2015

Trinidad Guadalupe Aguilar Garca_

Al13505286

Ingeniera en energas renovables

20/01/2015

Actividad 1. Reaccin qumica de la produccin de hidrgeno /Tarea

Heraclio Muoz Cruz

Actualmente, existen mtodos de obtencin de hidrgeno ms desarrollados que otros. Unos se

encuentran en etapa industrial y otros en etapa experimental, pero definitivamente es necesario

que el alumno disponga de un dispositivo de produccin de hidrgeno.

Aplicando procesos fisicoqumicos de conversin y determinada cantidad de energa a la

produccin del hidrgeno se logra su extraccin a partir de fuentes energticas renovables como:

el agua, los hidrocarburos, la biomasa, subproductos, etc.

El estudiante Identificar las diferentes reacciones qumicas de los diferentes mtodos de

produccin del hidrgeno, as como sus diferentes caractersticas.

Introduccin:

El hidrogeno se puede producir mediante diferentes procesos, como son los combustibles fsiles

(gas natural o carbn) o mediante las fuentes de energa renovable (biomasa, solar elica,

hidroelctrica, y mareomotriz). Sin embargo el proceso tambin se puede realizar mediante

procesos tecnolgicos (qumico, biolgico, electroltico, termoqumico, etc.); con este proceso se

obtienen diferentes oportunidades y beneficios. La disponibilidad local de las fuentes, la

maduracin de la tecnologa, las aplicaciones del mercado y la demanda, los costes, etc. pueden

influir en la eleccin de las diferentes opciones de producir hidrgeno.

La primera tecnologa utilizada para este proceso, proviene de 1920, desarrollando el mtodo de la

hidrlisis de agua. En 1960, la produccin industrial del hidrogeno aumento lentamente en cuestin

de las fuentes fsiles, cuya fuente es la principal fuente de obtencin del hidrogeno hoy en da,

dirigido principalmente a la industria petroqumica y qumica bsica, sin embargo en base a las

necesidades sociales, se planea que sea fuente primordial para el mundo.

Actualmente, el proceso ms econmico, consiste en combinar metano con vapor de gas natural,

sin embargo en este proceso se emiten cantidades excesivas de dixido de carbono a la

atmosfera, lo cual afecta al medio ambiente. Es importante solucionar el problema del dixido de

carbono para radicar el efecto invernadero, diversificar el suministro energtico, aprovechar los

recursos domsticos y reducir la dependencia de la importancia de petrleo.

En la imagen anterior podemos observar los distintos medios para obtener el hidrogeno. A

continuacin explico los mtodos ms importantes de la obtencin del hidrogeno.

HIDRGENO A PARTIR DE COMBUSTIBLES FSILES

El proceso para obtener hidrgeno por medio de los combustibles fsiles, es variable y complejo.

Produccin desde gas natural: El hidrgeno se puede producir a partir de gas natural por tres

procesos qumicos diferentes:

1. Reformado de vapor

2. Oxidacin parcial

3. Reformado autotrmico

1. reformado de vapor: es una conversin endotrmica de metano y vapor de agua en hidrgeno

(H) y monxido de carbono (CO). Este proceso se realiza por medio de una fuente de calor

externa, y se desarrollan tres tipos de reformado que son por vapor, oxidacin parcial y reformada

autotrmica.

Los procesos aqu presentados, se pueden emplear en cualquier tipo, sin embargo la presencia de

azufre en el combustible, requiere un tratamiento de desulfuracin para eliminar los catalizadores.

Las diferencias entre estos procesos vienen de la no necesidad de oxgeno adicional en el

reformado por vapor, que adems tiene una temperatura de produccin menor y una relacin entre

hidrgeno y CO de 3:1, siendo la ms elevada. El mayor inconveniente de esta tcnica es que

tiene las emisiones ms elevadas de las tres.

El producto gaseoso contiene un 12% de CO, el cual puede ser convertido ms tarde en CO2 y H2

a travs de la reaccin con vapor de agua.

CH4+H2O+ calorCO+3H2

CO+H2OCO2+H2+calor

2. oxidacin parcial: la oxidacin parcial de gas natural es un proceso por el cual se produce

hidrgeno por la combustin parcial de metano con oxgeno para producir CO, carbn e hidrgeno

CH4+1/2 O2CO+2H2+ calor

Es una reaccin exotrmica mediante la cual se produce calor. No es necesario un aporte externo

de calor, hace que el proceso sea ms compacto. El CO puede convertirse en CO2 y H2 como en

el apartado anterior.

3. reformado autotrmico: se combinan los dos procesos anteriores, a esta reaccin se le conoce

como exotrmica, y con este mtodo se genera calor. La temperatura en el reactor es de 950-1100

C y la presin por encima de los 100 bares. Como antes, se puede producir H2 a partir del CO

producido. La necesidad de purificar los gases supone un coste adicional para la planta y reduce la

eficiencia.

