Producción de hidrógeno mediante combustibles fósiles

Ingeniería en energía
Ingeniería en energía del hidrógeno
José Andrés Alanís Navarro
1

4
Clasificación
Clasificación

10
Costo de producción
Costo de producción

11
Propiedades fisicoquímicas del hidrógeno
Propiedades fisicoquímicas del hidrógeno

13
Comparativa de combustibles
Comparativa de combustibles

14
Ventajas y desventajas
Ventajas y desventajas

28
https://globalenergy.mx/noticias-especiales/hidrogeno-verde-mexico/

29
Densidad de energía y energía específica
• Permiten comparar combustibles independiente de la
capacidad de los tanques de almacenamiento
• En algunas aplicaciones es crucial considerar la masa
del combustible, en otras, el volumen.
• Permiten comparar combustibles independiente de la
capacidad de los tanques de almacenamiento
• En algunas aplicaciones es crucial considerar la masa
del combustible, en otras, el volumen.

30
• En aplicaciones estacionarias la masa no es un
problema, pero s el volumen
• En aplicaciones móviles se requiere disminuir la masa
• En aplicaciones estacionarias la masa no es un
problema, pero s el volumen
• En aplicaciones móviles se requiere disminuir la masa

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Densidad de energía (eV)
eV = E / V
Energía específica (em)
em = E / m
Densidad de energía (eV)
eV = E / V
Energía específica (em)
em = E / m

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0
10
20
30
40
50
60
0
20
40
60
80
100
120
140
160
ev
(J/m3)
em
(J/kg)
Título del eje
Energía específica y densidad de energía
em (J/kg) eV (J/m3)

33
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0
20
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60
80
100
120
140
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Densidad
de
masa
(kg/m3)
em
(J/kg)
Título del eje
Energía específica y densidad de masa
em (J/kg) ρ (kg/m3)

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0
100
200
300
400
500
600
700
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1000
0
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Densidad
de
masa
(kg/m3)
ev
(J/m3)
Título del eje
Densidad de energía y densidad de masa
eV (J/m3) ρ (kg/m3)

36
Producción
de hidrógeno
Producción
de hidrógeno

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Diagrama Sankey de la producción de H2
Diagrama Sankey de la producción de H2

43
Resumen de técnicas de producción
Resumen de técnicas de producción

47
SMR: Steam Methane Reforming

48

49

50
Etapas del SMR
Etapas del SMR
1.- Desulfuración
El gas natural se somete a un proceso de desulfuración
para eliminar impurezas como el azufre, ya que los
catalizadores utilizados en etapas posteriores son
sensibles a este elemento.
1.- Desulfuración
El gas natural se somete a un proceso de desulfuración
para eliminar impurezas como el azufre, ya que los
catalizadores utilizados en etapas posteriores son
sensibles a este elemento.

51
2.- Pretratamiento:
• El gas natural se mezcla con vapor de agua y se
calienta a alta temperatura.
• El vapor de agua actúa como un reactante clave en el
proceso.
2.- Pretratamiento:
• El gas natural se mezcla con vapor de agua y se
calienta a alta temperatura.
• El vapor de agua actúa como un reactante clave en el
proceso.
Etapas del SMR
Etapas del SMR

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3.- Reformado Primario:
• El gas pretratado se pasa a través de un reformador
primario, que generalmente contiene un catalizador
de níquel a alta temperatura.
• El gas metano reacciona con el vapor de agua para
producir hidrógeno y monóxido de carbono en una
reacción endotérmica.
3.- Reformado Primario:
• El gas pretratado se pasa a través de un reformador
primario, que generalmente contiene un catalizador
de níquel a alta temperatura.
• El gas metano reacciona con el vapor de agua para
producir hidrógeno y monóxido de carbono en una
reacción endotérmica.
Etapas del SMR
Etapas del SMR

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4.- Reformado Secundario (Shift):
• El monóxido de carbono se hace reaccionar con
vapor de agua en la etapa de reformado secundario,
generando más hidrógeno y dióxido de carbono.
• Este proceso se conoce como reacción de cambio
(Shift reaction).
4.- Reformado Secundario (Shift):
• El monóxido de carbono se hace reaccionar con
vapor de agua en la etapa de reformado secundario,
generando más hidrógeno y dióxido de carbono.
• Este proceso se conoce como reacción de cambio
(Shift reaction).
Etapas del SMR
Etapas del SMR

