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Ya vivimos en una economía del hidrógeno: producción de acero, refrigeración de generadores y gas de soldadura

Jul 29, 2023

Aunque generalmente el hidrógeno sólo se menciona en el contexto del transporte y el almacenamiento de energía, con diferencia las aplicaciones más útiles se encuentran en aplicaciones industriales, incluida la industria química, la fabricación de acero, así como la de metanol y fertilizantes. Esto se ilustra por el hecho de que hoy en día la mayor parte del hidrógeno producido se utiliza para estas aplicaciones industriales, así como para aplicaciones como la refrigeración de turbogeneradores, y la demanda de hidrógeno en estas aplicaciones aumenta rápidamente.

Actualmente, prácticamente todo el hidrógeno producido hoy en día proviene del gas natural, a través de la reformación de metano con vapor (SMR), y potencialmente la pirólisis del metano convierte al hidrógeno derivado del gas natural en una fuente baja en carbono. El resto del hidrógeno procede de la gasificación del carbón y una pequeña fracción de la electrólisis del agua. El hidrógeno se produce a menudo in situ, especialmente en plantas industriales y centrales térmicas. Entonces, aparte de cualquier esfuerzo de descarbonización, hay muchos usos para el hidrógeno que el público en general parece desconocer.

Esto nos lleva a la algo controvertida escalera del hidrógeno.

Es posible que algunos de nosotros ya nos hayamos topado con la escalera del hidrógeno limpio, popularizada por Michael Liebreich. Esto es similar a la pirámide del hidrógeno limpio en el sentido de que intenta capturar las aplicaciones del hidrógeno más esenciales y económicas. Por ejemplo, con los usos industriales primarios resaltados, obtenemos lo siguiente:

La parte controvertida de esta escalera del hidrógeno proviene principalmente de la ubicación de categorías como 'Almacenamiento a largo plazo' y 'Vehículos todoterreno', con una serie de artículos de CleanTechnica (parte 1, parte 2) de Michael Barnard y el ingeniero de procesos químicos Paul Martin entra en cierto nivel de detalle aquí. En lo que respecta al almacenamiento de energía a largo plazo utilizando hidrógeno, este es un tema que hemos cubierto en un artículo anterior sobre sistemas de almacenamiento de energía, junto con un artículo sobre tecnologías de almacenamiento a nivel de red más prácticas.

Cuando nos centramos únicamente en las categorías de líneas 'A' y 'B' que están resaltadas en esta imagen, es importante recordar que estas categorías contienen esencialmente todas las formas principales de uso actual del hidrógeno, junto con algunas que se mencionaron anteriormente, como como el uso como refrigerante, pero que no están cubiertos en esta imagen. Sin embargo, el mayor uso del hidrógeno, con diferencia, es la producción de amoníaco (NH3). El amoníaco se utiliza en disolventes, agentes de limpieza domésticos, como antiséptico, como refrigerante (R717), en depuradores de óxido sulfuroso (SO2) y óxido nitroso (NOx), pero quizás más esencialmente en la producción de fertilizantes.

Una aplicación más controvertida del amoníaco es la como combustible, ya que la combustión de NH3 en una atmósfera que contiene oxígeno produce diversos contaminantes, entre ellos N2O (óxido nitroso), como lo señalan estudios recientes de Juan D. González et al. (2017) y S. Mashruk et al. (2021). El óxido nitroso, también conocido como gas de la risa, es un potente gas de efecto invernadero y es neurotóxico, ya que es un antagonista del receptor NMDA. Debido a estos problemas, es poco probable que el amoníaco como combustible tenga un uso significativo donde existan alternativas.

Entre los refrigerantes gaseosos, el hidrógeno es una opción popular, ya que tiene una conductividad térmica significativamente mayor en comparación con otros gases, una alta capacidad calorífica específica, una baja densidad y, por tanto, una fricción muy baja en aplicaciones donde esto realmente importa, como en los generadores. Esta es la razón por la que los turbogeneradores generalmente se enfrían con gas hidrógeno, y el gas calentado pasa a través de un intercambiador de calor de gas a agua antes de recircularlo. El mantenimiento de estos turbogeneradores refrigerados por hidrógeno también conduce a una de las características más interesantes del hidrógeno: su capacidad para arder en el aire en concentraciones de hidrógeno entre el 4% y el 74%.

Combinado con el punto de autoignición del hidrógeno a 571 °C, esto hace que sea esencial evitar fugas de aire al generador y viceversa. Antes de poder realizar cualquier mantenimiento en el turbogenerador, es necesario purgar el hidrógeno, lo que supone un equilibrio entre mayor eficiencia y facilidad de mantenimiento. Y como se señaló anteriormente, la mayoría de las centrales eléctricas tienen un electrolizador in situ para generar hidrógeno de reemplazo cuando sea necesario.

