hidrógeno suministrado es necesario para evaluar las necesidades energéticas de una economía del hidrógeno. Este análisis examina las soluciones técnicas representativas para evaluar la viabilidad y la economía del hidrógeno en el sistema total de suministro y distribución de energía. Se basa en datos procedentes de la industria y de la física.

¿Qué avances se están realizando en las tecnologías de producción de hidrógeno para mejorar la eficiencia y reducir los costes?

Los avances en las tecnologías de producción de hidrógeno están acelerando el progreso hacia una producción de hidrógeno sostenible y competitiva en costes, necesaria para el uso generalizado del hidrógeno como vector de energía limpia.

• Proceso SMR: SMR o Reformado de Metano por Vapor, es un proceso ampliamente utilizado para producir hidrógeno, especialmente en aplicaciones industriales. La mejora de la productividad, la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero y la reducción de la producción son los principales objetivos de los avances en el proceso de reformado de metano con vapor (SMR).
• Catalizador: El catalizador presente en el proceso SMR es un catalizador a base de níquel-alúmina (Ni/Al2O3), que tiene una elevada actividad catalítica, una gran estabilidad térmica y mecánica, y es aceptable para una gran variedad de materias primas. Estos catalizadores desempeñan un importante Rol en el reformado. Los problemas de la SMR persisten porque los depósitos de carbono en la superficie del catalizador hacen que éste se desactive con el tiempo. La actividad del catalizador disminuye por la producción de especies carbonosas, lo que obliga a regenerarlo o sustituirlo periódicamente. Para aumentar la estabilidad y durabilidad de los catalizadores SMR, los investigadores investigan continuamente composiciones catalizadoras de vanguardia y soportes catalizadores exclusivos.
• Captura y utilización del carbono: Las emisiones de CO2 producidas durante el proceso pueden capturarse y utilizarse cuando la SMR se integra con sistemas de captura de carbono. Por medio de la utilización del CO2 capturado para diferentes fines, incluida la síntesis química o la generación de combustibles sintéticos, no sólo se disminuye el impacto sobre el medio ambiente, sino que también se aumenta la eficiencia global del proceso SMR.
• Electrolisis: La electrólisis es el proceso de transformación de la energía eléctrica en energía química. Los avances en la electrólisis consisten en aumentar la eficiencia y reducir los costes.
• Electrólisis PEM: La electrólisis de membranas de intercambio de protones (PEM) es un método prometedor para la producción de hidrógeno, sobre todo debido a su potencial de alta eficiencia, rápido tiempo de respuesta y escalabilidad.
• Electro Catalizadores: Los electrocatalizadores de platino se utilizan generalmente en los electrolizadores de agua PEM, ya que las reacciones de evolución del hidrógeno tienen una resistencia catalítica y de núcleo alta. La reducción del coste de los catalizadores de las reacciones de evolución del Hidrógeno (platino) es un objetivo para los investigadores. El paladio es menos caro que el platino y tiene una actividad electrolítica similar. Desglose de los costes de los sistemas PEM. Los porcentajes pueden variar en función del proceso de fabricación, pero los costes vienen determinados en su mayor parte por los componentes de la pila.
• Membrana: en la electrólisis PEM, una membrana de ácido perflurosulfónico (PFSA) sirve como conjunto de electrodos de electrolito sólido. También se denomina Nafion. Las membranas de electrólisis PEM son conocidas por su escaso entrecruzamiento, su capacidad a altas temperaturas (100 °C) y su gran resistencia mecánica. El entrecruzamiento en PEMWE puede provocar la destrucción de la membrana y el fallo de la pila. La reacción del hidrógeno y el oxígeno es muy exotérmica, lo que provoca un calentamiento localizado que puede acabar destruyendo la membrana. Este problema es especialmente relevante cuando el electrolizador funciona a alta presión (hasta 350 bar). El inconveniente de esta membrana es su coste. Muchos investigadores trabajan en la membrana para reducir su coste. Mejorar la resistencia de las PEM es fundamental para que los sistemas de electrólisis funcionen bien a largo plazo. Membranas deben ser desarrolladas con una mayor estabilidad química, resistencia mecánica y resistencia a la degradación de las circunstancias de funcionamiento duras, tales como alta temperatura y ajustes de alta presión.
• Componentes de la pila: El rendimiento y la resistencia de la pila de electrólisis PEM dependen de sus componentes. Las placas bipolares, los colectores de corriente y el Conjunto de electrodos de membrana (MEA) son componentes clave. En el caso de la electrólisis PEM, por ejemplo, la parte de la pila en los gastos totales del sistema puede ascender al 52%. El objetivo de los investigadores de la electrólisis PEM es reducir el coste de los catalizadores de evaluación del Hidrógeno (HER). La ingeniería de pilas y sistemas es donde es más probable que se produzca un ahorro de costes, no en la tecnología de electrólisis alcalina. La electrólisis PEM presenta un escenario distinto, ya que se espera que disminuyan los costes de los materiales y de los componentes de las pilas (es decir, el diseño de las placas bipolares y los colectores de corriente).
• Gasificación de biomasa: Los avances en la gasificación de biomasa para la producción de hidrógeno se centran en mejorar la eficiencia y reducir los costes. Esto implica mejoras en la gestión de la temperatura, las técnicas de limpieza de gases y el diseño de reactores para maximizar la eficiencia y mejorar la pureza del hidrógeno.
• Catalizadores: en la gasificación de biomasa, los catalizadores son esenciales porque facilitan la transformación de la materia prima de biomasa en gas de síntesis con alto contenido en Hidrógeno. Se sigue investigando para crear nuevos materiales y formulaciones de catalizadores que mejoren la cinética de gasificación, produzcan más hidrógeno y hagan que el catalizador sea más duradero. Estas mejoras conducirán finalmente a un aumento de la productividad y a un abaratamiento de los costes de producción y uso.
• Eliminación del alquitrán: Los Compuestos de alquitrán generados durante la gasificación de la biomasa tienen el potencial de dañar la maquinaria aguas abajo y disminuir la productividad del proceso utilizado en la producción de Hidrógeno. Se están investigando avances tecnológicos en la eliminación del alquitrán, como el craqueo catalítico del alquitrán y el reformado del alquitrán, para reducir la formación de alquitrán y mejorar la calidad del gas de síntesis producido, lo que reducirá los costes de explotación y aumentará la eficiencia del proceso. El consumo de energía y las emisiones de gases de efecto invernadero relacionadas con la generación de Hidrógeno pueden reducirse utilizando fuentes de energía renovables.
• División fotoelectroquímica del agua (PEC): La división del agua PEC utiliza semiconductores para convertir directamente la energía solar en Hidrógeno combustible. Los avances en la ciencia de los materiales y la nanotecnología están permitiendo el desarrollo de fotoelectrodos más eficientes y estables para las células PEC, con el objetivo de mejorar la eficiencia global y reducir los costes.

