Consideraciones tecnológicas sobre producción y empleo de hidrógeno para movilización vehicular

Dr. Julio F. Mata Segreda, Catedrático Humboldt 2006, UCR

1) Es importante aclarar desde el inicio que el hidrógeno no es un combustible ni fuente de energía. Se trata de un vector energético, es decir un material que acarrea la energía empleada en su producción, para luego ser reconvertida en una forma útil.

2) La discusión nacional sobre el empleo de hidrógeno en iniciativas de movilización vehicular ha pasado por varias fases discursivas, en lo relativo al imaginario popular.

a) La primera versión del asunto es la equivocada idea de que el hidrógeno es un hidrocarburo. Los hidrocarburos son sustancias cuyas moléculas constituyentes están hechas de átomos de carbono y de hidrógeno en diferentes relaciones atómicas (CnHm), según la naturaleza de cada sustancia en particular.

El hidrógeno es la sustancia cuyas moléculas están constituidas por dos átomos de hidrógeno, únicamente (H2). Se hace evidente entonces, que la proposición de hidrógeno como hidrocarburo es errónea, en sentido químico y legal.

b) El segundo episodio de discusión a través de la prensa y redes de comunicación social lo constituyó la aseveración (también incorrecta) que el hidrógeno es un derivado del petróleo.

El petróleo es una mezcla compleja de hidrocarburos y de algunos otros compuestos, cuyas moléculas incluyen también átomos de azufre, nitrógeno y oxígeno. Las sustancias orgánicas (de carbono) contenidas en el petróleo y obtenidas por refinación de éste (separación física) son derivados del petróleo.

La confusión se ha debido a que hidrocarburos derivados de petróleo pueden transformarse (por medio de procesos químicos independientes) en materias primas para necesidades tecnológicas, en donde el hidrógeno es un subproducto de esas transformaciones, pero no un derivado de la refinación del petróleo. No hay cantidades significativas de H2 contenidas en el petróleo. Ejemplos son la fabricación de bolsas plásticas de polietileno para basura y empaques en general, tapas de polipropileno para botellas, hules sintéticos de polipropileno para empaques hidráulicos, guantes, delantales industriales, botas y otros productos.

Lo anterior se ejemplifica con las transformaciones de tres hidrocarburos gaseosos contenidos en el petróleo: etano, propano y butano,

  1. Etano ® Etileno + H2                                  Etileno ® Polietileno

 

  1. Propano ® Propileno + H2             Propileno ® Polipropileno

 

  1. Butano ® Butadieno + 2 H2           Polibutadieno ® Hules sintéticos

 

Es necesario reiterar que el H2 es un subproducto de otros procesos químicos, independientes de la destilación del petróleo. Pero no toda sustancia que acompaña al petróleo es un derivado de éste. Por ejemplo, los diferentes petróleos del mundo tienen un contenido del elemento metálico vanadio, en proporciones que rondan 0,3 g en cada kilogramo de petróleo. Su presencia en el petróleo no lo convierte en un derivado del mismo. La fuente industrialmente significativa de este elemento es una serie de minerales que lo contienen en diferentes composiciones químicas tipo sulfuros de vanadio, y vanadatos de plomo y de uranio.

c) El tercer episodio de este asunto ha sido relacionarlo estrictamente con movilidad vehicular. Esto puede encuadrarse en el escenario de vehículos eléctricos que trabajan con celdas de combustible de hidrógeno y como materia prima para la producción de combustibles de generación más actual, como el llamado dísel verde.

Estas posibilidades son interesantes, pero solo económica y tecnológicamente factibles cuando se toma en cuenta los detalles indicados a continuación.

3) Producción de hidrógeno. En la realidad se trata del conjunto de metodologías industriales que conducen a la producción de hidrógeno. Entre los más corrientes están el reformado con vapor de hidrocarburos y carbón mineral y la descomposición térmica de los primeros.

Todos estos procesos requieren de una entrada de energía. Esto es la razón para haber indicado como primer punto de discusión, que el hidrógeno es un vector o acarreador de energía y no una fuente de energía.

A la energía empleada en su producción, debe agregarse no solo los costos de ineficiencia debidos a manejo del proceso, sino también el almacenamiento del hidrógeno producido, por el alto costo energético que implica la compresión del gas en contenedores a altas presiones, y las fugas inherentes a la difusibilidad de la molécula más pequeña que existe (H2), aún a través de las paredes de recipientes metálicos o de otros materiales.

Se hace claro que la factibilidad económica y tecnológica de este tipo de procesos es función de economías de escala, que no sería el caso de Costa Rica. Este tipo de procesos industriales es factible cuando la planta de producción de hidrógeno esté asociada a una refinería de petróleo o a una planta de obtención de gas natural, que provean las materias primas para la posterior producción de hidrógeno.

Como Costa Rica no tiene características petrolíferas ni de gas natural evidentes, queda una posibilidad de obtención de hidrógeno por medio de la descomposición del agua con electricidad (electrólisis del agua).

Un periódico recientemente citó a una persona diciendo: “Eso es instantáneo, usted mete agua, mete electricidad y por el otro lado salen hidrógeno y oxígeno”. Esa expresión no indica la verdadera realidad del proceso de electrólisis del agua.

La energía mínima ideal para descomponer el agua es tal que se requiere 143 MJ por kilogramo de hidrógeno generado, y reitero que esta cifra no incluye la ineficiencia termodinámica del proceso real, su almacenamiento como gas comprimido, ni transporte. Esta cantidad de energía es equivalente al consumo eléctrico por cinco días de una familia que usa la cantidad mensual de 250 kWh.

