TECNOLOGÍA DEL HIDRÓGENO

TECNOLOGÍA DE PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO

Electrolisis: El proceso de la electrólisis consiste en la descomposición del agua utilizando la electricidad. Es un proceso que está disponible comercialmente con una tecnología comprobada. Es un proceso industrial conocido desde hace tiempo y por ello perfectamente entendido; tiene la ventaja de que es modular y puede adaptarse fácilmente para pequeñas o grandes cantidades de gas; el hidrógeno que se obtiene mediante este procedimiento tiene una gran pureza. Otra ventaja de la electrólisis es su posible combinación con las energías renovables para producir H₂ a partir de fuentes renovables, compensando la naturaleza intermitente de algunas de estas fuentes. Plantea una competencia directa con el uso directo de la electricidad renovable: la energía generada se vierte a la red o se emplea en la electrólisis.

Reformado (aplicaciones estacionarias y en vehículos): Consiste en la reacción de hidrocarburos con calor y vapor de agua. También es un proceso generalizado a gran escala y permite obtener un hidrógeno de bajo coste a partir de gas natural. Plantea oportunidades para combinarse con la fijación de CO₂ a gran escala (“almacenamiento del carbono”). Como contrapartida las unidades a pequeña escala no son comerciales y el hidrógeno contiene algunas impurezas (en algunas aplicaciones puede resultar necesaria una limpieza del gas o reacciones secundarias para la eliminación del CO). Las emisiones de CO₂ junto al proceso de fijación del CO₂, que genera costes adicionales, son los inconvenientes que se le pueden encontrar a este proceso.

Gasificación: Partiendo de hidrocarburos pesados y biomasa se forma hidrógeno y gases para reformado mediante la reacción con vapor de agua y oxígeno. Perfectamente adecuado para hidrocarburos pesados a gran escala, puede utilizarse para combustibles sólidos, como el carbón, y líquidos. Presenta algunas similitudes con combustibles sintéticos derivados de la biomasa –la gasificación de biomasa en fase de demostración-. Las unidades pequeñas son muy escasas, ya que el hidrógeno suele exigir una limpieza sustancial antes de su uso. La gasificación de biomasa aún es objeto de investigación y tiene implicaciones debido a la utilización de grandes extensiones de tierra. El hidrógeno que se obtendría mediante este proceso entra en competencia con los combustibles sintéticos derivados de la biomasa.

Ciclos termoquímicos que utilizan el calor barato de alta temperatura procedente de la energía nuclear o solar concentrada. Este proceso sería potencialmente atractivo para su aplicación a gran escala, con bajo coste, y sin emisión de gases de invernadero, para la industria pesada o el transporte. Para ello existen diferentes proyectos de colaboración internacional (Estados Unidos, Europa y Japón) sobre investigación, desarrollo y puesta en operación de plantas que operen con este proceso. Actualmente hace falta una mayor investigación y desarrollos no comerciales sobre el proceso que pueden alargarse durante los próximos diez años: los temas que se estudia desarrollar son materiales, tecnología química, y la implantación del reactor nuclear de alta temperatura (HTR).

Producción biológica: Las algas y las bacterias producen directamente hidrógeno en determinadas condiciones. Durante los últimos años se estudia este recurso de gran envergadura potencial aunque con un ritmo de producción de hidrógeno bastante lento. Se necesitan grandes superficies y la mayor parte de los organismos apropiados no se han encontrado todavía. Hoy día está siendo objeto de estudio en distintos centros investigación.

MÉTODOS DE ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO

Cilindros de gas comprimido: Es la técnica más utilizada para suministrar hidrógeno hasta presiones de 200 bar. Es una técnica de disponibilidad general y puede considerarse de bajo coste. Sólo se almacenan cantidades relativamente pequeñas de H2 a 200 bares; las densidades energéticas de combustible y almacenamiento a alta presión (700 bar) son comparables al hidrógeno líquido, pero están todavía por debajo de las de la gasolina y el gasóleo; el almacenamiento a alta presión está aún en fase desarrollo.

Tanques de líquido: También es una tecnología muy empleada y bien conocida. Se consigue una buena densidad de almacenamiento. Se requieren temperaturas muy bajas y por ello un aislamiento mayor de lo normal, por lo que su coste puede ser elevado. Se pierde algo de hidrógeno por evaporación y la energía almacenada todavía no es comparable a los combustibles fósiles líquidos.

