La necesidad de disminuir el consumo de los recursos renovables del planeta ha llevado a la búsqueda de diferentes alternativas de producción de hidrógeno

Autoras: Lourdes Jara Cobos y Mónica Abril González

Cuando el hidrógeno es producido por una fuente limpia y renovable, como la hidroeléctrica, la eólica o la solar, a este se denomina “hidrógeno verde”.

Central Eólica Villonaco, Loja. Ministerio de Turismo

A lo largo del tiempo la necesidad de disminuir el consumo de los recursos renovables del planeta ha llevado a la búsqueda de diferentes alternativas de producción de hidrógeno, existiendo varias tecnologías a partir de recursos renovables y no renovables, incluida la producción a partir de combustibles fósiles o biomasa, la producción de hidrógeno microbiano, la electrólisis, la termólisis del agua y los ciclos termoquímicos (Ji y Wang 2021). Son denominados “vías de hidrógeno gris” a los procesos que utilizan combustibles fósiles (gas natural, carbón y petróleo), en particular el reformado de metano con vapor (SMR) del gas natural, reformado autotérmico, oxidación parcial y gasificación del carbón. Por otra parte el "hidrógeno azul" hace referencia al producido a través de SMR de gas natural o gasificación de carbón, pero con captura y almacenamiento de dióxido de carbono. Adicionalmente, cuando el hidrógeno es producido por una fuente limpia y renovable, como la hidroeléctrica, la eólica o la solar, a este se denomina “hidrógeno verde” (Noussan et al. 2020).

- El reformado de metano con vapor (SMR): es el proceso industrial dominante, casi la mitad del hidrógeno del mundo proviene de esta fuente. Se caracteriza por múltiples pasos y fuertes condiciones de reacción, generalmente se lleva a cabo con metales preciosos o materiales a base de níquel como catalizadores a altas temperaturas de alrededor de 800 °C. El resultado es una mezcla de hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono y agua que se produce en una serie de tres reacciones. En primer lugar, el metano y el vapor de agua se someten a una reacción de reformado para obtener gas de síntesis, seguido de la conversión de CO a través de la reacción de cambio de gas de agua (WGS) y finalmente, el CO2 se elimina de la mezcla de gases mediante un dispositivo de adsorción para mejorar la pureza del hidrógeno gaseoso (Ji y Wang 2021).

Empresas de distribución de gas natural trabajan en un proyecto para utilizar como combustible gas natural mezclado con hidrógeno. 

Turquía Haidar El Asadi - Agencia Anadolu

- El hidrógeno a partir de la biomasa: dependiendo de la forma de generación de gas, la producción directa de hidrógeno a partir de biomasa se puede lograr por dos vías: métodos termoquímicos y procesos bioquímicos de microorganismos. Los primeros incluyen gasificación, pirólisis y licuefacción. Estos procesos convierten toda la biomasa en biocombustibles líquidos y gaseosos, que luego se sintetizan en el químico requerido o se pueden usar directamente como combustible para el transporte. La gasificación térmica se produce a una temperatura de 800 a 1000 °C e implica la oxidación parcial de la biomasa en presencia de agentes gasificantes como vapor, oxígeno y aire (Kumar, 2019). En el caso de la gasificación con aire, se produce mediante la combustión parcial del combustible, mientras que, para la gasificación con vapor, se requiere energía de una fuente externa para generar vapor y, por lo tanto, es más desafiante. El gas de síntesis (una mezcla de CO y H₂) y los biocombustibles son los principales productos de la gasificación. En el proceso de pirólisis o co-pirólisis el calentamiento y la gasificación de la materia orgánica ocurren en un rango de temperatura de 500–900 °C  a una presión de 0.1–0.5 MPa. Los productos primarios de la pirólisis comprenden gases condensables y carbón sólido, que pueden descomponerse aún más en CO, CO₂, H₂ y CH₄. Otro de los procesos termoquímicos es la licuefacción de gas, este es un proceso altamente complejo y que consume mucha energía (Xu y Lin 2021).

Fotobiorreactor para optimizar la producción de hidrógeno y biocombustibles a partir de microbios fotosintéticos.

Su gran volumen y su capacidad de cultivo continuo permiten la producción masiva de biomasa para biocombustibles e investigación de combustibles alternativos. U.S. Department of Energy. Wikimedia Commons

Por otra parte, en los procesos bioquímicos de microorganismos, existen varias rutas de producción de biohidrógeno, según el sustrato y el microorganismo, como son la biofotólisis, la fermentación oscura y la fotofermentación. En la biofotólisis se utiliza el mecanismo de fotosíntesis microbiana para transferir energía solar a hidrógeno molecular, Scenedesmus spp., Chlorococcum spp, y Chlorella spp, se consideran cepas de algas productoras de hidrógeno eficientes. La fermentación oscura se considera la técnica más prometedora para la generación de biohidrógeno, puede ser realizada por bacterias anaerobias, que se cultivan en sustrato rico en carbohidratos o sustrato oscuro, además de la obtención de hidrógeno, se produce ácido acético, butírico, láctico, propiónico , así como solventes como etanol, metanol y acetona. La fotofermentación se produce a partir de la conversión de sustratos orgánicos por microorganismos fotosintéticos, las bacterias fotosintéticas anoxigénicas, especialmente las bacterias púrpuras sin azufre, son capaces de reducir los iones H⁺ a H₂ gaseoso. Se estima que el rendimiento de H₂ es de alrededor 9–49 g/kg de materia prima (Agyekum et al. 2022).

Bibliografía:

Agyekum, Ephraim Bonah, Christabel Nutakor, Ahmed M. Agwa, y Salah Kamel. 2022. «A Critical Review of Renewable Hydrogen Production Methods: Factors Affecting Their Scale-Up and Its Role in Future Energy Generation». Membranes 12 (2): 173. https://doi.org/10.3390/membranes12020173.

Ji, Mengdi, y Jianlong Wang. 2021. «Review and Comparison of Various Hydrogen Production Methods Based on Costs and Life Cycle Impact Assessment Indicators». International Journal of Hydrogen Energy 46 (78): 38612-35. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.09.142.

Kumar, Mayank, Adetoyese Olajire Oyedun, y Amit Kumar. 2019. «A Comparative Analysis of Hydrogen Production from the Thermochemical Conversion of Algal Biomass». International Journal of Hydrogen Energy 44 (21): 10384-97. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.02.220.

Noussan, Michel, Pier Paolo Raimondi, Rossana Scita, y Manfred Hafner. 2020. «The Role of Green and Blue Hydrogen in the Energy Transition—A Technological and Geopolitical Perspective». Sustainability 13 (1): 298. https://doi.org/10.3390/su13010298.

Xu, Jingxuan, y Wensheng Lin. 2021. «Integrated Hydrogen Liquefaction Processes with LNG Production by Two-Stage Helium Reverse Brayton Cycles Taking Industrial by-Products as Feedstock Gas». Energy 227 (julio): 120443. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.120443.

Sobre las autoras : 

Grupo de Ingeniería de las Reacciones Químicas, Catálisis y Tecnologías del Medio Ambiente (IRCMA), Departamento de Biociencias, Facultad de Ciencias Químicas.