+Universidad de TarapacáFacultad de ingenieríaDepto. de mecánicaArica-Chile

Ingeniería del ámbito térmico.

Investigación sobre el hidrógeno en chile

Profesor: Raul Sapiain Araya

Alumnos: Felipe Morel Corvacho. Felipe Alvarado Tapia. José Valencia Hidalgo. Paolo Fuentes Palavecinos. Fecha de entrega: 21/12/11

Índice.

1. Introducción………………………………….……………...…………………………… Pág. 1

2. Investigación sobre el hidrógeno en Chile.

2.1 Metodologías de producción actual y costos específicos para su producción………………………..…………………………………..

2.2 Utilización para los próximos 20-30 años……………………………

2.3 Infraestructura en las próximas tres décadas….…............….

2.4 Monto de inversiones y campos de desarrollo en los próximos 20-30 años……………..……………………………………….....

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3. Conclusiones…….…………………………..…………….……………..……………... Pág. 49

4. Bibliografía…………………….………………………………….………………………. Pág. 50

1. Introducción.

Esta investigación tiene como objetivo estudiar las características y posibles usos del hidrógeno dentro de la matriz energética de Chile. Con ese objetivo se hace una introducción de lo que es una economía de hidrógeno, las técnicas de generación y transporte de hidrógeno, el funcionamiento de las celdas de combustibles, el avance de las tecnologías hasta el momento y los productos que están disponibles en el mercado.

Una vez que se ha introducido en todo lo relacionado con el hidrógeno se hace un análisis sobre sus posibles aplicaciones en la matriz energética chilena en el futuro. Dentro de estas se estudia la generación de electricidad usando como fuente de energía al hidrógeno y después se estudia su uso como combustible para vehículos de transporte.

Desgraciadamente no se le pudo dar un enfoque más económico a la investigación debido a la falta de información sobre el tema. La razón de la falta de información económica es que las tecnologías relacionadas con el hidrógeno están en una etapa de desarrollo y no hay mucha información con respecto a sus potenciales costos. Por lo tanto en caso de que llegara a masificarse el uso del hidrógeno, esto será en varios años más.

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2. Investigación sobre el hidrógeno en Chile.

2.1 Metodologías de producción actual, costos y energía específica para su producción.

-El hidrógeno prácticamente no se encuentra en estado libre en la Tierra, por lo que no es una energía primaria. Sin embargo, puede producirse a partir de distintos precursores mediante procesos químicos o bioquímicos. La producción de hidrógeno a gran escala no solo aliviaría la dependencia del petróleo sino que también reduciría la contaminación ambiental cuando se incorporen las celdas de combustible tanto en automoción como en aplicaciones estacionarias.

Aunque el H2 puede producirse mediante el proceso de reformado del gas natural, nafta, fuel pesado o carbón, la relación atómica H/C (hidrógeno/carbono) más elevada de la molécula CH4 con respecto a otros combustibles indica que el gas natural, cuyo componente mayoritario es el CH4, sea el precursor más idóneo para producir hidrógeno.

En cuanto a la producción industrial del hidrógeno, el método más ámpliamente utilizado es el reformado del gas natural con vapor. No obstante, existen otros tipos de procesos:

1.- Reformado (hidrocarburos ligeros) 2.- Oxidación parcial (hidrocarburos pesados) 3.- Electrolisis (agua o cloro-sosa) 4.- Proceso Kvaerner Black 5.- Fermentación de biomasa 6.- Gasificación 7.- Biológicos

1.- Reformado de hidrocarburos ligeros (metanol, metano o gas natural)-El reformado de metano (CH4) con vapor es un proceso utilizado a lo largo de varias décadas para producir H2. Por tratarse de la tecnología más económica, este proceso es el que se utiliza en la actualidad en la producción industrial del hidrógeno. La reacción es:CH4 + H2O → CO + 3H2

El gas natural reacciona con vapor de agua sobre un catalizador de níquel colocado en el reformador primario a temperaturas de 1.200 ºK y presión total de 20-30 bar. Puesto que el gas natural contiene impurezas de azufre, se requiere una etapa previa de eliminación de este contaminante para evitar el deterioro de la actividad catalítica. La corriente limpia de metano se hace reaccionar después en un reactor al que se incorpora un catalizador de níquel. El gas de salida es rico en hidrógeno pero contiene una cierta proporción de

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monóxido de carbono, que a su vez se transforma en otro reactor, o incluso en dos, en hidrogeno adicional mediante reacción con vapor de agua. El gas resultante tiene un contenido elevado de hidrógeno, junto a dióxido de carbono y cantidades mucho más bajas de metano no convertido y monóxido de carbono remanente, usualmente 1% en volumen.

Como el gas natural contiene una pequeña proporción de otros hidrocarburos tales como etano, propano y butano, que se descomponen con facilidad y generan residuos carbonosos en las condiciones de reformado del metano, componente mayoritario, se requiere una etapa previa de reformado (pre-reformado) para transformar una parte de los hidrocarburos presentes en el gas natural en una mezcla de CO/H2.Este proceso de “pre-reformado” minimiza la formación de residuos de carbón durante el propio proceso de reformado del metano, lo que redunda en un tiempo de vida largo de los sistemas catalíticos utilizados.

En lugar de metano, se puede utilizar igualmente metanol para la producción industrial de hidrógeno. En este proceso, el metanol se hace reaccionar con vapor de agua sobre un catalizador para producir H2. Esta es una reacción endotérmica en la que el calor requerido se obtiene de la combustión del gas de cola junto a otra pequeña fracción de metanol. La corriente de hidrógeno se purifica en una unidad de adsorción/deserción, tal como se hace en el reformado de metano.

2.- La oxidación parcial de hidrocarburos pesadosEl proceso implica básicamente oxidación parcial de estos hidrocarburos. El reactor está rodeado de un horno eléctrico con el que se calienta la mezcla de hidrocarburo-aire. A la salida del reactor se elimina como H2S y a continuación se inyecta vapor de agua antes de incorporar el reactor de desplazamiento del gas de agua. Las cantidades de los mismos son controladas cuidadosamente para ajustar la velocidad de oxidación de los hidrocarburos. En general, la reacción puede escribirse como: CnHm + H2O + O2 H2 + CO +CO2

3.- Electrolisis (agua o cloro-sosa)

Es en principio lo contrario a una pila de combustible. A partir de agua y electricidad se obtiene hidrógeno y oxígeno:

H2O H2 + ½O2

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Como en las pilas de combustible, la oxidación y la reducción tienen lugar en dos electrodos separados físicamente. El hidrógeno es producido en el cátodo y el oxígeno en el ánodo. El electrolito es un conductor iónico, usualmente tanto para protones (H+) como iones hidróxido (OH-). El más común es el proceso alcalino, el cual ha sido utilizado desde el inicio del siglo XX.

El hidrógeno producido en el cátodo se debe purificar ya que contiene impurezas de oxígeno y un cierto nivel de humedad. La corriente de hidrógeno se seca mediante un adsorbente y las impurezas de oxígeno se eliminan con un convertidor DeOxo. El calor liberado en el proceso se elimina recirculando agua alrededor de las celdas.

Puesto que los electrolizadores convencionales proporcionan H2 con un coste elevado, se han desarrollado otros procesos electrolíticos como es la electrolisis en fase de vapor. El potencial reversible de la celda decrece al aumentar la temperatura. Puesto que el coste de electricidad requerida en la electrolisis para producir H2 a partir de H2O es proporcional a la fuerza electromotriz de la celda, el coste disminuye con la temperatura.

La celda se enfría debido a que el proceso es endotérmico y se mantiene a temperatura constante aportando calor desde el exterior. Esto significa que el calor se convierte por vía electroquímica en H2 sin pasar por un ciclo de Carnot. Así, a 1.500 ºK la cantidad de energía térmica que se utiliza en la descomposición termo-electroquímica es del 50% del total. Bajo estas condiciones, el coste de producción es 50% más bajo que en el proceso convencional. Otra alternativa económica de producción de H2 la proporcionan nuevos tipos de electro-catalizadores que son capaces de disminuir el sobrevoltaje, lo que supone una reducción del coste.

Conviene señalar el hecho de que el hidrógeno producido por electrolisis es del orden de 4.9-5.6 kWh por cada m3 de hidrógeno producido, lo que resulta al menos dos veces más caro que el hidrógeno obtenido por reformado del gas natural. También cabe señalar que el 2-3% de la producción mundial de hidrógeno se obtiene mediante este método.

4.- Proceso Kvaerner Black

El inconveniente de este proceso radica en que se genera humo negro como subproducto. Este método solo se basa en calendar un hidrocarburo a temperaturas muy elevadas. Por ejemplo, el metano se descompone según la siguiente reacción:

CH4 + energia 2H2 + C

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Este proceso pirolítico fue desarrollado por la compañía noruega Kvaerner en los años 1980, y es especialmente interesante, porque el gas resultante está libre de CO2. El negro de humo puede utilizarse en la producción de caucho, por ejemplo.5.- La fermentación de biomasa Es realmente una digestión anaeróbica de biomasa por bacterias u otros microorganismos. La celulosa puede convertirse en H2 mediante varios procesos termoquímicos tales como combustión, licuefacción, pirólisis y gasificación. A partir de este proceso se obtiene un gas que contiene metano, el cual puede alimentar directamente una pila de combustible de alta temperatura o destinarse a la producción de hidrógeno. Modificando el proceso puede aumentarse el contenido en hidrógeno del gas resultante. 6.- GasificaciónLa gasificación de la biomasa en presencia de O2 genera una corriente gaseosa rica en hidrógeno que se reforma con vapor de agua a la salida del gasificador con el objetivo de producir hidrógeno adicional. El inconveniente principal de la gasificación de biomasa es la formación de alquitrán. La formación de alquitrán puede minimizarse mediante diseño apropiado del gasificador, incorporación de aditivos catalíticos y también mediante el control de las variables de operación. Los catalizadores reducen el contenido de alquitrán pero son particularmente efectivos para mejorar la calidad y conversión de la fracción gaseosa producida. Otro problema inherente de la gasificación de biomasa es la formación de ceniza, que puede producir acumulación de sólido, taponamiento y desactivación. Estos problemas se han reducido mediante extracción y fraccionamiento.7.- BiológicosAlgunos microorganismos (algas y bacterias) pueden producir hidrógeno a partir de agua y luz (fotosíntesis). Las especies más prometedoras podrían seleccionarse y modificarse mediante ingeniería genética, con objeto incrementar el rendimiento del proceso. Algunas algas, como el alga verde Scenedesmus, producen H2 cuando se iluminan con luz visible o cuando se mantienen en condiciones anaerobias y en ausencia de luz. Las algas verdes se aplican igualmente en otro método de producción de H2. La especie Scenedesmus produce hidrógeno no solamente bajo irradiación con luz sino también por vía fermentativa en condiciones anaerobias, utilizando almidón como fuente reductora. Aunque la velocidad de producción de H2 por unidad de peso conforme a la vía fermentativa es menor que la obtenida mediante irradiación con luz, la producción se mantiene estable debido a la ausencia de oxígeno. Las cianobacterias producen también hidrógeno mediante fermentación, en ausencia de luz y en condiciones anaerobias. Entre las distintas cianobacterias ensayadas, la especie Spirulina es la que presenta actividad más elevada.

