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NFPA 2 Código de Tecnologías de Hidrógeno 

 septiembre 24, 2021

Por  Felipe Arguello1537

NFPA 2 Código de Tecnología de Hidrógeno tiene el propósito de proporcionar salvaguardas fundamentales para la generación, instalación, almacenamiento, tuberías, uso y manipulación de hidrógeno en forma de gas comprimido (GH2) o líquido criogénico (LH2).

La versión actual de la NFPA 2 corresponde al año 2020. Este código se aplicará a la producción, almacenamiento, transferencia y uso de hidrógeno en todos los destinos.

El hidrógeno es el elemento más simple y abundante del universo. Es un componente importante del agua, el petróleo, el gas natural y toda la materia viva. A pesar de su simplicidad y abundancia, el hidrógeno rara vez se encuentra naturalmente como gas en la Tierra. 

Casi siempre se combina con otros elementos. Puede generarse a partir de petróleo, gas natural y biomasa o dividiendo el agua utilizando energía solar o eléctrica renovable.

Una vez que el hidrógeno se produce como hidrógeno molecular, la energía presente dentro de la molécula se puede liberar al reaccionar con el oxígeno para producir agua. Esto se puede lograr mediante motores de combustión interna tradicionales o mediante dispositivos llamados pilas de combustible. En una pila de combustible, la energía del hidrógeno se convierte directamente en electricidad con alta eficiencia y bajas pérdidas de energía.

El hidrógeno, por lo tanto, es un portador de energía, que se utiliza para mover, almacenar y entregar energía producida a partir de otras fuentes.

El hidrógeno es un combustible limpio que, cuando se consume en una celda de combustible, solo produce agua. El hidrógeno se puede producir a partir de una variedad de recursos domésticos, como gas natural, energía nuclear, biomasa y energía renovable como la solar y la eólica. Estas cualidades lo convierten en una opción de combustible atractiva para aplicaciones de transporte y generación de electricidad. Se puede usar en automóviles, casas, para energía portátil y en muchas más aplicaciones.

El hidrógeno es un portador de energía que se puede utilizar para almacenar, mover y entregar energía producida a partir de otras fuentes.

Conceptos básicos del combustible de hidrógeno

Hoy en día, el combustible de hidrógeno se puede producir mediante varios métodos. Los métodos más comunes en la actualidad son el reformado de gas natural (un proceso térmico) y la electrólisis. Otros métodos incluyen procesos biológicos y impulsados ​​por energía solar.

PROCESOS TÉRMICOS

Los procesos térmicos para la producción de hidrógeno suelen implicar el reformado con vapor, un proceso de alta temperatura en el que el vapor reacciona con un combustible de hidrocarburo para producir hidrógeno. Muchos combustibles de hidrocarburos se pueden reformar para producir hidrógeno, incluido el gas natural, el diesel, los combustibles líquidos renovables, el carbón gasificado o la biomasa gasificada. Hoy en día, aproximadamente el 95% de todo el hidrógeno se produce a partir del reformado con vapor de gas natural.

Aprender más acerca de:

PROCESOS ELECTROLÍTICOS

El agua se puede separar en oxígeno e hidrógeno mediante un proceso llamado electrólisis. Los procesos electrolíticos tienen lugar en un electrolizador, que funciona de manera muy similar a una  celda de combustible a la  inversa: en lugar de usar la energía de una molécula de hidrógeno, como lo hace una celda de combustible, un electrolizador crea hidrógeno a partir de moléculas de agua.

Obtenga más información sobre  la producción de hidrógeno electrolítico .

PROCESOS IMPULSADOS ​​POR ENERGÍA SOLAR

Los procesos impulsados ​​por energía solar utilizan la luz como agente para la producción de hidrógeno. Hay algunos procesos impulsados ​​por la energía solar, incluidos fotobiológicos, fotoelectroquímicos y termoquímicos solares. Los procesos fotobiológicos utilizan la actividad fotosintética natural de bacterias y algas verdes para producir hidrógeno. Los procesos fotoelectroquímicos utilizan semiconductores especializados para separar el agua en hidrógeno y oxígeno. La producción de hidrógeno termoquímico solar utiliza energía solar concentrada para impulsar reacciones de división del agua a menudo junto con otras especies como los óxidos metálicos.

Obtenga más información sobre  procesos fotobiológicos ,  procesos termoquímicos solares y  procesos fotoelectroquímicos .

PROCESOS BIOLÓGICOS

Los procesos biológicos utilizan microbios como bacterias y microalgas y pueden producir hidrógeno a través de reacciones biológicas. En la conversión de biomasa microbiana, los microbios descomponen la materia orgánica como la biomasa o las aguas residuales para producir hidrógeno, mientras que en los procesos fotobiológicos los microbios utilizan la luz solar como fuente de energía.

Obtenga más información sobre la producción biológica de hidrógeno a partir de la conversión de biomasa microbiana y los  procesos fotobiológicos .

Conceptos básicos de la celda de combustible

Las celdas de combustible pueden proporcionar calor y electricidad para edificios y energía eléctrica para vehículos y dispositivos electrónicos.

Cómo funcionan las celdas de combustible

Las celdas de combustible funcionan como baterías, pero no se agotan ni necesitan recargarse. Producen electricidad y calor siempre que se suministre combustible. Una celda de combustible consta de dos electrodos, un electrodo negativo (o ánodo) y un electrodo positivo (o cátodo), colocados alrededor de un electrolito. Se alimenta un combustible, como hidrógeno, al ánodo y se alimenta aire al cátodo. 

