BIOMASSA
Hidrogen
Que es l'Hidrogen?
L'hidrogen, es l'element químic mes lleuger de la taula periòdica (massa atòmica mitjana de 1,00784 uma); es representa amb el símbol "H" i nombre atòmic 1, i es l'element químic mes abundant del Univers, constituint el 75% de la materia normal i mes del 90% segons el nombre d'àtoms, i es troba de forma abundant en planetes gegants gasosos generalment en els seus estat atòmic i plasma.
En condicions estàndard de temperatura i pressió (25ºC i 1 atm), l'hidrogen es incolor, inodor, insípid, no tòxic, no metàl·lic i altament combustible, i pren la forma d'un gas diatòmic de fórmula molecular H2.
A la terra, l'hidrogen es troba fàcilment en compostos covalents amb la majoria d'elements, torbant-se present a la molecular d'aigua i a la majoria de composts orgànics, pero es molt rar trobar-lo a la atmosfera terrestre (1 ppm de volum) degut a la seva lleugeresa, que li permet escapar de la gravetat terrestre. Tot i ser el tercer element mes abundant de la superficie terrestre, es troba majoritàriament en forma de compostos químics com hidrocarburs i l'aigua.
L'hidrogen en estat gasos es produït per alguns bacteris i algues, component de les flatulències dels mateixos (igual que ho pot ser el metà en alguns animals).
font: Youtube - LA REVOLUCION DEL HIDROGENO | Documental
font: Youtube - Hidrógeno, un combustible que promete. Antonio Chica Lara
Com i quan es va descobrir?
El 1671, Robert Boyle va descubrir que de la reacció entre llimadures de ferro i àcid diluït se'n produïa hidrogen en estat gasos. Mes tard, Henry Cavendish va ser el primer físic que entre els anys 1766 i 1781 va reconèixer l'hidrogen com a una substància diferent i que produeix aigua quan es crema, propietat que li dona el seu nom actual de "hidrogen" (derivació del grec que significa "formador d'aigua") i que li van donar Antoine Lavoisier quan ell i Laplace van reproduir la descoberta de Cavendish produint aigua al cremar gas hidrogen.
Quins sistemes d'obtenció d'hidrogen coneixem?
L'hidrogen es produeix en laboratoris de química i biologia (sovint en forma de subproducte d'altres reaccions), en la indústria per la hidrogenació de substrats insaturats i a la natura com a resultat de l'expulsió d'equivalents de reducció en reaccions bioquímiques.
Al laboratori, el H2 generalment es genera a partir de la reacció d'àcids no oxidants diluïts amb alguns metalls reactius com el zinc, així com l'alumini si es tracta amb certes bases químiques o la electrolisis de l'aigua (fent passar un corrent de baix voltatge per l'aigua, es forma oxigen gasós al ànode i hidrogen gasos al càtode).
Principalment la seva producció industrial mes econòmicament viables son els que provenen de la eliminació del hidrogen dels hidrocarburs i es fa a partir de la reformació amb vapor de gas natural, o mitjançant la oxidació parcial d'hidrocarburs com la reacció de carbó, en el procés de Haber-Bosch durant la producció d'amoníac a partir del gas natural, amb la electròlisis de la salmorra per produir clor i encara que menys freqüentment, a partir de mètodes com la electròlisis de l'aigua.
Existeixen més de 200 cicles termoquímics que es poden fer servir per separar l'aigua; alguns d'ells s'estan estudiant i testejant perquè són capaços de produir hidrogen i oxigen a partir d'aigua i calor sense fer servir electricitat. Alguns exemples són el cicle d'òxid de ferro, el cicle d'òxid de ceri, el cicle d'òxid de zinc-zinc, el cicle de sofre-iode, el cicle de coure-clor i el cicle de sofre híbrid. D'altra banda, laboratoris de països com França, Alemanya, Grècia, el Japó i els Estats Units estan desenvolupant mètodes termoquímics per produir hidrogen a partir d'energia solar i aigua.
