GENERACION DE ELECTRICIDAD CON HIDROGENO

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TEMA DE CONSULTA:
GENERACION DE ELECTRICIDAD CON HIDROGENO
MATERIA:
ENERGIA RENOVABLE I
INTRODUCCION
Generación de electricidad con hidrogeno.
El hidrógeno es una fuente de energía renovable que provee mucha expectativa para el futuro ya que es inagotable y no contamina. El conjunto de tecnologías especialmente desarrolladas en el siglo XX, ha elevado el nivel de consumo de energía per cápita en la mayoría de los países, ese parámetro se toma como sinónimo de bienestar. Así, aparece el hidrógeno, elemento en estado gaseoso en condiciones ambientales normales, pero que es factible de almacenamiento, transporte y distribución, lo que permite su aplicación a cualquier segmento de la demanda. En virtud de tal mención, el hidrógeno fue descubierto por el científico británico Henry Cavendish, en 1776.
“El hidrógeno es el elemento más ligero, más básico y más ubicuo del universo. Cuando se utiliza como fuente de energía, se convierte en el combustible eterno. Nunca se termina y, como no contiene un solo átomo de carbono, no emite dióxido de carbono, este se encuentra repartido por todo el planeta: en el agua, en los combustibles fósiles y en los seres vivos.” (uom, 2016)
El hidrógeno no es fuente primaria de energía, no es un combustible que podamos extraer directamente de la tierra como el gas natural. La fuente más común de hidrógeno es el agua. 
En realidad, es un proceso muy sencillo que conocemos desde mucho tiempo y que basa en los principios del electrolisis en la cual se puede usar una corriente eléctrica para descomponer el agua (H2O) en oxígeno (O2) e hidrógeno (H2). De esta forma, obtenemos un 'combustible' limpio que al usarse nos devuelve agua: la batería perfecta.
No obstante, aunque sencillo no es trivial, por ende, en la presente investigación se pretende abordar varios criterios relacionados a la generación de electricidad por medio del hidrogeno, ya que la mayor parte del combustible de hidrógeno se extrae del gas natural porque permite un tratamiento industrial más sencillo y eficiente. De ahí que durante los últimos años se hayan hecho grandes esfuerzos por desarrollar procesos y métodos que permitan el uso de estas técnicas a escala industrial.
“Dentro del Ecuador, en la Unidad de Negocio Hidropaute ya se ha determinado el potencial hidráulico con posibilidades de aprovechamiento para producir hidrógeno electrolítico. Debido a las grandes fluctuaciones mensuales de caudal vertido en la Unidad, al efecto del funcionamiento del embalse Mazar, así como a la necesidad de proveer de diferentes alternativas futuras en cuanto a la ejecución práctica de las propuestas, se ha visto la necesidad de crear escenarios sobre la disponibilidad de generación y aprovechamiento de energía eléctrica. Estos escenarios han servido de base para el análisis técnico-económico de la factibilidad de la producción de hidrógeno electrolítico. Una vez conocida la cantidad de energía disponible se ha determinado la cantidad de hidrógeno que se puede generar por vía electrolítica en los diferentes escenarios planteados.”
(Pelaez & Espinoza, 2015)
En efecto si comparamos este método de obtención de energía con otras alternativas, el hidrógeno no necesita grandes extensiones de terreno para ser cultivado, ya que es un elemento presente en el aire, en el agua y en los hidrocarburos. Tampoco se necesita mucho sol o una gran circulación de aire para trabajar ya que el hidrógeno se lo almacena en grandes tanques.
RESUMEN
La producción de hidrógeno electrolítico no provoca contaminación ambiental cuando la energía eléctrica usada ha sido generada a partir de una fuente poco contaminante, que es el caso de la energía hidráulica. Lo mencionado tiene interés enorme, debido a que la producción de hidrógeno a partir de gas natural y otros fósiles tiene como consecuencia la emisión de grandes volúmenes de dióxido de carbono a la atmósfera. Actualmente no se consideran los costos ambientales de esos procesos; sin embargo, si a futuro se lo hace, serán necesarias alternativas para producir hidrógeno sin emisiones de CO2. Dentro de esas opciones se perfila como primera elección la electrólisis del
agua.