Produccin a partir de carbn

Tambin se puede producir hidrogeno por medio del carbn, a travs de una gran variedad de

procesos de gasificacin (lecho fijo, lecho fluidizado, etc.) este proceso se puede llevar a cabo

gracias a las altas temperaturas. La reaccin es endotrmica por lo que es necesario un aporte de

calor.

De nuevo, el CO se puede convertir en CO2 y H2. El hidrgeno producido a partir de carbn es

comercialmente viable, pero es ms complicado que a travs de gas natural. El coste de

produccin es tambin superior, pero como el carbn es bastante abundante en muchas partes del

mundo, se est investigando para el desarrollo de esta tecnologa para su uso.

Captura y almacenamiento de CO2.

El CO2 es el principal producto de la combustin en todas las formas de produccin de hidrgeno a

partir de combustibles fsiles. Este CO2 puede ser capturado y almacenado. Este proceso se

conoce como descarbonizacin. Hay tres formas diferentes de capturar el dixido de carbono en

un proceso de combustin.

Post-combustin: se traslada desde la cmara de combustin donde se realiza el proceso, hasta

una turbina, convencional de vapor o de ciclo combinado de una planta elctrica. Tambin puede

contener una cantidad muy elevada de nitrgeno y xidos de nitrgeno.

Pre-combustin: El CO2 es capturado mientras se produce hidrgeno

Combustin Oxifuel: El combustible fsil se convierte en calor en un proceso de combustin. Se

hace con oxgeno puro como oxidante. Se produce mayoritariamente vapor de agua y dixido de

carbono, el cual puede ser fcilmente separable por condensacin del vapor de agua.

En la post combustin y el proceso Oxifuel, la electricidad es producida mediante turbinas de ciclo

a base de vapor convencional o combinado. La cual puede ser utilizada para la electrolisis del

agua. La eleccin del sistema para el transporte del CO2 depende de la zona donde est la planta

de produccin.

HIDRGENO A PARTIR DE LA RUPTURA DEL AGUA

El hidrgeno puede ser producido a partir de la ruptura del agua utilizando varios procesos:

Electrlisis del agua: es un proceso mediante el cual el agua se rompe en hidrogeno y oxgeno, aplicando energa elctrica. H2O+electricidadH2+1/2 O2 Para realizar el proceso de la electrolisis, la energa total empleada aumenta lentamente de acuerdo a la temperatura, mientras que la energa elctrica requerida disminuye, existen distintos de procesos que se pueden realizar por medio de la electrolisis.

Electrlisis alcalina: en este proceso se realiza una disolucin alcalina de KOH, el cual es un electrolito circula por una celda electroltica. Se utiliza para aplicaciones estticas y soporta 25 bares. En la actualidad se emplea ms de manera industrial.

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

Estos consisten en un nmero de celdas electrolticas que se encuentran en una celda fija. Hoy en

da trabajan por el diseo de electrolizadores a menor costo y mayo eficiencia en cuestin

energtica

Electrolisis por membrana de electrolito polimrico (PEM): en este caso se requiere de

un electrolito no lquido, con lo que podemos simplificar el diseo. Es una membrana

polimrica acida; en este caso son capaces de trabajar a varias centenas de bares, las

cuales se pueden utilizar en aplicaciones estticas y mviles. Sin embargo como todo tiene

un inconveniente y se debe a que su sistema tiene un tiempo de vida muy limitado; y las

ventajas son el diseo ms compacto, puede operar bajo presiones y altas temperaturas,

as que cuenta con mayor seguridad. Esta tecnologa est todava en desarrollo.

nodo: H2O1/2 O2+2H++2

-

Ctodo: 2H++2

-H2

Electrolisis a altas temperaturas: en este proceso se emplean clulas de combustible,

que son capaces de soportar temperaturas muy elevadas. La electricidad que se necesita

es de 1000C, pero es menor a la que se necesita para la electrolisis que necesita 100C.

Lo cual se puede entender que las reacciones de electrodo son fciles de revertir a la

reaccin de electrolisis.

Foto electrolisis: se trata de sistemas fotovoltaicos que son unidos con electrolizadores, con el cual se puede producir energa mediante las celdas fotovoltaicas e hidrogeno a travs de los electrolizadores.

Produccin fotobiolgica: este proceso se divide en dos etapas: fotosntesis y la produccin catalizada de hidrogeno por hidrogenases, sin embargo este tipo de proceso aun se encuentra en investigacin. A continuacin presento la reaccin que se lleva a cabo. Fotosntesis: 2H2O4H

++4

-+O2

Produccin de Hidrogeno: 4H++4

-2H2

Descomposicin a alta temperatura: La ruptura del agua a altas temperaturas se

produce a unos 3000C. A esta temperatura, un 10% del agua se descompone y el 90% se

recicla. Hay otros procesos sugeridos que rebajan la temperatura:

1. Ciclos termoqumicos

2. Sistemas hbridos que unen la descomposicin trmica y electroltica

3. Descomposicin cataltica directa con separacin a travs de membrana de cermica

Durante estos procesos se espera una eficiencia del 50%. La desventaja es que hasta el momento

no se cuenta con suficiente material que soporte altas temperaturas, puesto que los procesos de

membrana y separacin se realizan a temperaturas muy elevadas. El diseo y la seguridad en

estos procesos son de gran importancia.