2.2 Utilización para los próximos 20-30 años.

UTILIZACION ACTUAL DEL HIDROGENO.

PROYECCION Y VISIÓN DE UTILIZACION DEL HIDROGENO EN CHILE7

PARA LOS PRÓXIMOS 25- 30 AÑOS.

La producción de hidrógeno, por diversas rutas tecnológicas, es un tema de gran interés en la actualidad debido tanto a los problemas ambientales - producto de la emisión de gases con efecto invernadero (CO2, NOx, etc.) - producidos en la combustión de combustibles fósiles, como al eventual agotamiento de las fuentes de combustibles fósiles. El gas hidrógeno ofrece grandes ventajas, entre las que destaca que su producto final es agua (en lugar de gases del carbono); que es transportable (relación peso por unidad de energía es muy baja, a diferencia de las baterías eléctricas) y que se produce a partir de radiación solar.

El gas hidrógeno será la energía transportable del futuro (cercano), por sus virtudes de: renovabilidad; por la limpieza de su combustión (no produce el principal "gas de efecto invernadero", el CO2, generando solo agua como desecho); por su enorme relación energía a peso (39,4 Kw/h por Kg de H2); y por la simplicidad de su conversión a energía eléctrica según demanda instantánea (mediante celdas a combustible o "fuel cells").

Chile en estos momentos está desarrollando estudios para la obtención de Hidrogeno y su distribución para su uso como combustible y fuente energética.

Pero antes se mencionara el uso actual de esta fuente energética:

Durante los últimos 50 años las refinerías de petróleo, las industrias químicas y petroquímicas así como las industrias de combustibles sintéticos han empleado el hidrógeno gaseoso en grandes cantidades como materia prima. Ejemplos significativos de este uso son la producción de amoniaco para fertilizantes o la desulfuración de los productos derivados del petróleo.De igual modo la industria del gas ha hecho uso del hidrógeno en forma líquida y en forma gaseosa para múltiples aplicaciones con un envidiable historial de seguridad. También la industria eléctrica ha empleado el gas de hidrógeno con objeto de enfriar el rotor y el estator de grandes turbinas.Esta tendencia a aprovechar las ventajas del hidrógeno en los procesos industriales se ha ido extendiendo a lo largo de los años sin que se hayan presentado problemas de mayor importancia.Uso, consumo y transporte:El hidrógeno líquido es el combustible empleado para la propulsión de los cohetes espaciales. Su uso en las lanzaderas espaciales es doble ya que no sólo alimenta (junto con el oxígeno) los reactores principales de las lanzaderas espaciales sino que también es el

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encargado de generar, mediante pilas de combustible, la electricidad y el agua necesarios para los sistemas y ocupantes del vehículo espacial.Las agencias espaciales Norteamericana, Europea y Japonesa llevan manejando hidrógeno en cantidades importantes durante los últimos 40 años con total seguridad gracias a los procedimientos que han desarrollado y a la excelente preparación de su personal técnico.En 1996 el consumo global a nivel mundial de hidrógeno fue de casi 400.000 millones de m3, correspondiendo a los Estados Unidos 79.000 millones (≈ 20%) lo que supone más del total de gas natural consumido en el sector comercial en ese mismo año. Sin embargo casi todo el hidrógeno es utilizado por las refinerías o plantas químicas donde se produce ya que es en ellas mismas donde se consume íntegramente.No obstante, a lo largo de los años, se ha ido desarrollando una red de distribución de hidrógeno suficiente segura y fiable en base a los camiones cisterna de hidrógeno líquido y las redes de tuberías específicas para hidrógeno. Ya hay más de 800 km de tuberías de hidrógeno en todo el mundo, incluyendo 225 km en el Valle del Ruhr en Alemania que vienen operado de modo seguro desde 1938, y 210 km de tuberías en LaPorte, Texas, propiedad de Air Products and Chemicals, Inc.En el mercado del transporte están surgiendo proyectos innovadores relacionados con automóviles, camiones, autobuses y aviones que emplean el hidrógeno para su propulsión lo que supone sin duda alguna un paso hacia delante en la difusión del hidrógeno dentro de nuestra sociedad.Combustible residencial e industrial:Pero el hidrógeno también tiene un largo bagaje como combustible residencial e industrial. El gas de carbón, una mezcla de hidrógeno (50%), metano (26%) y otros gases (incluyendo un 7% de monóxido de carbono) ya se empleo de forma intensa en Gran Bretaña para la iluminación. En 1815 el gas de carbón (“coal gas”) se distribuía en Londres a través de una red de tuberías de acero fundido. En EE.UU. antes de la segunda Guerra Mundial, el gas ciudad, una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono al 50% producido por gasificación del carbón, fue usado por millones de norteamericanos para cocinar, iluminar sus casas o calentar el agua y sus hogares. También en la ciudad de Madrid se han utilizado este tipo de gases cuya obtención ha evolucionado desde su producción a partir de carbón hasta el gas natural actual.El hidrógeno se utiliza también en el sector de la alimentación para la hidrogenación de los aceites y grasas vegetales y animales. Además tiene aplicación en el campo metalúrgico por su habilidad para reducir los óxidos metálicos y prevenir la oxidación en tratamientos térmicos de ciertos materiales y aleaciones. Además tiene uso en el corte y la soldadura de metales. Por otro lado, y como ya se ha comentado anteriormente, el hidrógeno es extensamente empleado en la síntesis del amoniaco y en las operaciones de refino del petróleo. A su vez el hidrógeno líquido se emplea como combustible primario de los

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cohetes espaciales junto con oxígeno o fluoruros y como combustible en los cohetes de propulsión nuclear y los vehículos espaciales.En el año 1997 Directec Technologies Inc. redactó un informe para la Compañía Ford y el Departamento de Energía de los EE.UU. en el que se recogían y analizaban todos los datos disponibles acerca de accidentes relacionados con el hidrógeno. Las conclusiones principales pueden resumirse en los siguientes puntos:

Históricamente se han empleado para calefacción doméstica gases manufacturados que en su composición incluían hidrógeno. Este es el caso del gas ciudad que con una composición de hidrógeno/monóxido de carbono del 50% ya se empleaba a principios del siglo XIX.

No hay evidencias significativas que demuestren diferencias en cuanto a frecuencia y severidad de las explosiones debidas al gas natural y el gas ciudad respecto a las motivadas por el hidrógeno.

Mezclas de hidrógeno y otros gases se emplean de forma rutinaria en muchos procesos industriales.

El hidrógeno se manipula con seguridad en grandes plantas químicas e instalaciones petrolíferas.

En EE.UU. cada año se transportan de forma segura más de 260.000 m3 de hidrógeno líquido a lo largo de su compleja red de carreteras.

No hay pruebas de que existan riegos de seguridad adicionales que pudieran desaconsejar el uso del hidrógeno como combustible de vehículos a motor.

No hay evidencias de que un vehículo de hidrógeno y su correspondiente instalación de reabastecimiento supongan un riesgo mayor que el que ya representan los combustibles para los vehículos actuales.

Diseño de sistemas de seguridad, entrenamiento de personal y medios de protección:El record de seguridad de la industria del hidrógeno comercial es excelente debido, fundamentalmente, al diseño de los sistemas, el entrenamiento del personal técnico y los medios de protección empleados, algo que, por otra parte, también es común en las industrias del gas natural líquido o del gas propano líquido. Como en cualquier otra gran industria ha habido accidentes pero la gestión de la seguridad en la industria del hidrógeno puede calificarse de satisfactoria.La excepcionales características físicas y químicas del hidrógeno le hacen muy valioso para muchas industrias y sus usos varían enormemente desde aplicaciones en la industria alimentaria hasta semiconductores, abriéndose cada día más el ya de por si amplio abanico de posibilidades existentes. La producción y uso del hidrógeno poseen un largo historial de seguridad y muchas de las directrices, modos de operación y reglamentación aplicada en la industria convencional pueden ser muy útiles a la hora de valorar las nuevas situaciones que se presentan con los nuevos usos del hidrógeno. Estos nuevos usos como

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los vehículos propulsados por motores de combustión interna o pilas de combustible, o las pilas de combustible que generan electricidad y calefacción en sectores industriales, comerciales o residenciales repercuten positivamente sobre la visión que el público en general y la propia industria tienen sobre el hidrógeno. Además el producto de combustión del hidrógeno es agua que es la base de las ventajas medio ambientales del hidrógeno.La seguridad debe ser considerada en todos los aspectos del ciclo energético del hidrógeno: producción, transporte, almacenamiento y distribución, y utilización. En el sector del transporte las etapas anteriores probablemente evolucionarán a partir de la producción a gran escala y de las instalaciones de distribución ya existentes. Por ejemplo las pilas de combustible de los autobuses que están siendo probados por la autoridades de tráfico de Chicago han sido suministradas por Air Products and Chemicals una empresa que produce hidrógeno a partir de reformado de gas natural. Este hidrógeno es licuado y transportado en camiones cisterna hasta un depósito aéreo de 35 m3 donde es almacenado. Posteriormente el hidrógeno líquido se convierte en gas antes de ser bombeado hacia los tanques de combustible de los autobuses. También Madrid, junto con otras grandes ciudades europeas, es partícipe del programa CUTE para la automoción con hidrógeno de autobuses públicos.La clave para el uso del hidrógeno en el transporte es la comercialización de las pilas de combustible con membrana de intercambio de protones (“Proton Exchage Membrane Fuel Cell” - PEM). Estos sistemas están bajo un intenso desarrollo en, Canadá, Europa, Japón y EE.UU. Los motores de combustión que emplean hidrógeno sólo producen pequeñas cantidades de óxidos de nitrógeno y agua mientras que las pilas de combustible sólo emiten agua. El almacenamiento de hidrógeno a bordo del vehículo como gas o líquido es una opción en consideración por parte de los investigadores de pilas de combustible y los fabricantes de vehículos. Otras posibilidades incluyen el reformado “a bordo” de metanol, etanol o gasolina, así como ciertos líquidos procedentes del gas natural como el dimetil éter y el dimetoxi metano.Distribución futura mediante tuberías de gas:En el futuro el hidrógeno producido a gran escala podría ser distribuido mediante tuberías de gas en zonas donde haya una gran demanda de hidrógeno tal y como se hace actualmente en el Sureste de EE.UU. donde hay una gran demanda de hidrógeno como materia prima para la industria química. La producción in situ también puede ser en el caso de equipos de reformado a pequeña escala, actualmente en desarrollo, o electrolizadores a pequeña escala. El hidrógeno también puede ser producido a partir de fuentes renovables de energía como la biomasa y, a largo plazo, a partir de la luz del sol y el agua mediante dispositivos fotoeléctricos. En cada caso la seguridad variará en función