Hoy en día en el Ecuador se han realizado y se están realizando investigaciones dentro de este campo, pero sin embargo ya que en el país solo existe un laboratorio con la capacidad y la infraestructura para realizarlo y apenas en toda Sudamérica solo existen tres laboratorios de igual condiciones que permitan realizar pruebas de combustibles.
Algunas empresas mundiales como Toyota, Ford, Hyundai, etc. Producen automotores que operan con este elemento químico, pero en el país todavía no son populares porque no existen estaciones de abastecimiento de hidrógeno tipo gasolineras.
CONTEXTO MACRO
Antecedentes.
Hace doscientos años, el jurista William Grove descubrió que con una reacción electroquímica entre hidrógeno y oxígeno podría generar electricidad. Con esos parámetros iniciales, pero en nuestros días, científicos e investigadores en la materia siguen partiendo de su descubrimiento con el objetivo a largo plazo de convertir el hidrógeno en una fuente de energía masiva. Con el tiempo se espera que contrarreste y con suerte llegue a poner fin a los efectos de un uso y abuso de recursos energéticos tradicionales, como el petróleo o el carbón, para mantener las exigencias energéticas de nuestras sociedades.
Tras dos siglos de estudios e investigaciones se ha conseguido conocer la manera de comprimir y almacenar el elemento más abundante del universo en una célula o pila de combustible, que genera la energía necesaria para hacer funcionar prototipos de vehículos, autobuses de transporte urbano e incluso plantas industriales o baterías de teléfonos móviles con el único desecho de agua y calor. No obstante, la clave es conseguir descifrar de qué forma puede obtenerse el hidrógeno de forma limpia y sin contaminar nuestro hábitat. (INTERMPRESAS, 2017)
El Hidrógeno cómo Fuente de Energía
Lo primero que hay que entender sobre el hidrógeno es que es un medio de almacenaje de energía y no una fuente de esta. La energía que almacena éste, tiene que venir de alguna parte. Popularmente se ha confundido el uso del hidrógeno, como una fuente primaria de energía limpia y sustentable en el futuro para la generación de electricidad, que a futuro podría llegar a reemplazar a los combustibles fósiles cómo fuente energética. La generación de electricidad a través de celdas de combustible o de combustión interna en base a hidrógeno es un tema distinto, que no implica un cambio en las fuentes primarias de energía, pero que podría tener tremendo impacto en el uso de una matriz energética sustentable con el medio ambiente. (RUDNICK, 2011)
Electrolisis de agua.
Cuando los volúmenes de hidrógeno requeridos en una determinada aplicación no son elevados, el hidrógeno se obtiene mediante electrolisis de agua. La reacción electrolítica se realiza en medio alcalino debido a que en este medio se incrementa la conductividad eléctrica. El hidrógeno producido en el cátodo se debe purificar ya que contiene impurezas de oxígeno y un cierto nivel de humedad. La corriente de hidrógeno se seca mediante un adsorbente y las impurezas de oxígeno se eliminan con un convertidor DeOxo. Además, en el ánodo del electrolizador se produce oxígeno, cuyo volumen es la mitad del volumen de hidrógeno, tal como corresponde a la composición de la molécula de agua. La mayor parte de los electrolizadores son de tipo tanque con los electrodos dispuestos en paralelo. El calor liberado en el proceso se elimina recirculando agua alrededor de las celdas. El hidrógeno permite el acceso a un amplio grupo de precursores primarios tales como combustibles fósiles, energía nuclear y con una penetración cada vez mayor de las energías renovables (eólica, solar, biomasa) Conviene señalar el hecho de que el hidrógeno producido por electrolisis es del orden de 4.9-5.6 kWh por cada m3 de hidrógeno producido, lo que resulta al menos dos veces más caroque el hidrógeno obtenido por reformado del gas natural. 