¿Qué Rol puede desempeñar el Hidrógeno en la transición hacia fuentes de energía renovables y cómo contribuye a los esfuerzos de descarbonización?

Las cualidades distintivas del hidrógeno lo convierten en un importante facilitador de la transición energética, con ventajas tanto para el sistema energético como para las aplicaciones de uso final. El Hidrógeno tiene diferentes Funciones en la descarbonización en diferentes sectores.

• Permitir la integración efectiva y extensiva de las energías renovables: El desajuste entre la fluctuación de la oferta y la demanda eléctrica en el sector energético plantea retos, especialmente a medida que las fuentes renovables intermitentes se integran en el mix energético a niveles más altos. Esta integración, que supera el 40% del mix energético, requiere una mayor flexibilidad operativa y opciones de almacenamiento debido a la limitada capacidad de almacenamiento de electricidad. 
• Electrolisis para el exceso de electricidad: El Hidrógeno puede producirse mediante electrólisis durante los periodos de exceso de suministro eléctrico, sirviendo como fuente de energía de reserva durante los cortes o para diversos sectores como el transporte, la industria o el uso residencial. Ayuda a valorizar la electricidad sobrante y puede desplegarse de forma centralizada o descentralizada. La rápida capacidad de encendido y apagado del Hidrógeno lo hace eficaz para mitigar los descensos bruscos del suministro de energía renovable durante condiciones meteorológicas extremas.
• Medio de almacenamiento a largo plazo sin emisiones de carbono: el Hidrógeno es la opción más prometedora para el almacenamiento estacional de energía a largo plazo sin emisiones de carbono debido a sus capacidades únicas. Aunque otras tecnologías, como las baterías y el aire comprimido, pueden ayudar a equilibrar la oferta y la demanda de energía, carecen de la capacidad o la duración necesarias para las fluctuaciones estacionales. Aunque la hidroeléctrica de bombeo domina en todo el mundo, el hidrógeno ofrece potencial como sustituto del almacenamiento a gran escala y a largo plazo. El almacenamiento de Hidrógeno, sobre todo subterráneo, está bien establecido y preparado para su expansión, impulsado por los avances tecnológicos y la creciente dependencia de las fuentes de energía renovables.
• Distribución entre industrias y zonas geográficas: La distribución de energía renovable será necesaria para la red eléctrica por varias razones. Algunos países, como Japón, no están preparados para producir electricidad utilizando únicamente energía solar o eólica. Es posible que otros países necesiten tiempo para reunir el capital necesario. Ciertas situaciones pueden hacer más rentable importar energía renovable, como trasladar la energía solar barata de los países del cinturón solar a zonas menos soleadas. El Hidrógeno y sus Compuestos son muy densos energéticamente y fácilmente transportables, lo que los hace útiles para la redistribución eficiente y flexible de la energía. El transporte de Hidrógeno por tuberías es muy eficiente, alcanzando casi el 100% de eficacia, lo que lo convierte en una opción económicamente atractiva para transportar energía renovable a largas distancias. Esta característica es especialmente beneficiosa para importar hidrógeno de regiones con abundantes fuentes de energía renovable, como Oriente Medio, a zonas con gran demanda energética, como Europa. En la actualidad, el hidrógeno se transporta a través de tuberías y remolques tubulares, y se espera que los costes disminuyan entre un 30 y un 40% en los próximos 15 años a medida que aumente la demanda. En general, el transporte eficiente de Hidrógeno tiene un potencial significativo para apoyar la transición hacia fuentes de energía renovables y alcanzar los objetivos de descarbonización.

