Hidrógeno verde

Descripción

Hoy en día, las principales fuentes de energía son el petróleo y el gas natural, pero sus reservas estarán agotadas en 40 o 50 años. El hidrógeno, primer elemento de la tabla periódica, es la opción más factible para sustituirlos. Este liviano gas es el elemento más abundante del Sol y no existe en la atmósfera terrestre debido a que escapa de la gravedad de la Tierra.

A diferencia de combustibles como el petróleo y sus derivados, es un “vector energético o portador de energía”, es decir, es una sustancia que almacena energía que luego será liberada.

El hidrógeno se emplea en refinerías de petróleo, producción de amoníaco, metanol, hidrogenación de aceites vegetales y arenas bituminosas, confección de vidrios planos y en celdas de combustible. Estas celdas generan electricidad a partir del hidrógeno como combustible y el oxígeno como oxidante, mediante un dispositivo electroquímico que requiere un aporte continuo de estos reactivos. Una manera de disponer de energía necesaria para hacer funcionar las celdas de combustible y así generar electricidad cien por ciento sostenible es recurrir a las energías renovables como la solar y eólica, muy abundantes en diferentes regiones de Chile gracias a su amplia variedad climática.

La obra, escrita con un estilo conciso y directo, especialmente de la química, proporciona de una manera organizada y sistemática los fundamentos por los cuales el gas hidrógeno es un vector energético que puede producir energía térmica, eléctrica y numerosos productos químicos.

