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El paso de la combustión convencional a la economía del hidrógeno.

Optimización de la explotación de los combustibles fósiles hacia emisiones cero en CO₂

J.M.Martínez-Val Piera
Ingeniero de Minas
M.Sc. Colorado School of Mines
Fundación para el Fomento de la Innovación Industria

Cuarta parte. (4 / 6)

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4.
Balance energético

La utilidad de los combustibles se debe medir en función de la energía realmente aprovechada en el fin al que se aplican, más el importe económico que representa su explotación a través de una tecnología dada. Hasta hace poco, en estas cuestiones económicas no se incluían factores de tipo ambiental y de prevención de contaminantes, pero en los últimos decenios este programa ha cambiado radicalmente. En las diversas aplicaciones energéticas (transporte, generación de energía eléctrica, usos térmicos residenciales, etc.) se han ido planteando exigencias cada vez mayores en la calidad de los combustibles, en primer lugar para evitar, o al menos mitigar, los efectos locales de la contaminación. Esto ha llevado a programas tales como la erradicación del carbón en las calderas urbanas de calefacción y agua caliente, a la aparición de la gasolina sin plomo, o a las especificaciones de gasóleos con menor contenido en azufre.

El binomio ambiental-económico será tratado en el apartado siguiente. En este se trata de evaluar la primera parte del problema: el balance energético del esquema convencional, y el de la alternativa aquí propuesta, a través de la economía del hidrógeno y sus tecnologías propias, entre las que destaca la pila de combustible, elemento esencial en este análisis.

La pila de combustible (10, 49, 50) es un dispositivo electroquímico que actúa en sentido inverso a una cuba electrolítica. En ésta, se aplica una diferencia de potencial a unos electrodos, a través de los cuales se inyecta y recibe una corriente eléctrica, que a su paso por el electrolito separa las especies iónicas de éste, pues son estas cargas eléctricas las que realmente portan la corriente eléctrica aplicada. En la cuba, los iones positivos van al cátodo (donde se reducen, capturando un electrón) y los negativos al ánodo (donde se oxidan, dando un electrón). Los efectos netos de este fenómeno son dos: circulación real de la corriente eléctrica aplicada, y desplazamiento de los iones hacia los electrodos correspondiente. De ser gaseosos los elementos producidos tras la combinación química en el electrodo, se desprenden y emergen de la cuba. De ser sólidos, precipitan sobre el electrodo. De esta manear cabe producir hidrógeno (en el cátodo) mediante electrolisis. Esta es la forma que se seguiría, por ejemplo, para obtener hidrógeno a partir de la electricidad generada en paneles fotovoltaicos o en generadores eólicos, si la electricidad no pudiera dedicarse a otro fin. Esto último se comenta por ser este procedimiento electrolítico muy caro para la producción de hidrógeno. Si el objetivo fuera almacenar la energía eléctrica excedente hasta una hora de alta demanda, sería mucho más útil (de mayor rendimiento) emplear bombeo hidráulico.

En todo caso, lo descrito anteriormente sirve de introducción al tema de las pilas de combustible, acerca de las cuales ha aparecido últimamente información creciente, por lo que aquí se extracta simplemente su principio físico, para señalar los problemas o limitaciones que puede tener su rendimiento.

En una pila se inyecta hidrógeno gas en el ánodo, donde se va a oxidar, cediendo un electrón al electrodo, y se inyecta oxígeno en el cátodo, donde se reduce químicamente (tomando dos electrones). El balance químico neto se podría formular como:

2H₂ + O₂ ® 2H₂O                  [6]

  siendo por tanto una oxidación convencional, que libera su correspondiente energía (484 kJ en la reacción anterior tal como está formulada). Ahora bien, esta energía no aparece, como en el caso de la reacción de oxidación convencional (combustión) como calor (excitación térmica de los productos de la reacción) sino que una parte sustantiva de ella aparece como energía eléctrica, correspondiente a la intensidad de corriente que está atravesando la pila, y a la diferencia de potencial que se crea entre sus electrodos, de modo que por fuera de ellos circula una potencia eléctrica que puede servir, por ejemplo, para accionar un motor eléctrico que mueva a un automóvil. Y los motores eléctricos, al igual que las pilas de combustible, no están sujetos a las limitaciones del rendimiento de Carnot, que afecta a todos los ciclos termodinámicos, y en particular a los motores de combustión interna (tan útiles, por otra parte,  en este último siglo y pico para el transporte automóvil).

Las máquinas térmicas no pueden exceder el rendimiento de Carnot, que corresponde a

                     [7]

  siendo T_f la temperatura del foco frío (en general, el medio ambiente) y T_c la del foco caliente, que depende de las características de la combustión.

A esta limitación teórica hay que añadir las prácticas por irreversibilidades, inquemados, etc., por lo que en la práctica los motores de encendido provocado (que trabajan con menores compresiones en el cilindro) tienen rendimientos en el rango 25-30%, y los diesel (de mayores compresiones) pueden alcanzar el 40%, pero su rendimiento usual está alrededor del 35%. Ello hace que, en términos de energía útil, pueda formularse un balance tan sencillo como el de la figura 3. Por descontado, aquí se podrían añadir las pérdidas en la extracción, transporte y refino de combustible, pero estas cuestiones también afectarían a la otra alternativa, así mismo recogida en la figura 3. En ella se aprecia el rendimiento del reformador, para producir hidrógeno, valorado en un 85%, y el del conjunto pila-motor eléctrico valorado en un 55%.

Figura 3. Balances energéticos del uso convencional de hidrocarburos, y de su  uso a través de la tecnología de hidrógeno.