En absència d'oxigen atmosfèric (O2) en condicions geològiques de profunditat tal que l'atmosfera terrestre ja no hi té efecte, l'hidrogen (H2) es produeix durant el procés de serpentinització per l'oxidació anaeròbica feta pels protons (H+) de l'aigua del silicat de ferro (Fe2+) present a la xarxa cristal·lina de la faialita (Fe2SiO4).
En transformadors de potència, es genera hidrogen la major part de vegades que es produeix una fallada, essent-ne un indicador primerenc de problemes greus del trafo en qüestió.
Tipus d'hidrogen segons la seva procedencia:
Segons el procés d'obtenció, l'hidrogen rd pot considerar:
-
Hidrogen gris, es el que s'ha estat utilitzant tradicionalment a la industria petrolera per a produir combustibles nets (o si mes no, menys bruts), ja que essent d'origen fòssil i que per produir 1 tona d'hidrogen es llancen a l'atmosfera de 9 a 12 tones de CO2, molt net no es pot considerar.
-
Hidrogen blau, es el mateix que l'hidrogen gris, pero la industria proposa emmagatzemar la major part del CO2 produït a dipòsits submarins, així que tampoc acaba essent sostenible.
-
Hidrogen verd, o combustible del futur (com molts l'anomenen), perquè es preveu que es produeixi únicament mitjançant energies renovables, i per tant, no generi CO2. Darrerament el govern alemany ha invertit 9.000M€ amb l'objectiu de ser el líder mundial d'aquesta energia de cara al 2030. Aquest hidrogen es vol destinar a la industria pesant i al transport terrestre, marítim i aeri.
font: Youtube - HIDROGENO VERDE EN ESPAÑA MUNDO ENERGIAFUTURO Documental HYDROGEN GREEN SWITZERLAND FUTURE ENERGY
Pila d'hidrogen o de combustible:
Una pila o cel·la de combustible, mes coneguda com a pila d'hidrogen, funciona bàsicament electroquímic com les bateries convencionals, es a dir, genera energía elèctrica a partir d'energia química, sempre perdent-ne una petita part per efecte Joule. Pero en aquest cas, les piles no necessiten esser carregades com en el cas de les bateries, sino que treballen contínuament obtenint un flux constant d'energia, fet que consumeix també de forma contínua els reactius.
En aquest cas, els reactius típics utilitzats son hidrogen al costat de l'ànode i oxigen al del càtode, a diferencia de les bateries convencionals que consumeixen reactius sòlids, i que un cop esgotada, ha de ser eliminada o recarregada amb electricitat.
Les piles de combustible són una suma de piles individuals que reben el nom de cèl·lules de combustible. Una cèl·lula de combustible contés dos elèctrodes, un ànode (-) i un càtode (+) que els dos acostumen a ser de platí i que es troben separats per un electròlit. L'electròlit acostuma a ser una membrana. En l'ànode es produeix la oxidació de l'hidrogen que es dissocia en dos protons i dos electrons. Els protons circulen a través de la membrana polimèrica fins que el càtode i allà es combinen amb l'oxigen que s'ha reduït prèviament al càtode per formar aigua. Els electrons que no han pogut travessar la membrana s'escapen per un circuit elèctric. Aquest flux d'electrons és el corrent elèctric que podrem aprofitar com a energia elèctrica.
En aquest cas, l'únic residu és vapor d'aigua o aigua líquida. A més d'hidrogen pur, també es té l'hidrogen contingut en altres molècules de combustibles incloent el dièsel, metanol i els hidrurs químics, el residu produït per aquest tipus de combustibles, a més d'aigua, és diòxid de carboni, entre altres.
La quantitat d'electricitat produïda per cada cel·la de combustible depèn de diversos factors com el tipus de cel·la, la mida, la temperatura a la que funciona i la pressió de subministrament dels gasos. La potència final de la pila està determinada pel nombre de cel·les que la formen. Per crear més voltatge les cel·les s'agrupen combinant-les en sèrie o en paral·lel en un sistema que es diu Fuel Cell Stack en anglès: apilat de cel·les de combustible.