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del proceso productivo, el tamaño, la localización y otras consideraciones específicas de la instalación de producción.El uso de la energía suele clasificarse en cinco sectores: industrial, comercial, residencial, generación de electricidad y transporte. Aproximadamente el 25% del uso de la energía en Norte América corresponde al sector del transporte. Este sector produce una gran parte de las emisiones causantes de la contaminación en las áreas urbanas y de los efectos adversos sobre el clima a nivel global. La energía empleada en este sector es casi totalmente dependiente del petróleo. Las emisiones y la dependencia del petróleo hacen del sector del transporte el más problemático cuando se proyectan futuros escenarios para sistemas de energía que son renovables, sostenibles, respetuosos con el medio ambiente y económicos.Los nuevos usos del hidrógeno presentan nuevas condiciones de funcionamiento y nuevas tecnologías. Esta diversificación de las aplicaciones del hidrógeno también conlleva sistemas de hidrógeno a gran escala, nuevos “ciclos de vida” y costes. Presumiblemente el contexto de seguridad evolucionará dando lugar a un amplio espectro de nuevas, avanzadas y fiables tecnologías de seguridad.Otras variables a destacar son los factores humanos relacionados con la seguridad industrial y la gestión de sistemas de seguridad así como la imagen que sobre el hidrógeno tenga la opinión pública. El uso del hidrógeno como energía a gran escala y como combustible cara al público plantea nuevas preguntas sobre riesgos y medidas de seguridad específicas.Por otra parte la ausencia de efectos nocivos para la salud o el medio ambiente frente a otras industrias que manipulan combustibles tradicionales supone un atractivo de indudable importancia.En los proyectos relacionados con el hidrógeno hay una necesidad de implementar medidas de seguridad que permitan identificar los peligros que presenta el hidrógeno de manera que puedan evaluarse y compararse con aquellos que presentan otros combustibles.A través de la aplicación de normativas, códigos y reglamentaciones la sociedad se asegura que la gestión de riesgos se ha llevado a cabo correctamente. En el caso de que el hidrógeno se transporte entre distintos territorios las disposiciones legales establecidas en ambos deben estar armonizadas con el fin de facilitar las tareas de coordinación entre autoridades.Hasta la fecha los esfuerzos de colaboración entre proyectistas, constructores, operarios de instalaciones y las autoridades competentes han permitido desarrollar sistemas seguros con un bajo índice de accidentes.Otras aplicaciones relevantes del hidrógeno son:

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Producción de ácido clorhídrico (HCl) Combustible para cohetes Enfriamiento de rotores en generadores eléctricos en usinas de energía, visto que el

hidrógeno posee una elevada conductividad térmica. En estado líquido, es utilizado en investigaciones “criogénicas” incluyendo estudios de

superconductividad. Como es 14,5 veces más liviano que el aire y por eso es utilizado muchas veces como

agente de elevación en balones y zeppelines, más alla que su utilización sea reducida debido al riesgo de trabajar con grandes cantidades de hidrógeno, que fue bien patente en el accidente que destruyó el zeppelín “Hindenburg” en 1937.

El deuterio, un isótopo de hidrógeno en que el núcleo es constituido por un protón y un neutrón, es utilizado en la forma de la llamada “agua pesada” en fisión nuclear como moderador de neutrones.

Compuestos de deuterio poseen aplicaciones en la química y en la biología, en estudio de reacciones utilizando el efecto isotópico.

Luego de este vasto listado de usos a nivel mundial y sus futuras proyecciones, Chile no se queda atrás en la investigación de esta fuente de energía.

Hoy en Chile se está proyectando en:

I.- PRODUCCIÓN BIOFOTOLÍTICA DE HIDRÓGENOOrlando Jorquera C.; José Hernández P.; Leandro Herrera Z.Departamento de Ingeniería Química; Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Universidad de ChileRESUMENLa realización de un proceso tecnológico práctico para la producción de hidrógeno a partir de luz, agua, dióxido de carbono y algas (producción fotobiológica), será la mayor fuente biológica de energía renovable y sustentable, sin emisiones de gases con efecto invernadero (aunque el vapor de agua es un gas con efecto invernadero) ni contaminación medioambiental. Antes de poder cumplir esa meta, será necesario contestar un número importante de incógnitas relativas al desarrollo de reactores biológicos; de explotación a alta escala (miles o millones de hectáreas); de modificaciones genéticas para mejorar eficiencias (después de todo, las algas buscan su desarrollo mientras que para esta tecnología su desarrollo es totalmente innecesario)y de elicitación de los conocimientos científicos y empíricos pertinentes a la fotosíntesis en condiciones extrañas a la operación típica de estos microorganismos. Revisaremos aquí las bases bioquímicas y genéticas

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actuales de un eventual procesos productivo, y el diseño conceptual de los complejos reactores necesarios para su explotación industrial.INTRODUCCIONLa producción de hidrógeno por biofotólisis, también citada como fotodisociación biológica del agua, se refiere a la conversión de agua y energía solar (utilizada) a hidrógeno y oxígeno usando microorganismos, comúnmente microalgas y /o cianobacterias. Si bien la producción biológica (o por microorganismos) de hidrogeno ha sido un campo de activa investigación tanto aplicada como básica por al menos dos décadas, su producción industrial se realiza o por hidrólisis eléctrica de agua:

o por reacciones químicas desde gas metano (que se obtiene como combustible fósil, aunque su producción por microorganismos es muy común):

Estas dos estequiometrías (la segunda es solamente global; pues, en realidad, se trata de dos reacciones secuenciales) corresponden a procesos existentes, y muy bien caracterizados y conocidos, de modo que se pueden obtener mayores detalles en al ámbito comercial. La producción biofotolítica, en cambio, dista mucho aún de expresarse comercialmente, pues requiere de un significativo avance científico (cómo ocurre) y tecnológico (cómo intervenir la maquinaria bioquímica).Durante esta última década se han realizado significativos avances en este campo, tanto en la caracterización bioquímica de los microorganismos que producen hidrógeno (Melis et.al., 2000; Rocheleau et.al., 1999, Baroli et.al., 1998) bajo condiciones adecuadas (anaerobiosis y separación temporal en la producción de oxígeno e hidrógeno), como en el manejo fisiológico de los cultivos (Melis et.al., 2000; Polle, J.E.W. et.al., 2000; Ghirardi M.L., 2000; Wykoff, D.D. et.al., 1998). Además, se han propuesto diseños de fotobioreactores (reactores en que se desarrollan reacciones biológicas controladas, que son cerrados pero que permiten la interacción del material biológico con radiación luminosa) más eficientes para la obtención de biomasa con rendimientos que bordean el 10 % en términos de la energía radiante recibida versus la expresada como hidrógeno (Morita, M.et.al., 2000; Morita, M. et.al., 2000; Janssen, M. et.al., 2000; Janssen M. et.al., 2000).La producción de hidrogeno por microalgas fotoautótrofas (se producen a sí mismas a partir de luz y CO2) se basa en la utilización de la energía solar para la fotodisociación del agua y la consecuente transferencia de electrones en una cadena transportadora de ellos ubicada en estructuras como los tilacoides, tanto para cianobacterias como para microalgas, ilustrada en la figura 1. En la membrana de estas estructuras está la maquinaria fotosintética. Esta "maquinaria" consiste de una serie de proteínas y compuestos que en último término transportan los electrones desde el agua hacia

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moléculas como NADH y el H2. Las proteínas (enzimas) que se encuentran en el proceso fotosintético bajo condiciones aeróbicas son:Fotosistema II (PSII)Complejo b6fFotosistema I (PSI)Ferredoxina (Fd)NADH reductasaTransportadores asociados como:Plastoquinona (PQ)Plastocianina (PC).Pigmentos: clorofilas a y bBajo condiciones anaerobias (sin oxígeno disuelto) se expresa la hidrogenasa (enzima que produce H2) que se une a la ferredoxina, para catalizar la conversión de dos protones (2H+) a hidrógeno gaseoso (H2).

La transferencia de electrones bajo las condiciones descritas anteriormente, realiza la producción de hidrógeno mediante la enzima hidrogenasa, enzima reversible, la cual bajo ciertas condiciones anaerobias es capaz de reducir los protones a hidrogeno, oxidando ferredoxina en su estado reducido a su estado oxidado según:En condiciones aeróbicas (con oxígeno disuelto en el medio de cultivo), parte del flujo de electrones es utilizado para generar "poder reductor" (expresado en la molécula NADH) que es utilizado por el microorganismo para fijar CO2, con la consecuente producción de carbohidratos y biomasa. Simultáneamente, este transporte de electrones permite el flujo, a través de la membrana tilacoidal, de los protones que posteriormente son utilizados por una ATP-asa, generando ATP que será utilizado para posteriores transfosforilaciones (figura 2).La figura 2 ilustra que el centro de reacción de la clorofila capta los fotones y genera una transferencia de energía al PSII. La energía de luz absorbida es liberada como un electrón desde el PSII a un aceptor (plastoquinona, PQ). Esta plastoquinona acepta un segundo electrón liberado por el PSII seguido de un segundo fotón de luz, y se agregan dos protones desde el estroma (PQH2). El complejo que produce el oxígeno en el PSII remueve los electrones del agua uno a la vez y los transfiere al PSII, restaurando el centro de reacción de la clorofila a un estado basal y generando oxígeno. Los protones resultantes de la disociación del agua quedan en el lumen contribuyendo a la fuerza protomotriz.La PQH2 difunde a través de la membrana hacia el citocromo b6f, donde éste simultáneamente libera sus dos electrones a un sitio en la cara del lumen y sus dos protones dentro del lumen. Estos protones contribuyen a la fuerza protomotriz. Estos

