Hidrógeno

Hidrógeno

El hidrógeno es el primer elemento de la tabla periódica. Es el más ligero que existe y en estado normal se encuentra en estado gaseoso. Es insípido, no tiene color ni olor. Es un compuesto químico que está constituido por un átomo formado por un potrón y un electrón. Ese es el reconocido H2.

Constituye el 75% de la materia del Universo, y como está compuesto por otros elementos como el oxígeno, no es un combustible que pueda tomarse directo de la naturaleza. Es decir, debe ser fabricado. Adentrémonos en el maravilloso mundo de este elemento

¿Qué es y cómo está compuesto?

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El átomo de hidrógeno de símbolo (H) está constituido por un núcleo de unidad de carga positiva y un solo electrón, como dijimos con anterioridad. Su número atómico es 1 y tiene un peso atómico de 1.00797. Constituye toda la materia orgánica y es uno de los principales componentes del agua.

El hidrógeno tiene tres isótopos: el potio (de masa 1), que se encuentra en más del 99% del elemento natural; el deuterio (de masa 2), se encuentra en la naturaleza en aproximadamente un 0.02%; y el tritio (de masa 3), el cual aparece en cantidades muy pequeñas también de la naturaleza, con la diferencia que puede producirse artificialmente a través de diferentes reacciones nucleares.

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Historia del hidrógeno

La palabra hidrógeno proviene del griego “hydro” que significa agua, y “genos”, que significa generador. En conjunto su nombre significa “generador de agua”. Así fue bautizado por Antoine Lavoisier. Sin embargo, cabe acotar que el H2 fue descubierto de una manera interesante por varios científicos y un trabajo arduo:

Veamos una pequeña línea de tiempo sobre su evolución

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El agua será el carbón del futuro

El escritor Julio Verne dijo en una de sus novelas lo que para muchos hoy es una predicción casi cumplida: “Creo que un día el agua será un carburante, que el hidrógeno y el oxígeno que la constituyen, utilizados solos o conjuntamente, proporcionarán una fuente inagotable de energía y de luz, con una intensidad que el carbón no puede; que dado que las reservas de carbón se agotarán, nos calentaremos gracias al agua. El agua será el carbón del futuro“.

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Como dato curioso, es realmente atractivo conocer, que el hidrógeno no tenía una ubicación en las tablas periódicas de los años 30. Esto fue en evolución. En la tabla propuesta por Seaborg, el hidrógeno encabezó dos grupos: el grupo 1de los metales alcalinos y el grupo 17, delos halógenos. Posteriormente se propuso que encabezara el grupo 14, sobre el carbono. Todas estas ubicaciones tuvieron argumentos químicos.

El hidrógeno actúa con estado de oxidación +1 y tiene un comportamiento metálico en estado sólido. Por su parte, también cuenta con similitudes con el flúor como no metal y propiedades químicas como: potenciales de ionización y afinidad electrónica que se acercan al grupo 14.

Usos del hidrógeno

Sin duda, el empleo más importante del hidrógeno se centra en la síntesis del amoníaco. Pero también tiene otras aplicaciones industriales. Sin embargo, también es usado en la industria electrónica, en la elaboración de cosméticos y en el hidrotratamiento de crudos muy pesados.

Producción de amoníaco: conocido como el proceso de Haber, se produce a partir de hidrógeno (H2) y nitrógeno (N2), a través de una reacción de alta presión.

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Como combustible: puede usarse directamente en un motor de combustión interna, o en una estufa, también como celda de combustible. Ese último uso fue empleado por la NASA para producir electricidad en vuelos espaciales. También en el transporte aéreo o marítimo.

Otras industrias: también, el hidrógeno  es importante en la fabricación de vidrio y acero. A su vez,  también es usado como gas en la elevación de globos meteorológicos y en la elaboración de herramientas de corte a alta velocidad.

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¿Cómo se obtiene?

A través de la historia, el hidrógeno se obtuvo mediante combustibles fósiles. Por su parte, el hidrógeno verde se produce a partir de agua y energías renovables. El proceso es llamado electrólisis y se realiza a través de fuentes renovables. En esta técnica se descomponen las moléculas de agua (H2o), oxígeno (O2) e hidrógeno (H2).

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El reformado con vapor de agua del gas natural, por su parte es un proceso que combina metano con vapor de agua para producir dióxido de carbono e hidrógeno. Se realiza mediante una reacción química endotérmica, es decir, que requiere aportar calor en el proceso. Es el método tradicionalmente usado por las industrias.