Les plaques del elèctrode son de metall, generalment níquel, i recobertes amb un catalitzador per millorar-ne la eficiencia (platí o pal·ladi).
Actualment el principal problema es la falta de tecnologies per al emmagatzematge del hidrogen generat, així com també el seu elevat cost de producció.
L'eficiència d'aquest procés, a diferència dels motors de combustió (interna i externa) no està limitada pel cicle de Carnot, ja que no segueixen un cicle termodinàmic; i per tant, no hi ha pèrdues per calor i te una major eficiència al convertir directament la energia química en elèctrica.
font: Youtube - Generador de hidrógeno (PASO A PASO DETALLADO )
font: Youtube - ¿Cómo Obtener Energía del Hidrógeno? ⚡ Pilas de Hidrógeno con
Aplicacions energètiques del Hidrogen
Antigament, el globus, que a partir del seu primer vol al 1783 es va establir com el primer mitjà de transport aeri segur mitjançant el hidrogen; mes tard, el van seguir els dirigibles al 1852 i els zepelins al 1900, tot i que després del accident de Hidenburg al 1937, on va agafar mala fama com a combustible, tot i que, posteriorment la NASA va demostrar que el problema havia estat la pintura inflamable cobertora. El mateix any va entrar en servei el primer turbogenerador refrigerat per hidrogen, i posteriorment, l'any 1977, es va utilitzar per primera vegada l'acumulador de níquel-hidrogen en un satèl·lit i a partir del 2009 el primer telescopi espacial.
Actualment existeixen diverses aplicacions als sectors químic i petroler, que necessiten el H2 per a processar els combustibles fòssils i per a obtenir amoníac. Encara que també te altres usos com agent hidrogenant (incrementar nivell de saturació de greixos insaturats i olis), agent reductor de menes metàl·liques, a la producció de metanol, a la industria del àcid clorhídric, com a gas de protecció en mètodes de soldadura, com a refrigerant del rotor de generadors elèctrics en centrals elèctriques, en recerca criogènica, com a gas detector de fuites (barrejat amb nitrogen) per a les industries del automòbil, química, generació d'energia, aeroespacial, i de telecomunicacions, com additiu de menjar autoritzat (E-949) que en permet la detecció de fuites i te propietats antioxidants, els seus isòtops com el deuteri tenen aplicació tant a la fissió com a la fusió nuclear, també en química i biologia en l'estudi dels efectes isotròpics en reaccions, el triti s'utilitza per a producir bombes d'hidrogen, com a marca isotròpica en biociències i com a font de radiació en pintures lluminoses.
En el futur mes proper es creu que les aplicacions del hidrogen serán a una escala mes petita, fabricant micro piles de combustible per alimentar la radio, el portàtil, la PDA, el telèfon mòbil, etc.; i mes a llarg termini, quan es solucionin els problemes de generació, transport i distribució, les aplicacions mes realistes que s'entreveuen al horitzó son sobretot per al transport, ja sigui per complementar vehicles lleugers com els cotxes elèctrics o per a vehicles pesants com camions, vaixells i avions; tot i que a la industria també pot arribar a tenir un paper important, allà on les energies verdes no siguin practicables, siguin escasses o la xarxa de distribució no hi tingui accés.
Es l'Hidrogen un bon vector energètic com a opció de futur?
Com a totes les energies, el vector que es l'hidrogen te detractors i partidaris, i com a la resta, en podem enumerar diversos factor tant a favor com en contra:
-
A favor tenim que:
-
el residu de la seva combustió es aigua o vapor d'aigua (H2O)
-
es una sistema d'emmagatzematge que es es pot fer servir per als excedents de les energies renovables,
-
es podria utilitzar per als cotxes, creant una xarxa d'abastiment d'energia mentre aquests no s'utilitzen, fent-los servir com a piles, i amb una interconnexió entre tots els consumidors, fins hi tot es podrien distribuir els recursos segons les diferents necessitats, aconseguint un consum dels recursos mes eficient,
-
les flames d'hidrogen tendeixen a ascendir ràpidament i causen menys desperfectes que els focs causats per hidrocarburs
-
...