Hidruros metálicos: Empieza a estar disponible alguna tecnología de almacenamiento de hidrógeno sobre sólidos metálicos. Es un sistema muy seguro ya que el hidrógeno se almacena sobre el sólido. La forma de los depósitos de almacenamiento puede adaptarse a las necesidades de cada aplicación. El rellenado exige circuito de refrigeración debido al calor de la reacción, aunque existe la posibilidad de reutilizar los efectos térmicos en subsistemas. Al utilizarse metales para fijar el gas, los pesos se elevan considerablemente y pueden degradarse con el tiempo. Actualmente es una tecnología bastante cara.

Hidruros químicos: Las reacciones de formación de hidruros reversibles son bien conocidas, p. ej., NaBH4. Son sistemas compactos con reducido tamaño pero plantean problemas con la manipulación de residuos y en lo que se refiere a las infraestructuras necesarias.

Estructuras de Carbono: Se están estudiando distintas estructuras con base de carbono, entre las que se encuentran los nanotubos, que permiten una elevada densidad de almacenamiento de hidrógeno, siendo, además, muy ligeras. Pueden resultar baratas en función de su producción, estando actualmente en fase de investigación y desarrollo.

INFRAESTRUCTURAS NECESARIAS PARA LA IMPLANTACIÓN DE LA TECNOLOGÍA DEL HIDRÓGENO

Transporte del hidrógeno: En función de las circunstancias específicas, el hidrógeno puede producirse localmente o distribuirse a partir de una planta central de producción a gran escala. En la actualidad se están estudiando los costes y los beneficios de esas diversas posibilidades de “conducción”. En Europa existe ya un sistema restringido de transmisión de hidrógeno asociado al sector petroquímico, pero van a ser necesarias cuantiosas inversiones en infraestructura para facilitar la distribución generalizada de hidrógeno. En el caso del transporte, también será preciso contar con instalaciones especiales de reabastecimiento. Como ocurre con todos los combustibles, la seguridad es la preocupación primordial. Por ello, será necesario elaborar normas, códigos y reglamentos de aceptación generalizada para los equipamientos, contar con personal de mantenimiento perfectamente capacitado y disponer de directrices de funcionamiento, así como realizar un amplio programa de información y formación dirigido al público en general.

Estaciones de servicio: Las hidrogeneras pueden obtener el hidrógeno por electrolisis del agua con la energía eléctrica renovable excedente proveniente de los parques eólicos o los paneles solares instalados como cubierta de un parking público. La fabricación de hidrógeno por electrólisis es la menos eficiente (rendimientos del 15 % al 25 %), pero una vez comprimido y almacenado a borde del vehículo este hidrógeno supera el 75 %. En cambio cuando el hidrógeno se extrae del metano, el rendimiento de este proceso es mayor (hasta un 75 %), pero el rendimiento global valorando todo el proceso se sitúa en torno el 48 % o el 60 %. Por todo ello los motores de hidrógeno dan un rendimiento del 55 % frente al 30 % que alcanzan los motores de combustión interna. A mediados del 2003, sólo existe la tecnología para fabricar hidrógeno para pequeñas instalaciones y resulta exageradamente caro. Por ejemplo, una instalación de unos 10 kW puede costar unos 200.000 euros, en cambio una de 250 kW el coste es de 750.000 euros.

NORMALIZACIÓN INTERNACIONAL

La Organización Internacional de Normalización (ISO) es la entidad que elabora la mayor parte de las normas técnicas, con una red de centros nacionales repartidos a lo largo de 146 países. El Comité Técnico ISO/TC 197 para las tecnologías del hidrógenohydrogen technologies fue creado en 1990. En él intervienen 15 países participantes, 15 observadores, y colabora con otros 15 comités ISO/IEC. A continuación se recogen algunas de las normas publicadas hasta la fecha o actualmente en estudio. El comité trabaja conjuntamente con el Foro Mundial de la Naciones Unidas para la Normalización de las Regulaciones de Vehículos. La Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) es la organización que prepara y publica la normativa internacional para todos los temas relacionados con la electricidad, electrónica y tecnologías relacionadas. Su trabajo sirve de base para la normalización nacional en los diferentes países y como referencia en las relaciones internacionales.