También se puede obtener mediante un proceso de gasificación. Este se basa en descomponer biomas e hidrocarburos que estando en un ambiente saturado por un gas a cierta temperatura, termina transformándose en hidrógeno.

En cuanto a la ya mencionada electrólisis del agua, se aplica usando electricidad la cual disocia la molécula de agua en componentes de hidrógeno y oxígeno. Es el método más conocido desde hace años y que actualmente resurgió, debido  a la reducción en precio de la llamada energía renovable.

Asimismo, también pueden ser empleados los ciclos termoquímicos. Están basados en el calor de alta temperatura que viene producido por la energía nuclear o solar, que se encuentra concentrada y aplicada a un compuesto para cambiar su composición. Este pasa a otro proceso que permite liberar el hidrógeno y regresar a su compuesto inicial. Este es un proceso que aún se encuentra en investigación.  Para finalizar, se puede obtener hidrógeno a través de un proceso biológico. ¿Cómo?, mediante algas y bacterias que se producen directamente de él.

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Otro uso importante del hidrógeno es el almacenamiento de energía. Debido a que el hidrógeno se caracteriza por su alta densidad energética por unidad de masa. Sin embargo el principal problema de esto es que ocupa mucho volumen. Por ello, existen diferentes maneras de almacenamiento, según su grado de desarrollo.

Tipos de almacenamiento

Gas comprimido: es una técnica bastante usada para suministrar hidrógeno en presiones pequeñas. Su principal característica es que es de bajo costo y tiene disponibilidad general.

Hidrógeno líquido: es una de las tecnologías más empleadas y por lo tanto, más reconocidas. Tiene una buena densidad de almacenamiento. Para esta se requieren temperaturas muy bajas, lo que puede hacer un poco más costoso su procedimiento.

Hidruros metálicos: se almacena el hidrógeno sobre un metal. Al utilizarse este sólido para fijar el gas, su vida útil puede ser menor.

Hidruros químicos: consta de sistemas compactos que tienen un tamaño muy reducido. Necesitan de infraestructuras especiales.

Estructuras de carbono: permiten una elevada densidad de almacenamiento de hidrógeno. Aunque aún están en fase de investigación, son prácticas debido a su ligereza.

¿Qué es el hidrógeno líquido?

El LH2, o hidrógeno líquido es el elemento del hidrógeno en estado líquido. Mayormente, es usado como combustible en la industria aeroespacial.

Tiene varias características, según:

Su punto de ebullición: en este estado puede producir quemaduras por congelación o también hipotermia. Podría también causar problemas en la respiración que pueden complicarse y provocar asfixia si llega a ser inhalado.

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temperatura

De acuerdo a su temperatura: puede formar hielo si tiene contacto con la humedad del aire. Esto podría obstruir sus tanques de almacenamiento.

Su evaporación: en este punto se genera hidrógeno gaseoso. Se debe evitar mezclar con el aire condensado de la atmósfera porque puede provocar un incendio, e incluso explotar.

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¿Cómo mantenerlo en estado líquido?

Para mantener el hidrógeno en estado líquido, es necesario emplear dos procesos: enfriarlo y presurizarlo a una temperatura de entre -252,87 grados centígrados. Suele usarse como método de almacenamiento del hidrógeno porque ocupa menos espacio que en estado gaseoso.

Por su parte, para mantener el hidrógeno en un tanque, debe estar habilitado en tecnología criogénica.

Lo que no sabías del hidrógeno

Este gas, bastante importante para la vida tiene varias características que puede que no conozcas:

Es el elemento más antiguo. Fue creado segundos después del Big Bang, momento en el que comenzó lo que conocemos como “Universo”.

Está presente en el 90% de los átomos y en las tres cuartas partes de la masa total.

Es un elemento impuro. Debido a que es muy ligero, asciende a la atmósfera con el resto de los gases, por lo que no es encontrado en cantidades importantes. Incluso, se pierde en el espacio debido a que sube a sus capas más altas.

Las estrellan brillan gracias a él. Las estrellas convierten grandes cantidades de hidrógeno en helio, lo que produce su efecto.

El sol, por su parte, consume por segundo seiscientos millones de toneladas de hidrógeno. De allí se libera la energía que recibimos como luz y calor.

Es indispensable en nuestro cuerpo. El hidrógeno es esencial para que exista agua y el agua constituye alrededor del 60% de nuestra masa corporal.

Sirve como biomoléculas como carbohidratos, proteínas o almidones. A su vez, mantiene la estructura de nuestro ADN.