-
-
En contra es:
-
poca densitat i baixa temperatura del hidrogen líquid (que fan necessaris dipòsits mes grans, ben aïllats i per tant mes pesats),
-
dificultat d'emmagatzematge en estat líquid,
-
es car d'obtenir (en relació amb d'altres energies degut a les pèrdues durant la seva obtenció),
-
es altament inflamable i crema en aire en un ampli rang de concentracions (barreja explosiva amb l'aire concentrat al 4-75% de volum i amb clor concentrat al 5-95% de volum),
-
explota espontàniament a partir de guspires, calor (a partir de 500ºC) o la llum del sol,
-
les flames emeten llum ultraviolada i per tant son pràcticament invisibles a ull nu,
-
els sistemes d'obtenció, distribució i utilització no estan 100% desenvolupats per a la seva generació mitjançant energies verdes,
-
es necessiten unes inversions molt elevades per al seu desenvolupament,
-
reacciona amb qualsevol element oxidant de forma espontània i violenta a temperatura ambient (com el clor i el fluor formant els halurs d'hidrogen corresponents, com el clorur d'hidrogen i el fluorur d'hidrogen, que a més, són àcids potencialment perillosos),
-
les preferències actuals dels que disposen dels recursos, no son el seu desenvolupament, sino seguir treien redit de les inversions ja realitzades en combustibles fòssils independentment dels danys colaterals causats a la població, el medi o els ecosistemes,
-
...
-
Tot i que es diu que resulta car de fabricar, que no existeixen mitjans viables de producció, emmagatzematge i transport encara correctament desenvolupats, crec que si s'han aconseguit altres coses (molt mes complicades sota el meu parer), aquests son reptes perfectament assequibles, pero que manca la voluntat dels que tenen el potencial i capital per a generar aquest canvi, i això no ho faran mentre els continuïn essent rentables altres negocis; de forma que el canvi, l'hem de promoure desde baix, la gent de carrer, promovent i liderant aquest canvi mitjançant l'associació i el cooperativisme per a la generació de la propia energia i negociar-ne la venda i l'ús de les xarxes de distribució; pero es clar, tot comporta sacrificis, i per desgracia no molts estan disposats a fer-los, i aquí rau el problema; només espero que no sigui massa tard, per al planeta i els esser vius que l'habitem, quan finalment aquest canvi de mentalitat i d'acció tant necessari es produeixi.
Vehicles d'Hidrogen
El vehicle d'hidrogen pot ser tant un automòbil com una bicicleta o altres vehicles, que fa servir l'hidrogen com a font primària per a funcionar, i ho pot fer de dues maneres:
-
mitjançant la seva combustió amb un motor de combustió interna, on es crema l'hidrogen de la mateixa forma que es fa amb els cotxes tradicionals que coneixem de gasolina,
-
mitjançant la reacció amb l'oxigen en una pila de combustible, convertint aquesta energia química en eléctrica, i per tant, funcionat amb un motor elèctric en lloc de combustió.
I en ambdós casos, s'obté com a subproducte principal aigua, que a la vegada, encara podria moure una microturbina.
Les parts principals d'un cotxe d'hidrogen amb tecnologia de pila de combustible son:
-
el tanc d'hidrogen, on s'emmagatzema el combustible,
-
la pila de combustible, on s'afegeix oxigen per fer reaccionar l'hidrogen i produir electricitat
-
i el motor elèctric, que rep la electricitat i fa funcionar el vehicle.
font: Youtube - l coche de hidrógeno | Juan Francisco Calero en Motor.es