• Plantas eléctricas alimentadas con gas natural: En Estados Unidos, hay 1,793 plantas eléctricas alimentadas con gas natural, y generan el 34% por ciento de la electricidad del país.

• Carbón: Hay 400 plantas eléctricas alimentadas con carbón en Estados Unidos. Estas plantas generaron el 30 por ciento de la electricidad del país.

• Nuclear: Hay 61 plantas nucleares en Estados Unidos, y estas plantas generan el 20 por ciento de la electricidad del país.

• Hidroeléctrica: Hay 1444 plantas hidroeléctricas que generan el 7 por ciento de la electricidad del país.

• Eólica y Solar: Hay 999 plantas eléctricas de energía eólica y 1721 plantas de energía solar, que generaron un total del 7 por ciento de la electricidad del país el año pasado.

Tecnologías para la producción de hidrógeno.

Hoy en día, la mayor parte del hidrógeno se produce a partir de diversos combustibles fósiles como el petróleo, el gas natural y el carbón. La mayor parte del hidrógeno (96%) producido en Estados Unidos se obtiene mediante reformado de gas natural en grandes plantas centrales. Algunos de los usos actuales del hidrógeno incluyen el hidrotratamiento y el hidrocraqueo, que son procesos utilizados en las refinerías para mejorar el petróleo crudo. Se utiliza en la industria química para fabricar diversos compuestos químicos, como amoníaco y metanol, y en procesos metalúrgicos. Algunas de las tecnologías para producir hidrógeno incluyen el reformado con vapor de gas natural, la oxidación parcial de hidrocarburos y la gasificación del carbón. Sin embargo, estas tecnologías no ayudarán a disminuir la dependencia de los combustibles fósiles.

La electrólisis del agua es una tecnología madura que se desarrolló para la producción de hidrógeno. Es eficiente pero requiere grandes cantidades de electricidad. Sin embargo, esto se puede solucionar utilizando energía solar para producir la electricidad necesaria para descomponer el hidrógeno. Esta tecnología está lo suficientemente madura como para usarse a gran escala para la generación de electricidad e hidrógeno. Otras opciones para generar hidrógeno incluyen energía hidroeléctrica, plantas nucleares durante las horas de menor actividad, descomposición térmica directa, termólisis, ciclos termoquímicos y fotólisis. Muchas de estas tecnologías se encuentran en distintas etapas de desarrollo y algunas han sido abandonadas.

Reformado con vapor. El método más barato de producir hidrógeno a gran escala es mediante el reformado con vapor de combustibles fósiles. Los métodos actuales utilizan un catalizador de níquel. El metano primero reacciona con el vapor para producir monóxido de carbono e hidrógeno. El monóxido de carbono pasa sobre el catalizador y luego reacciona con el vapor para producir dióxido de carbono e hidrógeno según la siguiente reacción. El gas natural es la materia prima más barata para producir hidrógeno a partir del reformado con vapor, pero este costo sigue siendo dos o tres veces mayor que el de producir gasolina a partir de petróleo crudo. Actualmente, se están realizando muchas investigaciones sobre cómo mejorar la eficiencia y reducir los costos de producción del reformado con vapor.

Oxidación parcial. Otro método utilizado para producir hidrógeno es la oxidación parcial. Este proceso implica hacer reaccionar la membrana con oxígeno para producir hidrógeno y monóxido de carbono. La eficiencia de conversión es menor que la del reformado con vapor, razón por la cual ese proceso todavía domina la producción comercial de hidrógeno.

Gasificación del carbón. La gasificación del carbón es uno de los métodos más antiguos para producir hidrógeno. Se utilizaba para producir “gas ciudad” antes de que estuviera disponible el gas natural. El carbón se calienta a estado gaseoso y luego se mezcla con vapor en presencia de un catalizador para producir gas de síntesis. Este gas puede procesarse para extraer hidrógeno y otras sustancias químicas o quemarse para producir electricidad. La investigación y el desarrollo actuales sobre gasificación del carbón se centran en la reducción de contaminantes, como los óxidos de nitrógeno y azufre, el mercurio y el monóxido de carbono.

