El Hidrógeno
El Hidrógeno (H+) es el elemento químico más ligero que existe, se presenta en estado molecular formando un gas di-atómico (H2) en condiciones normales; que en estricto sentido se debería identificar cómo Di-Hidrógeno.
El Hidrógeno constituye aproximadamente el 75% de la materia visible del Universo, responsable de la gran cantidad de energía química en forma de radiaciones electromagnéticas que emiten las estrellas, debido a la fusión nuclear entre los núcleos de Hidrógeno para transformarse en Helio. Es el caso de nuestra estrella «El Sol», cuya energía nos otorga la luz y el calor necesarios para la vida. En nuestro planeta Tierra, el Hidrógeno no se encuentra de manera natural pues forma parte de compuestos químicos tales como los hidrocarburos o el agua, y son necesarios distintos procesos de transformación para su producción, el cual se usa primordialmente en la refinación de petróleo y la industria química (fertilizantes y amoniaco). Por sí mismo, el gas Hidrógeno (H2) no es considerado una fuente de energía primaria, sino un vector energético y con un enorme potencial para su uso en sectores estratégicos como los sectores energía y transporte, y la industria de transformación (acero, cemento, minero, etc.).
Foto: Créditos de la NASA (nasa.gov), El Universo, Hubble Telescope image.
» Creo que algún día el agua será un combustible, que el hidrógeno y el oxígeno…..
proporcionarán una fuente inagotable de calor y luz…..»
Jules Verne, La isla misteriosa, 1874
El Hidrógeno se posiciona como el principal acelerador para la descarbonización de las economías en todo el mundo, ya que no emite contaminantes cuando se utiliza directamente para combustión o en celdas de combustible, pues es un portador «Cero Emisiones Netas» de carbono.
Colores del Hidrógeno
El Hidrógeno con mayor producción a nivel mundial es el Hidrógeno Gris, usando gas natural (metano) a través de la tecnología de reformación de metano con vapor (RMV) pero con grandes emisiones de CO2, y que es empleado en la refinación de petróleo para la producción de gasolinas, y en la petroquímica para la producción de amoniaco y fertilizantes. Si las emisiones de este Hidrógeno son removidas por medio de tecnologías de captura y secuestro de carbón (CCS por sus siglas en inglés), entonces se clasifica como Hidrógeno Azul. Sin embargo, la tendencia de producción de hidrógeno limpio (sin emisiones de CO2) es acelerada, siendo la tecnología de electrólisis del agua la que atrae mayor atención por el uso de electricidad de fuentes renovables; es el caso del Hidrógeno Amarillo, el Hidrógeno Rosa, y el Hidrógeno Verde pero con altos costos (7 – 8 US$/kgH2).
Surgen alternativas de producción de Hidrógeno bajo el concepto de Economía Circular, la cual es el uso de Litio residual a través de su reacción química con el agua (2Li(s) + 2H2O(l) → H2(g) + 2LiOH(aq)); este Hidrógeno se clasifica como Hidrógeno Plateado.
Nuevas búsquedas para la producción de Hidrógeno son nacientes, como la del Hidrógeno Natural (o Hidrógeno Blanco) a través de la exploración del subsuelo y que se encuentra de manera natural. Existe gran interés a nivel mundial para su producción debido a su bajo costo (1 – 2 US$/kgH2).
Usos del Hidrógeno
Energía.
El Hidrógeno es considerado como el vector energético más importante a futuro para la generación de electricidad y seguridad energética por su versatilidad de almacenamiento. Cuando la energía eléctrica es producida en exceso por fuentes renovables, se puede generar gas Hidrógeno de la electrólisis del agua y posteriormente ser almacenada y/o inyectada en las redes de gas natural; esta conversión de «energía a gas» es conocida como Power-to-Gas (P2G).
Transporte.
Para uso directo en automóviles, camiones, barcos y trenes con tecnología de celda de combustible o de combustión interna. Cuando se usa celda de combustible, se produce internamente electricidad que es almacenada en una pila eléctrica. En la combustión interna, el Hidrógeno es quemado directamente y solamente se emite vapor de agua. El transporte es el principal sector con mayor potencial para la reducción de emisiones de carbono por el uso de Hidrógeno.
Industria.
Por el alto poder calorífico y propiedades químicas del Hidrógeno, éste puede usarse en la industria con alta intensidad energética como la refinación de petróleo, minería, cemento, petroquímica, metalúrgica, entre otras. Además de ser un vector energético para la optimización de procesos y de eficiencia energética, el Hidrógeno es ideal para desplazar el uso de gas natural y reducir considerablemente las emisiones de CO2.
Materia prima.