Efectos del hidrógeno

Así como cualquier otro gas, el hidrógeno puede tener efectos considerables para la salud de acuerdo a su exposición.

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Puede llegar a ser extremadamente inflamable, lo que puede causar fuego o una explosión.

Si es inhalado en altas concentraciones, este gas puede causar deficiencia de oxígeno. Los individuos que lo respiren pueden tener síntomas como dolores de cabeza, vómitos, pitidos en los oídos, somnolencia, náuseas, entre otros.

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En contacto con la piel puede causar coloración azul.

Si hay enfermedades respiratorias preexistentes se pueden agravar como consecuencia de la inhalación del hidrógeno.

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También puede haber peligros químicos, efectos ambientales sobre plantas, animales o sobre la vida acuática.

Hidrógeno verde

Chile estima para el 2030, ser el primer país en producir el hidrógeno verde (H2v) más barato del mundo. El país sureño, hizo historia por producir la primera molécula de H2v para vehículos de faena minera. Pero, ¿te interesa saber más sobre este elemento? Pues, continúa leyendo porque aquí te damos todos los detalles de él y los múltiples beneficios de este industria que apunta directamente al futuro.

¿Qué es el hidrógeno verde?

¿Te has puesto a pensar que tu próximo vehículo podría funcionar con hidrógeno verde? Es su principal función. Convertir al mundo en sostenible, a través de la denominada “energía del futuro”.

También conocido como “hidrógeno renovable” o e-Hydrogen, es el elemento químico más abundante en el universo. Es muy poderoso, si se compara con la gasolina, tiene tres veces más energía. Este elemento, que también puede presentarse en estado líquido, se encuentra en todas partes: incluso en las estrellas o el sol.

Es una fuente de energía limpia. ¿Por qué?, solo libera agua (H2o) en forma de vapor y no produce dióxido de carbono (Co2). Lo interesante del hidrógeno es que solo existe en combinación con otros elementos. Está presente en el agua (H2o), por ejemplo, pero en combinación con el oxígeno (O). Y combinado con hidrocarburos, forma el gas o el petróleo.

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Ventajas del hidrógeno verde

No emite gases contaminantes al ser generado

Su elemento es inagotable. El hidrógeno es el gas más abundante del Universo

Permite múltiples aplicaciones y usos

Es versátil. De él puedes obtener combustibles sintéticos, electricidad o puede ser usado hasta con fines domésticos

Aplicaciones del hidrógeno verde

El hidrógeno verde es usado en distintas industrias. Sin embargo, en la actualidad es un elemento que en el sector de las energías está muy “de moda”. Aunque no es una fuente de energía por sí solo, este acumula la energía química dentro de sus moléculas y la entrega en procesos de combustión o a través de procesos electroquímicos.

Tiene varias aplicaciones:
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La acumulación de energía, es una de sus aplicaciones más conocidas. En pocas palabras es su característica más destacable. Pero, ¿de qué trata?: en este proceso el hidrógeno, actúa como un vector ideal de acumulación de energía, particularmente en instalaciones aisladas que requieran un consumo prolongado. Esto sirve para evitar la contaminación, alargar la vida de las instalaciones y abaratar el precio de las mismas.

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Por su parte, en la red de gas natural, se usa el hidrógeno mezclado con gas. En este proceso se ahorra la emisión de Co2.

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Vehículos propulsados por hidrógeno. Es una alternativa actualmente usada como alternativa sostenible a la gasolina, por ejemplo.

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En procesos industriales, el hidrógeno es usado desde hace décadas para procesos de fabricación de plantas altamente contaminantes, como los fertilizantes, la fabricación de acero, el amoniaco, entre otros.

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También tiene un uso residencial y doméstico en pilas de combustible de alta temperatura, los cuales buscan generar electricidad y agua caliente, sustituyendo al gas natural.

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En los desplazamientos marinos, como en transportes de carga o transporte de pasajeros. Estos son de los más contaminantes, por ende, se usa el hidrógeno con propulsión de cero emisiones.

Otros colores de hidrógeno

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También llamado hidrógeno marrón, es producido a partir de la gasificación del carbón. Es un proceso que genera enormes cantidades de dióxido de carbono (Co2) y otras emisiones contaminantes.

Este se obtiene también de fuentes fósiles como el gas natural, sin embargo, este tipo de hidrógeno, no emite contaminante alguno en la atmósfera.

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Es el más barato y se basa en el 70% de la producción de hidrógeno en la actualidad. Para obtenerlo también se cumple un proceso en el que el dióxido de carbono es fundamental.

