________________________________________________________________________________________________________

Ingeniería en Energías Renovables

Alumno: Medina Solís José Arturo

Matrícula: ES1421008953

Facilitador: (FA1004091) Muñoz Cruz Heraclio

Grupo: ER-ESHB-1502S-B1-001

Fecha: 21/julio/2015

Título del Trabajo: Unidad 1 / Actividad 1

Reacción química de la producción de hidrógeno / Tarea

Materia: Seminario de Hidrógeno y Bioenergía

________________________________________________________________________________________________________1

________________________________________________________________________________________________________

Indicaciones

Describir los métodos de producción de hidrógeno y biomasa, para distinguir los procesos de generación de energía, identificando los principios físico-químicos.

Identificar las características físico-químicas del hidrógeno.

INTRODUCCIÓN

Hidrógeno, H2: EL GAS VERDE

Descubierto por Henry Cavendish en 1766, el Hidrógeno debe su nombre a Lavoisier, quien combino el Griego Hydor, agua y genealógico para crearlo. Es el gas más ligero del mundo y por tanto no es atrapado por la gravedad de la Tierra.

El Hidrógeno solo se encuentra en la atmósfera a nivel de trazas; es sintetizado desde hidrocarburos (petróleo y derivados) y agua donde el Hidrógeno constituye la parte más ligera de la molécula de H2O. El Hidrógeno gas es incoloro, altamente inflamable, muy ligero, no permite la vida y reacciona fácilmente con otras sustancia químicas.

La Célula de combustible.

El sueño de todo el mundo de conducir un coche silencioso y no contaminante! El Hidrógeno es una energía limpia. Usado en una célula de combustible, combinado con oxígeno para producir eficientemente electricidad y no emitir nada….excepto agua.

Un reactivo apreciado en la Industria Química: Una excelente fuente de energía limpia.

El hidrógeno es el elemento más abundante en el universo y sin embargo, en la Tierra, raramente se encuentra en estado libre. A diferencia del carbón, el petróleo o el gas, el hidrógeno no es un recurso natural, no se puede obtener de la naturaleza por tareas de minería o extracción como es el caso de los recursos fósiles en general. El hidrógeno es un portador de energía (como la electricidad), es necesario producirlo a partir de otras materias primas (agua, biomasa, recursos fósiles), y para convertir estas materias en hidrógeno hay que seguir unas transformaciones en las que se consume algún tipo de energía primaria (nuclear, renovable o fósil).

El gran atractivo del hidrógeno consiste en que ofrece, a largo plazo, la posibilidad de establecer un escenario de ciclo energético cerrado intrínsecamente limpio.

Se trata de tomar agua de la naturaleza, separarla en sus componentes (oxígeno e hidrógeno) mediante electricidad de origen renovable, almacenar el hidrógeno, transportarlo, distribuirlo y, finalmente, al utilizarlo siguiendo procesos térmicos convencionales (motores de combustión interna o turbinas), o electroquímicos

________________________________________________________________________________________________________2

________________________________________________________________________________________________________

novedosos (pilas de combustible), devolveríamos a la naturaleza la misma cantidad de agua que previamente habíamos tomado de ella. En la conversión térmica del hidrógeno se emitirían óxidos de nitrógeno (aunque en una proporción muy inferior a los emitidos con los combustibles fósiles), mientras que en la utilización con pilas de combustible las emisiones serían nulas.

OBJETIVOS:

Describir los métodos de producción de hidrógeno y biomasa

DESARROLLO

El hecho de que el hidrógeno no se encuentre de manera aislada en la naturaleza obliga a tener que obtenerlo por distintos procedimientos, siendo éste un cuello de botella para su uso masivo en el futuro, y uno de los campos en los que más recursos se están invirtiendo, pues muchas de las ventajas de su uso pueden quedar anuladas en función del procedimiento empleado en su obtención. Una vez producido, sus peculiares propiedades físicas y químicas dificultan en gran medida las tareas de manipulación, especialmente las relacionadas con su almacenamiento, transporte y distribución.

