¿Cuál sería el combustible crudo más práctico para una economía de hidrógeno?

Nuclear

Si estoy entendiendo su pregunta correctamente, esencialmente está preguntando "cuál es el medio más efectivo para producir gas hidrógeno", ya que el gas hidrógeno es la columna vertebral innata de una economía de hidrógeno. Lo que significa que esencialmente está preguntando 'cuál es la fuente de combustible más práctica para la energía', ya que una economía de hidrógeno simplemente cambia el portador de la energía de los hidrocarburos al hidrógeno.

Entonces es nuclear. La energía nuclear es una gran fuente de energía, y si no fuera por los riesgos inherentes que implica el uso de pequeños trozos de plutonio para alimentar todo, estaría a favor de la energía nuclear para todo. Pero la energía nuclear es solo la fuente de energía más eficiente, por lo que todo lo que necesitaría son algunas plantas de energía nuclear para producir sus botes de gas de hidrógeno condensado (presumiblemente usando algo como electrólisis a alta temperatura). Xkcd relevante a continuación sobre por qué la energía nuclear es excelente.

Hay dos buenas formas de generar hidrógeno y varias buenas formas de alimentarlos.

Para generar hidrógeno, desea utilizar la reforma de gas (de los cuales existen varios tipos) o la electrólisis. estos tienen una eficacia lo suficientemente alta como para ser prácticos . El que uses en realidad no importa mucho, ya que todos dependen de una fuente de energía externa, generalmente electricidad (los que dependen de la combustión de combustibles fósiles pueden omitirse debido a los requisitos de renovabilidad, ya que no son más eficientes). Aunque todas las formas de reformación se basan en hidrocarburos como reactivo, los hidrocarburos producidos biológicamente funcionan casi igual de bien. probablemente verá todo en uso dependiendo de la disponibilidad de recursos de las áreas. Una vez que se produce hidrógeno, el transporte y la distribución son los mismos independientemente de la fuente, por lo que es discutible.

La generación de electricidad se basará en las condiciones locales , donde la energía hidroeléctrica disponible es casi siempre la mejor, pero la energía eólica, solar y nuclear también funcionan, al igual que otras fuentes. La electricidad es electricidad sin importar de dónde venga. cada fuente tiene sus propias ventajas y desventajas, la hidroeléctrica es, con mucho, la más eficiente y altamente consistente también, pero también muy específica de la ubicación. La energía solar está limitada por el clima, el tiempo y la latitud, pero en el lugar correcto es muy eficiente siempre que tenga un sistema de almacenamiento. El viento está limitado por los patrones de viento locales y actualmente tiene limitaciones tecnológicas de longevidad que elevan el precio, pero hay muchasde ubicaciones utilizables. La energía nuclear funciona en cualquier lugar, se puede suministrar a pedido, es más segura y tiene aproximadamente la misma eficiencia que la energía eólica, pero tiene altos costos de instalación y problemas de relaciones públicas. Honestamente, es poco probable que vea solo uno en uso, lo más probable es que se usen TODOS, cada uno tiene ubicaciones en las que funciona mejor y, como dije, al hidrógeno no le importa de dónde proviene la electricidad, y es probable que se produzca en muchos lugares. Por lo tanto, lo que funcione mejor para esa ubicación es lo que se utilizará.

Ciertamente, la energía nuclear puede impulsar nuestra civilización durante algunos siglos al menos. Pasar de uranio a torio significaría que el combustible fácilmente disponible es adecuado para dar a todos cantidades razonables de energía durante al menos un par de miles de años. Eso sin ningún diseño de reactor seriamente diferente, solo ajustes a diseños que se sabe que funcionan.

Luego, dependiendo de qué tan lejos en el futuro "cercano", hay una solución bonita. Podrías permitir que el "ahora muy pronto" sea ahora, y usar la fusión como tu fuente de energía.

La reacción "fácil" para la fusión es DT. Obtiene la D del agua de procesamiento para extraer las D, y obtiene el tritio al colocar mantas de litio alrededor de su reactor de fusión. Los combustibles primarios serían entonces: litio y deuterio.

Si realmente desea tener una "economía de hidrógeno", no debería haber una red de energía eléctrica derrochadora. Si es así, la economía sería puramente "eléctrica", sin necesidad de ningún otro medio de energía para transferir. Significa que las fuentes de energía primarias deben estar en lugares donde la línea eléctrica es una mala opción, pero el transporte por carretera/cisterna/tubo es una buena opción.

