REVISTA DYNA ENERGÍA

EL HIDRÓGENO COMO PORTADOR DE ENERGÍA

En el último siglo y medio, desde el desarrollo de la industria, el uso y la necesidad de fuentes de energía ha crecido exponencialmente. Esta energía ha sido proporcionada principalmente por combustibles fósiles como el carbón, el petróleo y el gas natural, que a pesar de presentar propiedades muy útiles, tienen una duración limitada y contribuyen al calentamiento global por la liberación de contaminantes medioambientales en su combustión (CO, CO2, CnHm, SOx, NOx, radiactividad, metales pesados, cenizas, etc.) [1]. Por todo ello, desde la crisis del petróleo de 1973, numerosas investigaciones se han dirigido hacia la búsqueda de energías alternativas, como por ejemplo, el hidrógeno. Esta molécula es un portador de gran cantidad de energía renovable y no contaminante capaz de sustituir a los combustibles fósiles, por lo que en la actualidad existe un gran interés científico por el desarrollo de nuevas rutas para su producción masiva [2-3].

PROCESOS TERMOQUÍMICOS PARA LA OBTENCIÓN DE HIDRÓGENO SOLAR: CICLOS TERMOQUÍMICOS

Los procesos termoquímicos utilizan la radiación solar concentrada como fuente calorífica de alta temperatura para producir reacciones químicas endotérmicas, es decir, transforman la energía térmica en energía química. En la figura 1 se presenta un esquema con todos los procesos termoquímicos susceptibles de generar hidrógeno a partir de energía solar concentrada. Estos procesos termoquímicos se dividen en dos grupos [4-6]:

• Los procesos basados en la descarbonización de combustibles fósiles para la obtención de hidrógeno: reformado, craqueo y gasificación.
• Los procesos que utilizan agua como materia prima para la obtención de hidrógeno: termólisis y ciclos termoquímicos.

Fig. 1. Procesos termoquímicos para la obtención de hidrógeno solar [4].

Los procesos basados en la descarbonización de combustibles fósiles presentan dos importantes inconvenientes: requieren de combustibles fósiles y generan CO2 y/o CO que son gases contaminantes medioambientales que contribuyen al calentamiento global.

Dentro de los procesos que utilizan agua como materia prima para la obtención de hidrógeno, la termólisis o disociación directa de la molécula de agua tiene la ventaja de que es un proceso sencillo. Sin embargo, es altamente endotérmico, es decir, requiere de un alto aporte de energía para obtener un grado de disociación aceptable (a temperaturas superiores a 2800 ºC y 0,01 bares de presión, el rendimiento del proceso es solamente de un 17 %). Además, requiere de una técnica efectiva de separación del hidrógeno y el oxígeno formados, evitando así su recombinación explosiva.

Los ciclos termoquímicos son una serie de reacciones endotérmicas y exotérmicas que constituyen un ciclo y cuyo objetivo es la de producción de hidrógeno a partir de la disociación de la molécula de agua De esta manera se sortean los dos principales inconvenientes de la termólisis, es decir, se disminuye la temperatura de operación y se obtienen el oxígeno y el hidrógeno en etapas diferentes, lo cual elimina el paso de separación de estos dos gases a alta temperatura.

CICLOS TERMOQUÍMICOS BASADOS EN ÓXIDOS METÁLICOS

El interés en la búsqueda de ciclos termoquímicos para la obtención de hidrógeno comenzó a finales de los años 60 y se acentuó tras la crisis del petróleo de 1973. Desde entonces, se han publicado numerosos trabajos donde se han propuesto y evaluado diferentes ciclos termoquímicos incluyendo aspectos teóricos y prácticos: simulación termodinámica del sistema, resultados obtenidos a nivel de laboratorio y planta piloto, datos relativos a rendimientos y costes, etc. [7-8]. De todos los evaluados, los ciclos termoquímicos basados en óxidos metálicos son los que se consideran más apropiados para ser llevados a cabo mediante energía solar, ya que son sencillos (constan de dos etapas), el hidrógeno y el oxígeno se obtienen de forma separada y los reactivos utilizados se reciclan (Fig. 2) [9].

Fig. 2. Esquema general de un ciclo termoquímico basado en óxidos metálicos [8].

Los ciclos termoquímicos basados en óxidos metálicos que más han sido estudiados son: el ciclo del óxido de zinc (ZnO/Zn) y el ciclo del óxido de hierro (ferrita) (Fe3O4/FeO).

