Proyecto de Hidrógeno en Boyacá | Prototipo escalable de planta de hidrógeno

Arquitectura técnica del prototipo

El prototipo reúne electrólisis, pirólisis de residuos orgánicos y biohidrógeno como módulos tecnológicos diferenciados, articulados mediante sistemas comunes de acondicionamiento, almacenamiento, control y seguridad.

Ruta electroquímica

Electrólisis del agua utilizando electricidad y un electrolizador.

Ruta termoquímica

Pirólisis de residuos orgánicos y tratamiento posterior de los productos gaseosos y líquidos.

Ruta biológica

Producción de biohidrógeno mediante microorganismos y sustratos biodegradables.

Capítulos

Criterios de diseño.
Electrólisis.
Pirólisis de residuos orgánicos.
Biohidrógeno.
Acondicionamiento y pureza.
Arquitectura modular.
Instrumentación y seguridad.
Selección tecnológica.

Base común de evaluación

El balance comienza con la caracterización de la alimentación y termina con una corriente de H₂ cuya composición, presión y caudal sean conocidos.

Variable	Símbolo	Unidad
Flujo de alimentación	ṁ_f	kg/h
Producción de hidrógeno	ṁ_H₂	kg/h
Rendimiento específico	Y_H₂	kg H₂/kg alimentación
Consumo específico de energía	E_esp	kWh/kg H₂
Pureza de hidrógeno	x_H₂	% vol.

ṁ H₂ = ṁ f \cdot Y H₂

Esta relación corresponde a la definición de rendimiento másico. El valor de Y_H₂ debe proceder de ensayos, literatura técnica aplicable o datos validados para el residuo y las condiciones de operación consideradas.

Siguiente rutaElectrólisis del aguaContinuar

Ruta electroquímica

La electrólisis separa el agua en hidrógeno y oxígeno mediante electricidad. El diseño debe considerar calidad del agua, potencia, eficiencia, temperatura, presión y tecnología del electrolizador.

1Agua tratada

Filtración, desmineralización y control de conductividad.

2Electrolizador

Conversión electroquímica y separación inicial.

3Secado

Eliminación de humedad, medición y control de pureza.

Variable	Símbolo	Unidad
Corriente eléctrica	I	A
Eficiencia faradaica	η_F	-
Constante de Faraday	F	C/mol
Potencia eléctrica	P	kW

ṅ H₂ = (η F \cdot I) / (2 \cdot F)

La expresión se deriva de la ley de Faraday para una reacción que requiere dos electrones por mol de H₂. Se adopta F = 96 485,332 12 C/mol, valor exacto reportado por NIST. ^[1] La revisión de Carmo et al. documenta los fundamentos y variables de la electrólisis PEM. ^[2]

Ejemplo E-1

Estimación con corriente conocida

Procedimiento

Definir la corriente estable del módulo.
Establecer la eficiencia faradaica esperada.
Calcular el flujo molar de H₂.
Convertir el resultado a caudal volumétrico o másico.
Verificar capacidad de secado, venteo y almacenamiento.

Ruta termoquímica

La pirólisis transforma residuos orgánicos mediante calentamiento en ausencia o fuerte limitación de oxígeno. Sus productos principales son biocarbón, bioaceite y gas; la obtención de una corriente rica en H₂ requiere reformado y acondicionamiento posteriores.

Residuos orgánicos + calor \to biocarbón + bioaceite + gas

La expresión es una representación conceptual de productos y no una ecuación estequiométrica. Sus fracciones dependen de la biomasa, la temperatura, la velocidad de calentamiento y el tiempo de residencia. ^[3]

1Preparación

Clasificación, secado, reducción de tamaño y caracterización.

2Pirólisis

Control de temperatura, tiempo de residencia y atmósfera.

3Conversión del gas

Reformado, conversión de CO y purificación de H₂.

Variable	Símbolo	Unidad
Humedad del residuo	X_H₂O	% masa
Temperatura del reactor	T_p	°C
Tiempo de residencia	t_r	s o min
Rendimiento de gas	Y_g	kg gas/kg residuo
Fracción de H₂ en gas	x_H₂,g	% vol.

Precisión técnica: el desempeño depende de la composición del residuo, especialmente humedad, cenizas y fracciones de celulosa, hemicelulosa y lignina. ^[4] La producción de H₂ a partir de bioaceite requiere etapas posteriores, como reformado catalítico con vapor y purificación. ^[5] No debe asignarse un rendimiento único sin caracterización y ensayos.

Ruta biológica

La fermentación oscura utiliza microorganismos para degradar materia orgánica y producir una mezcla gaseosa que puede contener H₂ y CO₂, además de metabolitos líquidos.

C₆H₁₂O₆ + 2 H₂O \to 2 CH₃COOH + 2 CO₂ + 4 H₂

La reacción representa la ruta estequiométrica teórica hacia acetato, cuyo límite es 4 mol H₂/mol glucosa; no representa el rendimiento garantizado de un residuo real. ^[6] Los rendimientos experimentales dependen del sustrato, la comunidad microbiana, el pH, la temperatura, la carga orgánica y el tiempo de retención. ^[7]

Variable	Símbolo	Unidad
Demanda química de oxígeno	DQO	g O₂/L
pH	pH	-
Temperatura	T_b	°C
Tiempo de retención hidráulica	TRH	h
Rendimiento de H₂	Y_H₂,s	mol H₂/mol sustrato

Caracterización mínima

Origen y variabilidad del residuo.
Materia seca, sólidos volátiles y DQO.
Carbohidratos disponibles e inhibidores.
Producción y composición del biogás.
Ácidos orgánicos y estabilidad del reactor.

