¿Cómo producir hidrógeno?
1. Electrolizar agua para producir hidrógeno.
La producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua es actualmente uno de los métodos más utilizados y maduros. El proceso de producir hidrógeno a partir del agua es el proceso inverso de quemar hidrógeno y oxígeno para producir agua, por lo que siempre que se proporcione una determinada forma de energía, el agua se puede descomponer. La eficiencia de proporcionar energía eléctrica para dividir el agua en hidrógeno es generalmente del 75 al 85%. Su flujo de proceso es simple y libre de contaminación, pero consume mucha energía y su aplicación está sujeta a ciertas limitaciones. La producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua durante los picos y valles de la red eléctrica también tiene características como medio de almacenamiento de energía. Mi país es rico en recursos hidroeléctricos y el uso de la generación de energía hidroeléctrica y la electrólisis del agua para producir hidrógeno tiene perspectivas de desarrollo. La energía solar es inagotable y el método de producción de hidrógeno fotoeléctrico se denomina sistema de energía de hidrógeno solar y se han llevado a cabo investigaciones experimentales en el extranjero. Con la mejora de la eficiencia de la conversión de energía, la reducción de costos y la extensión de la vida útil de las células solares, las perspectivas para la producción de hidrógeno son inconmensurables. Al mismo tiempo, la energía solar, la energía eólica y la energía oceánica también pueden producir hidrógeno a través de la electricidad y utilizarlo como portador de energía intermedio para regular y almacenar la energía convertida, haciendo que el suministro de energía a los usuarios sea más flexible y conveniente. El exceso de electricidad en el sistema de suministro de energía también se puede utilizar para electrolizar agua y producir hidrógeno para lograr el propósito de almacenamiento de energía. Hay cientos de dispositivos de producción de hidrógeno por electrólisis de agua de varios tamaños en China, pero todos son pequeños equipos de producción de hidrógeno por electrólisis. Su propósito es producir hidrógeno como materia prima y no como fuente de energía. A medida que se expanda gradualmente la aplicación de la energía del hidrógeno, se desarrollarán métodos de electrolización del agua para producir hidrógeno.
2. Producción de hidrógeno a partir de combustibles fósiles
La producción de hidrógeno a partir de carbón, petróleo y gas natural es actualmente el principal método de producción de hidrógeno. Este método está técnicamente maduro en China y se han construido equipos de producción industrial.
(1) Producción de hidrógeno a partir del carbón
En la estructura energética de China, el carbón será la principal fuente de energía durante mucho tiempo. Cómo mejorar la eficiencia de utilización del carbón y reducir la contaminación ambiental es un tema que requiere investigación continua, y convertir el carbón en hidrógeno es una de las formas.
Existen dos métodos principales para producir gas que contiene hidrógeno a partir de carbón: uno es la coquización del carbón (o carbonización a alta temperatura) y el otro es la gasificación del carbón. Coquizar significa que el carbón se convierte en coque a 90-1000°C en ausencia de aire, y el subproducto es gas de horno de coque. La composición del gas de coque contiene entre un 55 y un 60 % (en volumen) de hidrógeno, entre un 23 y un 27 % de metano y entre un 6 y un 8 % de monóxido de carbono. De cada tonelada de carbón se pueden obtener entre 300 y 350 m3 de gas, que se pueden utilizar como materia prima para la producción de gas urbano e hidrógeno. La gasificación del carbón se refiere a la reacción del carbón con agentes gasificantes a alta temperatura, presión normal o presión, y se convierte en productos gaseosos. El agente de gasificación es vapor de agua u oxígeno (aire), y el producto gaseoso contiene hidrógeno y otros componentes, y su contenido varía según el método de gasificación. En mi país hay un gran número de unidades de producción de hidrógeno pequeñas y medianas, todas las cuales utilizan carbón como materia prima. Después de la gasificación, se produce gas que contiene hidrógeno como materia prima para la síntesis de amoníaco. Se trata de un método de obtención de fuentes de