Anteriormente, hablamos sobre qué medio de transporte ecológico son los autobuses eléctricos. Sin embargo, no se mencionó un punto importante: con el aumento en el número de vehículos eléctricos, las ciudades necesitarán más electricidad, que a menudo se obtiene de manera ambientalmente insegura. Afortunadamente, hoy el mundo ha aprendido cómo obtener energía con la ayuda del viento, el sol e incluso el hidrógeno. Decidimos dedicar el nuevo material a la última de las fuentes y hablar sobre las características de la energía del hidrógeno.
A primera vista, el hidrógeno es un combustible ideal. En primer lugar, es el elemento más común en el Universo, y en segundo lugar, cuando se quema, se libera una gran cantidad de energía y se forma agua sin la liberación de gases nocivos. La humanidad siempre ha reconocido los beneficios de la energía del hidrógeno, pero no tiene prisa por usarla a gran escala industrial.
Pilas de combustible de hidrógeno
La primera celda de combustible de hidrógeno fue diseñada por el científico inglés William Grove en los años 30 del siglo XIX. Grove trató de precipitar cobre de una solución acuosa de sulfato de cobre sobre una superficie de hierro y notó que bajo la influencia de la corriente eléctrica, el agua se descompone en hidrógeno y oxígeno. Después de este descubrimiento, Grove y Christian Schönbein, que trabajaron en paralelo con él, demostraron la posibilidad de generar energía en una celda de combustible de hidrógeno y oxígeno utilizando un electrolito ácido.
Más tarde, en 1959, Francis T. Bacon de Cambridge agregó una membrana de intercambio iónico a la celda de combustible de hidrógeno para facilitar el transporte de iones de hidróxido. El gobierno de EE. UU. Y la NASA se interesaron de inmediato en la invención de Bacon. La celda de combustible actualizada se utilizó en la nave espacial Apollo como la principal fuente de energía durante sus vuelos.
Celda de combustible de hidrógeno del módulo de servicio Apollon, que genera electricidad, calor y agua para los astronautas. Fuente: James Humphreys / Wikimedia CommonsAhora, una celda de combustible de hidrógeno se asemeja a una celda galvánica tradicional con solo una diferencia: la sustancia para la reacción no se almacena en la celda, sino que se suministra constantemente desde el exterior. Al filtrarse a través del ánodo poroso, el hidrógeno pierde electrones, que entran en el circuito eléctrico, y los cationes de hidrógeno pasan a través de la membrana. Además, en el cátodo, el oxígeno atrapa un protón y un electrón externo, como resultado de lo cual se forma agua.
El principio de funcionamiento de la pila de combustible de hidrógeno. Fuente: Geek.comSe elimina un voltaje de aproximadamente 0.7 V de una celda de combustible; por lo tanto, las celdas se combinan en celdas de combustible masivas con un voltaje y corriente de salida aceptables. El voltaje teórico de un elemento de hidrógeno puede alcanzar 1.23 V, pero
parte de la energía se destina al calor .
Desde el punto de vista de la energía verde, las celdas de combustible de hidrógeno tienen una eficiencia extremadamente alta del 60%. A modo de comparación: la eficiencia de los mejores motores de combustión interna es del 35-40%. Para las plantas de energía solar, el coeficiente es solo del 15-20%, pero depende en gran medida de las condiciones climáticas. La eficiencia de los mejores parques eólicos de paletas alcanza el 40%, que es comparable a los generadores de vapor, pero las turbinas eólicas también requieren condiciones climáticas adecuadas y un mantenimiento costoso.
Como podemos ver, en este parámetro, la energía del hidrógeno es la fuente de energía más atractiva, pero, sin embargo, hay una serie de problemas que dificultan su aplicación en masa. El más importante de ellos es el proceso de producción de hidrógeno.
Problemas mineros
La energía del hidrógeno es ecológica, pero no autónoma. Para funcionar, una pila de combustible necesita hidrógeno, que no se encuentra en la Tierra en su forma más pura. Se debe obtener hidrógeno, pero todos los métodos existentes actualmente son muy caros o ineficaces.
El
método más efectivo en términos de la cantidad de hidrógeno recibido por unidad de energía gastada es
la conversión de vapor de gas natural . El metano se combina con vapor de agua a una presión de 2 MPa (aproximadamente 19 atmósferas, es decir, presión a una profundidad de aproximadamente 190 m) y una temperatura de aproximadamente 800 grados, lo que resulta en un gas convertido con un contenido de hidrógeno del 55-75%. Se necesitan plantas enormes para la conversión de vapor, que solo se pueden aplicar en la producción.