Proceso de producción de Hidrógeno (H2)

Por lo expuesto anteriormente es preciso obtenerlo a partir de otras materias primas llevando a cabo ciertos procesos de transformación. Aparentemente la producción de hidrógeno no debería ser un problema que requiriese investigación, pues hoy día se produce hidrógeno con fines industriales mediante procedimientos suficientemente probados, tales como:

Actualmente se producen en el mundo aproximadamente 41 millones de toneladas de hidrógeno, que representan un valor energético de 5.000 TJ. La demanda de energía primaria mundial en 2003 fue de 9.741 Mtep ≈ 4 x 10^8 TJ, mientras que en la Unión Europea de los 15 fue de 1.500 Mtep. Esto significa que con el hidrógeno producido en el mundo se cubrirían apenas 12 ppm de las necesidades mundiales de energía primaria o 81,2 ppm de las necesidades de la Unión Europea de los 15. Resulta evidente, por tanto, que si se desea alcanzar un escenario de economía del hidrógeno es preciso producirlo de manera masiva y a partir de una elevada diversidad de fuentes en aras a poder garantizar el abastecimiento energético.

En la siguiente figura, se presenta la fuente de producción del Hidrógeno:

________________________________________________________________________________________________________3

________________________________________________________________________________________________________

Por otro lado, la siguiente figura muestra los usos que se le proporcionan al Hidrógeno:

Afortunadamente los métodos para producir hidrógeno son muy variados, admitiendo varios de ellos tanto esquemas centralizados y masivos como descentralizados.

En la siguiente figura se muestran los principales caminos para producir Hidrógeno:

________________________________________________________________________________________________________4

________________________________________________________________________________________________________

La electrólisis se puede llevar a cabo a partir de energía nuclear o de energía eólica, siendo el proceso físico el mismo. Algo similar ocurre con los procesos de termólisis, que pueden ser activados desde la energía nuclear o desde la energía solar de alta temperatura. La gasificación es otro ejemplo de proceso que se puede aplicar al carbón (combustible fósil) o a la biomasa (renovable).

Procesos de Producción:

Conversión Química

La designación de procesos de conversión química resulta muy amplia, pudiendo aplicarse tanto a combustibles fósiles (carbón e hidrocarburos) como a fuentes renovables (biomasa). Los principales procesos son:

1. Reformado.o Con vapor de agua (SMR-Steam Methane Reformer)o Oxidación parcial (POX-Partial Oxidation)o Reformado Autotérmico (ATR-Auto-thermal Reforming)

2. Pirolisis3. Gasificación

En estos procesos de produce en mayor o menor medida CO2, donde es posible secuestrarlo, este secuestro resulta necesario si el proceso se aplica a un combustible fósil de cara a lograr la limpieza medioambiental atribuible al hidrógeno. Si el proceso se aplica a biomasa, la captura de CO2 produciría una emisión negativa de CO2, aunque quizás el coste económico no se vea justificado.

1. Proceso de Reformado. En la actualidad es el más utilizado para la obtención de H2.

________________________________________________________________________________________________________5

________________________________________________________________________________________________________

Desde un punto de vista termodinámico se pueden clasificar en endotérmicos y exotérmicos, dependiendo de la dependencia de calor, Los primeros requieren el aporte de calor desde una fuente externa, como en el reformado con vapor de agua; los segundos liberan calor en la reacción, siendo el caso de la oxidación parcial. En el reformado auto-térmico se produce una combinación de los dos procesos, obteniéndose un balance neto de calor nulo.

Reformado con Vapor de Agua . Se aplica a gran variedad de hidrocarburos (gas natural, GLPs, hidrocarburos líquidos, etc.) y alcoholes. De todos ellos el más utilizado por su disponibilidad y facilidad de manejo es el gas natural. El proceso consta de tres fases que se desarrollan en equipos diferentes, tal como muestra la siguiente figura:

Oxidación Parcial. Consiste en la oxidación incompleta de un hidrocarburo, por ejemplo gas natural, donde sólo se oxida el carbono (y sólo hasta CO), quedando libre el hidrógeno. La entalpía estándar de reacción es de -36 kJ/mol, siendo por tanto una reacción exotérmica, pudiendo así prescindir de quemadores externos para mantener la reacción.

Reformado Autotérmico.