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5.- Separación:
• Los productos gaseosos de la reacción (hidrógeno,
dióxido de carbono, vapor de agua) se someten a
procesos de separación para obtener H2 puro.
• La separación puede lograrse mediante métodos
como la presión swing adsorption (PSA) o mediante
membrana de separación.
5.- Separación:
• Los productos gaseosos de la reacción (hidrógeno,
dióxido de carbono, vapor de agua) se someten a
procesos de separación para obtener H2 puro.
• La separación puede lograrse mediante métodos
como la presión swing adsorption (PSA) o mediante
membrana de separación.
Etapas del SMR
Etapas del SMR

55
6.- Captura de CO2 (Opcional):
En algunos casos, se incorpora una etapa adicional
para la captura y eliminación de CO2, especialmente si
se busca producir hidrógeno con bajas emisiones de
carbono.
6.- Captura de CO2 (Opcional):
En algunos casos, se incorpora una etapa adicional
para la captura y eliminación de CO2, especialmente si
se busca producir hidrógeno con bajas emisiones de
carbono.
Etapas del SMR
Etapas del SMR

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7.- Compresión y Almacenamiento:
El hidrógeno producido se comprime para su
almacenamiento y posterior distribución.
7.- Compresión y Almacenamiento:
El hidrógeno producido se comprime para su
almacenamiento y posterior distribución.
Etapas del SMR
Etapas del SMR

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1-. Reacción de Reformado de Vapor:
El gas metano (CH₄) reacciona con vapor de agua (H₂O)
para producir monóxido de carbono (CO) e hidrógeno
(H₂) en presencia de un catalizador, como el níquel.
< Reacción global >
Esta es la reacción completa de reformado de vapor,
pero a menudo se realiza en dos etapas para obtener
hidrógeno de mayor pureza.
1-. Reacción de Reformado de Vapor:
El gas metano (CH₄) reacciona con vapor de agua (H₂O)
para producir monóxido de carbono (CO) e hidrógeno
(H₂) en presencia de un catalizador, como el níquel.
< Reacción global >
Esta es la reacción completa de reformado de vapor,
pero a menudo se realiza en dos etapas para obtener
hidrógeno de mayor pureza.
Reacciones químicas en el SMR

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2.- Reacción de Desplazamiento de Agua:
Implica la reacción entre monóxido de carbono y vapor
de agua para producir CO₂ y H₂, la reacción es:
La combinación de ambas etapas proporciona la
producción neta de hidrógeno a partir CH4 y H2O(g).
2.- Reacción de Desplazamiento de Agua:
Implica la reacción entre monóxido de carbono y vapor
de agua para producir CO₂ y H₂, la reacción es:
La combinación de ambas etapas proporciona la
producción neta de hidrógeno a partir CH4 y H2O(g).

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< Temperatura >
• El reformado de vapor generalmente se lleva a cabo a
temperatura elevada, típicamente en el intervalo de
700 °C a 1100 °C.
• La temperatura específica depende del catalizador y
del diseño del reactor.
< Temperatura >
• El reformado de vapor generalmente se lleva a cabo a
temperatura elevada, típicamente en el intervalo de
700 °C a 1100 °C.
• La temperatura específica depende del catalizador y
del diseño del reactor.
Especificaciones técnicas

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< Presión >
• La presión de operación varía entre 20 bar y 50 bar o
2 MPa a 5 MPa.
• La presión exacta depende de factores específicos y
del diseño del sistema.
< Presión >
• La presión de operación varía entre 20 bar y 50 bar o
2 MPa a 5 MPa.
• La presión exacta depende de factores específicos y
del diseño del sistema.

61
< Eficiencia >
• La eficiencia del proceso puede variar, pero el
reformado de vapor es un proceso energéticamente
intensivo.
• Típicamente está en el intervalo de 60% a 80%.
< Eficiencia >
• La eficiencia del proceso puede variar, pero el
reformado de vapor es un proceso energéticamente
intensivo.
• Típicamente está en el intervalo de 60% a 80%.

