H2
Hay dos formas de utilizar el hidrógeno para propulsar los vehículos, incluyendo en la denominación de vehículos a los automóviles, ómnibus, trenes, camiones, barcos y aviones: 1) Usando una celda de combustible en un vehículo eléctrico y 2) El motor de combustión de hidrógeno.
1) La primera forma consiste en recargar las baterías de un vehículo eléctrico mediante celdas de combustible, usando hidrógeno como agente reductor y oxígeno como oxidante. Cada celda de combustible genera una fuerza electromotriz. La tensión de la celda depende de la corriente de carga. En circuito abierto, es de 1,2 voltios. Para crear la tensión y corriente necesarias, las celdas se agrupan combinándolas en serie y en paralelo. El hidrógeno requerido para el funcionamiento de las celdas se carga en el tanque de hidrógeno del vehículo y el oxígeno necesario se obtiene del aire del medio ambiente. De esta forma el vehículo eléctrico alimentará su motor desde las baterías, como lo hacía cuando estas eran cargadas desde cargadores en tierra. La diferencia es que ahora el cargador está a bordo del vehículo y que por esta razón habrá aumentado notablemente su autonomía, a pesar de que el tamaño de las baterías será mucho menor. (Fig. 1).
Fig.1: Automóvil eléctrico con pila de combustible (By Illustration created by illustrator Peter Welleman, Welleman - Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7934084)
2) La segunda forma es el motor de combustión de hidrógeno, que consiste en alimentar con hidrógeno un motor naftero, de combustión interna y de 4 tiempos, de una manera similar a como lo hace el GNC (Gas Natural Comprimido).
Los colores del hidrógeno
El hidrógeno es el primer elemento de la tabla periódica. Es el elemento químico más ligero que existe, su átomo está formado por un protón y un electrón y es estable en forma de molécula diatómica (H2). En condiciones normales se encuentra en estado gaseoso, y es insípido, incoloro e inodoro.
En la Tierra es muy abundante, se cree que constituye aproximadamente el 75 % de la materia del Universo, pero no anda suelto sino que se encuentra combinado con otros elementos como el oxígeno, formando moléculas de agua (H2O), o como el carbono, formando compuestos orgánicos (CH4, CH3, etc), de donde es necesario extraerlo para poder utilizarlo.
Si bien el hidrógeno en sí mismo es un combustible de cero emisiones, puede generar importantes emisiones de gases de efecto invernadero aguas arriba, según el método utilizado para producirlo.
El hidrógeno es un portador de energía, no una fuente de energía. El hidrógeno se produce a partir de una fuente de energía a través de varios procesos, como la electrólisis, la reformación del metano con vapor de agua, o la gasificación utilizando combustibles fósiles directamente, o electricidad producida a partir de energías renovables, combustibles fósiles o energía nuclear. No todos los métodos de producción de hidrógeno son iguales cuando se trata de impactos climáticos, por lo que se clasifica al hidrógeno en diferentes "colores" según la fuente de energía inicial y el proceso de producción. Este código de colores es un convenio proporcionado extraoficialmente por el ‘North American Council for Freight Efficiency’ (NACFE) (Consejo Norteamericano para la Eficiencia de Carga). Sin embargo, aún no existe una convención de nomenclatura universal para los colores del hidrógeno, que no puedan cambiar en el futuro con el tiempo, o incluso entre países. En definitiva, los colores del hidrógeno son solo una convención para catalogar al hidrógeno de una forma abreviada según su procedencia.
H verde: hidrógeno producido por electrólisis del agua, usando electricidad generada de fuentes renovables como el viento o el sol. No se producen emisiones de CO2. Se utiliza un dispositivo llamado electrolizador para producir hidrógeno verde. La electrólisis del agua es un proceso que utiliza electricidad para descomponer el agua en gas hidrógeno y oxígeno.
