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LA TECNOLOGÍA DEL LA TECNOLOGÍA DEL HIDRÓGENO EN EL ESCENARIO HIDRÓGENO EN EL ESCENARIO
MUNDIALMUNDIAL
PABLO MALVÁREZ VILLAVERDEPABLO MALVÁREZ VILLAVERDE
2ºC 2006/072ºC 2006/07
SUMINISTRO GLOBAL DE ENERGÍASUMINISTRO GLOBAL DE ENERGÍA
Contribución de fuentes primarias de energíaContribución de fuentes primarias de energía
Mundial Mundial
Combustibles fósilesCombustibles fósiles 84%84%
Energía nuclearEnergía nuclear 8,5%8,5%
Energías renovablesEnergías renovables 7,5%7,5%
FUENTES PRIMARIAS DE ENERGÍAFUENTES PRIMARIAS DE ENERGÍA
Fuentes fósilesFuentes fósiles• Daño ambientalDaño ambiental• Recursos limitadosRecursos limitados
Fuentes nuclearesFuentes nucleares• Tema de discusión abiertaTema de discusión abierta
Fuentes alternativas renovablesFuentes alternativas renovables• Solar, eólica, hidráulica, geotérmica, mareomotriz y Solar, eólica, hidráulica, geotérmica, mareomotriz y
otras.otras.• Impacto ambiental nulo o tolerableImpacto ambiental nulo o tolerable
FUENTES PRIMARIAS DE ENERGÍAFUENTES PRIMARIAS DE ENERGÍA
Consumidor finalConsumidor final• 25 % electricidad25 % electricidad• 75 % combustible75 % combustible
Las fuentes primarias de energía renovables no se Las fuentes primarias de energía renovables no se pueden utilizar directamente como combustible. Deben pueden utilizar directamente como combustible. Deben convertirse a portadores de energía.convertirse a portadores de energía.
Las fuentes renovables deben usarse tanto para Las fuentes renovables deben usarse tanto para manufacturar combustibles como para generar manufacturar combustibles como para generar electricidad.electricidad.
HIDRÓGENO COMO COMBUSTIBLE HIDRÓGENO COMO COMBUSTIBLE SINTÉTICO IDEALSINTÉTICO IDEAL
Es el elemento más abundante de la naturalezaEs el elemento más abundante de la naturaleza
Almacena la mayor cantidad de energía por unidad de Almacena la mayor cantidad de energía por unidad de peso (142 MJ/kg peso (142 MJ/kg 33.3 kWh/kg) 33.3 kWh/kg)
Su combustión produce agua, no contamina el ambienteSu combustión produce agua, no contamina el ambiente
Fácilmente almacenable como gas a presión, como Fácilmente almacenable como gas a presión, como líquido a bajas temperaturas (-253 líquido a bajas temperaturas (-253 ooC) o en estructuras C) o en estructuras sólidas (hidruros, nanotubos de carbono)sólidas (hidruros, nanotubos de carbono)
HIDRÓGENO COMO COMBUSTIBLE HIDRÓGENO COMO COMBUSTIBLE SINTÉTICO IDEALSINTÉTICO IDEAL
Fácilmente transportable por cañerías y uso directo en Fácilmente transportable por cañerías y uso directo en quemadores o motores produciendo calor por combustión quemadores o motores produciendo calor por combustión limpia, o conversión directa de su energía química en limpia, o conversión directa de su energía química en electricidad en celdas de combustibleelectricidad en celdas de combustible
El hidrógeno no se encuentra libre en la naturaleza. Se debe El hidrógeno no se encuentra libre en la naturaleza. Se debe gastar energía para producirlo.gastar energía para producirlo.
No es una fuente energética, sino un intermediario entre la No es una fuente energética, sino un intermediario entre la fuente primaria y el dispositivo de conversión de energía donde fuente primaria y el dispositivo de conversión de energía donde se lo utilice, i.e., es un almacenador y transportador de energía.se lo utilice, i.e., es un almacenador y transportador de energía.