Puesto que los electrolizadores convencionales proporcionan H2 con un coste elevado, se han desarrollado otros procesos electrolíticos. Uno de ellos es la electrolisis en fase de vapor. El potencial reversible de la celda decrece al aumentar la temperatura. Puesto que el coste de electricidad requerida en la electrolisis para producir H2 a partir de H2O es proporcional a la fuerza electromotriz de la celda, el coste disminuye con la temperatura. La celda se enfría debido a que el proceso es endotérmico y se mantiene a temperatura constante aportando calor desde el exterior. Esto significa que el calor se convierte por vía electroquímica en H2 sin pasar por un ciclo de Carnot. Así, a 1.500 ºK la cantidad de energía térmica que se utiliza en la descomposición termo-electroquímica es del 50% del total. Bajo estas condiciones, el coste de producción es 50% más bajo que en el proceso convencional. Otra alternativa económica de producción de H2 la proporcionan nuevos tipos de electro-catalizadores que son capaces de disminuir el sobre voltaje, lo que supone una reducción del coste. 
Instalación comercial de producción de H2 (150 m3/h) mediante electrolisis de agua.
(FIERRO, 2012)
Lugares donde se ha implementado.
Abre en Alemania la mayor planta de producción de hidrógeno del Mundo.
En 2014, Siemens anunció que iba a construir (junto con varias empresas de servicios públicos y la RheinMain University of Applied Sciences) la planta de producción de hidrógeno más grande del mundo. Este mes entra en funcionamiento.
Hace un par de años, los contábamos que las plantas de electrólisis eran una de las alternativas más interesantes para resolver el problema de almacenamiento de la energía. Con la planta que se abre en Alemania, entramos en una nueva fase de aprovechamiento masivo de las energías renovables.
¿Qué es la electrolísis del agua?
En realidad, es un proceso muy sencillo que conocemos desde hace más de dos siglos. Consiste en usar una corriente eléctrica para descomponer el agua (H2O) en oxígeno (O2) e hidrógeno (H2). De esta forma, obtenemos un 'combustible' limpio que al usarse nos devuelve agua: la batería perfecta.
No obstante, aunque sencillo no es trivial. A día de hoy, la mayor parte del combustible de hidrógeno se extrae del gas natural porque permite un tratamiento industrial más sencillo y eficiente. De ahí que durante los últimos años se hayan hecho grandes esfuerzos por desarrollar procesos y métodos que permitan el uso de estas técnicas a escala industrial.
En este sentido, este tipo de fábricas van a ser claves a corto plazo porque son una buena forma de almacenar las energías renovables. A día de hoy podemos tener una garrafa de gasolina y un generador en el sótano por si las moscas, pero no podemos tener una garrafa de 'energía solar'. La posibilidad de aprovechar de forma efectiva los excedentes promete ser el impulso definitivo (y la consolidación) de las energías verdes.
(JIMENEZ, 2015)
Del petróleo al hidrógeno: el caso de Japón
La sociedad del hidrógeno japonesa
EL gobierno nipón ha unido fuerzas con los mayores fabricantes del país para impulsar lo que denominan "sociedad del hidrógeno", donde todo estaría alimentado por combustibles libres de emisiones. Desde los autobuses y coches a los hogares.
Y tenemos una fecha muy clara: las olimpiadas de Tokio 2020. Japón quiere que el evento deportivo sea el mayor escaparate de innovación y Tokio 2020 será el mayor escaparate de tecnología y uso del hidrógeno tecnología de la historia.
Hay varios objetivos claros. Tokio pretende tener 6.000 coches y 100 autobuses de pila de combustible de hidrógeno para la fecha señalada. Autobuses que transportarán a los atletas al estadio.
El gobierno, junto a compañías como Toyota, trabajan en una red de puntos de repostaje, ya hay una docena de ellos en el país, con el objetivo de llegar a 35 en 2020.
Tokio ha invertido unos ¥40.000 millones, más de $300, para promover el uso del hidrógeno como alternativa a los combustibles fósiles. Destacan las ayudas otorgadas a los que compren coches de hidrógeno de más de $20.000 por coche. Una cifra mucho más elevada que la que se presta por un coche eléctrico.
El hidrógeno, visto así, parece el elemento mágico del futuro de nuestra sociedad. Coge el elemento más abundante del universo, combínalo con oxígeno y.… magia: obtienes agua y electricidad. "Es respetuoso con el medioambiente" así lo describe el Primer Ministro japonés Shinzo Abe, "y no emite dióxido de carbono".
