miniatura|Diagrama de l'equació química de l'electròlisi de l'aigua, una forma de descomposició de l'aigua. La descomposició de l'aigua és la reacció química endergònica en què l'aigua es descompon en oxigen i hidrogen:
Una divisió eficient i econòmica de l'aigua seria un avenç tecnològic que podria fonamentar una economia de l'hidrogen. Una versió de la divisió de l'aigua es produeix en la fotosíntesi, però l'hidrogen no s'allibera sinó que s'utilitza iònicament per impulsar el cicle de Calvin. La inversa de la divisió de l'aigua és la base de la pila de combustible d'hidrogen. La divisió de l'aigua mitjançant la radiació solar no s'ha comercialitzat.
Electròlisi miniatura|Utilització de l'electricitat atmosfèrica per a la reacció química en què l'aigua es separa en oxigen i hidrogen. (Imatge via: Vion, patent dels EUA 28793. Juny de 1860.) L'electròlisi de l'aigua és la descomposició de l'aigua (H2O) en oxigen (O2) i hidrogen (H2): miniatura|Front de l'electrolitzador amb el quadre elèctric en primer pla La producció d'hidrogen a partir de l'aigua requereix molta energia. Normalment, l'electricitat consumida és més valuosa que l'hidrogen produït, per la qual cosa aquest mètode no s'ha utilitzat àmpliament. A diferència de l'electròlisi a baixa temperatura, l'electròlisi a alta temperatura (ETA) de l'aigua converteix més energia calorífica inicial en energia química (hidrogen), cosa que pot duplicar l'eficiència fins a aproximadament un 50%. Com que part de l'energia de l'HTE es subministra en forma de calor, cal convertir menys energia dues vegades (de calor a electricitat i després a forma química), i per tant el procés és més eficient.
L'electròlisi d'alta temperatura (també HTE o electròlisi de vapor) és un mètode per a la producció d'hidrogen a partir d'aigua amb oxigen com a subproducte.
Divisió de l'aigua en la fotosíntesi Una versió de la divisió de l'aigua es produeix en la fotosíntesi, però els electrons no es desvien cap a protons, sinó cap a la cadena de transport d'electrons del fotosistema II. Els electrons s'utilitzen per reduir el diòxid de carboni, que finalment s'incorpora als sucres.
La fotoexcitació del fotosistema I inicia la transferència d'electrons a una sèrie d'acceptors d'electrons, reduint finalment el NADP+ a NADPH. El fotosistema I oxidat captura electrons del fotosistema II a través d'una sèrie de passos que impliquen plastoquinona, citocroms i plastocianina. El fotosistema II oxidat oxida el complex que evoluciona l'oxigen (OEC), que converteix l'aigua en O2 i protons. Com que el centre actiu de l'OEC conté manganès, molta investigació s'ha centrat en compostos sintètics de Mn com a catalitzadors per a l'oxidació de l'aigua. miniatura|Vaixell d'electròlisi d'aigua Hydrogen Challenger marc|Un bioreactor d'algues per a la producció d'hidrogen. En la producció biològica d'hidrogen, els electrons produïts pel fotosistema no es desvien a un aparell de síntesi química sinó a hidrogenases, donant lloc a la formació d'H2. Aquest biohidrogen es produeix en un bioreactor.
Divisió fotoelectroquímica de l'aigua L'ús de l'electricitat produïda pels sistemes fotovoltaics ofereix potencialment la manera més neta de produir hidrogen, a part de l'energia nuclear, eòlica, geotèrmica i hidroelèctrica. De nou, l'aigua es descompon en hidrogen i oxigen mitjançant electròlisi, però l'energia elèctrica s'obté mitjançant un procés de cèl·lula fotoelectroquímica (PEC). El sistema també s'anomena fotosíntesi artificial.
La catàlisi i les membranes de relé de protons solen ser el focus del desenvolupament.
Divisió fotocatalítica de l'aigua La conversió d'energia solar en hidrogen mitjançant el procés de divisió de l'aigua podria ser més eficient si s'ajuda de fotocatalitzadors suspesos en aigua en lloc d'un sistema fotovoltaic o electrolític, de manera que la reacció tingui lloc en un sol pas.
Radiòlisi La radiació nuclear energètica pot trencar els enllaços químics d'una molècula d'aigua. A la mina d'or de Mponeng, Sud-àfrica, uns investigadors van trobar en una zona de radiació naturalment alta una comunitat dominada per Desulforudis audaxviator, un nou filotip de Desulfotomaculum, que s'alimenta principalment d'H2 produït radiolíticament.