Intermediación del hidrógeno: se requiere su producción a bajo Intermediación del hidrógeno: se requiere su producción a bajo costo.costo.
CICLO DEL HIDRÓGENOCICLO DEL HIDRÓGENO
Producción de H2
Combustión de H2
Medio Ambiente
EnergíaPrimaria
agua
agua
EnergíaUtil
Almacenamientoy transporte de H2
oxígeno
oxígeno
Electricidad
PRODUCCIÓN, ALMACENAMIENTO Y PRODUCCIÓN, ALMACENAMIENTO Y COMBUSTIÓN DEL HIDRÓGENOCOMBUSTIÓN DEL HIDRÓGENO
Dispositivos de conversión de energía.Dispositivos de conversión de energía.
Para alcanzar alta eficiencia de conversión y Para alcanzar alta eficiencia de conversión y máxima velocidad se requiere minimizar las máxima velocidad se requiere minimizar las pérdidas de energía de los procesos involucrados.pérdidas de energía de los procesos involucrados.
Las pérdidas de energía se manifiestan como Las pérdidas de energía se manifiestan como sobrepotenciales de las reacciones electródicas sobrepotenciales de las reacciones electródicas involucradas en procesos de conversión de energía.involucradas en procesos de conversión de energía.
MÉTODOS DE PRODUCCIÓNMÉTODOS DE PRODUCCIÓN
REFORMADOCH4, CH3OH, etc.
ELECTRÓLISIS DE AGUA
MÉTODOSFOTOQUÍMICOS
TERMÓLISIS DE AGUA
HIDRÓGENO
CO2
REFORMADO DE HIDROCARBUROS Y REFORMADO DE HIDROCARBUROS Y DERIVADOS CON VAPOR DE AGUADERIVADOS CON VAPOR DE AGUA
CH4
CH4 + H2O CO + 3 H2
CO + H2O CO2 + H2
T 1000 K
65.7 % H2
16.1 % CO2
17.6 % H2O0.4 % CO
CH3OH
CH3OH CO + 2 H2
CO + H2O CO2 + H2
T 600 K
64.4 % H2
21.1 % CO2
13.8 % H2O0.8 % CO
OTROS
* Etanol* Naftas* etc.
Mejoras en rendimiento y estabilidad de los catalizadores
ELECTRÓLISISELECTRÓLISIS
BAJA TEMPERATURABAJA TEMPERATURA
HH22OO(l)(l) ½ O ½ O22 + H + H22
T T 100 100ooCC
EErev rev 1.2 V 1.2 V
EEceldacelda 1.5 - 1.8 V 1.5 - 1.8 V
Cinética de reacción lentaCinética de reacción lenta
Efectos óhmicosEfectos óhmicos
ALTA TEMPERATURAALTA TEMPERATURA
HH22OO(v)(v) ½ O ½ O22 + H + H22
T T 1000 1000ooCC
EErev rev 0.8 V 0.8 V
EEceldacelda 1.0 - 1.3 V 1.0 - 1.3 V
Cinética de reacción rápidaCinética de reacción rápida
Efectos óhmicosEfectos óhmicos
ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENOALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO
El almacenamiento de hidrógeno implica la reducción de un El almacenamiento de hidrógeno implica la reducción de un enorme volumen de gas (1 kg Henorme volumen de gas (1 kg H22 11 m 11 m33, CNPT)., CNPT).
El desafío es empaquetar átomos de hidrógeno tan cerca El desafío es empaquetar átomos de hidrógeno tan cerca como sea posible, i.e., alcanzar la más alta densidad de como sea posible, i.e., alcanzar la más alta densidad de energía volumétrica usando la menor cantidad de material energía volumétrica usando la menor cantidad de material adicional.adicional.
