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

Aunque, por lo general, el hidrógeno solo se menciona en el contexto del transporte y el almacenamiento de energía, las aplicaciones más útiles se encuentran, con diferencia, en aplicaciones industriales, incluida la industria química, la fabricación de acero, así como la del metanol y los fertilizantes. Esto se ilustra por cómo hoy en día la mayor parte de todo el hidrógeno producido se utiliza para estas aplicaciones industriales, así como para aplicaciones como la refrigeración de turbogeneradores, con una demanda de hidrógeno en estas aplicaciones en rápido aumento.

Actualmente, prácticamente todo el hidrógeno que se produce hoy en día proviene del gas natural, a través de la reforma de metano con vapor (SMR), con la posibilidad de que la pirólisis del metano haga que el hidrógeno derivado del gas natural sea una fuente baja en carbono. El resto del hidrógeno proviene de la gasificación del carbón y una pequeña fracción de la electrólisis del agua. El hidrógeno a menudo se produce 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 parece desconocer en general.

Esto nos lleva a la algo controvertida escalera de 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 de hidrógeno limpio en el sentido de que trata de capturar las aplicaciones de hidrógeno más esenciales y económicas. Por ejemplo, con los usos industriales primarios resaltados, obtenemos lo siguiente:

La parte controvertida de esta escalera de 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 con hidrógeno, este es un tema que hemos tratado 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 solo nos enfocamos en las categorías de línea 'A' y 'B' que se destacan en esta imagen, es importante recordar que estas categorías contienen esencialmente todas las formas principales de uso actual de hidrógeno, junto con un número que se mencionó 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 el de 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 sobre todo en la producción de fertilizantes.

Una aplicación más controvertida del amoníaco es la de combustible, ya que la combustión de NH3 en una atmósfera que contiene oxígeno produce diversos contaminantes, entre ellos el N2O (óxido nitroso), como 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 tales problemas, es poco probable que el amoníaco como combustible tenga un uso significativo donde existen alternativas.

Entre los refrigerantes gaseosos, el hidrógeno es una opción popular, ya que tiene una conductividad térmica significativamente más alta en relación con otros gases, tiene una alta capacidad de calor específico, baja densidad y, por lo tanto, muy baja fricción en aplicaciones donde esto realmente importa, como en generadores. Esta es la razón por la cual 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 recircular. El mantenimiento de estos turbogeneradores enfriados por hidrógeno también conduce a una de las características más emocionantes del hidrógeno: su capacidad para quemarse en el aire a 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 para evitar fugas de aire en el generador y viceversa. Antes de que se pueda realizar cualquier mantenimiento en el turbogenerador, se debe purgar el hidrógeno, lo que lo convierte en un compromiso entre mayor eficiencia y facilidad de mantenimiento. Y como se señaló anteriormente, la mayoría de las plantas de energía tienen un electrolizador en el sitio para generar hidrógeno de reemplazo cuando lo necesitan.

La conductividad térmica del hidrógeno también es la razón por la que se usa en algunos gases de soldadura, con ciertos estudios que afirman que mejora la calidad de la soldadura en acero de calidad aún más baja. Al observar las diversas mezclas de un solo fabricante, el gas de protección 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 con hidrógeno como parte del gas de protección 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, después de todo, es perfectamente seguro y un gas muy útil, especialmente cuando se trata de soldar materiales complicados, como el acero inoxidable. Lo que se relaciona con un uso bastante nuevo y aún en desarrollo del hidrógeno, en la reducción de óxido de hierro y 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 del 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 usaban principalmente carbón vegetal como fuente de carbono, pero luego fue reemplazado por coque cuando comenzó la Revolución Industrial. Esto es esencialmente lo que todavía estamos usando hoy en día en los altos hornos de hoy en día.

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 que 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 alto (3,8 - 4,7 % por lo general) de carbono, así como algunas impurezas adicionales. El contenido de carbono del acero está generalmente entre 0,002 % y 2,14 %, lo que requiere algunos pasos más de procesamiento del arrabio para producir los distintos grados de acero.

Donde el hidrógeno entra en juego es en este paso redox, donde en lugar de carbono, el hidrógeno puede usarse 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 que el hidrógeno sea un gas refrigerante ideal también es útil aquí.

Como en 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 con hidrógeno en lugar de coque ya están disponibles en el mercado, aunque en cantidades limitadas.

Debido al rápido aumento de la demanda de hidrógeno no solo de la industria de los fertilizantes, sino también del acero y otras industrias, se necesitan más fuentes de hidrógeno y con menos carbono. Aquí, la economía detrás de las fuentes del hidrógeno se convierte en un factor importante, con el hidrógeno del gas natural a través de SMR que cuesta alrededor de $ 1/kg, con el hidrógeno de un electrolizador que funciona solo con energía renovable que cuesta mucho más de $ 4.40/kg. Para las fuentes nucleares (electrólisis o termólisis), los costos nivelados oscilan entre $0,69 y $4,80 según el tipo de reactor, lo que hace que esta sea una opción viable de hidrógeno verde junto con la pirólisis de metano.

Cualquiera que sea la opción que elijamos al final, es difícil negar la importancia del hidrógeno para nuestra civilización y la necesidad de producir mucho más. Queda por ver si algún día tendremos tanto que podamos usarlo para el transporte y la producción de combustibles electrónicos, actualmente aplicaciones industriales como el cambio de la industria del acero del coque al hidrógeno (bajo en carbono). . Aquí podemos ver, por ejemplo, a Norwegian 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 debe estar por debajo de $2/kg 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 'cambiar a una economía de hidrógeno' cuando parece que hemos estado viviendo en uno durante al menos un siglo, incluso si no era exactamente el de los folletos de marketing.