Lamentablemente, esa es la parte buena de la historia. El hidrógeno no es una fuente de energía, es sólo un método para almacenarla.
La tecnología tras los coches FCV
Toyota FCV 2013.
En lo que está invirtiendo la industria del automóvil es, en realidad, un coche eléctrico con pila de combustible de hidrógeno, en inglés FCV o FCEC (fuel cell electric vehicle).
El motor es eléctrico, pero — a diferencia de coches como los Tesla que tan populares son en los medios occidentales — estos no se cargan a través de una toma de corriente, sino de repostajes de hidrógeno.
Para hace un uso eficiente del hidrógeno, a diferencia del motor de combustión, se emplea una pila de combustible. Funciona como una batería, donde sus reactivos se reabastecen continuamente. Simplificándolo al máximo, el cometido es recibir hidrógeno que se emplea en reacción con el oxígeno para obtener un diferencial de tensión y, por ende, generar corriente eléctrica. Esa electricidad llega a las baterías que alimentan el motor. Lo mejor de todo es que la reacción desprende vapor de agua, no dióxido de carbono.
El oxígeno se obtiene del aire previamente filtrado y comprimido para introducirse en la pila gracias a un compresor eléctrico. El rendimiento energético del conjunto llega hasta un 70% en los mejores casos.
El gran problema del hidrógeno
Aunque el señor Shinzo Abe hable sólo de las bondades del hidrógeno, hay varios desafíos que superar por la sociedad. Y complicados.
El primer problema es que para la obtención de hidrógeno como combustible se necesita energía — mucha — y el impacto en el medioambiente depende única y exclusivamente de dónde proviene la electricidad empleada en el proceso.
Cuesta mucho producir hidrógeno y su impacto en el medioambiente depende de cómo se realice el proceso ¿De dónde sacará Japón el hidrogeno que alimentará su sociedad y olimpiadas? En el ambicioso documento redactado por la Agencia Nacional de Recursos y Energía que aborda la futura sociedad del hidrógeno y cómo llegar a ella se cita como primera fuente las importaciones. Por ejemplo, hidrógeno producido con carbón de Australia. Esto ayudaría a reducir la polución en Tokio, aunque no parece la mejor propuesta para el medio ambiente contaminar fuera de Tokio en lugar de dentro.
En países con sectores energéticos más diversificados y proactivos en cuanto a renovables, la situación no cambia mucho. Cuesta mucho producir hidrógeno en masa. Canadá intentó hacerlo en 2010 con sus buses a hidrógeno para las Olimpiadas de Vancouver. Los autobuses están aparcados y olvidados hoy. Era muy costoso hacerlos funcionar. Obtenían el hidrógeno de Quebec.
Lo problemático es que los avances en materia hidrógeno parecen ir a menos en los últimos años gracias al desarrollo y reducción de costes de las baterías, los coches eléctricos y los avances en energías renovables. Occidente piensa en eléctricos que se enchufan, no en eléctricos que van a repostar.
Las estaciones de repostaje son más de cinco veces más caras de construir por las estrictas precauciones que se han de cumplir. Debido a su alta carga energética y presión a la que se transporta, el hidrógeno puede causar muchísimos más daños que los combustibles tradicionales en un accidente. Es vital que no ocurra, y eso es caro.
Elon Musk, cómo no, opina que el hidrógeno para producir electricidad en un coche es una idea estúpida.
Aunque Japón logre cumplir sus objetivos para 2020 y Honda, Toyota y resto de marcas japonesas sigan desarrollandomejores coches sólo significaría un éxito local, no global. ¿Tiene sentido?
Tokio 2020 será uno de los mayores escaparates de tecnología de la historia. Coches autónomos, autobuses de hidrógeno... y un objetivo: reactivar la economía y mostrar de lo que son capaces las grandes multinacionales japonesas.