Reformas a pequeña escala: Varios estudios han evaluado el costo y la viabilidad de construir una infraestructura de reabastecimiento de hidrógeno para vehículos y estos estudios han encontrado que la reforma a pequeña escala en la estación de servicio puede ofrecer el costo más bajo de hidrógeno entregado y la solución más práctica para desarrollar el Economía del hidrógeno. Por lo tanto, los reformadores a pequeña escala son una tecnología clave para las primeras etapas de una economía del hidrógeno. La tecnología reformadora está disponible comercialmente hoy; sin embargo, las economías de escala en el costo de capital pueden ser significativas. Se necesitan materiales de menor presión, temperatura y costo para que el reformado distribuido a pequeña escala sea competitivo. También es necesario abordar la minimización de las emisiones de CO2, ya que la captura y el secuestro de carbono pueden resultar costosos a pequeña escala.

Futuros proveedores de hidrógeno

Existen múltiples métodos para producir hidrógeno si se utiliza un electrolizador con una fuente de energía renovable. Los electrolizadores utilizan electricidad para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno. La electrólisis del agua se produce mediante una reacción electroquímica que no requiere componentes externos ni piezas móviles. Es muy fiable y puede producir hidrógeno ultrapuro (>99,999%) de forma no contaminante cuando la fuente eléctrica es energía renovable. Las reacciones que tienen lugar en un electrolizador son muy similares a las reacciones en las pilas de combustible, excepto que las reacciones que ocurren en el ánodo y el cátodo son inversas. Lo ideal es que la energía eléctrica necesaria para la reacción de electrólisis proceda de fuentes de energía renovables como la eólica, la solar o la hidroeléctrica. Hay varias estaciones de servicio de hidrógeno para vehículos que producen hidrógeno en el sitio mediante electrólisis mediante paneles solares.

Eólica: El viento es un recurso 100% renovable para generar electricidad. En una turbina eólica, las palas de la turbina captan la energía cinética del viento. La energía eólica capturada mueve las palas, que hacen girar un eje conectado a un generador. De esta forma, la energía rotacional se convierte en energía eléctrica. La energía eólica genera electricidad transfiriendo energía de un medio a otro. La electricidad generada por el viento se puede utilizar para la electrólisis del agua y producir hidrógeno. Este hidrógeno se puede almacenar y utilizar para generar electricidad cuando sea necesario.

Solar: la energía solar se puede utilizar junto con un electrolizador para producir hidrógeno. Cuando una célula fotovoltaica (PV) se expone a la luz solar, los fotones de la luz solar absorbida desalojan los electrones de los átomos de la célula. Luego, los electrones libres se mueven a través de la celda, creando y llenando agujeros. Es este movimiento de electrones y huecos el que genera electricidad. El proceso de convertir la luz solar en electricidad se conoce como «efecto fotovoltaico».

Biomasa: Los combustibles pueden derivarse de muchas fuentes de biomasa, incluido el metano de los desechos municipales, lodos de depuradora, residuos forestales, vertederos y desechos agrícolas y animales. Por lo tanto, la biomasa es un recurso abundante que puede convertirse en hidrógeno y otros subproductos mediante diversos métodos. Además, el cultivo de biomasa elimina dióxido de carbono de la atmósfera, por lo que las emisiones netas de carbono de estos métodos pueden ser bajas. El hidrógeno se puede producir a partir de muchos tipos de biomasa, como residuos agrícolas y animales, mediante procesos de pirólisis y gasificación. Estos producen un gas de síntesis rico en carbono. El uso de biomasa en lugar de combustibles fósiles no produce emisiones de dióxido de carbono. Desafortunadamente, los costos de producción de hidrógeno a partir de biomasa son mucho más altos que los costos de producción de hidrógeno a partir de combustibles fósiles. Los procesos biológicos para producir hidrógeno a partir de biomasa incluyen técnicas de fermentación, digestión anaeróbica y procesamiento metabólico, pero están lejos de ser competitivas con las técnicas tradicionales de producción de hidrógeno.

Conclusión

Para lograr el objetivo de la transición de nuestra economía tradicional basada en combustibles fósiles a una economía de energía renovable, pueden ser necesarios uno o más pasos intermedios, como usar propano o metanol como combustibles y/o procesar inicialmente hidrógeno a partir de combustibles fósiles y carbón. Aunque lo más seguro es que el hidrógeno se produzca inicialmente a partir de combustibles fósiles, en el futuro se podrán utilizar muchos métodos basados ​​en combustibles no fósiles para obtener hidrógeno, como la energía nuclear, biológica, eólica y, en última instancia, solar. Ya se utilizan tecnologías de producción, utilización y almacenamiento de hidrógeno, aunque es necesario realizar muchas mejoras. Es necesario realizar más investigación y desarrollo sobre el hidrógeno solar para aplicaciones futuras, ya que se puede producir hidrógeno a un costo perdido y sin contaminación una vez que se haya establecido la infraestructura.