En una celda de combustible de membrana de electrolito de polímero, un catalizador separa los átomos de hidrógeno en protones y electrones, que toman diferentes caminos hacia el cátodo. Los electrones pasan por un circuito externo, creando un flujo de electricidad. Los protones migran a través del electrolito al cátodo, donde se reúnen con el oxígeno y los electrones para producir agua y calor.

Tipos de celdas o pilas de combustible

Aunque las operaciones básicas de todas las celdas de combustible son las mismas, se han desarrollado variedades especiales para aprovechar los diferentes electrolitos y satisfacer diferentes necesidades de aplicación. 

El combustible y las especies cargadas que migran a través del electrolito pueden ser diferentes, pero el principio es el mismo. Se produce una oxidación en el ánodo, mientras que se produce una reducción en el cátodo. Las dos reacciones están conectadas por una especie cargada que migra a través del electrolito y los electrones que fluyen a través del circuito externo.

CELDAS DE COMBUSTIBLE DE MEMBRANA DE ELECTROLITO DE POLÍMERO

Las celdas de combustible de membrana de electrolito de polímero (PEM), también llamadas celdas de combustible de membrana de intercambio de protones, utilizan una membrana de polímero conductor de protones como electrolito. El hidrógeno se usa típicamente como combustible. 

Estas celdas operan a temperaturas relativamente bajas y pueden variar rápidamente su salida para satisfacer las demandas cambiantes de energía. Las pilas de combustible PEM son las mejores candidatas para impulsar automóviles. También se pueden utilizar para la producción de energía estacionaria. 

Sin embargo, debido a su baja temperatura de funcionamiento, no pueden utilizar directamente combustibles de hidrocarburos, como gas natural, gas natural licuado o etanol. Estos combustibles deben convertirse en hidrógeno en un reformador de combustible para poder ser utilizados por una celda de combustible PEM.

CELDAS DE COMBUSTIBLE DE METANOL DIRECTO

La celda de combustible de metanol directo (DMFC) es similar a la celda PEM en que utiliza una membrana de polímero conductor de protones como electrolito. Sin embargo, los DMFC usan metanol directamente en el ánodo, lo que elimina la necesidad de un reformador de combustible. 

Los DMFC son de interés para alimentar dispositivos electrónicos portátiles, como computadoras portátiles y cargadores de baterías. El metanol proporciona una densidad energética más alta que el hidrógeno, lo que lo convierte en un combustible atractivo para dispositivos portátiles.

CELDAS DE COMBUSTIBLE ALCALINAS

Las pilas de combustible alcalinas utilizan un electrolito alcalino como el hidróxido de potasio o una membrana alcalina que conduce iones de hidróxido en lugar de protones. 

Utilizadas originalmente por la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) en misiones espaciales, las pilas de combustible alcalinas están encontrando ahora nuevas aplicaciones, como en la energía portátil.

CELDAS DE COMBUSTIBLE DE ÁCIDO FOSFÓRICO

Las pilas de combustible de ácido fosfórico utilizan un electrolito de ácido fosfórico que conduce los protones retenidos dentro de una matriz porosa y funcionan a unos 200 ° C. 

Por lo general, se utilizan en módulos de 400 kW o más y se utilizan para la producción de energía estacionaria en hoteles, hospitales, supermercados y edificios de oficinas, donde también se puede utilizar el calor residual. 

El ácido fosfórico también se puede inmovilizar en membranas de polímero, y las pilas de combustible que utilizan estas membranas son de interés para una variedad de aplicaciones de energía estacionaria.

CELDAS DE COMBUSTIBLE DE CARBONATO FUNDIDO

Las celdas de combustible de carbonato fundido utilizan una sal de carbonato fundido inmovilizada en una matriz porosa que conduce iones de carbonato como su electrolito. Ya se están utilizando en una variedad de aplicaciones estacionarias de mediana a gran escala, donde su alta eficiencia produce ahorros netos de energía. 

Su funcionamiento a alta temperatura (aproximadamente 600 ° C) les permite reformar internamente combustibles como el gas natural y el biogás.

CELDAS DE COMBUSTIBLE DE ÓXIDO SÓLIDO

Las pilas de combustible de óxido sólido utilizan una fina capa de cerámica como electrolito sólido que conduce iones de óxido. Se están desarrollando para su uso en una variedad de aplicaciones de energía estacionarias, así como en dispositivos de energía auxiliar para camiones de servicio pesado. Operando a 700 ° C-1,000 ° C con electrolitos a base de zirconia, y a tan solo 500 ° C con electrolitos a base de ceria, estas celdas de combustible pueden reformar internamente el gas natural y el biogás, y pueden combinarse con una turbina de gas para producir electricidad. eficiencias de hasta el 75%.

CELDAS DE COMBUSTIBLE COMBINADAS DE CALOR Y ENERGÍA

Además de la electricidad, las pilas de combustible producen calor. Este calor se puede utilizar para satisfacer las necesidades de calefacción, incluida la calefacción de espacios y agua caliente. Las celdas de combustible combinadas de calor y energía son de interés para el suministro de energía a casas y edificios, donde se puede lograr una eficiencia total de hasta el 90%. Esta operación de alta eficiencia ahorra dinero, ahorra energía y reduce las emisiones de gases de efecto invernadero.

CELDAS DE COMBUSTIBLE REGENERATIVAS O REVERSIBLES

Esta clase especial de pilas de combustible produce electricidad a partir de hidrógeno y oxígeno, pero puede invertirse y alimentarse con electricidad para producir hidrógeno y oxígeno. Esta tecnología emergente podría proporcionar almacenamiento del exceso de energía producida por fuentes de energía renovable intermitentes, como las estaciones de energía eólica y solar, liberando esta energía en épocas de baja producción de energía.

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