La conductividad térmica del hidrógeno también es la razón por la que se utiliza en algunos gases de soldadura, y ciertos estudios afirman que mejora la calidad de la soldadura en acero de calidad aún menor. Si se analizan las distintas mezclas de un solo fabricante, el gas protector Linde HydroStar, se trata de mezclas de argón/hidrógeno con un porcentaje de hidrógeno que oscila entre el 2% y el 35%. En ausencia de una atmósfera de oxígeno, la soldadura TIG utilizando hidrógeno como parte del gas protector no es riesgosa, aunque hace que la necesidad de ventilación constante sea aún más importante que con argón/CO2 y otras mezclas.

Mientras no se cumplan todos los requisitos para una explosión violenta de hidrógeno, es un gas perfectamente seguro y muy útil, especialmente cuando se trata de soldar materiales complicados, como el acero inoxidable. Lo cual se relaciona con un uso bastante nuevo y todavía en desarrollo del hidrógeno, en la reducción del óxido de hierro y en la producción del llamado "acero verde".

A pesar de lo omnipresente que es el acero en la sociedad moderna, la producción de este material a partir de mineral de hierro ha cambiado poco desde el siglo XVII, cuando la invención del alto horno aceleró por primera vez el proceso de producción y lo convirtió en una mercancía. Originalmente, estos altos hornos utilizaban principalmente carbón vegetal como fuente de carbono, pero luego fue reemplazado por coque cuando comenzó la Revolución Industrial. Esto es esencialmente lo que todavía utilizamos hoy en día en los altos hornos modernos.

El mineral de hierro se extrae generalmente en forma de óxido de hierro como magnetita (Fe2+Fe3+2O4) o hematita (Fe2O3), que luego se reduce en el alto horno exponiendo el óxido de hierro a una sustancia como el carbono, con donde el oxígeno se une más fácilmente que con el hierro. Esta reacción redox conduce a la producción de arrabio, que es hierro con un porcentaje relativamente grande (3,8 – 4,7% típicamente) de carbono, así como algunas impurezas adicionales. El contenido de carbono del acero generalmente está entre 0,002% y 2,14%, lo que requiere algunos pasos más de procesamiento del arrabio para producir los distintos grados de acero.

Donde entra en juego el hidrógeno es en este paso redox, donde en lugar de carbono, se puede utilizar hidrógeno como agente redox. Este proceso se detalla en un artículo de revisión de la literatura de 2019 en Steel Research International por Daniel Spreitzer y Johannes Schenk.

Lo interesante del uso de hidrógeno para la reacción redox del óxido de hierro es que tiene un mejor comportamiento de difusión que el monóxido de carbono (CO), que es el agente redox en un alto horno alimentado con coque. Esto significa que incluso con una peor porosidad en el mineral de hierro, el hidrógeno debería ser más eficaz para eliminar el oxígeno, ya que puede difundirse más fácilmente en el mineral. La misma baja viscosidad que hace del hidrógeno un gas refrigerante ideal también resulta útil en este caso.

Como ocurre con todos los procesos de producción a gran escala, el diablo está en los detalles. Dado que el CO y el H2 no son la misma molécula y, por lo tanto, se comportarán de manera diferente en las condiciones de un alto horno, no hay nada intrínsecamente más complicado en el uso de hidrógeno como agente redox con óxido de hierro, y el llamado "acero verde" fabricado usando Ya hay en el mercado hidrógeno en lugar de coque, aunque en cantidades limitadas.

Debido al rápido aumento de la demanda de hidrógeno no sólo de la industria de los fertilizantes sino también del acero y otras industrias, se necesitan más fuentes de hidrógeno con bajas emisiones de carbono. En este caso, la economía detrás de las fuentes de hidrógeno se convierte en un factor importante: el hidrógeno procedente del gas natural a través de SMR cuesta alrededor de 1 dólar/kg, y el hidrógeno procedente de un electrolizador alimentado únicamente con energía renovable cuesta más de 4,40 dólares/kg. Para las fuentes nucleares (electrolizador o termólisis), los costos nivelados oscilan entre 0,69 y 4,80 dólares, según el tipo de reactor, lo que la convierte en una opción viable de hidrógeno verde junto con la pirólisis de metano.

Cualesquiera que sean las opciones que al final elijamos, es difícil negar la importancia del hidrógeno para nuestra civilización y la necesidad de producir mucho más. Queda por ver si algún día tendremos suficiente cantidad como para poder utilizarla para el transporte y la producción de combustibles electrónicos; en la actualidad, las aplicaciones industriales, como el cambio de la industria siderúrgica del coque al hidrógeno (bajo en carbono). . Aquí podemos ver, por ejemplo, al noruego Blastr invirtiendo en una nueva planta siderúrgica en Finlandia que utilizará una planta de hidrógeno in situ alimentada por energía hidroeléctrica local.

Dado que el precio del hidrógeno tiene que estar por debajo de los 2 dólares el kilo para que el 'acero verde' sea viable si quiere competir con el acero convencional, la búsqueda de hidrógeno barato se intensificará, junto con su demanda. Esto hace que uno se pregunte por qué se habla de "pasar a una economía del hidrógeno" cuando parece que hemos estado viviendo en una durante al menos un siglo, incluso si no fuera exactamente la que aparece en los brillantes folletos de marketing.