Existen muy diversos tipos de pilas (PEM, alcalinas, de óxidos sólidos, de carbonatos fundidos…) y algunas de ellas, en régimen estacionario y sin alteración de sus materiales, superan sobradamente el 80% de rendimiento. A su vez, los motores trifásicos asincronos utilizables en transporte, superan el 90% de rendimiento electromecánico. Sin embargo, teniendo en cuenta el ciclo de vida de la pila y el hecho de que a ésta se le va a exigir cierta flexibilidad de respuesta, el rendimiento anteriormente mencionado de 85% parece prudente. Por descontado, se están comparando dos tecnologías de maduración absolutamente distinta. Por un lado, la de los motores de explosión, que llevan más de un siglo de solvencia comercial, y han sido uno de los pilares del desarrollo socioeconómico de estos últimos cien años. Por otro, las tecnologías de la economía del hidrógeno, que han avanzado lentamente en su curva de aprendizaje, y apenas han alcanzado economías de escala, por lo que no resulta fácil aventurar cual será la situación en rendimiento, y sobre todo en precio, de las pilas de combustible, dentro  de veinte o treinta años. En todo caso, no será peor que en la actualidad, y por tanto los rendimientos citados pueden aceptarse en la comparación. De esta se deduce que la alternativa de explotar los combustibles fósiles vía producción de hidrógeno es energéticamente mejor, y además posibilita la captura y confinamiento del CO₂, que es en cierta medida el motivo original de plantear esta alternativa.

Queda por analizar o cuestionar el rendimiento del reformador, medido en energía potencialmente contenida en el hidrógeno producido, respecto del total de combustible gastado, tanto dentro del reformador (para su reacción con el agua) como en el calentamiento del horno, lo cual se considera que lo aporta el mismo combustible fósil de partida. Hay propuestas para efectuar el calentamiento a partir de energía nuclear y de energía solar térmica, lo cual mejoraría sustancialmente el panorama de esta alternativa, pero por mor de acotar ésta, se considera que el calor proviene del mismo combustible.

De la tabla 1, y en particular del porcentaje de calor endotérmico del reformado sobre la energía producida, se infiere que los candidatos idóneos son los GLP (butano) y el propio carbón. De esto último es un buen ejemplo la planta de ELCOGAS de Puertollano citada anteriormente, aunque en su caso se destina a la generación de energía eléctrica, en la que el precio de la termia es sensiblemente inferior (la tercera parte, aproximadamente) del precio en el transporte, lo cual redunda en su perjuicio.

No obstante lo anterior, los reactores químicos de reformado actual se han desarrollado para el metano (gas natural) cuyas reservas son incluso ligeramente superiores a las de petróleo (145 Gtep, versus 140) (81).

El reformado de metano obedece a:

CH₄ + 2H₂O ® CO + 3H₂                -206 kJ/mol

CO + H₂O ® CO₂ + H₂                   + 41 kJ/mol

CH₄ + 2H₂O®CO₂+4H₂                  -165 kJ/mol

El PCI (poder calorífico inferior) del metano es 803 kJ/mol. El PCI del hidrógeno, 242 kJ/mol.

Haciendo el balance de la reacción en PCI, se obtiene

803 + 165 = 968   kJ/mol CH₄

que significa que, si al PCI del metano añadimos los 165 kJ suministrados para que se lleve a cabo la reacción endotérmica, se tienen 968 kJ, que corresponden al PCI de 4 moles de H₂. Es decir, éstos últimos llevan toda la energía química potencial del metano, más el calor aportado a la reacción.

El problema, de cara al rendimiento de la instalación reformadora, es que esos 165 kJ se han de suministrar a una mezcla vapor-metano a muy alta temperatura. En los reformadores convencionales, en realidad hay que suministrar 206 kJ/mol a una temperatura entre 750 y 1000 ⁰C, aunque luego se recuperan 41 kJ/mol en el segundo reactor, pero a temperatura mucho más baja (lo que significa menor valor exergético).

Desde este punto de vista, los nuevos reformadores unietapa con catalizador de niquel en el rango 500-600 ⁰C y membranas de paladio para separar in situ el H₂, son mucho más eficaces. Como regla general en termotecnia, cuanto mayor sea la temperatura a la que hay que proporcionar una determinada cantidad de calor para un fín útil, menor el rendimiento del conjunto. Esto se basa en que no resulta posible recuperar todo el calor de los productos que emergen calientes (y en general, se han de almacenar y comercializar en frío). Con el citado calor habría que precalentar los reactivos (tanto los de dentro del reformador como los de la combustión del horno) y en todo proceso de transferencia de calor se genera entropía, y por tanto se pierde rendimiento. En la figura 4 se muestra un esquema energético de una instalación de producción de H₂ a partir de CH₄.

Figura 4. Balance energético de una instalación reformadora. El mayor problema para obtener un buen rendimiento es la recuperación de calor de los efluentes del horno y del reformador.

Dos reformadores uni-etapa operativos en Tokio (47) han conseguido rendimientos entre el 80 y el 90%, pero no hay en principio problema para incrementar éste hacia el 100%, aunque las pérdidas de calor y las irreversibilidades no pueden evitarse jamás del todo, entre otras cosas porque los tiempos de reacción y de calentamiento y enfriamiento han de ser finitos (pues de lo contrario, la tasa de producción de hidrógeno sería prácticamente nula).

Con los datos aducidos y defen didos, la vía de explotación de los combustibles fósiles para el transporte (incluido el carbón, inútil hoy a estos efectos) es muy superior energéticamente a la vía clásica, pues incrementa la energía útil extraíble de éstos en casi un 50%.

Por descontado, ello exigiría la puesta a punto de una nueva tecnología, cuyas bases se conocen, pero que carece aún de madurez industrial plena. El premio energético por lograr esta madurez no es despreciable, sino al contrario. Además de la satisfacción de poder mitigar los efectos sobre el medio ambiente.

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