Se da durante el proceso de pirolisis. Se produce durante  el calentamiento a altas temperaturas  y sin oxígeno del gas natural o del metano que obtiene hidrógeno en forma de gas y carbono sólido.

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Es el que se encuentra en la naturaleza. Por ejemplo en depósitos subterráneos.

Se obtiene mediante la energía nuclear durante el proceso de la electrolisis.

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Este se encuentra dentro del hidrógeno verde. En definición, es el gas obtenido a través de la electrolisis usando la energía solar.

¿Cómo funciona la tecnología del hidrógeno verde?

Para comenzar a hablar de este punto, es necesario tener en cuenta que el hidrógeno está destinado en su mayoría a la industria petroquímica y a la producción de amoníaco. Teniendo esto en cuenta, el hidrógeno verde está elaborado para eliminar las emisiones de los sistemas actuales de producción de hidrógeno.

Es decir, el hidrógeno verde está pensado para reemplazar los combustibles fósiles pero con ciertas particularidades: no cambiar el sistema de transporte ni el de su producción, al mismo tiempo que se usará un vector para almacenar la electricidad de fuentes renovables.

Hidrógeno verde en Chile: rumbo a convertirse en potencia

Le Energy Partnership Chile-Alemania, la cual es una iniciativa entre los ministerios de Energía de ambos países, informó que para 2.040 Chile podría exportar al menos 2 millones de toneladas de hidrógeno verde. Un gran logro, debido a que sería poco menos de la mitad de lo que necesita un país industrializado para esa fecha.

Además de esto, lo que también se destaca es el costo que tendrá el hidrógeno verde producido en Chile. Catalogado como un “combustible limpio”, el costo menor sería de aproximadamente 1,5 dólares por kilogramo. Esto generaría, 30 mil millones de dólares para el país.

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Pero de qué trata el proyecto

En mayo de 2021 fue aprobado el primer proyecto para la producción de hidrógeno verde en Latinoamérica. En el sur de Chile se construirá una planta productora de ecombustibles  en base a hidrógeno la cual tendrá una vida útil de 25 años.

La labor de esta planta será obtener hidrógeno verde con energía eólica, para posteriormente, a través de un proceso de fotosíntesis con Co2 capturado de la atmósfera, se produzca metanol. A partir de su producción, la idea es contar con una gasolina que podrá ser usada en vehículos convencionales, es decir que no tengan modificaciones para lograr un transporte con carbono neutral.

¿Cuál es la meta?

Chile espera producir así, 350 toneladas de metanol crudo al año y a su vez, más de 100 mil litros de gasolina al año. Estos combustibles deberán ser almacenados en estanques y transportados en camiones para su exportación.

Ventajas para Chile

Empleos de calidad y una economía de servicios poderosa.

Reducir o llegar a eliminar la contaminación en las diversas localidades.

Avanzar en los compromisos de descarbonización.

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Porsche será el cliente principal del combustible ecológico

La fase reveló en un comunicado, que junto a otras compañías internacionales colaboraran para la elaboración de la planta de combustible no contaminante. Asimismo, este proyecto contará con otros socios como la energética AME y la petrolera Enap de Chile.

Chile tiene competencia

Sin duda, Chile no es el único país que trabaja para convertirse en potencia con el desarrollo del H2. España, Alemania, Francia e Inglaterra, también están elaborando un plan para ser líderes de este nuevo combustible.

Sin embargo, Australia es la competencia más directa. Esto debido a que tiene como meta ser líder exportador. Marruecos, también es otro país en esta carrera por el combustible y tiene significantes ventajas: tiene fuerte potencial solar y está muy cerca de Europa por lo que tiene bajos costos a nivel de transporte.

No es una idea nueva

Usar el hidrógeno como combustible para contrarrestar la contaminación de Co2 en el aire, no es algo nuevo. Desde el siglo XIX, el hidrógeno se ha usado, incluso para combustible de naves espaciales. Por su parte, en los años 80 el hidrógeno fue usado para contrarrestar la crisis de petróleo que se vivía en Estados Unidos para la época.

El hidrógeno verde se fusiona con la minería en Chile

Chile es nación de la minería. Es por ello, que en su búsqueda por ser líder en la producción a bajo costo de hidrógeno verde, el país se plantea una transición fundamental para el sector. Viendo la minería como crucial para los inversores, Chile plantea usar la energía renovable como ayuda para lograrlo.