62
< Producción >
• La producción de hidrógeno está directamente
relacionada a la cantidad de gas metano y vapor de
agua ingresados al reactor.
• En condiciones óptimas, la producción teórica es de
tres moles de hidrogeno por mol de metano.
< Producción >
• La producción de hidrógeno está directamente
relacionada a la cantidad de gas metano y vapor de
agua ingresados al reactor.
• En condiciones óptimas, la producción teórica es de
tres moles de hidrogeno por mol de metano.

63
< Pureza >
• La pureza del hidrógeno obtenido durante el
reformado de gas metano, alcanza un 99.9%.
• Pero la presencia de pequeñas cantidades de CO,
CO2 y CH4 residuales, implica utilizar etapas
adicionales de purificación.
< Pureza >
• La pureza del hidrógeno obtenido durante el
reformado de gas metano, alcanza un 99.9%.
• Pero la presencia de pequeñas cantidades de CO,
CO2 y CH4 residuales, implica utilizar etapas
adicionales de purificación.

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POX: Partial oxidation

67

69

71
POX
POX
Ventajas:
1.- Alta eficiencia energética
• La oxidación parcial es altamente eficiente
• Se produce una gran cantidad de hidrógeno con
una cantidad relativamente baja de combustible.

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POX
POX
2.- Flexibilidad en la elección de combustibles
Se puede emplear una gran variedad de combustibles,
como:
• Gas natural
• Gasóleo
• Biogás
• Otros hidrocarburos
Adaptable a diferentes contextos y disponibilidades
de recursos.

73
3.- Producción de hidrógeno de alta pureza
La oxidación produce hidrógeno de alta pureza, lo
que es beneficioso en aplicaciones donde se requiere
un hidrógeno de alta calidad, como en pilas de
combustible (FCEV).
POX
POX

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4.- Menor cantidad de subproductos no deseados
• Tiende a generar menos subproductos no deseados
• Simplifica el proceso de purificación del hidrógeno.
POX
POX

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POX
POX
Desventajas:
Generación de CO2
• La oxidación parcial, al igual que otros procesos de
reformado de hidrocarburos, produce dióxido de
carbono (CO2) como subproducto.
• Dado que el CO2 es un GEI, esto puede ser
considerado como una desventaja desde la
perspectiva medioambiental, especialmente si no se
captura y se almacena el CO2 generado.

76
POX
POX
2.- Requiere condiciones de alta temperatura
La POX requiere altas temperaturas para llevarse a
cabo eficientemente, lo que puede aumentar los
costos operativos y energéticos del proceso.

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POX
POX
3.- Necesidad de un suministro de oxígeno
Para llevar a cabo la oxidación parcial, se requiere un
suministro adicional de oxígeno, lo que puede añadir
complejidad y costos al proceso.

78
POX
POX
4.- Necesidad de tecnologías avanzadas de control de
emisiones
Dado que la POX produce CO2 y otras emisiones:
• Es necesario implementar tecnologías avanzadas de
control de emisiones para minimizar su impacto
ambiental
• Puede aumentar los costos y la complejidad del
proceso.

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1.- Preparación del reactivo:
Se prepara una mezcla de combustible, como gas natural o
biogás, con un agente oxidante, típicamente aire.
2.- Reacción de oxidación parcial:
• La mezcla se calienta entre 700 °C y 1100 °C en presencia de un
catalizador, generalmente a base de metales nobles como el
platino o el rutenio.
• Se produce una reacción exotérmica en la que el combustible
se oxida parcialmente, generando una mezcla de productos
gaseosos que incluyen hidrógeno (H2), monóxido de carbono
(CO) y dióxido de carbono (CO2).
POX: etapas
POX: etapas

80
3.- Purificación del hidrógeno:
La mezcla de gases resultante se purifica para eliminar
impurezas, como el CO2 y otros gases no deseados, dejando
principalmente hidrógeno puro.
4.- Captura y almacenamiento de CO2:
Si se requiere la captura y almacenamiento de CO2 para reducir
las emisiones de gases de efecto invernadero, se puede integrar
un proceso de captura de CO2 después de la purificación del
hidrógeno.
POX: etapas
POX: etapas

81
< Temperatura >
• Se encuentra en el intervalo entre 700 °C a 1100 °C,
dependiendo del diseño específico del sistema y los
requisitos de la reacción química.
< Temperatura >
• Se encuentra en el intervalo entre 700 °C a 1100 °C,
dependiendo del diseño específico del sistema y los
requisitos de la reacción química.
POX: especificaciones técnicas

82
< Presión >
• Suele variar entre 10 y 50 bar, aunque puede ser
mayor en aplicaciones industriales específicas.
< Presión >
• Suele variar entre 10 y 50 bar, aunque puede ser
mayor en aplicaciones industriales específicas.