Un horno de tubo para la conversión de metano a vapor no es la forma más ergonómica de producir hidrógeno. Fuente: CTK-EuroUn método más conveniente y simple es la electrólisis del agua. Cuando la corriente eléctrica pasa a través del agua tratada, se producen una serie de reacciones electroquímicas, como resultado de las cuales se forma hidrógeno. Una desventaja significativa de este método es el gran consumo de energía requerido para la reacción. Es decir, resulta ser una situación algo extraña: para obtener energía de hidrógeno, necesitas ... energía. Con el fin de evitar costos innecesarios durante la electrólisis y ahorrar recursos valiosos, algunas empresas se esfuerzan por desarrollar sistemas de ciclo completo "electricidad - hidrógeno - electricidad" en los que se puede obtener energía sin recarga externa. Un ejemplo de dicho sistema es el desarrollo de Toshiba H2One.
Estación de energía móvil Toshiba H2One
Desarrollamos la mini estación de energía móvil H2One, que convierte el agua en hidrógeno y el hidrógeno en energía. Para mantener la electrólisis, se utilizan baterías solares, y el exceso de energía se acumula en las baterías y garantiza el funcionamiento del sistema en ausencia de luz solar. El hidrógeno resultante se alimenta directamente a las celdas de combustible o se envía para almacenamiento a un tanque integrado. En una hora, el electrolizador H2One genera hasta 2 m
3 de hidrógeno, y en la salida proporciona una potencia de hasta 55 kW. Se requieren hasta 2.5 m
3 de agua para la producción de 1 m
3 de hidrógeno.
Hasta ahora, la estación H2One no puede suministrar electricidad a una gran empresa o a toda la ciudad, pero su energía será suficiente para el funcionamiento de pequeñas áreas u organizaciones. Debido a su movilidad, puede usarse como una solución temporal en condiciones de desastres naturales o cortes de energía de emergencia. Además, a diferencia de un generador diesel, que requiere combustible para su funcionamiento normal, una central eléctrica de hidrógeno solo necesita agua.
Ahora Toshiba H2One se usa solo en unas pocas ciudades de Japón; por ejemplo, suministra electricidad y agua caliente a una
estación de ferrocarril en la ciudad de Kawasaki.
Instalación de H2One en KawasakiFuturo de hidrógeno
Hoy en día, las celdas de combustible de hidrógeno proporcionan energía para bancos de energía portátiles, autobuses urbanos con automóviles y transporte ferroviario
(en nuestra próxima publicación hablaremos más sobre el uso de hidrógeno en la industria automotriz). Las celdas de combustible de hidrógeno inesperadamente resultaron ser una excelente solución para quadrocopters: con una masa similar a la de una batería, el suministro de hidrógeno proporciona un tiempo de vuelo hasta cinco veces más largo. En este caso, las heladas no afectan la eficiencia de ninguna manera. Los drones experimentales de celdas de combustible fabricados por la compañía rusa AT Energy se utilizaron para filmar en los Juegos Olímpicos de Sochi.
Se supo que en los próximos Juegos Olímpicos en Tokio, el hidrógeno se utilizará en los automóviles, en la producción de electricidad y calor, y también se convertirá en la principal fuente de energía para la villa olímpica. Para esto, encargado por Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. En la ciudad japonesa de Namie, se está construyendo una de las estaciones de producción de hidrógeno más grandes del mundo. La estación consumirá hasta 10 MW de energía recibida de fuentes "verdes", generando hasta 900 toneladas de hidrógeno por año por electrólisis.
La energía del hidrógeno es nuestra "reserva para el futuro", cuando tendremos que abandonar por completo los combustibles fósiles, y las fuentes de energía renovables no podrán cubrir las necesidades de la humanidad. Según el pronóstico de Markets & Markets, la producción mundial de hidrógeno, que ahora es de $ 115 mil millones, crecerá a $ 154 mil millones para 2022. Pero en el futuro cercano, es poco probable que ocurra la introducción masiva de tecnología, aún es necesario resolver una serie de problemas asociados con la producción y operación de plantas de energía especiales, y reducir su costo . Cuando se superan las barreras tecnológicas, la energía del hidrógeno alcanzará un nuevo nivel y, posiblemente, estará tan extendida como la energía tradicional o hidroeléctrica en la actualidad.