ISO 13984:1999. Liquid hydrogen — Land vehicle fuelling system interface
ISO 13985:2006. Liquid hydrogen — Land vehicle fuel tanks
ISO 14687:1999. (ISO 14687:1999/Cor 1:2001, ISO 14687:1999/CD Cor 2). Hydrogen fuel — Product specification
ISO/PRF TS 14687-2. Hydrogen fuel — Product specification — Part 2: Proton exchange membrane (PEM) fuel cell applications for road vehicles
ISO/PAS 15594:2004. Airport hydrogen fuelling facility operations
ISO/DIS 15869.2. Gaseous hydrogen and hydrogen blends — Land vehicle fuel tanks
ISO/TR 15916:2004. Basic considerations for the safety of hydrogen systems
ISO 16110-1:2007. Hydrogen generators using fuel processing technologies — Part 1: Safety
ISO/CD 16110-2. Hydrogen generators using fuel processing technologies — Part 2: Procedures to determine efficiency
ISO/DIS 16111. Transportable gas storage devices — Hydrogen absorbed in reversible metal hydride
ISO/TS 16111:2006. Transportable gas storage devices — Hydrogen absorbed in reversible metal hydride
ISO 17268:2006. Compressed hydrogen surface vehicle refuelling connection devices
ISO/CD TS 20012. Gaseous hydrogen — Service stations
ISO/DIS 22734-1. Hydrogen generators using water electrolysis process — Part 1: Industrial and commercial applications
ISO/CD 22734-2. Hydrogen generators using water electrolysis process — Part 2: Residential applications
ISO/CD 26142. Hydrogen detector

Normalización Europea

La legislación europea exige que la normativa europea sea trasladada a cada uno de los países miembros, por este motivo, las normas elaboradas por el Comité Europeo de Normalización (CEN), por el Comité Europeo de Normalización Electrotécnica (CENELEC) o por el Instituto Europeo de Normas de Telecomunicación (ETSI) son incorporadas sistemáticamente al catálogo de AENOR alcanzando la categoría de normas nacionales.

Normalización Nacional

En España, es el Comité Técnico de Normalización AEN/CTN 181 en Tecnologías del Hidrógeno de AENOR quien regula la normativa vigente, adaptando las normas aprobadas a nivel europeo y colaborando con el comité internacional de normalización en hidrógeno IEC/TC 197. Su campo de actividad engloba la normalización de los temas relacionados con los sistemas y dispositivos para la producción, almacenamiento, transporte y distribución, medición y utilización del hidrógeno, incluyendo las Especificaciones del hidrógeno; Instalaciones de producción del hidrógeno y sus dispositivos asociados; Instalaciones de almacenamiento de hidrógeno y sus dispositivos asociados; Instalaciones de transporte de hidrógeno y sus dispositivos asociados; Instalaciones y aparatos que utilicen hidrógeno; Instalaciones suministradoras de hidrógeno; Cualificación de personal que interviene en la construcción, operación, mantenimiento e inspección de las instalaciones de producción, almacenamiento, transporte, suministro y utilización del hidrógeno como combustible; Medición de hidrógeno. Se listan a continuación algunas normas relacionadas con el hidrógeno.

UNE 26505:2004. Vehículos de carretera. Hidrógeno líquido. Interfaz para los sistemas de alimentación en vehículos terrestres.
UNE-EN ISO 11114-4:2006. Botellas para el transporte de gas. Compatibilidad de los materiales de la válvula y la botella con el gas contenido. Parte 4: Métodos de ensayo para la selección de materiales metálicos resistentes a la fragilización por hidrógeno. (ISO 11114-4:2005)
UNE-EN ISO 6974-3:2003. Gas natural. Determinación de la composición con una incertidumbre definida por cromatografía de gases. Parte 3: Determinación de hidrógeno, helio, oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono e hidrocarburos hasta C8 utilizando dos columnas de relleno. (ISO 6974-3:2000)
UNE-EN ISO 6974-6:2006. Gas natural. Determinación de la composición con una incertidumbre definida por cromatografía de gases. Parte 6: Determinación del contenido de hidrógeno, helio, oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono e hidrocarburos C1 a C 8 utilizando tres columnas capilares. (ISO 6974-6:2002).
UNE-ISO 14687:2006. Hidrógeno como combustible. Especificaciones de producto. (ISO 14687:1999 + ISO 14687:1999/Cor. 1:2001)
UNE-ISO/TR 15916:2007 IN. Consideraciones básicas de seguridad de los sistemas de hidrógeno. (ISO/TR 15916:2004)