Así que mis preposiciones:

• Plantas geotérmicas totalmente automáticas productoras de hidrógeno : se ubican a kilómetros de profundidad, producen electricidad solo para ellas mismas (para electrólisis) y emiten hidrógeno (y oxígeno) en la superficie. Deben colocarse en áreas muy especiales, tal vez incluso bajo el mar (+metales raros y producción de oro del agua de mar).

• Planta de energía termonuclear única peligrosa, pero enormemente poderosa . También en su mayoría automáticos. Con generación de energía cubriendo totalmente todas las demandas de la humanidad y más pero no menos. No puede producir pequeñas cantidades de energía; eso hará que sea imposible "dividirla" en plantas de energía menores. Dado que es peligroso, solo podría colocarse lejos de cualquier civilización. Y dado que es una potencia enorme, es difícil construir una red de energía eléctrica que transfiera tal potencia a todo el mundo.

• Producción de energía orbital/espacial . Por ejemplo, convertir la Luna en una gran granja solar o poner todos los reactores nucleares en la órbita de la Luna. En ambos sentidos, los cables no son una opción y el hidrógeno es una buena forma de transferencia de energía (y se requiere combustible para cohetes para ello).

Fusión nuclear

Si bien todavía no hemos descubierto por completo cómo hacerlo de manera eficiente, la fusión nuclear es sin duda la fuente de energía más potente que tenemos disponible en la tierra que podemos alimentar por más tiempo del que podemos anticipar. Entonces, si puede manipular manualmente el proceso de producción específico (el único obstáculo restante), entonces definitivamente es el camino a seguir.

Fisión nuclear

Segundo candidato. Actualmente, por alguna razón, la energía nuclear está siendo satanizada, a pesar de ser:

1. Más (dinero) eficiente que casi cualquier otra cosa con la posible excepción del petróleo (si la OPEP no inflara los precios)
2. Se puede hacer sin efectos ambientales (a diferencia de cualquier otra fuente, los productos de desecho son sólidos y se pueden contener, por ejemplo, en pozos de minas viejas en áreas geológicamente estables). Esto incluye el pánico actual sobre el CO2 y otros gases de efecto invernadero, cuya producción debido a medios artificiales caerá con fuerza si comenzamos a usarlo hoy.
3. Bastante abundante. Literalmente puedes cosecharlo del agua del océano . Esta fuente afirma que los océanos contienen 500 veces más uranio que los minerales terrestres, pero no me he molestado en verificarlo dos veces. Es el gobierno de los Estados Unidos, haz de eso lo que quieras.

Voy a sugerir solar.

Hay un montón de formas de alimentar un esquema de división de agua electrolítica, pero todas requieren una fuente eléctrica inicial y una carga de hardware eléctrico y las ineficiencias adicionales (aunque no demasiado graves) de la electrólisis del agua en sí.

Puede eliminar al intermediario mediante la división de agua fotocatalítica . Luego, lo que tiene es una carga de fotocélulas comparativamente tontas sumergidas en agua expuesta a la luz solar, que luego emiten gas que puede separarse y manejarse como lo haría con cualquier otra fuente de hidrógeno. Las eficiencias actuales no son particularmente altas, pero no hay razón para que no aumenten con el paso del tiempo. Incluso con sus eficiencias más bajas, si el costo es lo suficientemente bajo, la mayor simplicidad de las plantas bien podría inclinar la balanza a su favor.

El problema, por supuesto, es que necesita tanto un buen suministro de agua como un buen suministro de luz solar. Hay grandes partes del mundo que tienen ambas cosas, pero hay muchos centros de población lejos de lugares con niveles de insolación realmente altos y confiables.

También se ha trabajado en la reducción fotoquímica del dióxido de carbono . La fuente de CO ₂ para esto podría ser la atmósfera, o podrían ser carbonatos disueltos en agua de mar. El producto final de la reacción es monóxido de carbono. Dado el hidrógeno y el monóxido de carbono, tiene gas de síntesis a partir del cual puede sintetizar una amplia gama de hidrocarburos útiles (como el metanol) que luego se almacenan, bombean o transportan de otra manera mucho más fácilmente que el hidrógeno, resolviendo todo "¿cómo obtener hidrógeno para El problema planteado anteriormente en el centro de Canadá ... llega allí de la misma manera en que obtienen petróleo, gasolina y diésel en este momento. Estos hidrocarburos también se pueden utilizar para hacer funcionar pilas de combustible directamente, lo que significa que las operaciones de repostaje de vehículos pueden continuar como hasta ahora, o utilizarse para sintetizar productos químicos más complejos, como resinas para pegamentos o plásticos.