El ATR es un proceso bien estudiado aplicado industrialmente en grandes unidades centralizadas. Sólo recientemente se ha trasladado esta tecnología a pequeños equipos. Se trata de un método que combina el SMR y el POX, de modo que el calor liberado en el último se aproveche para el primero, dando lugar a un balance neto nulo. El CO producido es desplazado con agua para producir más hidrógeno y CO2. La eficiencia del proceso es similar a la del método de oxidación parcial.

________________________________________________________________________________________________________6

________________________________________________________________________________________________________

2. Proceso de Pirolisis. Este proceso se descompone en niveles de calor, a decir que consiste en la descomposición de un combustible sólido (carbón o biomasa) mediante la acción de calor (normalmente a unos 450ºC para la biomasa y 1.200ºC para el carbón) en ausencia de oxígeno. Los productos finales de este proceso dependen de la naturaleza del combustible empleado, de la temperatura y presión de la operación y de los tiempos de permanencia del material en la unidad. Los productos que se pueden obtener son:

a. Gases compuestos por H2, CO, CO2 e hidrocarburos (normalmente metano).b. Líquidos hidrocarbonados.c. Residuos carbonosos (coque).

La pirólisis ha sido utilizada desde hace bastante tiempo [ARCO69] para obtener el llamado “gas de hulla”, en el que se introduce la hulla en un horno sin aire a 1.200ºC lográndose la descomposición de ésta en coque y un gas con 50% de H2, 10% CO, 2% de CO2, 30% de CH4, 4% de N2 y 4% de otros hidrocarburos. Se lograban producciones de 350 g de gas por cada kg de hulla, obteniéndose como subproducto 650 g de coque.

También resulta interesante la aplicación de la pirólisis a los residuos sólidos urbanos logrando obtenerse líquidos hidrocarbonados que posteriormente pueden ser reformados para obtener hidrógeno.

3. Proceso de Gasificación. El cual consiste en una combustión con defecto de oxígeno en la que se obtiene CO, CO2, H2 y CH4, en proporciones diversas según la composición de la materia prima y las condiciones del proceso. El oxígeno se limita entre un 10 y un 50% del estequiométrico y la temperatura oscila entre 700 y 1.500ºC. La gasificación puede aplicarse tanto a la biomasa como al carbón. Si la reacción se verifica con aire se obtiene un “gas pobre” (gas de gasógeno) que en el caso de proceder de carbón o coque contiene entre un 25 al 30% de CO, 65 al 70% de N2 y algo de O2 y CO2. Para obtener hidrógeno sería necesario efectuar una reacción de desplazamiento sobre dicho gas. Por el contrario, si la reacción se verifica con oxígeno y vapor de agua se obtiene un gas de síntesis (H2 y CO) que puede ser empleado, además de para producir hidrógeno, para obtener combustibles líquidos como metanol y gasolina.

La siguiente gráfica muestra el Proceso de Gasificación del Carbón:

________________________________________________________________________________________________________7

________________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________8

________________________________________________________________________________________________________

Termólisis. Los procesos de termólisis implican la extracción del hidrógeno de la molécula que lo alberga (hidrocarburo o agua) mediante la aplicación de calor. Bajo esta definición el reformado, la gasificación y la pirólisis se pueden entender como procesos de termólisis.

La consideración de estos procesos como métodos químicos o termolíticos depende de la fuente de calor empleada. Así, se habla de procesos químicos, cuando el calor para el proceso se extrae de la propia materia prima a través de una combustión; por el contrario, se habla de procesos de termólisis cuando el calor procede de una fuente externa, como la energía solar concentrada o la energía nuclear de alta temperatura.

Los principales tipos de procesos termolíticos se pueden agrupar en función de la temperatura de operación en tres clases de procesos:

Clase I T<_ 1.000 K Clase II 1.000 K <_ T <_ 2.500 K Clase III T > 2.500 K

El proceso que mayor temperatura requiere es la termólisis directa del agua, que se verifica a partir de 2.500 K y por tanto resulta inabordable en la práctica. A temperatura intermedia (Clase II) se tienen los procesos de descarbonización (pirólisis, gasificación y reformado), situados todos alrededor de 1.000 K. La inclusión en esta sección se debe a que el aporte de calor se realiza con una fuente externa (solar o nuclear de alta temperatura). También pertenecen a la Clase II las reacciones de reducción.