Descomposició tèrmica de l'aigua En la termòlisi, les molècules d'aigua es divideixen en hidrogen i oxigen. Per exemple, a aproximadament el tres per cent de tot l' H₂O es dissocien en diverses combinacions d'àtoms d'hidrogen i oxigen, principalment H, H₂, O, O₂ i OH. Altres productes de reacció com l'H₂O₂ o l'HO₂ romanen minoritaris. A la temperatura molt alta de més de la meitat de les molècules d'aigua es descomponen. A temperatures ambient només una molècula de cada 100 bilions es dissocia per efecte de la calor. Els requisits d'alta temperatura i les restriccions dels materials han limitat les aplicacions de l'enfocament de descomposició tèrmica.
Altres investigacions inclouen la termòlisi en substrats de carboni defectuosos, cosa que fa possible la producció d'hidrogen a temperatures just per sota .
Un avantatge addicional d'un reactor nuclear que produeix electricitat i hidrogen és que pot canviar la producció entre els dos. Per exemple, una central nuclear podria produir electricitat durant el dia i hidrogen a la nit, adaptant el seu perfil de generació elèctrica a la variació diària de la demanda. Si l'hidrogen es pot produir econòmicament, aquest esquema competiria favorablement amb els esquemes d'emmagatzematge d'energia a la xarxa existents. A partir del 2005, hi havia prou demanda d'hidrogen als Estats Units perquè tota la generació màxima diària fos gestionada per aquestes plantes.
El cicle híbrid termoelèctric de coure-clor és un sistema de cogeneració que utilitza la calor residual dels reactors nuclears, concretament del reactor d'aigua supercrítica CANDU.
Solar tèrmica L'energia solar concentrada pot assolir les altes temperatures necessàries per dividir l'aigua. Hydrosol-2 és una planta pilot de 100 quilowatts a la Plataforma Solar d'Almeria, a Espanya, que utilitza la llum solar per obtenir els necessaris. per dividir l'aigua. Hydrosol II ha estat en funcionament des del 2008. El disseny d'aquesta planta pilot de 100 quilowatts es basa en un concepte modular. Com a resultat, és possible que aquesta tecnologia es pugui escalar fàcilment fins a un rang de megawatts multiplicant les unitats de reactor disponibles i connectant la planta a camps d'heliòstats (camps de miralls que segueixen el sol) d'una mida adequada.
Les restriccions de materials a causa de les altes temperatures requerides es redueixen mitjançant el disseny d'un reactor de membrana amb extracció simultània d'hidrogen i oxigen que explota un gradient tèrmic definit i la ràpida difusió de l'hidrogen. Amb la llum solar concentrada com a font de calor i només aigua a la cambra de reacció, els gasos produïts són molt nets, i l'únic contaminant possible és l'aigua. Un "Cracker d'Aigua Solar" amb un concentrador d'uns 100 pot produir gairebé un quilogram d'hidrogen per hora de sol.
El cicle sofre-iode (cicle S-I) és una sèrie de processos termoquímics utilitzats per produir hidrogen. El cicle S-I consta de tres reaccions químiques el reactiu net de les quals és aigua i els productes nets de les quals són hidrogen i oxigen. Tots els altres productes químics es reciclen. El procés S-I requereix una font de calor eficient.
S'han descrit més de 352 cicles termoquímics per a la descomposició de l'aigua per termòlisi. Aquests cicles prometen produir hidrogen i oxigen a partir de l'aigua i la calor sense utilitzar electricitat. Com que tota l'energia d'entrada per a aquests processos és calor, poden ser més eficients que l'electròlisi a alta temperatura. Això es deu al fet que l'eficiència de la producció d'electricitat és inherentment limitada. La producció termoquímica d'hidrogen utilitzant energia química del carbó o del gas natural generalment no es considera, perquè la via química directa és més eficient.
Per a tots els processos termoquímics, la reacció resumida és la de la descomposició de l'aigua:
2H2O <=>[\ce{Heat}] 2H2{} + O2 Cicle termoquímicEficiència del VHPTemperatura (°C/F)Cicle d'òxid de ceri(IV)–òxid de ceri(III)? %Cicle híbrid de sofre (HyS)43%Cicle sofre-iode (cicle S-I)38%Cicle del sulfat de cadmi46%Cicle de sulfat de bari39%Cicle del sulfat de manganès35%Cicle de zinc-òxid de zinc (Zn/ZnO)44%Cicle híbrid de cadmi42%Cicle del carbonat de cadmi43%Cicle de l'òxid de ferro42%Cicle de sodi i manganès49%Cicle de ferrita de níquel i manganès43%Cicle de ferrita de zinc i manganès43%Cicle coure-clor (Cu-Cl)41%
Referències
Categoria:Hidrogen Categoria:Aigua Categoria:Electròlisi