Para aumentar la densidad de energía se debe realizar Para aumentar la densidad de energía se debe realizar trabajo para comprimir el gas, o disminuir la temperatura trabajo para comprimir el gas, o disminuir la temperatura (<Tc), o reducir la repulsión entre átomos de hidrógeno (<Tc), o reducir la repulsión entre átomos de hidrógeno mediante su interacción con otros materiales.mediante su interacción con otros materiales.
Reversibilidad de los procesos de absorción/desorción de Reversibilidad de los procesos de absorción/desorción de hidrógeno.hidrógeno.
ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENOALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO
GAS: GAS: a alta P~200 atm (recipientes de acero) a alta P~200 atm (recipientes de acero) 0.6 kWh/l a 170 atm.0.6 kWh/l a 170 atm.Recipientes de aluminio reforzados externamente con fibras de Recipientes de aluminio reforzados externamente con fibras de carbono. Mayor relación masa Hcarbono. Mayor relación masa H22/peso recipiente (4 veces mayor /peso recipiente (4 veces mayor que en recipientes de acero). que en recipientes de acero).
Alta P~450 atm (recipientes de materiales compuestos reforzados Alta P~450 atm (recipientes de materiales compuestos reforzados con fibras de carbono).con fibras de carbono).
LÍQUIDO: LÍQUIDO: a T< -253a T< -253ooC. Proceso de licuación y su mantenimiento C. Proceso de licuación y su mantenimiento insume 35-40% del contenido energético del hidrógeno.insume 35-40% del contenido energético del hidrógeno.2.4 kWh/l2.4 kWh/l
ESTRUCTURAS SÓLIDAS: ESTRUCTURAS SÓLIDAS: hidruros metálicos, hidruros metálicos, nanoestructuras de carbono.nanoestructuras de carbono.3.3 kWh/l (LaNi3.3 kWh/l (LaNi55))
PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDADPRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD
Combustión térmica convencionalCombustión térmica convencional
Combustible (HC) + OCombustible (HC) + O22 CO CO22 + H + H22O + calorO + calor
E.Q. E.Q. calor calor trabajo mecánico trabajo mecánico electricidad electricidad
TT = (T = (T11 - T - T22)/T)/T11
COMBUSTIÓN DEL HIDRÓGENOCOMBUSTIÓN DEL HIDRÓGENOCELDA DE COMBUSTIBLECELDA DE COMBUSTIBLE
Ánodo:Ánodo: HH22 2 H 2 H+ + + 2 e+ 2 e--
Cátodo:Cátodo: ½ O½ O22 + 2 H + 2 H++ + 2 e + 2 e-- H H22OO
Reacción total: Reacción total: HH22 + ½ O + ½ O22 H H22O + O + electricidadelectricidad
GENERACIÓN DE CALOR EN CELDAS DE GENERACIÓN DE CALOR EN CELDAS DE COMBUSTIBLECOMBUSTIBLE
Q = Q = - (4.18 T - (4.18 T S/nF) iS/nF) i + + i i + + ii22 R Rcalor generadocalor generado calor generadocalor generado calor generadocalor generado
debido al cambiodebido al cambio por irreversibilidadpor irreversibilidad por pérdidaspor pérdidas
de entropía de lade entropía de la de la reacción dede la reacción de óhmicasóhmicas
reacción de celdareacción de celda celdacelda
Reacción global de la celda de combustibleReacción global de la celda de combustible
2 H2 H22 + O + O22 2 H 2 H22O + O + electricidadelectricidad + + calorcalor
CELDAS DE COMBUSTIBLECELDAS DE COMBUSTIBLE
Alta eficiencia de conversión de energía química en Alta eficiencia de conversión de energía química en