Por otro lado, la producción de hidrógeno a partir de biomasa destacan las técnicas de fermentación, que pueden ser de tipo alcohólica o de tipo anaeróbica, a saber:

- Fermentación alcohólica. Se sabe que las planta almacenan energía solar captada en forma de hidratos de carbono simples (azúcares) o complejos (almidón o celulosa), a partir de los que se puede obtener etanol por fermentación según las siguientes fases:

o Pretratamiento de la biomasa: se realizan procesos de trituración, molienda o pulverización para favorecer la fermentación.

o Hidrólisis: las moléculas complejas se transforman, en medio acuoso, en moléculas más sencillas ya sea por la acción de enzimas o por reactivos químicos.

o Fermentación: los azúcares se convierten en etanol por la acción de levaduras. El proceso dura unos 3 días, obteniéndose finalmente una concentración de etanol inferior al 14%.

o Separación y purificación: el producto obtenido se destila para obtener una concentración de etanol del 96%, pudiendo llevarse a cabo una destilación adicional con benceno para obtener una concentración del 99,5%. Es la etapa de mayor consumo energético.

o Sobre el etanol conseguido se puede llevar a cabo un reformado con vapor (VPR, “Vapour Phase Reforming”), que tras el tratamiento de desplazamiento produce la reacción global.

________________________________________________________________________________________________________9

________________________________________________________________________________________________________

o Una variante del proceso consiste en sustituir la fermentación por un proceso de reformado con agua (APR,”Aqueous Phase Reforming”) de productos tales como el sorbitol, obtenidos en el proceso de hidrólisis.

- Fermentación anaerobia. También conocida como digestión anaerobia, se trata de una fermentación microbiana en ausencia de oxígeno que produce una mezcla de gases (principalmente CH4 y CO2) conocida como biogás, y a una suspensión acuosa o lodo que contiene los componentes difíciles de degradar y los minerales inicialmente presentes en la biomasa. La materia prima para producir biogás es biomasa residual con alto contenido en humedad, especialmente purines ganaderos y lodos de depuradoras de aguas residuales urbanas. Aunque hay mucha experiencia en el proceso su química y microbiología no son conocidas en detalle. Como variables importantes en el proceso se han identificado la temperatura (lográndose un funcionamiento óptimo a 35ºC), la acidez (valor óptimo de pH entre 6,6 y 7,6), contenido en sólidos (deseable inferior al 10%), existencia de nutrientes para las bacterias y ausencia de inhibidores del proceso como amoniaco, sales minerales, detergentes y pesticidas. En función de todas estas variables se logra un biogás con un contenido en CH4 que oscila entre el 50 y el 70%, siendo el resto mayoritariamente CO2.

CALOR ESPECÍFICO

El hidrógeno (en griego, 'creador de agua') es un elemento químico de número atómico 1, representado por el símbolo H. Con una masa atómica del 1,00794 (7) u, es el más ligero de la tabla de los elementos. Por lo general, se presenta en su forma molecular, formando el gas diatómico (H2) en condiciones normales. Este gas es inflamable, incoloro, inodoro, no metálico e insoluble en agua.

Termoquímica es parte de la termodinámica que realiza el estudio de los cambios caloríficos que ocurren dentro de una reacción Química a través del calor (Q), estos cambios pueden ser representados dentro de una ecuación química; en cuyo caso se le conoce como ecuación termoquímica, como se puede apreciar en la siguiente ecuación:

Esta ecuación (1), nos brinda información adicional acerca de la reacción, en el momento en que adicionamos la energía liberada y los estados de agregación de los reactivos y productos que intervienen en ella, cabe indicar que la energía liberada también se la puede representar a través de la entalpia (∆H), que es el calor medido a presión constante, en cuyo caso la ecuación deberá ser escrita así:

________________________________________________________________________________________________________10

________________________________________________________________________________________________________

Podemos decir que, la energía liberada liberada (reacciones exotérmicas) o absorbida (reacciones endotérmicas) en una reacción se la expresará en forma de CALOR (Q) o Entalpia (∆Hrx) dentro de una ecuación termodinámica.