hidrógeno con características chinas. Utilizando el gasificador de lecho fijo OGI, se puede producir gas de agua en funcionamiento intermitente. El dispositivo tiene una inversión baja y un funcionamiento sencillo. Su producto gaseoso se compone principalmente de hidrógeno y monóxido de carbono, de los cuales se puede producir hidrógeno puro después de la conversión. Cuando se utiliza la gasificación del carbón para producir hidrógeno, los costes de los equipos representan la mayor parte de la inversión. Los métodos de gasificación subterránea del carbón han recibido atención en las últimas décadas. La tecnología de gasificación subterránea tiene las ventajas de una alta tasa de utilización de los recursos de carbón y de reducir o evitar daños al medio ambiente de la superficie. La Universidad de Minería y Tecnología de China ha desarrollado y perfeccionado un nuevo proceso de producción de gas de agua de "gasificación de carbón subterránea de canal largo, gran sección transversal y dos secciones". El contenido de hidrógeno en el gas supera el 50%. Se ha puesto en funcionamiento de prueba industrial en Liuzhuang, Tangshan, con una producción diaria de 50.000 m3 de gas de agua. Si se purifica mediante conversión y adsorción por cambio de presión, se puede producir hidrógeno barato, lo que tiene ciertas perspectivas de desarrollo en China. China tiene una buena base para dominar la tecnología de producción de hidrógeno a base de carbón, especialmente la gran cantidad de dispositivos de producción de hidrógeno en plantas de amoníaco pequeñas y medianas repartidas por todo el país. El proceso desarrollado independientemente por mi país para obtener hidrógeno barato a partir de la gasificación subterránea de carbón para producir agua y gas ha logrado resultados graduales, tiene perspectivas de desarrollo y merece atención.
(2) Utilizar gas natural o petróleo ligero como materia prima para producir hidrógeno.
En este método, el hidrógeno se produce mediante reacción y conversión con vapor en presencia de un catalizador. Se producen principalmente las siguientes reacciones:
CH4+H2O→CO+H2
Monóxido de carbono+H2O→dióxido de carbono+Hercios
CnH2h+2+Nh2O→nCO+ (Zh+ l)HZ
La reacción se lleva a cabo a 800-820°C. Como puede verse en la reacción anterior, parte del hidrógeno proviene del vapor de agua. El contenido de hidrógeno en la composición del gas preparado por este método puede alcanzar el 74% (en volumen) y su coste de producción depende principalmente del precio de las materias primas.
En China, el precio del petróleo ligero es alto, el costo de producción de gas es elevado y su aplicación es limitada. La mayoría de las plantas de amoníaco y metanol a gran escala utilizan gas natural como materia prima y catalizan el reformado con vapor para producir hidrógeno. China ha realizado muchos trabajos de investigación fructíferos en este campo y ha construido una gran cantidad de dispositivos de producción industrial. En China, se desarrolló un proceso discontinuo de reformado con vapor de gas natural para producir materia prima para pequeñas plantas de amoníaco. Este método no requiere el uso de un horno de reformado de aleaciones de alta temperatura y tiene bajos costos de inversión en equipos. El proceso de producción de hidrógeno en petróleo y gas está muy maduro, pero debido a las limitaciones de las materias primas, se utiliza principalmente para producir materias primas químicas.
(3) Utilizando petróleo pesado como materia prima, se produce hidrógeno mediante oxidación parcial.
Las materias primas del petróleo pesado incluyen el petróleo residual atmosférico y de vacío y el fueloil después del procesamiento profundo del petróleo. El petróleo pesado reacciona con el vapor de agua y el oxígeno para producir hidrógeno.
Productos gaseosos. La combustión de parte del petróleo pesado proporciona calor y una determinada temperatura de reacción para la reacción endotérmica de conversión. El costo de los productos de hidrógeno producidos con este método
El costo de las materias primas representa aproximadamente un tercio y el precio del petróleo pesado es bajo, por lo que la gente le presta atención. Mi país ha construido un dispositivo de producción de hidrógeno por oxidación parcial de petróleo pesado a gran escala para producir materias primas para la producción de hidrógeno.