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electrones pueden ser transportados a través del complejo b6f durante un ciclo de PQ, transportando protones adicionales a través de la membrana al lumen tilacoidal.En cuanto al Fotosistema I, cada electrón liberado, después de la absorción de luz, es transportado por una serie de transportadores en el centro de reacción a la superficie del estroma, donde la ferredoxina soluble (proteína Fe-S) transfiere los electrones al FAD y finalmente al NADP+. Dos electrones con un protón removido desde el estroma convierten cada NADP+ a NADPH. El PS I es entonces restaurado a su condición inicial por la adición de un electrón desde el PS II vía plastocianina, un transportador (carrier) de electrón soluble que difunde a través del lumen tilacoidal. El gradiente de protones es utilizado por la ATP-asa para generar ATP a partir de ADP y Pi. El NADPH y el ATP son generados en el estroma del cloroplasto y son utilizados para la fijación de CO2, mediante el clásico ciclo de Calvin.PROCESOS DE PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO GASEOSOLa producción de hidrógeno gaseoso. a partir del agua, mediante esta fenomenología requiere manipular la secuencia de reacciones bioquímicas, interactuando con la célula completa (pero sin modificarla en principio), en alguna modalidad que obligue la aparición de gas hidrógeno que, de ser dejado al sistema natural, no sería producido en absoluto hacia el medio exterior a la célula. Se han popularizado dos alternativas tecnológicas, a un nivel solamente de laboratorio y de algunos ensayos piloto.En el primer proceso, la producción de oxígeno fotosintético, con la consecuente acumulación de carbohidratos, está separada de la producción de gas hidrógeno, tanto temporal como espacialmente. Este es un proceso de dos estados: el CO2 es primero fijado a sustratos ricos en H2-endogeno durante fotosíntesis oxigénica normal (estado 1), seguido por generación de hidrógeno molecular cuando las microalgas son incubadas en condiciones anaeróbicas (estado 2). Este enfoque requiere, por ende, de un sistema de cultivo y de otro sistema aparte para la generación de hidrógeno.La segunda aproximación esta relacionada con la producción de oxígeno fotosintético y gas hidrógeno simultáneamente. En este caso los electrones son liberados de la oxidación del agua y son conducidos a la hidrogenasa sin estar mediado la fijación de CO 2 ni el almacenamiento de energía como metabolitos celulares. Este mecanismo en el proceso de generación de H2 ha resultado superior al proceso de dos estados, ya que se han obtenido eficiencias de conversión de energía (luminosa a gas hidrógeno) de un 5 a un10% (del orden de magnitud de la eficiencia de celdas fotovoltáicas. Sin embargo, este proceso "de un estado" tiene limitaciones principalmente por la inhibición de la hidrogenasa por el oxígeno que es producido por la disociación del agua por el PS II.PROCESO DE PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO DE DOS ESTADOSComo se mencionó anteriormente, en la etapa 1 (fotosíntesis oxigénica) se busca conseguir una acumulación de carbohidratos vía ciclo de Calvin. Luego estas células son

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incubadas anaeróbicamente por un cierto período para inducir la expresión de genes que codifican para la hidrogenasa reversible y de otros genes que pueden ser esenciales para la producción de H2. En una segunda etapa, estas células son operadas bajo condiciones anaeróbicas y en presencia de luz con la consecuente producción de hidrógeno. Esta evolución de H2 puede deberse a dos mecanismos: uno, producto de la fermentación de carbohidratos vía fermentación de ribulosa 5-P y generación de CO2e hidrógeno; pero, también puede explicarse por el aporte de electrones directamente a la maquinaria fotosintética modificada (tecnológicamente) por las condiciones de anaerobias.PROCESO DE PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO EN UN ESTADOSe ha descrito que bajo ciertas condiciones de limitación de nutrientes, con un medio libre se azufre (como sulfato) y en condiciones anaerobias, algunas microalgas como Chlamydomonas reiinhardtison capaces de producir hidrogeno de manera sostenida en el tiempo (Melis et.al., 2000). La falta de sulfato en el medio genera un desacoplamiento del PS II y una pérdida en la disociación del agua (y también de generación de oxígeno). La perdida de actividad del PS II se debe a la alta tasa de biosíntesis de proteína de "novo" en el cloroplasto, necesaria para el frecuente reemplazo de proteínas del centro de reacción en el complejo que oxida H2O en el PS II. En ausencia de azufre, que es un componente esencial de los aminoácidos cisteina y metionina, la biosíntesis y la reparación del PS II se bloquea (Ghirardi et.al., 2000; Melis A, 1999). Este desacoplamiento permite la producción sostenida de hidrogeno en este proceso también de dos estados. Los electrones en este proceso son aportados por el consumo de sustratos endógenos. Tales electrones pasan a través de la plastoquinona al complejo b6f y al PS I, con un transporte acoplado a la hidrogenasa reversible, para generar finalmente H2 y ATP. El oxígeno remanente es consumido en la ruta de fosforilación oxidativa. Este proceso incluye la habilidad de reciclar el cultivo repetidamente, regular la producción de oxígeno fotosintético y la utilización de productos de fermentación excretados. Benemann propuso este concepto en 1998.En la biofotólisis directa, la producción de hidrógeno depende de la tolerancia de la hidrogenasa al oxígeno ya que en este proceso se generan los dos gases en forma simultánea. Este proceso no es sostenible en el tiempo ya que el oxígeno inactiva a la enzima hidrogenasa.

PROCESOS PROPUESTOS PARA LA GENERACIÓN DE HIDRÓGENO.Primera alternativa de procesoEste proceso consiste en biofotólisis indirecta con dos estados (figura 3).El proceso comprende una laguna abierta para el estado I de fijación de CO2 y fotodisociación del agua por el fotosistema II con la consiguiente producción de O2. En esta etapa se generan compuestos de acumulación como carbohidratos y un aumento de

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la biomasa. Una etapa de concentración celular por filtración y lavado para remover el sulfato presente, conservando los demás nutrientes, seguido de una etapa (Estado II) de adaptación en fase oscura y anaerobia del concentrado celular y una posterior fermentación y producción de H2 en un fotobioreactor tubular cerrado (diagrama 1).El diagrama de flujos del proceso propuesto debe incluir diversas unidades de proceso y líneas de flujo, las que se presentan en le diagrama 1. Estas unidades parecen todas técnicamente factibles, pero sus tamaños son considerables y lo serán mientras no se logre un dramático aumento de la eficiencia, mediante, por ejemplo, manipulación genética.La entrada al proceso (línea 1) estará dada por una línea de alimentación con agua de mar filtrada mediante arena y captada a través de un pozo, más medio de cultivo. Esta se bombea a la línea 2 en la cual se mezclan con una parte de la línea 3 (agua de lavado del medio de filtración) y la línea 4 de recirculación de biomasa.La entrada al proceso tiene la composición de un medio de cultivo basado en agua de mar paraSpirulina platensis.La línea de recirculación tendrá los mismos compuestos, en concentraciones más bajas y sin sulfato por el efecto de la línea de lavado en la etapa de la separación de sólidos por filtración. La mezcla resultante (línea 5) es la que ingresa a una laguna de producción de biomasa de microalgas. La laguna puede recibir, además el ingreso de aire (línea 23) mediante un compresor hacia la línea 30, en un proceso abierto a la atmósfera (línea 24). Dentro de la laguna existen sólidos (células y precipitados) que se retiran por la línea 6 y gases (oxígeno y aire) que se emiten libremente a la atmósfera (línea 24).El pH de operación de la laguna debido a las condiciones de crecimiento de las microalgas será de carácter básico.Las conversiones dentro de la laguna serán:Fotodisociación del agua producto de la activación del Fotosistema II y el consecuente transporte de electrones.Producción de oxígeno debido a la fotodisociación del agua.Generación de poder reductor (NADH) que es utilizado para la fijación de CO2 y la consecuente acumulación de carbohidratos (almidón, etc.) que lleva a la formación de biomasa.La línea de salida del reactor (línea 6) se llevara hacia la línea 7, que se mezcla en una etapa controlada con la línea 25 generando la línea 8 para entrar a una etapa de concentración celular. El lavado del sulfato presente en el medio se realiza con agua salina sin sulfato (línea 25). La elección del sistema de concentración celular se deberá examinar en este estudio. En esta etapa se obtendrá un filtrado compuesto de agua de mar y agua de lavado (línea 9) la que mediante una bomba conecta a la Línea 4 hacia la recirculación. Para extraer las microalgas del sistema se utiliza el mismo medio pero en contracorriente

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utilizando las líneas 11 y 12 generando un medio semisólido (slurry) que va por la línea 13 hacia un estanque de fermentación oscura anaerobio.Las conversiones dentro del estanque de almacenamiento anaeróbico (reactor) serán:Expresión génica de la hidrogenasa debida a los cambios ambientales impuestos por el diseño, a saber: oscuridad y anaerobiosis.Producción de hidrógeno bajo estas condiciones.La línea de salida de gas del estanque de almacenamiento (línea 28) llevará el gas hidrógeno producido a los correspondientes procesos de purificación final.La salida de concentrado de microalgas (línea 14), será transportada hacia la línea 15 que entra al fotobioreactor (línea 16).Las conversiones dentro del fotobioreactor serán:Utilización de la energía acumulada por las microalgas para la generación de hidrogeno vía hidrogenasa.Inhibición del fotosistema II debido a la ausencia de sulfato en el medio.Transporte electrónico en presencia de luz debido a la activación del fotosistema I transferencia hacia la ferredoxina y luego a la hidrogenasa.Producción de hidrogenoLa línea 29 transporta los gases (hidrógeno) producidos por el fotobioreactor en fase luminosa.La línea 18 lleva a un intercambiador de calor, luego reciclada hacia la línea 19 y 20 que se mezcla con la línea de entrada (línea 16) a una biomasa determinada, para regular la temperatura del líquido en reacción. El exceso de biomasa se utiliza (línea 21) para ser transportada a la línea 22 y pasar a la línea 4 para ser utilizado como inoculo a la laguna de crecimiento de microalgas. El exceso de biomasa (línea 26) será utilizado en un posterior tratamiento (generación de metano por digestión anaeróbica, o la utilización de esta biomasa para la producción de bioproductos como biodiesel, pigmentos, etc., de alto valor comercial). El exceso de agua de lavado (línea 10) se descarta.Las líneas 28 y 29 serán mezcladas para la posterior separación de los gases y el almacenamiento del hidrógeno producido.En resumen el proceso producirá gas hidrogeno, más biomasa y agua de lavado como desechos. La biomasa puede ser tratada para producir compuestos de valor como, proteína de alto valor, biogas, biodiesel y pigmentos.Conclusiones respecto de la primera alternativa de procesoLas reacciones bioquímicas involucradas en cada uno de los procesos (el clásico y el desacoplado) Son las mismas en cuanto a la producción de hidrógeno por la vía fermentativa. La diferencia, es que en la vía clásica el fotosistema II estaría activo y el oxigeno producido iría a respiración celular. En la vía desacoplada el fotosistema II no estaría presente y no se produciría oxigeno.