Esto también tiene el feliz efecto secundario de consumir CO ₂ atmosférico , si los productos finales no se queman.

La electrólisis seguirá teniendo su lugar, por supuesto... hay lugares que tienen suministros convenientes de electricidad limpia y renovable (como Islandia) que podrían inclinar la balanza económica en contra de la fotosíntesis artificial, y habrá lugares que podrían estar felices de usar la energía nuclear. poder, cuya economía dependerá mucho de la política local. Puede ser posible eliminarlo a medida que la eficiencia y los costos de la fotosíntesis artificial disminuyan con el tiempo.

Con respecto a su pregunta de seguimiento , puede considerar que cualquier lugar capaz de ejecutar células fotovoltaicas en este momento también podría razonablemente ejecutar células fotosintéticas, aunque con rendimientos más bajos. Existe la posibilidad de contar con plantas de hidrógeno e hidrocarburos distribuidos a pequeña escala y aptas para uso comunitario. El norte y el sur muy lejanos no podrían aprovechar esto, pero ya dependen en gran medida de la infraestructura moderna para su supervivencia continua, por lo que no es como si terminaran siendo más vulnerables al cambiar a un combustible basado en hidrógeno. economía.

Satélites transmisores de láser

Son satélites que recogen la luz solar y, literalmente, la envían a la Tierra en forma concentrada. Ni siquiera estamos tan lejos de poder desarrollarlo si realmente quisiéramos invertir en él.

https://www.energy.gov/articles/space-based-solar-power

Los satélites transmisores de láser, como los describen nuestros amigos de LLNL, orbitan en órbita terrestre baja (LEO) a unos 400 km sobre la superficie de la Tierra. Con un peso de menos de 10 toneladas métricas, este satélite es una fracción del peso de su homólogo de microondas. Este diseño también es más barato; algunos predicen que el lanzamiento y la operación de un satélite SBSP equipado con láser costaría casi 500 millones de dólares. Sería posible lanzar todo el satélite autoensamblado en un solo cohete, reduciendo drásticamente el costo y el tiempo de producción. Además, al usar un transmisor láser, el haz solo tendrá unos 2 metros de diámetro, en lugar de varios kilómetros, una reducción drástica e importante.

Para que esto sea posible, el sistema de emisión de energía solar del satélite emplea un láser alcalino bombeado por diodos. Demostrado por primera vez en LLNL en 2002, y actualmente todavía en desarrollo allí, este láser tendría aproximadamente el tamaño de una mesa de cocina y sería lo suficientemente potente como para transmitir energía a la Tierra con una eficiencia extremadamente alta, más del 50 por ciento.

Si bien este satélite es mucho más liviano, económico y fácil de implementar que su contraparte de microondas, aún quedan serios desafíos. La idea de láseres de alta potencia en el espacio podría basarse en los temores de la militarización del espacio. Este desafío podría remediarse limitando la dirección en la que el sistema láser podría transmitir su potencia.

En su tamaño más pequeño, hay una capacidad correspondientemente menor de alrededor de 1 a 10 megavatios por satélite. Por lo tanto, este satélite sería mejor como parte de una flota de satélites similares, usados ​​juntos.

Podrías decir que SBSP está muy lejos o es un pastel en el cielo (juegos de palabras intencionados), y lo corregirías en gran medida. Pero ya existen muchas tecnologías para hacer esto factible, y muchas no se quedan atrás. Si bien el Departamento de Energía actualmente no está desarrollando ninguna tecnología SBSP específicamente, muchas de las tecnologías restantes necesarias para SBSP podrían desarrollarse de forma independiente en los años venideros. Y aunque no conocemos el futuro de la energía recolectada del espacio, estamos emocionados de ver que ideas como esta despeguen (está bien, último juego de palabras, lo prometo).

El mismo sitio enumera los transmisores de microondas como una posibilidad, pero serían enormes en comparación.

Esto tiene grandes ventajas sobre la energía nuclear porque en realidad es renovable, mientras que la energía nuclear nos permite desenterrar elementos peligrosos, usarlos y luego tirarlos a una piscina durante 100 años y esperar que las generaciones futuras tengan una idea de qué hacer con ellos.

El gran defecto, que haría un buen libro o película, es que estos son enjambres de armas satelitales dirigidas a la Tierra. Todos los países tendrían que estar de acuerdo con estas armas de destrucción masiva flotando bajo el control de un gobierno extranjero.

Bueno, diablos, si estamos considerando tanto la dificultad de generar como la dificultad de almacenar, la respuesta es obvia: antimateria.