El Hidrógeno primordialmente se utiliza como materia prima para la producción de gasolinas, polímeros, disolventes, amoniaco y fertilizantes pero con una alta huella de carbono. Sin embargo, el Hidrógeno producido por fuentes renovables (energía eléctrica), se prioriza a futuro para la producción de combustibles líquidos sintéticos (metanol, keroseno, jet-fuel), amoniaco verde y fertilizantes verdes. Esta conversión de «energía a líquidos» es conocida como Power-to-Liquids (P2L).
Foto de Richard Horvath en Unsplash
Propiedades del Hidrógeno
El Hidrógeno es un elemento químico que en su estructura atómica, presenta un protón (+) en su núcleo y un electrón (-) en su orbital. Se representa con el símbolo H y se encuentra ubicado en el grupo 1 y el periodo 1 de la Tabla Periódica de los Elementos. Cuando dos átomos de Hidrógeno se unen a temperatura y presión estándar (25 ºC y 1 atm), se forma la Molécula de Hidrógeno (H2) y se libera energía (calor) por el enlace covalente de los electrones. El hidrógeno tiene 3 isótopos naturales: Protio (1H), Deuterio (2H), y Tritio (3H).
El Hidrógeno fue descubierto en 1766 por el científico Henry Cavendish, quien fue el primero en determinar que el Hidrógeno era un elemento particular que se oxidaba en presencia de oxígeno (aire) para producir agua, quien lo reconoció como «aire inflamable». De hecho, su nombre significa «formador de agua» y procede de las voces griegas «hydros«, agua, y «genos«, generador. En 1925, la científica Cecilia Payne-Gaposchkin determinó que el Hidrógeno era el enorme contribuyente de las estrellas, haciendo éste el elemento más abundante del Universo.
Átomo de Hidrógeno (H+):
Molécula de Hidrógeno (H2):
Propiedades físicas:
| Masa atómica | 1.00797 g/mol |
| Peso molecular | 2.01594 g/mol |
| Densidad del gas | 0.0899 kg/m3 |
| Densidad del líquido | 70.79 kg/m3 |
| Punto de fusión | 14.025 K (-259 ºC) |
| Punto de ebullición | 20.268 K (-253 ºC) |
| Punto de inflamabilidad | 255 K (-18 ºC) |
| Temperatura de flama | 2318 – 2676 K (2045 – 2403 ºC) |
| Máxima velocidad de flama | 346 cm/s |
| Temperatura ignición en aire | 803 K (530 ºC) |
| Poder Calorífico Inferior | 33.32 kWh/kg (119.97 MJ/kg) |
| Poder Calorífico Superior | 39.41 kWh/kg (141.89 MJ/kg) |
Estándar de Calidad del Combustible Hidrógeno (ISO 14687:2019):
| Índice de Combustible Hidrógeno (mínimo) (a) | 99.97 % |
| Gases Totales (máximo) (b) | 300 ppmv |
| Agua (máximo) | 5 ppmv |
| Hidrocarburos Totales (máximo) (c) | 2 ppmv |
| Metano (CH4) (máximo) | 100 ppmv |
| Oxígeno (O2) (máximo) | 5 ppmv |
| Helio (He) (máximo) | 300 ppmv |
| Nitrógeno (N2) (máximo) | 300 ppmv |
| Argon (Ar) (máximo) | 300 ppmv |
| Dióxido de carbono (CO2) (máximo) | 2 ppmv |
| Monóxido de carbono (CO) (máximo) (e) | 0.2 ppmv |
| Compuestos de azufre totales (máximo) | 0.004 ppmv |
| Formaldehídos (máximo) (e) | 0.2 ppmv |
| Ácido fórmico (máximo) (e) | 0.2 ppmv |
| Amoniaco (NH3) (máximo) | 0.1 ppmv |
| Compuestos halogenados totales (máximo) | 0.05 ppmv |
| Tamaño de partícula (máximo) | 10 μm |
| Concentración de partícula (máximo @ NTP) (d) | 1μg/L |
Notas:
(a) El Índice de Combustible Hidrógeno es el valor obtenido con el valor de la medida en % sustraído del 100% de los Gases Totales.
(b) Gases Totales = Suma de todas las impurezas listadas en la tabla excepto las partículas.
(c) Los Hidrocarburos Totales pueden exceder sólo 2 ppmv debido a la presencia de metano, siempre y cuando que los gases totales no excedan 300 ppmv.
(d) μg/L @ NTP = micro gramos por litro de combustible hidrógeno a 0ºC y 1 atmosphere de presión.
(e) La suma de CO, HCHO y HCOOH no debe exceder 0.2 μmol/mol.
Fuente:
International Organization for Standardization (ISO). «ISO 14687:2019. Hydrogen fuel quality — Product specification»
Disponible en: https://h2tools.org/hyarc/hydrogen-data/hydrogen-fuel-quality-standards
Datos de contacto
E-mail: contact@redlac-h2.org