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La producción de hidrógeno por la cianobacteria Spirulina platensis, es mayor que para microalgaChlamidomonas reinhardtii. Es interesante notar que la cianobacteria no tiene organelos celulares y toda la maquinaria fotosintética estará ubicada en estructuras como tilacoides. Esto puede ser una ventaja en el momento de la difusión del oxigeno y el hidrógeno.Para poder generar 1 GW/h se necesitaría un área de fotobioreactores de 6400 Há, o 64 Km2, más las 20000 Há, (200 Km2) de área de lagunas; bajo la tasa de producción descrita para escala de laboratorio, por lo que es necesario estimar las tasas de producción a escala piloto.Otro punto crítico de este sistema es el trabajo con agua de mar que complica la remoción del sulfato por lavado ya que esta contiene grandes cantidades (del orden de g/L).De acuerdo a los recientes estudios realizados por Melis, se puede diseñar un proceso como el esquematizado en la figura 4.SEGUNDA ALTERNATIVA DE PROCESOEste consiste en el uso de fotobioreactores tubulares planos (figura 4), que operan en dos ciclos. Un ciclo en el cual hay crecimiento de las microalgas y /o recuperación de ellas, bajo condiciones aeróbicas y en presencia de CO2 o NaHCO3, el otro ciclo comprende la producción de H2 bajo condiciones de operación anaeróbicas y en presencia de luz. Estos dos ciclos ocurren en el mismo fotobioreactor. Tenemos además una etapa de concentración celular para obtener el óptimo de biomasa necesaria para la producción de hidrógeno deseada. El diagrama N°2 muestra los flujos del proceso cuyas etapas (Etapa I aeróbica, Etapa II anaeróbica) fundamentales son descritas.Las líneas marcadas en rojo indican la operación del proceso bajo las distintas condiciones (aeróbica y anaeróbica).La entrada del proceso (línea 1) lleva agua la cual es filtrada por un equipo de microfiltración, la salida (línea 2) contiene agua filtrada. La línea 3 son los residuos de la filtración. Esta agua filtrada ingresa (línea 2) a un estanque de preparación del medió de cultivo de las microalgas. Esta agua se mezcla con sales a una concentración controlada de ellas, principalmente en el contenido de sulfato. La línea 17 ingresa al estanque con solución salina concentrada más bicarbonato de sodio. La salida del estanque de cultivo (línea 4) ingresa a la línea de circulación de biomasa (línea 14)saliendo (línea 5) una mezcla de biomasa más nutrientes. Este proceso opera solo bajo condiciones aeróbicas. Ya en la línea de circulación (línea 5), ésta ingresa al fotobioreactor.El pH de operación del fotobioreactor debido a las condiciones de crecimiento de las microalgas será en torno al pH básico. La temperatura optima en torno a los 25 °C.Las conversiones dentro del fotobioreactor serán:Para el ciclo aeróbico y en presencia de CO2:Generación de biomasa.

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Acumulación de carbohidratos y proteínas.Producción de O2 y consumo de CO2.Para el ciclo anaeróbico:Utilización de la energía acumulada por las microalgas para la generación de hidrogeno vía hidrogenasa.Inhibición del fotosistema II debido a la ausencia de sulfato en el medio.Transporte electrónico en presencia de luz debido a la activación del fotosistema I transferencia hacia la ferredoxina y luego a la hidrogenasa.Producción de hidrogeno.La salida del fotobioreactor (línea 6) ingresa a un gasificador/degasificador. En operación aeróbica hay ingreso de aire y CO2 vía la línea 16, generando O2 que va a la atmósfera vía la línea 15. La línea 7 transporta a través de una bomba hacia la línea 8 que pasa por un separador de corriente hacia un sistema de microfiltración (línea 10) para la concentración de la biomasa celular. El agua (línea 12) es reciclada. La salida del microfiltro (línea 11) pasa por un sistema de mezclado de corrientes saliendo por la línea 13 hacia un intercambiador de calor y luego hacia la línea 14. El proceso descrito en la Etapa 2 anaeróbica es similar al anterior con la diferencia que no habría ingreso de medio de cultivo y el gasificador /degasificador sólo operaría como degasificador permitiendo la salida del hidrógeno producido.

CONCLUSIONES PARA EL PROCESO PROPUESTO N°2Este proceso consiste en la producción de hidrógeno ocupando sólo fotobioreactores reduciendo el área de producción de la planta a 64 Km2, para generar 1 GW/h (Diagrama 2). Esto además reduciría costos de potencia de transporte de fluidos a través de bombas.El control de sulfato sería realizado por medio de un control preciso en el medio de cultivo permitiendo que la biomasa lo consuma hasta casi su totalidad en el tiempo de residencia de la etapa 1. Al ser consumido, se opera en la segunda Etapa anaeróbica, produciendo el hidrógeno requerido.

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Figura 1: Esquema de un cloroplasto presente en microalgas (eucariontes) con sus estructuras internas y la presencia de tilacoides, lugar donde se encuentra la maquinaria fotosintética. Se puede ver por un corte visualizado por microscopía electrónica de transmisión la disposición de los tilacoides (grana).

Figura 2: Esquema del mecanismo fotosintético en el cual se genera poder reductor (NADPH) y ATP para la posterior fijación de CO2.;

Figura 3: Diagrama de flujo para la producción de hidrogeno por biofotólisis.

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Figura 4 : Diagrama propuesto para la generación de hidrógeno por fotobioreactores.

II.- Un sistema permite generar hidrógeno de uso vehicular a partir de alcohol vegetal

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Los Drs. Miguel Laborde y Norma Amadeo, a cargo del Laboratorio de Procesos Catalíticos (LPC), junto con la colaboración del grupo del Dr. Pío Aguirre del INGAR, llevaron adelante el desarrollo de un proceso de producción y purificación de hidrógeno “grado celda” a partir de una mezcla de etanol y agua, empleando catalizadores comerciales. El sistema que diseñaron y que fue vendido a España por 300.000 euros, consiste en una unidad química portátil constituida por tres reactores catalíticos que a través de una serie de transformaciones, logra obtener hidrógeno preparado para alimentar las pilas (o celdas) eléctricas de combustible para mover un automóvil. Este nuevo dispositivo produce un hidrógeno que contiene entre 20 y 30 partes por millón de dióxido de carbono, la "medida justa" que necesitan las pilas de combustible de los vehículos. Reconvertir la economía mundial al hidrógeno sólo tiene sentido si éste sale de un proceso “limpio”, sin carbono fósil. Para ello, hay dos fuentes importantes: la electrólisis o ruptura de la molécula de agua mediante electricidad, o alguna fuente de carbono “verde”, es decir vegetal. Y es ahí donde entra a tallar el alcohol común, o etanol, obtenido de la fermentación de granos o de residuos de cosecha. Si bien la generación del llamado "hidrógeno verde", a partir del alcohol, produce emisiones de carbono, lo hace sin añadir carbono fósil a la atmósfera: usa el que ya estaba circulando por la biosfera, bajo forma de plantas. Asimismo, el desarrollo del LPC podrá ser utilizado en el futuro para sustituir la industria petroquímica por otra, "la alcoquímica". De esta manera se podrá generar una gran variedad de productos (plásticos, fertilizantes, etc.) que hoy en día se producen a partir del petróleo y sus derivados. La Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica (Agencia), a través del FONCyT, financió el desarrollo de este importante proyecto con un monto de mas de $170.000. El financiamiento se realizó mediante la convocatoria Proyectos de Investigación Científica y Tecnológica (PICT) a la cual el LPC se presentó durante el año 2000. Gracias a este subsidio el LPC pudo avanzar en el desarrollo de nuevos catalizadores para el proceso (que reemplazan a los comerciales empleados previamente), en los estudios cinéticos y de diseño de reactores. Por su parte, el grupo de INGAR avanzó en el diseño conceptual del proceso. En el año 2004 la Agencia renovó el apoyo a esta línea de investigación al aprobar el otorgamiento de más de $250.000 para financiar el proyecto “Nuevas Tecnologías para un

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Desarrollo Sustentable de la Energía: Producción y Purificación de H2 a partir de Bioetanol para su aplicación en pilas de Combustible”. A principios de 2006 Dr. Miguel Laborde recibió un subsidio especial del Ministerio de Educación, Ciencia y Tecnología destinado al desarrollo de la primera etapa del Proyecto "Diseño y Puesta en marcha de un reactor piloto para producir hidrógeno no purificado con nuevos catalizadores". Dicho subsidio le permitirá al LPC seguir avanzando en la producción de hidrógeno verde y verificar, a una escala mayor, el comportamiento de los catalizadores fabricados en el laboratorio. Recientemente la Agencia ha finalizado la etapa de evaluación y ha aprobado satisfactoriamente el otorgamiento de una nueva línea de financiamiento, PID 2005, para que el LPC y el INGAR puedan continuar con la segunda etapa del proyecto y completar la planta piloto diseñada para alimentar una pila PEM de 1 kW, conjuntamente con la fase de purificación. Este nuevo financiamiento permitirá obtener resultados para elaborar la ingeniería básica del proceso de fabricación para una planta de 10 kW, la cual podrá ser transferida a la empresa adoptante ENARSA. Cómo funciona el proceso El sistema diseñado consta de tres etapas. Durante la primera etapa, se transforma una mezcla de alcohol etílico y agua en gas de síntesis y pequeñas proporciones de metano. Dicho gas está compuesto por una mezcla de hidrógeno con óxidos de carbono, en particular monóxido de carbono, constituyendo así la base de la industria química orgánica. De esta manera se podrá generar una gran variedad de productos (plásticos, fertilizantes, etc.) que hoy en día se producen a partir del petróleo y sus derivados. Esta primera etapa se constituye como pionera para reemplazar la petroquímica por la alcoquímica. Los dos reactores catalíticos restantes integran el tren de purificación de hidrógeno con el objetivo de reducir el contenido de monóxido de carbono a las exigencias de la pila de combustible para fuentes móviles (menos de 20 ppm de monóxido de carbono). El reactor conocido como “de conversión de monóxido de carbono”, transforma este gas en dióxido de carbono e hidrógeno adicional. El efluente de este reactor, con alto contenido de hidrógeno, puede alimentar a pilas de combustible para fuentes estacionarias, que no son tan exigentes en cuanto a los niveles de monóxido de carbono.

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Con el último reactor “de oxidación preferencial” concluye la tercera etapa del proceso. Este reactor recibe el efluente del convertidor de monóxido de carbono, lo mezcla con aire u oxígeno y es el encargado de reducir el monóxido de carbono a menos de 20 ppm. La corriente que ingresa al mismo es muy concentrada en hidrógeno y es sabido que este gas reacciona fácilmente con el oxígeno para producir agua. Por consiguiente, el catalizador debe ser altamente selectivo hacia la oxidación de monóxido de carbono.

III.- Principios políticos para una matriz energética.

El mercado energético debe aprovechar el potencial energético y las características propias del país.

Adoptar un sistema de distribución y almacenamiento, que promueva la participación de varios productores.

Preferimos una generación eficaz y sustentable de la energía, por sobre una generación eficiente, pero vulnerable a los cambios y no sustentable.

Los usuarios de la energía deben hacerse cargo de todos los costos asociados a su producción, promover el uso eficiente y la responsabilidad medioambiental.

Debe existir un marco regulatorio y técnico ágil, preparado para la colaboración de múltiples actores en la matriz.

Debe existir una distribución justa de la utilidades del mercado energético, dada su directa relación con el uso de recursos naturales.

Mucho se habla del gran potencial energético de ERNC que tiene Chile, pero esta frase tan pomposa, esconde muchos problemas que necesitan resolverse:

El factor de planta de las ERNC es muy bajo.

Las fuentes ERNC se encuentra alejadas de los principales centros de consumo, por lo que el transporte de la electricidad se transforma en un problema.