Ruptura termoqumica del agua: es la conversin de agua en hidrogeno y oxgeno a travs de diferentes reacciones qumicas. Son accesibles y de mejor rendimiento que los anteriores.

HIDRGENO A PARTIR DE BIOMASA

En este el hidrogeno se produce de forma similar al proceso de carbn por gasificacin; sin

embargo en la actualidad aun no existen platas donde se realice este proceso; pero se puede

realizar por la gasificacin, ya sea directa o indirecta.

La gasificacin de la biomasa es un rea que se encuentra entre la produccin de hidrgeno y la

obtencin de biocombustibles. La gasificacin y la pirolisis estn consideradas como las

tecnologas ms prometedoras para la comercializacin de la produccin de hidrgeno a partir de

biomasa a medio plazo.

Las reservas de biomasa son productos no refinados con una calidad inconsistente y con un pobre

control de calidad. Los mtodos de produccin varan segn el tipo, localizacin o variaciones

climticas. Los combustibles inadecuados han contribuido a las dificultades en el desarrollo

tecnolgico, como tener poca homogeneidad y baja calidad, ya que se necesita un sistema de

conversin ms sofisticado. Hay una necesidad de preparar el combustible para que tenga una

mayor calidad y consistencia. Los sistemas a gran escala pueden utilizar combustibles ms

baratos y de peor calidad, mientras que los sistemas ms pequeos necesitan un mejor

combustible.

Se necesita varios estudios para mejorar la economa de los procesos de produccin y la forma de

obtener la biomasa:

Gasificacin de la biomasa: esto no es especfico para el hidrgeno pero sirve para la biomasa

en general y las energas renovables.

PRODUCCIN CENTRALIZADA DE HIDRGENO

La produccin industrial a gran escala de hidrgeno a partir de recursos de energa fsil es una

tecnologa comercial para propsitos industriales, pero an sin utilidades. El potencial de la

produccin a gran escala es que tiene un relativo bajo coste por unidad, no obstante, las de

tamao mediano pueden reducir sus costes hacia las de gran tamao. Las opciones de captura y

almacenamiento de CO2 no estn tcnica y comercialmente desarrollados. Es importante reducir el

coste, incrementar la eficiencia de la planta y flexibilidad de las operaciones.

Se necesita investigacin y desarrollo para la purificacin de hidrgeno y la separacin de gases.

Esto implica el desarrollo de la catlisis, adsorcin de materiales y membranas de separacin de

gases para la purificacin de hidrgeno. El hidrgeno y la energa pueden ser producidos en

plantas con ciclos combinados de gasificacin. Estas plantas son la solucin ms avanzada y

eficaz, donde se elimina el carbn del combustible y el hidrgeno se produce en un proceso de

pre-combustin.

La produccin centralizada de hidrgeno requiere una gran demanda del mercado, as como la

construccin de una nueva transmisin de hidrgeno e infraestructura de distribucin.

CONCLUSIONES

Conocemos que la produccin del hidrogeno se puede llevar a cabo mediante los combustibles

fsiles y de la ruptura del agua. Para cualquier proceso donde se busca producir el hidrogeno, la

primer fase que es analizada son los costes, la flexibilidad y la fiabilidad del mismo. A corto plazo,

la electrlisis del agua y los reformados a pequea escala de gas natural son convenientes. La

electrlisis del agua es una tecnologa probada que se puede utilizar para el sector de transporte.

Muchos equipos de reformado a pequea escala de gas natural se estn probando en proyectos

de demostracin.

Desde mi punto de vista debemos de seguir trabajando en la produccin del hidrogeno, buscando

una mejor solucin en la cual se produzca el hidrogeno, sin daar al medio ambiente.

Qu tipo de reaccin o proceso utilizaras como generador de Hidrgeno?

Y de acuerdo a la cuestin aqu establecida, yo empleara el proceso por medio de la biomasa,

porque a mi punto de vista es el ms eficaz y fiable, sin embargo, me gustara producirlo por medio

de la composta y emplearlo como fuente de energa para una casa como las que construye el

infonavit, logrando esto podremos apoyar a las personas de bajos recursos que viven en zonas

montaosas.

Bibliografas:

P.W. Atkins, J. De Paula. PHYSICAL CHEMISTRY, 8th Edition, O.U.P., 2006.

P.W. Atkins, J. De Paula, ELEMENTS OF PHYSICAL CHEMISTRY, 4th Edition, O.U.P.,

2005.

B.H. Mahan, R.J. Myers, QUIMICA: CURSO UNIVERSITARIO, 4 Edicin, Addison-

Wesley, 1990.