La producción de hidrógeno
HIDRÓGENO,  Producción

La producción de hidrógeno

El hidrógeno es el elemento más abundante del universo y de la corteza terrestre; de hecho, constituye más del 80% de la materia visible. En la atmósfera, el hidrógeno se halla como gas incoloro, inodoro e inflamable, en su forma molecular H2. El hidrógeno está presente en la mayoría de las sustancias orgánicas y de los ácidos. Incluso las estrellas, en su ciclo principal, están formadas por hidrógeno en estado de plasma.

Sin embargo, no se encuentra en estado puro de forma natural; el hidrógeno es necesario producirlo a partir de otra fuente o materia prima. Por ello, cuando se habla de sus usos energéticos lo correcto es decir que es un vector energético y no una fuente de energía. Lo que sí es cierto es que es enormemente versátil a la hora de su producción, pudiendo tener múltiples materias primas.

Métodos de producción de hidrógeno

Existen diversos procesos para la producción de hidrógeno, que pueden ser agrupados del modo siguiente:

  • Reformado de combustibles (hidrocarburos o alcoholes)
  • Electrólisis de agua
  • Otros procesos

Reformado

El reformado de combustibles es el proceso más conocido y habitual para la producción de hidrógeno. Se trata de un proceso químico, catalítico, en el que se extrae el hidrógeno de un combustible que lo contiene (habitualmente, gas natural, aunque también podrían ser otros hidrocarburos y alcoholes como el metanol o el etanol). El 95% del hidrógeno se produce, actualmente, por reformado de gas natural.

El proceso de reformado consiste básicamente en la ruptura de hidrocarburos, u otros productos como alcoholes, en sus componentes elementales: hidrógeno, carbono y oxígeno. Tal ruptura se realiza mediante la reacción de dicho combustible con agua (en forma de vapor) y/u oxígeno, obteniéndose además del producto que se busca (el hidrógeno), otros no deseados como óxidos de carbono (CO y CO2).

Se suele denominar “procesado” cuando el reformado incorpora otras etapas de purificación. Estas pueden integrar procesos químicos, como la reacción de desplazamiento de agua (water gas shift, WGS) o la oxidación selectiva (CO preferential oxidation, COPrOx), para reducir el contenido de monóxido de carbono del gas resultante. También pueden integrar sistemas físicos para separar impurezas del hidrógeno, como membranas o sistemas basados en variaciones de la presión (Pressure Swing Adsorption, PSA).

En el reformado catalítico, la reacción se lleva a cabo en presencia de sustancias, llamadas catalizadores, que reducen la energía de activación de los procesos de conversión. Se tienen tres posibilidades dentro del tipo catalítico:

  • Reformado catalítico con vapor de agua (steam reforming, en inglés); en este proceso de reformado, el combustible se mezcla con vapor de agua. Se maximiza la producción de hidrógeno, pero se requiere un aporte externo de calor.
  • Reformado autotérmico (autothermal reforming); el combustible se mezcla con oxígeno, logrando con ello generar su propio calor (es auosuficiente).
  • Oxidación parcial (partial oxidation); a la entrada, el combustible se mezcla con agua y oxígeno, siendo un proceso intermedio entre los dos anteriores, llegando a una solución de compromiso entre la producción de hidrógeno y la necesidad de aporte de calor externo.

Electrólisis

La electrólisis es un proceso de producción de hidrógeno de alta pureza a partir de agua y electricidad, empleando para ello un equipo denominado electrolizador. Prácticamente, supone el restante 5% de la producción mundial.

La descomposición electroquímica del agua o electrólisis consiste en la disociación de la misma empleando electrodos que se polarizan con corriente continua, obteniéndose como resultado en la zona del cátodo hidrógeno molecular en estado gaseoso y en la zona del ánodo el oxígeno en iguales condiciones. Su operación es inversa a la de la pila de combustible que, por ejemplo, se puede encontrar en los vehículos eléctricos de hidrógeno. De este modo, la electrólisis descompone el agua en sus dos componentes: hidrógeno y oxígeno.

El dispositivo donde tiene lugar la electrólisis es el electrolizador, consistente en una serie de celdas con electrodos positivo y negativo (ánodo y cátodo, respectivamente), donde se producen el oxígeno y el hidrógeno. Tradicionalmente, los electrolizadores han empleado la tecnología alcalina, si bien ahora la tecnología con más potencial es la polimérica (PEM), y se continúa trabajando en otras tecnologías que podrían verse de manera comercial más adelante, como la de óxido sólido (SOEC).

La electrólisis PEM ha despertado un gran interés en los últimos años por su capacidad para ser integrada con energías renovables, dadas sus características dinámicas de operación, lo que permite no solo una producción limpia de este gas, sino que también abre la puerta al uso del hidrógeno (producido mediante electrólisis) para la gestión y almacenamiento de la energía.

Otros procesos de producción

Además del reformado y la electrólisis, existen otros procesos de producción de hidrógeno en distinto grado de desarrollo, que utilizan otras materias primas (como la biomasa) u otras formas de energía (como la luz).

Algunos ejemplos de ellos son la gasificación de la biomasa, la fotólisis del agua para producir oxígeno e hidrógeno, el hidrógeno producido a partir de organismos biológicos como algas (biohidrógeno), la descomposición térmica directa del agua (water splitting en inglés) o los ciclos termoquímicos.

Todos ellos están aún en grados de desarrollo incipiente, lejos de la industria y el mercado, pero la llegada de la Economía del Hidrógeno renueva el interés de inversores, empresas y gobiernos por los procesos sostenibles que contribuyan a la producción renovable de este gas.

A modo de conclusión

Aunque el método más económico para la producción de hidrógeno, en la actualidad, es el reformado de gas natural, la bajada del precio (tanto en inversión, como en kWh producido) de las energías renovables, unido al incremento de la eficiencia de los electrolizadores, hacen que el hidrógeno producido mediante electrolisis del agua sea cada vez más competitivo y, por ello, que la Economía del Hidrógeno esté cada vez más cerca de nosotros.