Capítulo 1

HIDRÓGENO PRINCIPAL CONSTITUYENTE DEL SOL Y EL COSMOS 1

1.1. Características generales del Sol 1

1.2. Composición del Sol 2

1.3. Viento solar 4

1.4. Teoría sobre la evolución solar 4

1.5. Referencias 5

Capítulo 2

ESTRUCTURA, COMPOSICIÓN Y PROPIEDADES DE LA ATMÓSFERA 7

2.1. Capas de la atmósfera 8

2.2. Composición de la atmósfera 9

2.3. Propiedades físicas de la atmósfera 10

2.4. Transmisión de energía en la

atmósfera 11

2.5. Referencias 13

Capítulo 3

CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA Y CAMBIO CLIMÁTICO 15

3.1. Contaminación atmosférica 16

3.2. Contaminantes primarios 17

3.3. Contaminantes secundarios 18

3.4. Fundamentos de termodinámica 19

3.5. Combustión 20

3.6. Cambio climático 22

3.7. Efecto invernadero 23

3.8. Gases de efecto invernadero 24

3.9. Grupo Intergubernamental de

Expertos sobre el Cambio Climático 25

3.10. Referencias 26

Capítulo 4

PROPIEDADES FÍSICAS Y SEGURIDAD DEL HIDRÓGENO 27

4.1. Propiedades físicas del hidrógeno 27

4.2. Seguridad del hidrógeno 29

4.3. Seguridad máxima en las

instalaciones 31

4.4. Referencias 31

Capítulo 5

PRODUCCIÓN INDUSTRIAL DEL HIDRÓGENO 33

5.1. Métodos industriales de producción

de hidrógeno 33

5.1.1. Reformado del gas natural 34

5.1.2. Oxidación parcial de hidrocarburos 34

5.1.3. Disociación térmica del agua 35

5.1.4. Gasificación de la biomasa 35

5.1.5. Electrólisis del agua 36

5.2. Referencias 36

Capítulo 6

ELECTRÓLISIS DEL AGUA 37

6.1. Antecedentes históricos 37

6.2. Principios de la electrólisis del agua 38

6.2.1. Electrólisis en medio ácido 39

6.2.2. Potencial estándar 40

6.2.3. Electrólisis en medio básico 41

6.3. Trabajo eléctrico logrado de reacciones de reducción-oxidación 42

6.4. Fabricación industrial de hidrógeno por electrólisis del agua 42

6.4.1. Electrólisis alcalina 43

6.4.2. Electrólisis ácida PEM 44

6.4.3. Electrólisis AEM 46

6.4.4. Electrólisis SOWE 46

6.4.5. Mejora en los procesos PEM y

AEM 47

6.5. Referencias 48

Capítulo 7

ALMACENAMIENTO Y TRANSPORTE DEL HIDRÓGENO 49

7.1. Compresibilidad del hidrógeno 49

7.2. Almacenamiento del hidrógeno 50

7.2.1. Almacenamiento de hidrógeno gaseoso a alta presión 50

7.2.2. Almacenamiento del hidrógeno

líquido a temperatura criogénica 53

7.2.3. Almacenamiento de hidrógeno

como hidruro metálico 54

7.3. Transporte del hidrógeno gaseoso 55

7.4. Transporte del hidrógeno líquido 55

7.5. Referencias 56

Capítulo 8

APLICACIONES DEL HIDRÓGENO 57

8.1. Refinación del petróleo 58

8.2. Producción de amoníaco 58

8.3. Producción de metanol 59

8.4. Transformación de aceites vegetales 59

8.5. Hidrogenación de arenas

bituminosas 60

8.6. Producción de metales 60

8.7. Producción de vidrios planos 60

8.8. Licuefacción del carbón 60

8.9. Aplicaciones en transporte 61

8.10. Referencias 61

Capítulo 9

CELDAS DE COMBUSTIBLE 63

Introducción 63

9.1. Principios de la celda de

combustible 64

9.1.1. Diferencias entre celdas de combustible y baterías 66

9.2. Tipos de celdas de combustible 66

9.2.1. Celda de combustible PEM 66

9.2.2. Celda de combustible Alcalina 68

9.2.3. Celda de combustible de óxido

sólido (SO) 69

9.3. Conjuntos de celdas de combustible 70

9.3.1. Conjunto de celdas planas 70

9.3.2. Conjuntos de celdas cilíndricas 71

9.4. Componentes y procesos del sistema

de celdas de combustible 73

9.5. Referencias 74

Capítulo 10

PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO MEDIANTE ENERGÍA EÓLICA 75

Introducción 75

10.1. Características del viento 76

10.1.1. Presión del viento 77

10.1.2. Dirección del viento 78

10.1.3. Velocidad del viento 78

10.1.4. Vientos 80

10.2. Energía del viento que se transfiere

al rotor de un aerogenerador 80

10.3. Componentes y funcionamiento de

los aerogeneradores de tres aspas 82

10.3.1. Góndola 82

10.3.2. Rotor 83

10.3.3. Sistema de acoplo 83

10.3.4. Multiplicador o caja de cambio de

las velocidades del rotor 83

10.3.5. Generador 84

10.3.6. Motor de orientación 84

10.3.7. Veleta y anemómetro 84

10.3.8. Mástil de soporte o torre 84

10.4. Control de los sistemas mecánicos y eléctricos de los aerogeneradores 84

10.5. Velocidad de giro de los aerogeneradores 85

10.6. Potencia máxima teórica del aire extraído por aerogeneradores 86

10.7. Curvas de potencias eléctrica de los aerogeneradores 86

10.7.1. Velocidad de conexión 86

10.7.2. Velocidad de corte 86

10.8. Parques eólicos como centrales eléctricas 88

10.9. Referencias 90

Capítulo 11

PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO MEDIANTE ENERGÍA FOTOVOLTAICA 91

11.1. Fundamento de la energía

fotovoltaica 91

11.1.1. Introducción 91

11.1.2. Materiales semiconductores y conductores 91

11.1.3. Celda y módulo fotovoltaico 93

11.2. Componentes de un sistema fotovoltaico 96

11.3 Uso principal de la energía

fotovoltaica 96

11.3.1. Plantas eléctricas aisladas de origen fotovoltaico 97

11.3.2. Producción de hidrógeno a partir

de energía fotovoltaica 98

11.4. Referencias 100

Capítulo 12

AUTOMÓVILES ELÉCTRICOS DE CELDA DE COMBUSTIBLE 101

12.1. Componentes y funcionamiento del automóvil eléctrico de celda de

combustible 101

12.2. Ventajas e inconvenientes del automóvil eléctrico de celda de

combustible 103

12.2.1. Ventajas del automóvil de celda de combustible 103

12.2.2. Inconvenientes del automóvil de celda de combustión 104

12.2.3. Algunas características de tipos y prototipos de automóviles de celda de combustible 104

12.3. Referencias 105

Capítulo 13

SITUACIÓN Y POTENCIAL DEL HIDRÓGENO EN CHILE 107

13.1. Geografía, climas y radiación solar

de Chile 107

13.1.1. Geografía 107

13.1.2. Variedad de climas 108

13.1.3. Radiación solar 109

13.1.4. Vientos 110

13.1.4.1. Vientos planetarios 110

13.1.4.2. Vientos locales 110

13.2. Sistema eléctrico de Chile 111

13.3. Parques eólicos 112

13.4. Plantas fotovoltaicas 112

13.5. Producción y uso del hidrógeno en Chille 114

13.5.1. Producción 114

13.5.2. Proyectos de producción 115

13.5.2.1. Proyectos HIF 115

13.5.2.2. Proyecto Mainstream

Renewable Power 116

13.5.3. Usos 116

13.5.3.1. Refinación del petróleo 116

13.5.3.2. Hidrogenación de las grasas 116

13.5.3.3. Fabricación de vidrios

especiales 116

13.5.3.4. Enfriamiento de generadores

de turbinas termoeléctricas 116

13.5.3.5. Producción de amoníaco (NH3) 117

13.5.3.6. Refinación de cobre 117

13.6. Referencias 117

SOBRE EL AUTOR

Juan Carlos Vega de Kuyper Es Químico de la Pontificia Universidad Católica de Chile, Doctor en Ciencias Químicas de la Universidad Complutense de Madrid y Profesor Titular de la Facultad de Química UC. Es autor de numerosos artículos científicos sobre síntesis y reactividad de compuestos orgánicos y de patentes de invención para la concentración de minerales cupríferos, así como de los libros: Química Orgánica para estudiantes de ingeniería, Manejo y gestión de residuos de la industria química y afín, Química del medio ambiente y de los recursos naturales, Fuentes de energía renovables y no renovables. Aplicaciones, Principios y aplicaciones de la energía fotovoltaica y de las baterías.