La razón por la que la energía nuclear tiene una relación energía/peso de combustible tan grande es porque no utiliza una reacción química; en realidad, pierde el 0,1 % de su masa de combustible en el proceso. Lo que puede no parecer mucho, una décima parte de un por ciento, pero eso es suficiente para generar una gran cantidad de energía a partir de una pequeña cantidad de combustible. Si introduce un kg de masa en la famosa ecuación e = mc ^ 2, verá que incluso 1 kg de masa "perdida" genera una cantidad loca y estúpida de julios (~ 90 cuatrillones )

¿Fusión? Ese número eclipsa a Fission por una potencia de 7. Un proceso de fusión de hidrógeno y helio implica la pérdida del 0,7% de su masa.

... pero es posible que observe que estos números siguen siendo... bueno... bajos . Menos del 1%. ¿Qué pasaría si pudieras llevar ese número al 100%? ¿ Convertir toda la energía de un trozo de masa en energía? Tendrías algo literalmente 1000 veces más poderoso que la energía nuclear. Literalmente 142 veces más potente que una reacción de fusión.

Que es exactamente lo que es una reacción Materia-Antimateria.

La razón por la que no tenemos reactores de antimateria alimentando nuestra red es que no podemos obtener fácilmente antimateria (hasta ahora, la humanidad solo ha producido un total de unos pocos nanogramos). Y si la tuviéramos, sería difícil de almacenar: no es como si pudiera contenerlo en cualquier contenedor hecho de materia, lo que requiere algo como una trampa Penning para sostenerlo.

¿Pero si eliminamos esos dos problemas con la mano? ¿Podemos convertir fácilmente la materia en su versión de antimateria y almacenarla de manera efectiva? ¡Entonces Plantas de Antimateria para todos!

Esta es una pregunta sobre fuentes de energía, no sobre hidrógeno.

Dado que no está interesado en todos los puntos que diferencian al hidrógeno de otros vectores de energía, lo que queda es la pregunta sobre el mejor generador de energía.

Será una mezcla.

Solar.
Viento.
Biogás.
Nuclear (aunque esto es discutido).

Siempre que genere electricidad o suficiente calor para hacer funcionar un generador, puede usarlo para generar hidrógeno.

La generación de hidrógeno a gran escala satisfaría los requisitos de almacenamiento de energía para la energía eólica y solar, por lo que todo lo que importa es el costo de la generación.

La nuclear es un poco especial aquí, ya que tiene muchos impedimentos únicos.
Permítanme ampliarlos un poco:

• Es lento de investigar, simplemente porque hay que eliminar el riesgo de que una planta experimental filtre radiactividad en cantidades. Esto significa que las otras tecnologías tienen una ventaja de velocidad de investigación. La energía eólica y solar se han beneficiado enormemente de los avances en las ciencias de los materiales, y en este momento parece que hay más por venir (mejor recolección solar, material de rotor más liviano y mejor tecnología de generadores para energía eólica); nadie sabe cuánto durará eso, pero yo diría que hay al menos una década. (También hay investigación para el gas, pero no los avances de cambio de órdenes de magnitud en la energía solar y eólica).
• La aceptación del riesgo en la población y los reguladores varía mucho, dependiendo de cuánto tiempo hace que ocurrió el último desastre. Dada la naturaleza de baja probabilidad y alto daño de la energía nuclear, hay una especie de ciclo en el trabajo: accidente en cualquier parte del mundo - regulación reforzada - no pasa nada - la regulación se vuelve descuidada - la seguridad se hunde - otro accidente en cualquier parte del mundo, atrás a la histeria. (La histeria es un problema de relaciones públicas, pero la causa básica es el descuido regulatorio y creo que está profundamente arraigado en la naturaleza humana)
  . Actualmente, los costos de EPR son más altos que los costos de energía solar y eólica cuando se calculan por Joule esperado generado durante la vida útil.
• El requerimiento de capital es inmenso y requiere al menos una década para su amortización. Una década es suficiente para que las tasas de interés vuelvan a subir, haber invertido en una planta nuclear significa que ese capital no estará disponible para otra inversión con mejor ROI.
• La energía nuclear requiere habilidades especializadas y fábricas especializadas (la última vez que lo comprobé, solo había una forja en todo el mundo que realmente puede crear un recipiente presurizado conocido y certificado para ese uso). Aumentar la capacidad de producción llevará aproximadamente una década hasta que pueda tener todo en cantidades, luego otra década para planificar, construir y regular la primera generación de plantas de energía nuclear producidas en masa.

Todos estos factores hacen que la energía nuclear sea menos interesante para los inversores.