Del gas de proceso al hidrógeno útil

Las rutas termoquímica y biológica producen mezclas gaseosas. Antes de almacenar o utilizar H₂ deben medirse y reducirse impurezas según la aplicación final.

1Separación primaria

Partículas, condensados, alquitranes y humedad.

2Conversión y limpieza

Tratamiento de CO, CO₂, CH₄, H₂S y compuestos traza.

3Purificación

Membranas, adsorción u otra tecnología seleccionada.

Especificación de salida

Caudal y presión.
Pureza y punto de rocío.
Concentración de CO, CO₂, CH₄, H₂S y O₂.
Destino del gas fuera de especificación.
Método y frecuencia de análisis.

Integración por bloques funcionales

Una planta multirruta no debe operar como una sola caja de proceso. Cada módulo conserva sus protecciones y controles, mientras comparte servicios auxiliares cuando sea técnica y operativamente viable.

Módulo A · Electrólisis

Agua tratada, potencia, electrolizador, separación y secado.

Módulo B · Pirólisis

Preparación de residuos, reactor, separación de sólidos y tratamiento del gas.

Módulo C · Biohidrógeno

Pretratamiento, biorreactor, separación gas-líquido y limpieza.

Módulo D · Servicios comunes

Analítica, purificación final, compresión, almacenamiento y control.

Entregables de ingeniería conceptual

Diagrama de bloques y PFD por ruta.
Balances preliminares de masa y energía.
Lista de equipos, instrumentos y servicios.
Filosofía de operación y parada.
Matriz de interfaces entre módulos.

Capas de protección

La seguridad debe desarrollarse desde la ingeniería conceptual y actualizarse cuando cambien las materias primas, capacidades, presiones o composiciones del gas.

Caracterizar materiales combustibles, tóxicos, corrosivos y biológicos.
Definir ventilación, detección de H₂ y clasificación de áreas.
Establecer límites de presión, temperatura, nivel, flujo y composición.
Diseñar alarmas, enclavamientos, alivio, purga y parada segura.
Realizar análisis de riesgos y procedimientos de respuesta.

Criterio obligatorio: ningún cálculo preliminar autoriza la construcción u operación. La ingeniería detallada debe incluir revisión normativa, HAZOP u otra metodología aplicable, compatibilidad de materiales, protección eléctrica y protocolos de emergencia.

Comparar antes de integrar

Criterio	Electrólisis	Pirólisis de residuos	Biohidrógeno
Alimentación principal	Agua y electricidad	Residuo orgánico seco o acondicionado	Sustrato orgánico biodegradable
Conversión	Electroquímica	Termoquímica	Biológica
Corriente inicial	H₂ y O₂ separados	Gas, bioaceite y biocarbón	Biogás y efluente líquido
Reto principal	Consumo eléctrico	Variabilidad, alquitranes y acondicionamiento	Rendimiento y estabilidad microbiana
Escala inicial recomendada	Módulo demostrativo	Ensayo de residuo y reactor piloto	Biorreactor de laboratorio o piloto

Próxima fase

Seleccionar residuos orgánicos representativos.
Ejecutar caracterización fisicoquímica y bioquímica.
Construir balances por ruta con datos experimentales.
Definir el producto objetivo y su especificación.
Comparar desempeño, riesgos y costo por kilogramo de H₂.

Cierre de la publicaciónDiseñar con datos, validar por módulos e integrar de forma segura.Consultar el proyecto

Documentos de consulta

National Institute of Standards and Technology. NIST Special Publication 260. Constante de Faraday: 96 485,332 12 C/mol.
Carmo, M.; Fritz, D. L.; Mergel, J.; Stolten, D. (2013). A comprehensive review on PEM water electrolysis. International Journal of Hydrogen Energy, 38(12), 4901–4934. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2013.01.151.
Bridgwater, A. V. (2012). Review of fast pyrolysis of biomass and product upgrading. Biomass and Bioenergy, 38, 68–94. DOI: 10.1016/j.biombioe.2011.01.048.
Parra-Alvarez, M.; Sitaraman, H. (2024). Optimization of hydrogen production from pyrolysis of biomass waste. National Renewable Energy Laboratory, NREL/PO-2C00-86731.
Czernik, S.; Evans, R.; French, R. (2007). Hydrogen from biomass-production by steam reforming of biomass pyrolysis oil. Catalysis Today, 129(3–4), 265–268. DOI: 10.1016/j.cattod.2006.08.071.
Hawkes, F. R.; Dinsdale, R.; Hawkes, D. L.; Hussy, I. (2002). Sustainable fermentative hydrogen production: challenges for process optimisation. International Journal of Hydrogen Energy, 27(11–12), 1339–1347. DOI: 10.1016/S0360-3199(02)00090-3.
Hawkes, F. R.; Hussy, I.; Kyazze, G.; Dinsdale, R.; Hawkes, D. L. (2007). Continuous dark fermentative hydrogen production by mesophilic microflora: principles and progress. International Journal of Hydrogen Energy, 32(2), 172–184. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2006.08.014.
U.S. Department of Energy. Hydrogen Production: Microbial Biomass Conversion. Documento institucional de consulta.

Esta publicación presenta criterios de ingeniería conceptual autorizados para divulgación pública. Los resultados experimentales, diseños detallados, datos operativos, análisis económicos y demás información estratégica del proyecto son confidenciales. Los valores definitivos deben establecerse mediante caracterización, ensayos, balances validados y diseño especializado.

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