El calor es una propiedad extensiva y depende de la cantidad de reactivos que intervengan en la reacción, por lo cual es importante darnos cuenta que los 68320 calorías son las calorías liberadas cuando se forma una mol de agua, únicamente o visto de otra manera son las calorías liberadas al combustionar una mol de hidrógeno gaseoso. A este calor se lo conoce como calor de reacción.

Al calor de reacción se le conoce como la cantidad de calorías liberadas o absorbidas al reaccionar una mol de reactivo o formar una mol de producto, el calor de reacción puede tener nombres específicos (Calor de formación, calor de neutralización, calor de dilución, calor de combustión);

- Calor de formación. Cantidad de calorías liberadas o absorbidas por mol de compuesto formado a partir de sus elementos constitutivos.

- Calor de neutralización. Cantidad de calorías liberadas o absorbidas por mol de ácido o base Neutralizada.

- Calor de dilución. Cantidad de calorías liberadas o absorbidas por mol de sustancia disuelta.

- Calor de Combustión. Cantidad de calorías liberadas por mol de combustible combustionado.

Recordemos que toda reacción de combustión es exotérmica y por tanto su calor será positivo o su entalpia negativa, este calor es más común expresarlo como capacidad calorífica de un combustible.

Capacidad Calorífica del combustible o Poder calorífico del combustible.- Es la cantidad de calor que entrega un kilogramo o un metro cúbico de combustible al oxidarse en forma completa. Las unidades utilizadas son

________________________________________________________________________________________________________11

________________________________________________________________________________________________________

Se puede hablar de dos formas de poderes caloríficos:

- Poder Calorífico inferior: Si el agua resultado de la combustión está en forma gaseosa

- Poder Calorífico Superior: Si el agua resultado de la combustión está en estado líquido

En un proceso ideal se cumplirá que: Calor liberado por el combustible = al calor ganado por el agua.

________________________________________________________________________________________________________12

________________________________________________________________________________________________________

El calor absorbido o liberado por el sistema conlleva una transformación de los sustancias en cuyo caso la determinación de su valor tendrá que ser calculado a través de la TERMOQUÌMICA, pero si el calor absorbido o liberado no conlleva cambios a nivel molecular de la materia, su cálculo se lo efectúa a través de la CALORIMETRIA, no obstante, su estudio e uso adecuado de sus fórmulas en ciertos equipos (el calorímetro o la bomba calorimétrica) nos permitirá el cálculo de calores de reacción. En una forma experimental muy sencilla.

Reacciones químicas:

Una Reacción Química es el proceso que, mediante una reorganización de enlaces y átomos, una o más substancias iniciales se transforman en otras distintas. En todo cambio químico, se produce una ruptura de enlaces, pero no de átomos; estos enlaces se reorganizan formando otros nuevos, que dan lugar a substancias distintas de las iniciales.

________________________________________________________________________________________________________13

________________________________________________________________________________________________________

Una reacción química se representa mediante una ecuación química, la cual consta de 2 miembros separados por una flecha:

Ecuación de una reacción

Hidrógeno + Cloro Cloruro de Hidrógeno

H2 + O2 HCL

Complemento del trabajo comentado

2. Las diferentes reacciones para obtención de hidrógeno:

- Con hierro (Fe)

- Con cloro (Cl)

HCl + H2O → H3O+ + Cl−

- Con Fluor (F)

H-F

Por oxidación de un metal en un medio +acido diluido:

Reacción ácido-base con carbonato de potasio

A partir de carbono de coque:

________________________________________________________________________________________________________14

REACTIVOS PRODUCTOS

________________________________________________________________________________________________________

Zinc:

Aluminio:

Metano:

Cloro, Bromo o Yodo:

Reacciones en cadena con O2:

________________________________________________________________________________________________________15

________________________________________________________________________________________________________

3. Propiedades físico-químicas del hidrógeno y los diferentes reactivos que participan en las reacciones

3.1.Propiedades Químicas del Hidrógeno

No. Propiedad química1 En condiciones normales, el hidrógeno es un gas incoloro, inodoro y sin sabor.2 Es la molécula más pequeña conocida3 La densidad del hidrógeno es de 76 Kg./m^3, y cuando se encuentra en estado de gas, la densidad es

de 273 kg./ L.4 Posee una gran rapidez de transición, cuando las moléculas se encuentran en fase gaseosa. Debido a

esta propiedad, hay ausencia casi total, de hidrógeno en la atmósfera terrestre5 Facilidad de efusión, así como también de difusión6 Optima conductividad calorífica7 Punto de fusión de 14025 K.8 Punto de ebullición de 20268 K