(PALAZUELOS, 2015)
CONTEXTO MESO
PRODUCCION DE ENERGIA ELECTRICA MEDIANTE EL HIDROGENO EN ECUADOR
En esta alternativa se propone utilizar el hidrógeno para la producción de amoníaco. El lugar donde se podría producir amoníaco es Guayaquil, por lo que la obtención de hidrógeno electrolítico también debe ser realizada en esta ciudad. La propuesta se justifica porque:
•	Es conveniente que la producción industrial de amoníaco ocurra cerca de los lugares de consumo del mismo. La cuenca del río Guayas se caracteriza por una elevada demanda de fertilizantes a nivel nacional para diversos cultivos como arroz, maíz, banano, entre otros (Rivera, 2009). Adicionalmente, su condición de puerto marítimo facilitaría la logística de importación de insumos o exportación del producto, de ser el caso. Estos elementos convierten a Guayaquil o un lugar muy próximo a esta ciudad en el lugar adecuado para instalar la planta.
•	 La demanda de amoníaco para otros fines puede ser muy alta en esta ciudad. Se destacan posibilidades de uso en sistemas de refrigeración ecológica, principalmente a nivel industrial, así como usos en diversas industrias (cervecera, de helados, explosivos, etc.).
•	Existe un potencial mercado consumidor del oxígeno generado en el proceso de electrólisis, fundamentalmente para procesos de combustión.
•	Existe un potencial mercado consumidor del oxígeno generado en el proceso de electrólisis, fundamentalmente para procesos de combustión.
Ecuador no produce abonos nitrogenados de ningún tipo; así, todo el consumo nacional corresponde a importación desde diferentes países (Estados Unidos, Colombia, Holanda, España, Italia, Alemania, Chile, China, entre otros). Dicha importación fue de 125.700 t en el 2008 y 243.122 t en 2011 (MAGAP, 2013). De acuerdo con la presente propuesta, a futuro se podría obtener fertilizantes producidos con hidrógeno electrolítico. 
Un aspecto adicional que contribuye a pensar en la opción presentada es la posibilidad de almacenar sin dificultades este tipo de abonos, a diferencia de las dificultades del almacenamiento de hidrógeno en sí. La urea, por ejemplo, es un producto que puede ser almacenado hasta por seis meses, de acuerdo con las recomendaciones de los fabricantes.
EMPLEO EN LAS REFINERIAS DE PETROLEO EN EL HIDROTRATAMIENTO PARA OBTENER ENERGIA DEL HIDROGENO
En Ecuador existen actualmente tres refinerías: Esmeraldas, La Libertad y Shushufindi, con una capacidad total instalada de 176.000 barriles diarios de petróleo (Pelaez-Samaniego et al, 2007).
A pesar de que el funcionamiento de la refinería no es continuo ni a máxima capacidad, la demanda anual representa cantidades significativas de hidrógeno. Dicho hidrógeno que hoy se obtiene del mismo petróleo, podría ser sustituido por hidrógeno electrolítico. El factor que viabilizaría la propuesta es el costo del hidrógeno electrolítico, que debe ser atractivo para la refinería. Al emplear hidrógeno electrolítico para la refinación de petróleo, la ubicación de la planta de electrólisis debe ser junto a la refinería, o sea en Esmeraldas. Es importante mencionar que en corto tiempo podría ser instalada una nueva refinería, la Refinería del Pacífico, en la provincia de Manabí (como parte de un complejo petroquímico, donde también se obtendrían otros productos químicos). Si bien no ha sido posible conocer la tecnología que se emplearía en esa nueva refinería, el proceso de refinación podría recurrir al uso de hidrógeno, principalmente para el hidrotratamiento de las fracciones pesadas de petróleo.
CONTEXTO MICRO (MANABÍ)
Al hidrógeno se le está considerando como elemento de sustitución de los combustibles fósiles actuales porque es abundante, eficiente y, al contrario que otras alternativas, tiene el potencial de ser renovable y no produce emisiones. Puede utilizarse como portador de energía para generar potencia eléctrica con las pilas de combustible de hidrógeno y los motores de combustión de hidrógeno.
Esto ha motivado la búsqueda de nuevas fuentes de energía. Es necesario entonces preparar una transición controlada hacia una nueva forma de producción y consumo energético, que sea limpia segura y fiable. 