Dos propuestas, para solucionar estos problemas y desarrollar una política energética ágil, eficaz y sustentable, que mejore la política actual que se basa en la eficiencia, pero a costa de generar un mercado muy concentrado, poco flexible, lento (es decir vulnerable a

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los cambios) y lo que es peor, no es sustentable y está comenzando a dañar de manera

irreversible el ambiente.

La primera propuesta:

Generar un mercado alternativo de almacenamiento de la energía a través del hidrógeno.

Esta alternativa de distribución de energía tiene pros y contra:

Pros:

1. - No se pierde energía en el transporte, ya que el hidrógeno no se degrada.

2. - Libre de emisiones.

3. - Se puede utilizar para producir energía calórica mediante combustión y electricidad con celdas de combustible.

4. - Se puede utilizar como fuente energética para transporte e industria.

5. - Permite “acumular” la energía de las todas las fuentes ERNC (eólica, geotérmica, etc.), de lugares alejados y disminuir el problema de bajo factor de planta.

6. - La producción de hidrógeno se puede hacer a mediana y gran escala. (En caso de menor escala es más eficaz el uso de baterías tradicionales)

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7. - Sería una gran oportunidad para chile ser un país que logre desarrollar y mejorar las tecnologías asociadas al hidrógeno y ERNC, para luego venderla a los países hoy prisioneros de las fuentes tradicionales.

8. - Aprovecha la geografía de chile, son factibles: el transporte marítimo, centros de almacenamiento en la costa y gasoductos para los grandes centros de consumo.

9. - Se puede aprovechar también la producción de O2 (Para uso en salud, industria, etc.)

Contra:

1. - La conversión de electricidad a hidrógeno y luego electricidad tiene actualmente una eficiencia del 60%, esta eficiencia es muy baja en comparación con el transporte por tendido eléctrico (Aunque esta última sueficiencia disminuye con respecto al largo del tendido).

2. - El almacenamiento de energía desde fuentes no renovables es injustificado e ineficiente en el mercado del hidrógeno.

3. - El transporte y almacenamiento, requiere de grandes contenedores.

4. - El transporte a los centros de consumo, podría realizarse a través de gasoductos desde la costa al interior.

Un caso práctico de utilización de hidrógeno como medio versátil y universal, para

transportar y almacenar energía es Islandia, si se desea conocer datos reales de eficiencia y costo de esta tecnología. Además conociendo la economía de Islandia, por ejemplo podría hacerse lo mismo en la región de Aysén y transformar la energía generada por HidroAysén en hidrógeno y solucionar algunos de los problemas críticos del proyecto:

Evitar el problema de la línea de transmisión.

La región de Aysén y el sur de Chile puede aprovechar la energía generada.

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La segunda propuesta:

Producción de biogás o la producción de hidrógeno desde los cultivos de tuna (Opuntia

ficus).

El potencial energético de la tuna fue descubierto por el profesor José Tohá Castellá, quien

fue un investigador interesado en soluciones a “escala humana”, como susistema de tratamiento de aguas con lombricultura.

Esta alternativa de producción de una fuente de energía renovable:

Pros:

1. - Aprovechar el gran potencial solar del Norte de Chile.

2. - Aprovecha las grandes extensiones de terreno áridos, hoy no utilizadas.

3. - Se aprovechan todos los subproductos del proceso (agua nitrogenada, humus, harina de lombrices para alimentación animal, fruto de la tuna)

4. - Motivar los cultivos en zonas rurales, para un mercado y una producción en redes descentralizada y distribuida.

5. - El agua nitrogenada y humus de la planta, podría ser utilizado en cultivos para consumo humano. (Olivos u otros cultivos)

6. - Ya existen experiencias sobre el tema.

7. - Experiencias comprobadas en cultivos de pequeña escala.

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8. - La captación de la energía solar mediante fotosíntesis utiliza el CO2 de la atmósfera.

9. - La captación de energía solar mediante plantas no requiere los altos costos energéticos que necesita en su fabricación las celdas fotovoltaicas y colectores.

10. - La captación de energía solar mediante fotosíntesis al ser un proceso natural está libre del cobro de patentes.

11. - Las sales generadas en la desalinizadores, se pueden aprovechar en otros usos.

Contra:

1. - Falta de agua dulce en zona norte, esto se podría solucionar con la utilización de desalinizadores solares a mediana escala.

2. - La impulsión de agua hacia las zona de cultivo. (Podría aprovecharse convertir energía eólica en energía mecánica, para la impulsión de agua de mar.)

3. - La generación de electricidad por unidad de superficie de terreno 0,008 [MW/ha], es incluso 2 órdenes menor a la de las fuentes tradicionales, por eso es tan importante que las plantaciones de tuna no quiten terreno aptos para cultivos de alimento.

4. - Falta de experiencia en el uso de esta tecnología en mediana y gran escala.

5. - Costo en transporte. (Las flotas de transporte preferentemente deben consumir el mismo combustible que transportan)

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Cálculos producción biogas con tuna

Estas dos propuestas resuelven problemas estructurales de las ERNC, que impiden que hoy no sean utilizadas en gran escala y no sean una alternativa real a las fuentes de energía convencionales.Aprovecha las ventajas comparativas que tiene Chile (Norte abunda sol y superficie no utilizada y en el sur abunda el agua y fuentes de ERNC)

Pero para desarrollar estas propuestas se requiere se adopte una estrategia a mediano y largo plazo en tema energético, al igual como asumió el compromiso Islandia. Desarrollar una postura de vanguardia con respecto al tema de las ERNC, algo que difícilmente se puede adoptar si el Estado se mantiene su política de neutralidad tecnológica y deja que el tema se maneje con medidas a corto plazo dadas por el mercado.

Además esta solución aprovecha mucho mejor la energía solar, que las celdas fotovoltáicas, que son caras, requieren de mucha energía para su fabricación y además son mucho más ineficientes.

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Algunas investigaciones recientes en el uso del hidrogeno y su producción:

Chileno investiga materiales para sustituir petróleo con hidrógeno, científicos de la Universidad Católica de Chile y Lovaina, Bélgica lideran el estudio

Se estima que al año 2100 se podrían acabar las reservas de petróleo en la Tierra, lo que ocasionaría un descalabro no sólo en el ámbito energético, sino también en el transporte. El hidrógeno se ha transformado en un candidato fuerte para sustituir al crudo y, por ello, investigadores de la Pontificia Universidad Católica (PUC) de Chile y de la Universidad de Lovaina en Bélgica, están buscando materiales que permitan almacenarlo de manera segura en vehículos y maquinarias.

La industria automotriz, explica el encargado de la investigación y docente de Física de la PUC, Alejandro Cabrera, ya ha desarrollado baterías que usan hidrógeno para autos eléctricos, pero los estanques son poco seguros y corren riesgo de explotar. Por otro lado, existen unos 900 prototipos de automóviles que utilizan el gas en estado líquido como combustible, sin embargo, resulta más caro que el sistema tradicional. Hace más de 20 años que el investigador viene explorando nuevos metales y ha descubierto que el paladio es capaz de absorber “casi como una esponja” al hidrógeno. El problema es que resulta muy caro y es escaso en el mundo.No obstante, los investigadores descubrieron que los cúmulos de niobio proceso nanotecnológico que forma grupos de átomos de dicho metal, tienen una capacidad de absorción prácticamente igual que el paladio. La ventaja, explica, es que es un poco más barato y abundante que este último. La desventaja, es que no es capaz de retener el hidrógeno de forma natural.El niobio se utiliza actualmente como un superconductor a altas temperaturas, en soldaduras y en reactores nucleares, entre otros procesos.Polímeros“Es un gran avance y probamos que se podría hacer un tanque de hidrógeno usando este metal. Ahora estamos cuantificando para saber el grado de absorción que tiene”, explica Cabrera, quien ha recibido apoyo del Fondo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico del Conicyt. Pese a ello, plantea que fabricar muestras con niobio es muy costoso, por lo que se necesita seguir experimentando con materiales que tengan un mayor volumen en la Tierra y que, por lo tanto, resulte más económico (como el plástico).“Queremos mezclar el metal con polímeros para fabricar un tanque de hidrógeno más liviano. Estamos trabajando con químicos de la universidad para poder ampliar la investigación”

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Energía alternativa y limpia está sustentada en el aprovechamiento de la radiación solar

En momentos que el suministro de gas argentino atraviesa por una etapa crítica, el Gobierno Regional se apresta a iniciar un estudio que determinará la factibilidad de producir energía mediante la utilización de hidrógeno.

La idea es simple. Lo que se busca es aprovechar la radiación solar (extremadamente abundante en la región) como vehículo para aislar las moléculas de hidrógeno presentes, por ejemplo, en el agua de mar, y utilizar luego este elemento como combustible para la generación de electricidad.

Gabriela Gómez, jefa del Departamento de Estudios del Gobierno Regional, explicó que para avanzar en esa línea la primera medida fue postular a financiamiento FNDR un estudio básico que definirá -antes de 9 meses- la factibilidad técnica y económica de producir hidrógeno en el Desierto de Atacama.

La investigación -que tiene un costo de 365 millones de pesos- considera una etapa de diagnóstico y análisis, otra de trabajo de campo, una fase de registro y sistematización de los datos, el análisis y jerarquización de la información y un período final de socialización y difusión.

Además está contemplado que al término de los 9 meses, aquella institución o universidad que se adjudique el estudio identifique los puntos de la región que reciben mayor radiación solar y aporte el diseño de una planta piloto para la producción de hidrógeno.

VENTAJAS

La encargada dijo que si bien será el estudio el que determinará la viabilidad del proyecto, a priori se puede afirmar que la Segunda Región posee ventajas comparativas que permiten pensar en un uso a gran escala del hidrógeno solar como materia prima para generar energía limpia.

"Nuestra región es una de las zonas del mundo con mayor radiación solar y tomando ese antecedente como base y dado el contexto de que Chile necesita nuevas fuentes de energía, lo que nos propusimos fue investigar si existe la posibilidad de producir este elemento, que está presente en nuestro entorno, pero no en forma pura", sostuvo.La jefa de estudios recalcó además que la experiencia indica que uno de los subproductos que se puede extraer de la separación del hidrógeno es agua dulce, situación que da todavía mayor relevancia a los estudios.

POTENCIAL

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Uno de los investigadores que asesoró al Gobierno Regional en la preparación del proyecto fue el químico Carlos Portillo, doctor en Ciencias de los Materiales de la Universidad Católica del Norte.El experto destacó que el hidrógeno posee una estructura molecular que le permite guardar mayores niveles de energía que los hidrocarburos u otro tipo de combustibles.Este último aspecto, lo convierte en una excelente alternativa para cualquier país, más si se considera que no contamina y que puede suplir los problemas energéticos de la región.