3.2.Propiedades Física del Hidrógeno

No. Propiedad física1 Tiene un peso atómico de 100974 uma2 Posee un estado de oxidación de +1, -13 Completa su nivel de valencia con un electrón capturada, para así poder producir el anión H^-.4 Se combina con los metales alcalinos y alcalinotérreos (menos con el berilio y magnesio), a través de

enlaces iónicos.5 Forma enlaces tipo covalentes, con los no metales.6 Forma enlaces metálicos con los elementos de transición.7 El hidrógeno, H^+, siempre se encuentra asociado a otro elemento, menos en el estado gaseoso.8 Posee una estructura cristalina hexagonal.9 Reacciona con la gran mayoría de los elementos de la tabla periódica.

4. Calores específicos: hidrógeno y reactivos participantes en las reacciones.

________________________________________________________________________________________________________16

________________________________________________________________________________________________________

Material Calor Específico (J/kg*K)Hidrógeno 14267

Agua (0 °C a 100 °C)

4186

Aire 1012

Alcohol etílico 2460

Alcohol metílico 2549

Aluminio 897

Amoniaco (líquido) 4700

Azufre 730

Benceno 1750

Calcio 650

Cinc 390

Cobre 387

Dióxido de carbono (gas)

839

Estaño 210

Etilen glicol 2200

Gasolina 2220

Helio (gas) 5300

Hielo (-10 °C a 0 °C) 2093

Hierro/Acero 452

Latón 380

Metano (275 K) 2191

Níquel 440

Nitrógeno 1040

Peróxido de hidrógeno

H2O2

Carbonato de dimetilo

-CH3

CONCLUSIONES

Desde el punto de vista de la producción de hidrógeno interesan los procesos de gasificación con vapor de agua y oxígeno puro, ya sean a partir de carbón o de biomasa.

________________________________________________________________________________________________________17

________________________________________________________________________________________________________

El caso de la gasificación a partir de carbón resulta un procedimiento masivo para la producción de hidrógeno en el que la captura de CO2 resulta rentable si se realiza en instalaciones centralizadas (constituyendo entonces el 5% de los costos de inversión).

La gasificación de carbón se puede integrar adecuadamente en un ciclo combinado (GICC) al que además se puede dotar de captura de CO2. De este modo se puede hablar de una nueva forma de cogeneración: la producción simultánea de electricidad e hidrógeno.

Son muchas las posibilidades que ofrece el hidrógeno para cubrir las demandas energéticas futuras. Se considera una alternativa frente al acuciante problema del cambio climático, ya que evita la producción de gases de efecto invernadero y el empleo de los denominados combustibles fósiles: petróleo, gas natural y petróleo.

BIBLIOGRAFÍA (Referencias)

- El Hidrógeno y la Energía, (2007, Colección de Avances de Ingeniería, José Ignacio Linares Hurtado), consultado el 20 de Julio de 2015, desde: www.foronuclear.org/pdf/ el_hidrogeno_y_la_energia .pdf

- Simulación para la producción de Hidrógeno y Metanol a partir de la gasificación de Cascarilla de Arroz con vapor, consultado el 20 de Julio de 2015,

- Termoquímica (Cuadernillo de termoquímica), Consultado el 21 de julio de 2015, desde: http://www.academia.edu/6837701/Cuadernillo_de_termoquimica

- Reacciones químicas, consultado el 21 de julio de 2015, desde: http://www.darwin-milenium.com/estudiante/Fisica/Temario/Tema10.htm

- Enciclopedia de los gases, consultado el 21 de julio de 2015, desde: http://encyclopedia.airliquide.com/encyclopedia.asp?LanguageID=9&GasID=36

- Reactivos verdes, consultado el 21 de julio de 2015, desde: http://quimica-urjc-biologia.wikispaces.com/Reactivos+verdes+Peroxido+de+hidr%C3%B3geno+y+carbonato+de+dimetilo.

________________________________________________________________________________________________________18