H azul: hidrógeno producido desde fuentes fósiles (como los hidrógenos nergro, gris o marrón), pero donde el CO2 es capturado y se almacena o se reutiliza. Como no se emite CO2, el proceso de producción de hidrógeno azul se clasifica como neutro en carbono.
H gris: hidrógeno extraído del gas natural mediante reformación de metano con vapor de agua. Durante el proceso, se producen una gran cantidad de emisiones de CO2 a la atmósfera. Esta es la forma más barata y más usada actualmente en todo el mundo, para la producción de hidrógeno.
H negro y H marrón: los hidrógenos negro y marrón se producen a partir del carbón, mediante gasificación. Los colores negro y marrón se refieren al tipo de carbón utilizado: bituminoso (negro) y lignito (marrón). La gasificación del carbón es un método utilizado para producir hidrógeno. Sin embargo, es un proceso muy contaminante, y se producen CO2 y monóxido de carbono como subproductos y se liberan a la atmósfera.
H Turquesa: el hidrógeno turquesa se puede extraer mediante la división térmica del metano a través de la pirólisis del metano. El proceso, aunque se encuentra en etapa experimental, elimina el carbono en forma sólida en lugar de como gas CO2.
H Púrpura / Rosa: se generan a través de la electrólisis del agua mediante el uso de energía nuclear.
H Amarillo: hidrógeno producido por electrólisis del agua, usando electricidad de la red, de varias fuentes (combustibles fósiles y renovables).
H Blanco: hidrógeno producido como un subproducto de procesos industriales. También se refiere a hidrógeno que se presenta en forma natural, lo que es muy raro.
El gas hidrógeno es altamente inflamable y se quema en concentraciones de 4 % o más de H2 en el aire. Las llamas de hidrógeno-oxígeno puros se queman en la gama del color ultravioleta y son casi invisibles a simple vista. A diferencia de los hidrocarburos, la combustión del hidrógeno no genera óxidos de carbono (monóxido y dióxido) sino simplemente agua en forma de vapor, por lo que se considera un combustible amigable con el medio ambiente y ayuda a mitigar el calentamiento global.
La celda de combustible (o célula de combustible o pila de combustible, como también se la llama)
La electrólisis del agua consiste en separar el oxígeno del hidrógeno del agua mediante electricidad.
También existe el proceso inverso. Es decir, juntando hidrógeno y oxígeno del aire en determinadas condiciones, se genera electricidad. Esto se denomina electrólisis inversa y es el principio de funcionamiento de la pila de hidrógeno.
La pila de hidrógeno es una pila de combustible donde el combustible es el hidrógeno. (Fig.2)
Consta de dos electrodos de platino: ánodo y cátodo, y un electrolito que los separa, que consiste en una membrana de intercambio de protones (PEM) (proton exchange membrane), una fina membrana polimérica permeable al paso de protones, e impermeable al paso de electrones.
En el ánodo, el platino actuando como catalizador hace que el hidrógeno experimente reacciones de oxidación, que generan iones de hidrógeno con carga positiva y electrones (ionización). Los iones se mueven del ánodo al cátodo a través del electrolito, haciendo que el cátodo resulte eléctricamente positivo. Los electrones entonces fluyen del ánodo al cátodo, atraídos por la carga positiva de este, a través de un circuito externo, produciendo corriente continua. En el cátodo, también el platino actuando como catalizador hace que iones, electrones y oxígeno reaccionen, formando agua.
Podría imaginarse a una celda de combustible como un sistema que toma prestados electrones del hidrógeno, los envía para realizar algún trabajo útil, como alimentar una carga y luego los recupera y los asocia con oxígeno para formar agua.
También la celda de hidrógeno es equivalente a una fuerza electromotriz (fem).
Fig.2 - Pila de hidrógeno (Fuente: By R.Dervisoglu - Own work, based on http://en.wikipedia.org/wiki/File:Solid_oxide_fuel_cell.svg, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=19314043)
(Reacción química en el ánodo)
(Reacción química en el cátodo)
Muy buena información.
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