2.3 Infraestructura en las próximas tres décadas.

Transporte por tuberías de hidrógeno

El transporte de hidrógeno gasoducto es un transporte de hidrógeno a través de una tubería como parte de la infraestructura de hidrógeno. El transporte de hidrógeno tubería se utiliza para conectar el punto de producción de hidrógeno o la entrega de hidrógeno con el punto de la demanda, los costos de transporte por tubería son similares a GNC(gas natural comprimido) , de la tecnología está probada, sin embargo la mayoría del hidrógeno se produce en el lugar de la demanda de cada 50 a 100 millas (80 a 161 km) una planta de producción industrial. A partir de 2004 hay 900 millas (1.448 km) de tuberías de baja presión de hidrógeno en los EE.UU. y 930 millas (1.497 km) en Europa.

El Laboratorio Nacional de Energías Renovables considera que los condados de EE.UU. tienen el potencial para producir hidrógeno más renovable para vehículos de pila de combustible que la gasolina que se consume en el año 2002.

Selección de Tuberías:

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Debido a problemas con la fragilización por hidrógeno , y la corrosión, los materiales para las tuberías de hidrógeno deben ser cuidadosamente seleccionados. Para las tuberías de metal a presiones de hasta 7.000 psi (48 MPa), de alta pureza de acero inoxidable de tuberías con una dureza máxima de 80 HRB se prefiere.

El hidrógeno tiene un electrón activo, y por lo tanto se comporta un poco como un halógeno . Por esta razón, las tuberías de hidrógeno tienen para resistir la corrosión. El problema se agrava porque el hidrógeno puede migrar fácilmente en la estructura cristalina de la mayoría de los metales.

Estación de hidrógeno

Una estación de hidrógeno es una estación de servicio o almacenamiento para el hidrógeno, usualmente localizada a las orillas de carreteras y/o autopistas. Los vehículos de hidrógeno lo usan como combustible de diferentes maneras, incluyendo en celdas de combustible o directamente por combustión. Este es surtido por kilogramos a través de un surtidor de hidrógeno

Trailer de hidrógeno líquido

Un trailer de hidrógeno líquido es un remolque diseñado para llevar a criogénica de hidrógeno líquido (LH 2 ) en las carreteras que se tiró por un vehículo motorizado . El mayor de estos vehículos son similares a los del ferrocarril tanktainers que también están diseñados para soportar cargas licuado. Remolques de hidrógeno líquido tienden a ser grandes, son aislados . Algunos son semi-remolques

Hidrógeno comprimido tubo de remolque

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Hidrógeno remolques tubo son remolques que se componen de 10 a 36 cluster de alta presión de los tanques de hidrógeno varían en longitud de 20 pies de pequeños tubos de 38 pies de tubo de remolques jumbo. Ellos son parte de la autopista de hidrógeno y por lo general preceden a un local de la estación de hidrógeno .

2.4 Monto de inversiones y campos de desarrollo en los próximos 20-30 años.

Potencial uso del hidrógeno en la matriz energética chilena

Para el uso del hidrógeno en la matriz energética existen dos opciones. La primera es su uso en la generación eléctrica como una energía renovable no convencional y la segunda es utilizarlo como un combustible limpio para la alimentación energética del transporte.

La primera opción es poco probable en un futuro cercano. La generación del hidrógeno es demasiado ineficiente. La única opción eficiente es la generación a través de gas natural en el mismo generador como los modelos vistos anteriormente, pero el gas natural no es una energía renovable y en este momento el país enfrenta un escenario de escasez de este recurso por la que se descarta. Además el almacenamiento y transporte de hidrógenos son caros por el momento, lo cual hace que sea más eficiente y barata la generación directa de electricidad de las fuentes de energías primarias.

La segunda opción ya es una tendencia a nivel mundial como se ha podido apreciar a lo largo de este estudio. Los países desarrollados están invirtiendo en infraestructura e investigación para poder hacer esto una realidad. Sin embargo son muchos los obstáculos que faltan por vencer. Si el hidrógeno es la opción más eficiente para reemplazar los combustibles fósiles en las aplicaciones móviles, se espera que hacia el año 2025 se comience a ocupar de forma masiva esta tecnología. Por el momento esta opción es más de 100 veces más cara que los combustibles fósiles y en el futuro cercano no se espera un cambio de ésta situación.

A continuación se hace un análisis más profundo de estas dos opciones.

Generación de electricidad para la matriz eléctrica nacional a través de hidrógeno

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Hasta el momento la generación de electricidad a través de celdas de combustible se hace sólo a pequeña escala. Los generadores más grandes a nivel mundial no abastecen más de 2 MW y se alimentan con gas natural. Hay algunos casos donde se han puesto muchos generadores pequeños para lograr potencias más grandes. Un ejemplo es Dow Chemical y General Motors que para abastecer una planta en Texas instalaron 400 generadores en conjunto y así generan 35 MW de potencia. Debido a los problemas de abastecimiento del gas natural traído de Argentina ésta no es una opción viable en el corto plazo. Los costos asociados a este tipo de tecnología no fueron encontrados.

La opción de generar hidrógeno en horas de menor consumo eléctrico mediante la capacidad sobrante del sistema a través de hidrólisis, para luego volver a generar electricidad mediante celdas de combustible es poco eficiente.

Es más eficiente almacenar la energía en forma de agua en el caso de los embalses hidráulicos o en forma de gas natural, diesel, carbón o cualquier otro combustible fósil para generar la electricidad en el momento que se requiera. A continuación se aprecia un diagrama de este proceso con las eficiencias de cada etapa:

Como se aprecia en el esquema, asumiendo generadores de celdas de combustible con una eficiencia de 65%, la energía eléctrica que se puede recuperar del hidrógeno es un 39% de la electricidad generada para almacenar. Hay que tener en cuenta de que el esquema no toma en cuenta la eficiencia de la generación de la electricidad AC inicial.

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Hay casos que a pesar de la baja eficiencia de este proceso puede ser que sea rentable en un mediano plazo almacenar la energía en hidrógeno para luego ocuparla para volver a generar electricidad. Las centrales hidroeléctricas de paso, los generadores cólicos y las fotoceldas no pueden almacenar la energía no ocupada en ciertos períodos. En otras palabras, la energía que no es transformada en electricidad en un momento, se pierde. Para estos casos dependiendo de los costos de infraestructura puede ser que en el futuro sea rentable ocupar el hidrógeno para almacenar energía.

Por el momento la tecnología para realizar esto no está disponible en el mercado y por lo tanto no se puede saber sus costos. Sin embargo se están haciendo investigaciones al respecto, especialmente respecto al uso en los generadores eólicos. Una de ellas la está desarrollando la empresa Xcel energy en conjunto con el U.S. Department of Energy's National Renewable Energy Laboratory. Este consiste en generar hidrógeno a través de dos turbinas de viento, para más tarde generar electricidad de este hidrógeno.

La idea es desarrollar la tecnología para hacer posible esto y mejorar las eficiencias. El proyecto tiene 2 años de duración. Otros proyectos de investigación al respecto se están llevando a cabo por una empresa llamada Wind Hydrogen Limited. Esta empresa está probando tecnologías en Nueva Zelanda, Escocia, Australia y Estados Unidos.

Circunstancias en las que el hidrógeno puede ser considerado como ERNC.(ERNC: Energías Renovables No Convencionales)

El proyecto de ley enviado al congreso el día 4 de abril del año 2007 define las energías renovables no convencionales. Esto es muy importante porque este mismo proyecto obliga a que un 5% de la generación pactada a partir del 31 de mayo del 2007 va a tener que ser ERNC. Esto regirá desde el año 2010 hasta el año 2030 en caso de ser aprobado el proyecto.

Debido a esto es de suma importancia para las empresas generadoras empezar a investigar e invertir en generación a través de estas energías.

Este proyecto de ley define las ERNC de la siguiente forma:

Energía renovable no convencional: Aquella energía eléctrica generada por medios de generación renovables no convencionales.

Medios de generación renovables no convencionales: Los que presentan cualquiera de las siguientes características:

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1. Aquellos cuya fuente de energía primaria sea la energía de la biomasa, correspondiente a la obtenida de materia orgánica y biodegradable de origen vegetal o animal, y que cumplan los requisitos establecidos en el reglamento.

2. Aquellos cuya fuente de energía primaria sea la energía hidráulica y cuya potencia máxima sea inferior a 20.000 kilowatts.

3. Aquellos cuya fuente de energía primaria sea la energía geotérmica, entendiéndose por tal, la que se obtiene del calor natural de la tierra, que puede ser extraída del vapor, agua, gases, excluidos los hidrocarburos, o a través de fluidos inyectados artificialmente para este fin.

4. Aquellos cuya fuente de energía primaria sea la energía solar, obtenida en forma directa de la radiación solar.

5. Aquellos cuya fuente de energía primaria sea la energía eólica, correspondiente a la energía cinética del viento.

6. Aquellos cuya fuente de energía primaria sea la energía de los mares, correspondiente a toda forma de energía mecánica producida por el movimiento de las mareas, de las olas y de las corrientes, y

7. Otros medios de generación determinados fundadamente por la Comisión, que utilicen energías renovables para la generación de electricidad, contribuyan a diversificar las fuentes de abastecimiento de energía en los sistemas eléctricos y causen un bajo impacto ambiental, conforme a los procedimientos que establezca el reglamento.

Como el hidrógeno no es una fuente de energía primaria, sino que una forma de almacenar la energía de forma química, comparable con las baterías, si la energía ocupada para su generación es la energía eólica, hidráulica, solar, de las mareas o geotérmica, la electricidad generada por éste en el momento que se desee utilizar, debería considerarse como ERNC. Sin embargo según el punto siete del proyecto de ley, la decisión la toma la comisión nacional de energía.

Hay que tener claro que debido a la baja densidad energética del hidrógeno y a los costos de su almacenamiento, la energía almacenada para la generación de potencia eléctrica, no sería mayor a la producción un par de días de cada generador. Esto hace más fácil el entendimiento por parte de la gente que no es especializada en el tema energético

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(diputados y senadores) de que el hidrógeno es sólo una forma de almacenar energía y no una fuente primaria de esta.

Utilización del hidrógeno como combustible para el transporte.

La utilización del hidrógeno como combustible para automóviles, buses y camiones todavía está en una fase experimental y faltan muchos años para que llegue a ser rentable su uso masivo. Los costos son muy altos. Sin embargo es posible analizar formas de generarlo de forma barata en un futuro, en caso de que se masifique su uso.

Una forma posible es la generación a través de electrólisis durante los momentos en que hay un exceso de capacidad en el sistema eléctrico. A los generadores eléctricos se les puede agregar las instalaciones suficientes para generar hidrógeno. Esto haría que haya un mayor factor de utilización de los generadores. Además de esta forma se disminuye en gran medida el costo de inversión del sistema de generación de hidrógeno.

A continuación se muestra un gráfico con el número de hora típico de uso de la capacidad del sistema eléctrico (generadores):

Como se aprecia en el gráfico, hay un gran número de horas en que se ocupa un factor muy bajo de la capacidad total de generación. Si se ocupa esa energía para generar hidrógeno, se disminuye en gran cantidad el costo de capital de la generación de hidrógeno.