Parte de la ineficiencia inherente al proceso electrolítico está en la disipación de la energía eléctrica como calentamiento del sistema, un costo que la inmisericorde segunda ley de la termodinámica no perdona. No puede existir ningún proceso real que sea 100 % eficiente. No entro a considerar detalles de la electroquímica industrial que implican diferentes grados de eficiencia electroquímica.

Otra vez, deseo recalcar que este tipo de procesos son de oportunidad de escalas de alta magnitud y aprovechamiento de subproductos como carbón para la industria siderúrgica, y monómeros para la industria de producción de plásticos.

Como se ve, la intención de esto corto reporte es eliminar la falsa idea de que se trata de echar agua por aquí y electricidad por allá para obtención de hidrógeno.

3) Biocombustibles de más reciente generación. Me han pedido por aparte que prepare una opinión razonada, con respecto a una iniciativa de la Refinadora Costarricense de Petróleo (RECOPE) para producir dísel verde, por hidrogenólisis de aceites vegetales. Con gusto incluiré algunos detalles de la evaluación que he realizado.

El dísel verde es una mezcla de hidrocarburos similar en composición al petrodísel. El proceso consiste en la reacción química entre hidrógeno y un aceite vegetal (o también grasa animal), mediada por un catalizador apropiado:

Según la selectividad del catalizador usado, se tendrá una específica composición del dísel verde, es decir los hidrocarburos (de origen vegetal) que se formen.

i. La ecuación química anterior parece indicar que se trata de un proceso sencillo, pero en realidad se trata de una situación industrial más compleja. El proceso químico se lleva a cabo a temperaturas alrededor de 300 °C y una presión de diez veces la presión atmosférica normal.

ii. Como un aspecto económico positivo, debe indicarse que alrededor del 20 % de la masa de petróleo extraída termina como dísel, mientras que en el caso del dísel verde en términos generales, es casi la totalidad de la masa del aceite, lo que termina en dísel verde, dependiendo de la eficiencia de conversión del proceso industrial usado.

iii. Por la naturaleza del proceso, no solo es necesario contar con suministro de hidrógeno, sino de aceites vegetales. Esto último ha sido el gran escollo para la plena producción de biodísel en Costa Rica y lo mismo significaría para la producción de dísel verde.

iv. El aceite vegetal debe tener un cierto grado de refinación. Además de “gomas” acompañantes, debe reducirse el contenido de minerales tales como fósforo, sodio, potasio y calcio.

v. El “dísel verde” obtenido es en realidad una mezcla de hidrocarburos, no solo del tipo presente en el petrodísel, sino otros del tipo nafta. Se requiere destilación de la mezcla de esa reacción.

vi. En el dísel verde, no hay cantidades apreciables de sustancias azufradas y un bajo el contenido de hidrocarburos aromáticos. Esta característica es muy positiva desde el punto de vista ambiental y de salud ocupacional.

Puedo predecir una situación en cuanto a la interacción del dísel verde con los empaques de las bombas de inyección en los motores dísel. La prensa divulgó hace un par de meses la noticia que el dísel actual que distribuye Recope es más agresivo para los empaques fabricados del elastómero Buna-N [poli(butadieno-acrilonitrilo)]. Hice un estudio experimental al respecto, que indicó que el dísel actual de bajo contenido de azufre e hidrocarburos aromáticos es absorbido por ese hule sintético cuatro veces más rápidamente que el dísel distribuido antes de octubre de 2017, con mayor contenido de azufre e hidrocarburos aromáticos.

El dísel verde será más similar al petrodísel de comercialización actual, por la ausencia de componentes aromáticos. El asunto se enfrenta con empaques hechos de materiales más resistentes, como por ejemplo de TeflonÒ o de VitonÒ.

vii. La reacción química para transformar aceites vegetales en dísel verde genera mucho calor (reacción exotérmica), según cálculos que realicé recientemente para tres aceites modelos. La cantidad promedio de calor generada a 25 °C es 1,2 MJ por kilogramo de dísel verde producido. El modelo indica que además, a la mayor temperatura de producción del dísel verde, la reacción será aún más exotérmica. El cuadro siguiente muestra los resultados de los cálculos,

 

Aceite modelo

ΔrH°/MJ (Calor generado, 25 °C)

(ΔrH°/T)p = ΔrCp

Tripalmitato de glicerilo

-    729 MJ

- 29,3 J K-1

Trioleato de glicerilo

- 1 151 MJ

- 250 J K-1

Triestearato de glicerilo

- 1 000 MJ

- 94,3 J K-1

 

La razón de tener muy en cuenta la exotermicidad de los procesos industriales es el riesgo aumentado de incendios o explosiones, debido al riesgo que el sistema salga fuera de control por calentamiento excesivo derivado de fallas en el control térmico de los reactores.

viii. El análisis de ciclo de vida del petrodísel es de mayor impacto ambiental que para el biodísel, y el impacto del dísel verde es aún menor.

Tal como se ve, este informe no aboga ni ataca el uso de tecnologías de hidrógeno para movilidad vehicular, ya sea para combustibles verdes o vehículos eléctricos de celdas de hidrógeno sino que busca indicar ciertos aspectos técnicos que deben tenerse en cuenta para decisiones políticas con respecto a la implementación de éstas.