Sin duda, el uso del hidrógeno en la minería favorecerá a que el sector reduzca su gran consumo de electricidad y combustibles fósiles, todo para llegar a ser más sustentable. ¿Por qué?, este sector tiene un consumo de energía de casi el 25% de los costos de producción.

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La minería es la principal causa de contaminación

Las emisiones de Co2 en la minería son un desafío que Chile está dispuesto a tratar. El diésel usado en la minería representa el 9% de las emisiones de dióxido de carbono. Este combustible es usado en su 90% en el transporte de minerales con camiones que llegan a consumir cada uno alrededor de 3.500 litros diarios.

El uso de hidrógeno verde en esta industria requiere innovación que tienen unos fines característicos:

emisiones

Reducir las emisiones locales y globales

mineria

Aumentará la productividad de la minería

costo

Reducir la volatilidad del costo variable

A su vez, dentro de la minería se buscará también sustituir los combustibles fósiles con energía termo solar.

La primera molécula de hidrógeno verde (H2v)

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Chile dio un nuevo paso a la protección de la naturaleza y combatir el cambio climático con la producción de la primera molécula de hidrógeno verde. Así anunció el Presidente de la nación que además destacó que el consumo de combustible diesel en la minería de cobre en Chile alcanza cerca de 2MM de M3 al año.

Esto quiere decir que, en Chile, se genera alrededor de 5,4MM de toneladas de Co2. Lo que equivale al Co2 generado por 1,2 MM de automóviles al año.

Lo cierto es que, según la Agencia Nacional de Energía, para el 2050 la producción de hidrógeno alcanzará las 300 millones de toneladas, de la cual se espera que casi la mitad sea de hidrógeno verde.

Hidrogenera

Asimismo, en contribución a un mondo más sostenible, la empresa minera Anglo-American Chile creó una planta que producirá H2v para vehículos cero carbonos. Esta se hizo a partir del agua reutilizada del proceso minero y de energía fotovoltaica proveniente de otras dos plantas del país.

¿Qué es una Hidrogenera? Es una estación de hidrógeno a través de un proceso rápido, limpio y seguro. En estas plantas, el hidrógeno es suministrado a alta presión. A diferencia de las estaciones de servicio comunes, en las hidrogeneras la fuente de hidrógeno puede ser variada debido a que puede suministrarse mediante camiones por tuberías de hidrógeno o directamente en la estación por el proceso de hidrólisis.

Existen varios tipos de hidrogeneras:

Con fuentes propias de hidrógeno: donde el hidrógeno es formado mediante reformadores de metano con vapor o a través de hidrólisis, como dijimos anteriormente.

Con suministro externo: a través de la alimentación mediante botellas o contenedores, mediante redes canalizadas o estaciones móviles.

Cabe destacar que este tipo de tecnologías ya son una realidad en Japón, Estados Unidos y Alemania, incluso en algunos lugares de España.

Contaminación en Chile: mueren más de 11 mil personas al año

Chile está entre los puestos 100 del ranking de países contaminantes por emisiones de Co2. Según la Organización Mundial de la Salud (OMS), en el país sureño se producen alrededor de 11 mil muertes cada año por contaminación. En los mismos niveles de países como Australia, Reino Unido y Suiza.

Las ciudades que se ven más afectadas son: Coyhaique, Temuco, Valdivia, Chillán, Osorno, Los Ángeles, Santiago, Talca, Curicó y Rancagua; las cuales han presentado los peores índices en los últimos años. Es por ello que entre las estrategias para mejorar la contaminación del aire en el país, son la producción de energía verde.

El hidrógeno verde en Latinoamérica

En Latinoamérica, el hidrógeno verde tiene un enorme potencial para generar este combustible. Según los expertos, la región podría consolidarse como exportador para mercados internacionales. Cabe resaltar que el hv2 es liderado en esta región por Chile y Costa Rica. Siendo el primero quien tiene más fuerza en su uso porque tiene una electricidad de bajo precio y buscan ser líderes en la exportación.

Por su parte, hay otros países de la región haciendo su aporte:

Colombia: está planteando un plan a 30 años para la economía del hidrógeno. Hacia el 2030, el país espera un crecimiento exponencial en esta área.

Argentina: busca convertir al hidrógeno en política de Estado en la matriz energética. Dio el primer paso a través de un encuentro virtual donde participaron varias empresas interesadas en ser parte de esto.

Uruguay: buscar ser productor de hidrógeno verde. Ya dio a conocer el primer piloto llamado H2U.

Perú: es el país que está apto para la producción de hidrógeno en calidad de exportador y los próximos cinco años son claves para lograrlo.

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