La línea recta en la parte superior del gráfico representa la capacidad del sistema, la cual siempre es superior a la demanda de punta. A continuación se muestra el caso en que se ocupe esa capacidad sobrante para la generación de hidrógeno.

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La línea más gruesa muestra la utilización del sistema si se utiliza parte de la capacidad sobrante. Como se aprecia, la utilización es constaste para casi todas las horas, exceptuando para unas pocas en las que la utilización es muy cercana a la demanda de punta. Esta línea casi recta, se le llama el factor H. La idea es que esté lo más cercana posible a la demanda de punta.

Como se aprecia en el gráfico, la utilización es cercana a la que se tiene con demanda de punta, sin embargo tiene que ser un poco menor, debido a que tiene que haber un margen de capacidad para soportar caídas de generadores (criterio N-1) y para que se pueda hacer las reparaciones y mantenimiento respectivo.

Ya que el mercado spot de energía tiene una valoración marginalista, se puede apreciar que el costo de la energía eléctrica aumentaría, ya que siempre el costo marginal lo darían los generadores más caros del sistema y no como ahora que lo dan solamente cuando sucede la demanda de punta o demandas altas. Esto haría mucho más rentable la generación más barata como la hidroeléctrica e incentivaría la creación de nuevos generadores.

En caso de que se quiera disminuir las emisiones de CO2 a la atmósfera, el gobierno va a tener que preocuparse de incentivar el uso de energías limpias para la generación de la energía eléctrica.

En un estudio sobre los efectos de la generación de hidrógeno utilizando la capacidad sobrante del sistema de generación eléctrica para Pennsylvania, Maryland y New Jersey, se hizo una estimación de la variación que tendrían sobre los precios de la electricidad según los volúmenes de hidrógeno producidos.

El estudio trata de estimar los precios en el año 2025. El autor supone que en unos 18 años más va a comenzar el uso masivo del hidrógeno. Hace un análisis separado por cada tecnología de generación de la electricidad. En otras palabras, estima el la evolución del precio de la electricidad asumiendo que el costo marginal lo dan cada una de las cuatro tecnologías que toma en el estudio.

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Es muy importante mencionar que Pennsylvania, Maryland y New Yersey tienen un esquema marginalista de precios, bastante parecido al chileno, por lo que se puede suponer que los efectos en los precios en Chile podrían ser similares.

El primer gráfico asume que el costo marginal del sistema lo dan los generadores nucleares. Se generaron tres curvas, la primera asume una elasticidad -1 de la demanda, lo que significa que a los consumidores les afecta mucho el aumento de precio de la energía y disminuyen su consumo de electricidad.

La segunda asume una elasticidad de -0.7, lo cual significa que a los consumidores los afecta menos el aumento de precios y la demanda disminuye menos que en el primer caso. Finalmente el tercer caso asume una elasticidad de 0. De esta forma se asume que a los consumidores no les afecta el aumento de precio de la energía y no disminuyen su consumo.

Los precios están dados a dólares del año 2006 cuando se publicó esta investigación.

Respecto de las dos líneas horizontales que atraviesan el grafico, se refieren a una aproximación del valor por MWh requerida para sostener nueva inversión en esta tecnología para aumentar la capacidad del sistema. La línea inferior indica un valor mínimo para sostener la nueva inversión, mientras que la línea superior indica el valor máximo para sostenerla. Por lo tanto a un largo plazo, los precios se deberían estabilizar entre esas dos líneas. Obviamente que esto es en caso de que el costo marginal lo de la

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tecnología nuclear. Para el caso en que el costo marginal este dado por centrales a ciclo combinado alimentadas por gas natural las curvas se muestran en el grafico que aparece a continuación.

En el caso de la generación por ciclo combinado las dos rectas que indican el valor mínimo y máximo del MWh para sostener inversión en nueva infraestructura son la misma, por lo tanto los precios a largo plazo deberían estabilizarse a ese precio.

En el siguiente gráfico presenta un escenario donde los costos marginales están dados por centrales a carbón pulverizado (pulverizad coal).

Y finalmente el escenario en que los costos marginales están dados por centrales a carbón con tecnologías de captura de CO2 (clean coal).

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Es evidente que en el caso chileno los costos no van a ser los mismos, debido a diferencias regulatorias, de costos de insumos, etc. Sin embargo el sistema eléctrico de Pennsylvania, Maryland y New Yersey (PMJ) funciona de manera relativamente parecida a la chilena. Esto es con un mercado generador en competencia con precios dados por los costos marginales y sistemas de transmisión y distribución regulados por un ente superior.

Esto lleva a pensar que la introducción de la generación de hidrógeno en un futuro puede cambiar de manera radical la escena del mercado eléctrico nacional, aumentando de manera ostensible los precios e incentivando a la inversión de nuevos proyectos de generación. Quizá que los cambios previsibles no sean iguales a los del sistema estudiado, pero debido a las similitudes, el porcentaje de aumento de precio según la cantidad de hidrógeno generado debería aumentar en una proporción similar.

Para poder hacer una mejor análisis del caso chileno, hay que decir que el sistema estudiado en este momento tiene una capacidad de 73.000 MW generada en un 38% por carbón, 26% por gas natural, 18% por energía nuclear, 14% por petróleo y un 6% por otras como hidráulica o eólica.

El sistema chileno tiene una capacidad aproximada de 11.400 MW entre el SIC y el SING. Esto es aproximadamente un 15.6% de la capacidad del sistema de PMJ. Por lo tanto se podría suponer un aumento de precio similar para una producción de hidrógeno 15.6% de la del sistema PMJ. En otras palabras, si el precio en PMJ subiría 10 dólares por MWh al generar 2 millones de toneladas de hidrógeno, tomando en cuenta que un tipo de generación da el costo marginal del sistema, en Chile habría una variación similar de precio al generar el 15.6% de los 2 millones de toneladas de hidrógeno si el mismo tipo de generación da el costo marginal.

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Quizá este análisis sea simplista, sin embargo su finalidad no es dar una proyección acabada de los costos de la energía eléctrica en caso de que esta se ocupe en la producción de hidrógeno, sino para dar una noción del tipo de efectos este fenómeno puede generar.

Costos actuales de la generación y transporte del hidrógeno.

El año 1999, el U.S. Department of Energy Laboratory[26] generó un reporte estimando los costos de la generación y distribución del hidrógeno. Fueron agregados a esta investigación porque se estimó que podían dar una mejor noción sobre los costos actuales de ocupar hidrógeno en la matriz energética. Estos costos están detallados según tipo de generación y distribución. Además se hace una diferencia entre el tamaño de las instalaciones de producción. De esta forma se puede tener una noción de cuanto afecta una economía de escala en cada una de las opciones.

Generación a través reformación de gas natural.

A continuación se muestran los precios en dólares del año 1995 del hidrógeno si esta generado por reformación de gas natural. El precio que se da es independiente del mercado, sino que depende de los costos de producción. El Specific TCI representa el costo de capital, dividido por la producción de un año. Estos costos no incluyen la compresión, ni el transporte.

Generación a través de gasificación de carbón.

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Generación a través de biomasa.

La Biomasa Gasification y la Biomasa Pyrolysis son dos técnicas para generar hidrógeno a partir de biomasa.

Generación a través de electrólisis.

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Almacenaje del h idrógeno.

En la tabla se muestran los costos de almacenar el hidrógeno. Estos costos se deben al proceso de compresión o de licuado, para poder almacenar el hidrógeno en un volumen razonable.

Este estudio se basa en una investigada realizada el U.S. Department of Energy Laboratory, sin embargo la mayoría de los costos son haciendo muchos supuestos, debido a que algunas de esta tecnologías existen solamente a pequeña escala para su investigación.

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3. Conclusiones.

La utilización del hidrogeno se ha realizado desde siglos anteriores, pero la necesidad de energías no contaminantes a desencadenado una búsqueda de obtención de esta fuente de energía, lo que ha llevado a la búsqueda de nuevas tecnologías para su obtención y almacenamiento y su uso como fuente energética en remplazo de las tradicionales fuentes fósiles contaminantes.

Lo que hay que entender sobre el hidrógeno es que es un medio de almacenaje de energía y no una fuente de ésta. La energía que almacena éste, tiene que venir de alguna parte. Popularmente se ha confundido el uso del hidrógeno, como una fuente primaria de energía limpia y sustentable en el futuro para la generación de electricidad, que a futuro podría llegar a reemplazar a los combustibles fósiles cómo fuente energética. La generación de electricidad a través de celdas de combustible o de combustión interna en base a hidrógeno es un tema distinto, que no implica un cambio en las fuentes primarias de energía, pero que podría tener tremendo impacto en el uso de una matriz energética sustentable con el medio ambiente.

Con esta investigación se puede concluir que el uso del hidrógeno está todavía en una fase experimental. Hay empresas y estados que han apostado por su uso masivo, sin embargo no está claro que sea la tecnología a usar en el futuro. Uno de los inconvenientes que tiene son sus altos costos.

Por otro lado tiene aplicaciones que en un futuro pueden llegar a ser muy útiles para el desarrollo energético mundial. Por lo tanto es importante estar atento a la evolución de estas tecnologías y sus costos para poder invertir en ellas una vez que sean sustentables económicamente siendo los países desarrollados los precursores de éstos avances tecnológicos. Sin embargo, Chile por su parte, no se ha quedado atrás con la búsqueda e investigación de esta fuente de energía y está desarrollando investigación en su producción, aprendiendo de las grandes potencias que llevan años de investigación y ya utilizándola en vehículos y medios de movilización y plantas de energías eléctricas y combustible espacial para sus expediciones.

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4. Bibliografía.

LURUEÑA, R. Las Pilas de Combustible y el hidrógeno: el comienzo de una nueva era. Residuos, 71, 88-93, 2003

MARTÍNEZ-VAL PIERA, J.M. El paso de la combustión convencional a la economía del hidrógeno. DYNA. 80(3). 13-23. 2005

COZZI, F. COGHE, A. Behavior of hydrogen-enriched non-premixed swirled natural gas flames. International Journal of Hydrogen Energy. 31. 669-677. (2006)

VALLE, G. Hidrógeno y otras fuentes alternativas de energía. VII Congreso Nacional de Ciencias, Universidad Técnica Federico Santa María, 2006. Valparaíso-Chile.

Sitios de internet:

Telegraph Newspaper: www.telegraph.co.uk/motoring/main.jhtml?view=DETAILS&grid=A1YourView&xml=/motoring/2006/11/25/nosplit/mfstore25.xml

New York Times:pogue.blogs.nytimes.com/2007/03/29/the-future-of-hydrogen-cars/

Planet for Life:www.planetforlife.com/h2/index.html

Xcel Energy:www.xcelenergy.com/XLWEB/CDA/0,3080,1-1-1_15531_26314-30916-0_0_0-0,00.html

Wind-Hydrogen:www.wind-hydrogen.com

U.S. Department of Energy Laboratory: www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/pdfs/27079.pdf

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