Una alternativa es el uso de hidrógeno como biocombustible. 
Cerca del 96% de la producción mundial de hidrógeno se obtiene a partir de materias primas fósiles. Para independizar su obtención de estas fuentes, se ha considerado la biomasa como un prometedor suministro por su naturaleza renovable. 
El hidrógeno es un vector energético con muy bajas emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), su impacto medioambiental dependerá de la fuente de energía y la tecnología empleada para su obtención y puede producirse por métodos termoquímicos y biológicos. Los primeros emplean elevadas temperaturas y presiones moderadas (en presencia o ausencia de aire). Los segundos utilizan microorganismos que descomponen la materia orgánica mediante una serie de reacciones bioquímicas. 
Una estrategia que actualmente se emplea en el campo energético es el uso de residuos de cultivos que se eligen por su potencial acorde a su producción y disponibilidad.
Ecuador se caracteriza por sus grandes extensiones de sembríos de banano, localizados principalmente en El Oro, Guayas y Los Ríos que generan cerca de cinco millones de toneladas de residuos anuales, según el Atlas Bioenergético del Ecuador de 2014, en la actualidad también se puede situar a la provincia de Manabí, y pueden constituirse en una fuente de energía renovable y suministro para la producción de hidrógeno.
Al trabajar con biomasa procedente de ciertos residuos agrícolas, su elevada cantidad de humedad representa un problema. En el caso del banano es de alrededor del 90%, por lo que surge la necesidad de desarrollar nuevas tecnologías compatibles con sus características inherentes. 
La gasificación en agua en condiciones supercríticas (temperaturas superiores a 374ºC y presiones 221 veces la presión atmosférica), método termoquímico que permite aprovechar el contenido de agua de la biomasa, es una nueva técnica que pretende consolidarse como una alternativa en el procesamiento de diferentes tipos de residuos agrícolas, e inclusive desechos sólidos urbanos para la obtención de hidrógeno y que podría usarse para el aprovechamiento de residuos del banano. 
Una forma de mejorar la eficiencia del proceso de gasificación en agua en condiciones supercríticas es el uso de catalizadores, que son sustancias que aceleran las reacciones químicas, incrementan la cantidad del producto deseado y contribuyen con el ahorro de energía durante la reacción. 
La combinación de estos materiales y la gasificación con agua en condiciones supercríticas, permiten obtener mayor rendimiento en la producción de hidrógeno que con procesos como la electrólisis. 
Aunque se llevan a cabo numerosas investigaciones alrededor del mundo en cuanto a la producción de hidrógeno por diferentes vías, quedan algunos desafíos pendientes como el escalado de las tecnologías para el adecuado suministro de este biocombustible, así como el desarrollo de métodos apropiados de almacenamiento.
Bibliografía
FIERRO, L. (2012). LYCHNOS. Obtenido de http://www.fgcsic.es/lychnos/es_es/articulos/hidrogeno_metodologias_de_produccion
INTERMPRESAS. (09 de julio de 2017). Interempresas.net. Obtenido de http://www.interempresas.net/Energia/Articulos/41872-Hidrogeno-oxigeno-Electricidad.html
JIMENEZ. (12 de NOVIEMBRE de 2015). XATAKA.L. Obtenido de https://www.xataka.com/energia/abre-en-alemania-la-mayor-planta-de-produccion-de-hidrogeno-del-mundo
Magíster Silvana Zalamea, M. J. (27 de Octubre de 2016). Obtención de hidrógeno con propósitos energéticos.
PALAZUELOS, F.(28 de OCTUBRE de 2015). HIPERTEXTUAL. Obtenido de https://hipertextual.com/2015/10/petroleo-hidrogeno-japon
Pelaez, M., & Espinoza, J. (2015). Las energias alternativas en el Ecuador. Cuenca: Universidad de Cuenca.
RUDNICK, H. (01 de mayo de 2011). PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILE. Obtenido de http://hrudnick.sitios.ing.uc.cl/alumno07/Pagina%20Web/energia.htm
uom. (2016). puquita-uom. Obtenido de http://puquita-uom.blogspot.com/