83
< Eficiencia >
• Puede alcanzar entre el 70% a 85%, dependiendo de
varios factores como el diseño del reactor, la calidad
de los catalizadores y temperatura.
• Una gran parte de los reactivos se convierten en
hidrógeno.
< Eficiencia >
• Puede alcanzar entre el 70% a 85%, dependiendo de
varios factores como el diseño del reactor, la calidad
de los catalizadores y temperatura.
• Una gran parte de los reactivos se convierten en
hidrógeno.

84
< Pureza >
• Suele tener una pureza en el intervalo de 95% a 99%.
• La presencia de impurezas como CO y CO2 puede
requerir etapas adicionales de purificación.
< Pureza >
• Suele tener una pureza en el intervalo de 95% a 99%.
• La presencia de impurezas como CO y CO2 puede
requerir etapas adicionales de purificación.

86
Reformado autotérmico
Ventajas: eficiencia energética
• El reformado autotérmico puede lograr una gran
eficiencia energética
• Utilizar el calor generado internamente para
impulsar la reacción química
• Reduce la dependencia de fuentes externas de
energía.

87
Ventajas: mayor rendimiento de hidrógeno
• El reformado autotérmico puede proporcionar un
mayor rendimiento obtención de hidrógeno por
unidad de combustible
• Atractivo desde el punto de vista de la producción
• Comparado con el resto de técnicas de reformado

88
Ventajas: flexibilidad en los combustibles
Puede utilizar una variedad de combustibles:
• Gas natural
• Biogás
• Etanol
Aumenta su versatilidad y aplicabilidad en diferentes
contextos y regiones.

89
Ventajas: reducción de emisiones
• Optimiza la eficiencia del proceso y minimiza el uso
de combustibles fósiles
• El reformado autotérmico contribuye a reducir las
emisiones de GEI y otros contaminantes

90
Ventajas: menor costo operativo
Al integrar la generación de calor y la reacción
química en un solo proceso:
• El reformado autotérmico reduce costos operativos
en comparación con sistemas que requieren una
fuente de calor externa

91
Desventajas: complejidad técnica
El diseño y operación de los sistemas de reformado
autotérmico son más complejos que los sistemas
convencionales:
• Se requiere controlar múltiples variables:
temperatura / presión / composición de los gases

92
Desventajas: requerimientos de purificación
• Los catalizadores utilizados son sensibles a
impurezas presentes en los combustibles
• Se requieren etapas adicionales de purificación
para garantizar un rendimiento óptimo y la vida útil
del catalizador

93
Desventajas: costos iniciales
Su implementación implica costos iniciales mayores
• Necesidad de equipos especializados y tecnologías
avanzadas de control de procesos

94
Desventajas: generación de subproductos
Aunque el objetivo principal es la producción de
hidrógeno:
• El reformado autotérmico puede generar
subproductos no deseados, como monóxido de
carbono (CO) y dióxido de carbono (CO2)
• Deben ser gestionados adecuadamente para

95
Desventajas: Necesidad de desarrollo continuo
• Sigue siendo un área de investigación y desarrollo
(R&D) en evolución
• Es necesario lograr avances adicionales para
mejorar su eficiencia, confiabilidad y rentabilidad a
largo plazo.
(viabilidad ≠ factibilidad ≠ rentabilidad)

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Reacción de reformado con vapor (SMR):
CH4 + H2O ⇌ CO + 3H2
Esta reacción es endotérmica, lo que significa que
absorbe calor.
Reacción de reformado con oxígeno:
CH4 + ½O2 ⇌ CO + 2H2
Esta reacción también es endotérmica.
Reacción de combustión:
CH4 + 2O2 ⇌ CO2 + 2H2O
Esta reacción es altamente exotérmica, generando
calor que auto-regula el proceso.

97

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