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• Sirven de barrera para mejorar la resistencia del sistema: La alta densidad energética del Hidrógeno, su larga capacidad de almacenamiento y su adaptabilidad lo convierten en una opción viable para equilibrar el almacenamiento global de energía con la cambiante demanda energética. En la actualidad, los combustibles fósiles representan en torno al 24% del consumo final anual total del sistema energético, es decir, unos 90 exajulios, y se utilizan principalmente como capacidad de reserva. Los combustibles fósiles pueden dejar de ser necesarios a medida que los clientes y la industria eléctrica opten por fuentes de energía alternativas, como las renovables. Una combinación de vectores energéticos, como el hidrógeno, la biomasa, los combustibles sintéticos, los biocombustibles y los combustibles fósiles, que sean compatibles con las aplicaciones de uso final, constituye una estrategia más eficaz de amortiguación energética. Al tiempo que reduce la dependencia de los combustibles fósiles, esta combinación fomenta la flexibilidad y la adaptabilidad a los cambios en los patrones de consumo de energía.
• Descarbonizar el transporte: En la actualidad, el sector del transporte está dominado por los combustibles derivados del petróleo, que representan el 96% del consumo total de combustible y el 21% de las emisiones mundiales de carbono. Los vehículos eléctricos de pila-de-combustible, o FCEV, son esenciales para la descarbonización de este sector. Aunque los vehículos híbridos eficientes, como los vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV) y los vehículos eléctricos híbridos (HEV), están reduciendo las emisiones, el despliegue de vehículos de emisiones cero, como los vehículos eléctricos de batería (BEV) y los FCEV, o sus combinaciones híbridas, es necesario para lograr la descarbonización completa. Los coches eléctricos de carga rápida (FCEV) presentan múltiples ventajas, como una autonomía de 500 km que les permite recorrer largas distancias entre paradas para repostar y tiempos de recarga cortos, de 3 a 5 minutos. Además, su baja sensibilidad a la energía almacenada los hace ideales para su uso en vehículos con grandes necesidades energéticas. Se prevé que los FCEV se utilicen en diversas aplicaciones de transporte, como autobuses, trenes no eléctricos, vehículos pesados y turismos descarbonizados. Actualmente se están investigando aplicaciones para combustibles sintéticos basados en el hidrógeno en la aviación y el Envío.
• Descarbonizar el consumo de energía industrial: En la actualidad, el gas natural, el carbón y el petróleo son los principales contribuyentes a las emisiones industriales, representando alrededor del 20% de las emisiones globales. Para reducir las emisiones, la industria debe centrarse en mejorar la eficiencia energética, incluida la recuperación del calor residual, para disminuir el consumo de energía. Las tecnologías de electrólisis de vapor pueden ayudar a convertir el calor residual en hidrógeno, ofreciendo una solución potencial. Es esencial descarbonizar las fuentes de calor de proceso, tanto de baja como de alta calidad. En el caso del calor de baja calidad, las opciones son las bombas de calor, la calefacción por resistencia eléctrica y el hidrógeno. El hidrógeno es especialmente ventajoso cuando es un subproducto de la industria química o cuando se necesita un suministro eléctrico ininterrumpido, como ocurre con las Pilas de combustible, que proporcionan calefacción con cero emisiones. La descarbonización del calor de alto grado (superior a 400 °C) plantea dificultades. Los Quemadores de hidrógeno pueden complementar la calefacción eléctrica, dependiendo de las condiciones locales. Algunas regiones pueden preferir las tecnologías de hidrógeno a la electricidad debido a las limitaciones del sistema energético. Actualmente, la industria utiliza el hidrógeno en aplicaciones de calor de baja calidad, como el calentamiento de procesos y el secado. En el futuro, podrá utilizarse una combinación de Quemadores de hidrógeno y Pilas de combustible para satisfacer las necesidades de calor de baja y alta temperatura. Aunque las pilas-de-combustible ofrecen una mayor eficiencia y proporcionan tanto calor como electricidad, su despliegue requiere una inversión significativa. Los quemadores, por su parte, sólo requieren ajustes en los equipos existentes.
• Los quemadores de hidrógeno, por su parte, sólo requieren ajustes en los equipos existentes.