El ciclo del óxido de zinc es sencillo y su rendimiento teórico es superior al 50% (1 y 2). Sin embargo, es necesario introducir un método de separación y concentración de los productos obtenidos en la reacción de descomposición del ZnO (1), ya que a la temperatura de esta etapa (2000 ºC) ambas especies son gaseosas y durante el proceso de enfriamiento tienden a recombinarse. Este problema se soluciona realizando un enfriamiento rápido (quenching) de los productos de reacción para evitar su recombinación, aunque esto implica un gasto extra de energía [10-11].

El ciclo del óxido de hierro también es sencillo y su rendimiento teórico es mayor del 50% (3 y 4). Igual que en el caso del óxido de zinc, requiere de un quenching de los productos formados durante la reacción de activación (3). Además, durante el enfriamiento de esta reacción, el FeO líquido se solidifica, proceso que lleva asociada una sinterización o compactación del material, lo cual provoca su progresiva desactivación a lo largo de los ciclos y en consecuencia una menor producción de hidrógeno [12-13]. Para evitar ambos inconvenientes se ha realizado la sustitución parcial de hierro en la magnetita (Fe3O4) por otros metales (manganeso, cobalto, níquel zinc, cobre), dando lugar a la formación de ferritas mixtas (Fe1-xMex)3O4. Estos óxidos mixtos se reducen a menor temperatura y el óxido de hierro formado durante la etapa de activación no se licúa, con lo que se evita la sinterización del mismo y la disminución de la cantidad de hidrógeno generado a lo largo de los ciclos [14]. Otra de las soluciones propuestas para evitar la sinterización consiste en soportar el óxido de hierro de partida sobre un óxido refractario que actúa de matriz, como la zircona (ZrO2) o el carburo de silicio [15-16]. En estos casos se ha comprobado que el mecanismo de la reacción cambia, ya que se producen fenómenos de difusión del hierro en la matriz refractaria. Gracias a esto y a la dispersión del óxido de hierro en el soporte, se elimina la sinterización y la cantidad de hidrógeno producida en cada ciclo es mayor y su valor es constante a lo largo de más ciclos.

Los ciclos termoquímicos del óxido de zinc y de los óxidos de hierro han sido ensayados en hornos solares. En el PSI (Paul Scherrer Institute) suizo, se ha diseñado un reactor solar rotatorio de 10 kW (Fig. 3A), cuyo sistema de alimentación es un tornillo sinfín y donde se ha llevado a cabo la etapa de activación del ZnO [17-18]. Por otra parte, en el DLR alemán (German Aerospace Center) se han llevado a cabo ensayos solares con ferritas soportadas sobre bloques multicanal de carburo de silicio. El reactor solar utilizado está constituido por dos cámaras iguales, lo que le permite trabajar en continuo; mientras en una se produce la activación (1200 ºC), en la otra se produce la hidrólisis (800 ºC) y posteriormente se invierten los procesos (Fig. 3C)[19]. Otros ensayos solares se han realizado en el SNL (Sandia National Laboratory, USA), con ferritas soportadas y utilizando un reactor rotatorio CR5 (Fig. 3B), donde la ferrita soportada es sometida a un ciclo termoquímico completo por cada giro de 360º del reactor [20].

Fig. 3. Reactores solares diseñados en A) PSI (Paul Scherrer Institute) [18], B) DLR (German Aerospace Center) [19] y C) SNL (Sandia National Laboratory) [20].

CONCLUSIONES

Una de las alternativas que se proponen a largo plazo como posible solución al problema de la creciente demanda de energía es la producción de hidrógeno mediante ciclos termoquímicos utilizando radiación solar concentrada. Entre los numerosos ciclos termoquímicos desarrollados, los basados en óxidos metálicos son los más adecuados para ser llevados a cabo con energía solar. Dentro de este grupo, el ciclo del óxido de zinc y los de los óxidos de hierro son los que han despertado mayor interés ya que son ciclos sencillos, sus rendimientos teóricos superan el 50% y se han llegado a ensayar en hornos solares. En el caso de los ciclos termoquímicos basados en óxidos de hierro, el hecho de utilizar ferritas mixtas soportadas elimina el proceso de sinterización y reduce la temperatura de la etapa de activación del ciclo, de tal manera que se logran obtener mayores cantidades de hidrógeno utilizando un menor aporte energético.

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