electricidad, electricidad, t t 100 % 100 % p p 60-70 % 60-70 % No contaminan el medio ambienteNo contaminan el medio ambiente Operan silenciosamente Operan silenciosamente (no tienen partes móviles)(no tienen partes móviles) Rápida entrada en servicioRápida entrada en servicio Flexibilidad respecto al tipo de combustible:Flexibilidad respecto al tipo de combustible:
hidrógeno, gas natural, gasificación de hidrógeno, gas natural, gasificación de carbón, alcohol, etccarbón, alcohol, etc
Modularidad: Modularidad: (mW a MW)(mW a MW) Mínimo mantenimiento Mínimo mantenimiento (no hay desgaste mecánico)(no hay desgaste mecánico) Capacidad de cogeneración Capacidad de cogeneración (electricidad/calor); (electricidad/calor); p = 80-85 %p = 80-85 %
SISTEMA DE ENERGIA SISTEMA DE ENERGIA GENERACIÓN DISTRIBUIDAGENERACIÓN DISTRIBUIDA
Bomba de calor
Bomba de calor
Sistema de almacenamiento
de calor
Sistema de almacenamiento
de calor
Celda de combustible
Celda de combustible
CalorCalor
ElectricidadElectricidad
CalefacciónCalefacción
RefrigeraciónRefrigeración
PLANTA DE CELDA DE COMBUSTIBLEPLANTA DE CELDA DE COMBUSTIBLE
Aire
Celda de combustible
Celda de combustible
Procesado delCombustible
Procesado delCombustible
Convertidor de
corriente
Convertidor de
corriente
Calor
ElectricidadCC
ElectricidadCA
Agua
Calor Aprovechable
Gas rico enHidrógeno
Gas naturalAlcoholHidrógeno
CELDAS ÁCIDAS DE POTENCIACELDAS ÁCIDAS DE POTENCIA
Reacción de reformadoReacción de reformado
CHCH44 + 2 H + 2 H22O + calor O + calor 3 H 3 H22 + CO + H + CO + H22OO
Reacción de conversiónReacción de conversión
CO + HCO + H22O O H H22 + CO + CO22 + calor + calor
Reacción totalReacción total
CHCH44 + 2 H + 2 H22O O 4 H 4 H22 + CO + CO22
CONTAMINACIÓN AMBIENTAL EN CONTAMINACIÓN AMBIENTAL EN GRANDES CIUDADESGRANDES CIUDADES
Fuente de contaminación:Fuente de contaminación:
Emisiones del escape de los vehículos con motor de Emisiones del escape de los vehículos con motor de combustión internacombustión interna
Cada 160000 km, el automóvil promedio naftero emite:Cada 160000 km, el automóvil promedio naftero emite:
1300 kg contaminantes orgánicos gaseosos1300 kg contaminantes orgánicos gaseosos
1250 kg de CO1250 kg de CO
85 kg de NO85 kg de NOXX
Vehículo con emisión cero de contaminantes:Vehículo con emisión cero de contaminantes:
Vehículo eléctricoVehículo eléctrico
ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENOALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO
Energía específica HEnergía específica H22 142 MJ/kg142 MJ/kg
Energía específica HC liq.Energía específica HC liq. 47 MJ/kg 47 MJ/kg
Vehículo con autonomía de 400 kmVehículo con autonomía de 400 km• Vehículo c/motor CIVehículo c/motor CI 24 kg gasolina24 kg gasolina• Vehículo c/motor CIVehículo c/motor CI 8 kg hidrógeno 8 kg hidrógeno• Vehiculo eléctrico c/CCVehiculo eléctrico c/CC 3 kg hidrógeno 3 kg hidrógeno
VEHÍCULO ELÉCTRICOVEHÍCULO ELÉCTRICO HIDRÓGENO COMPRIMIDOHIDRÓGENO COMPRIMIDO
NEBUS (New Electric Bus)1997 Daimler ChryslerPotencia: 250 kWAutonomía: 250 kmVmáx: 80 km/h
VEHÍCULO ELÉCTRICOVEHÍCULO ELÉCTRICOTECNOLOGÍA PEM/HIDRÓGENO COMPRIMIDOTECNOLOGÍA PEM/HIDRÓGENO COMPRIMIDO
1994-utilitarioPotencia: 50 kW12 stacks, 230 V
1996-utilitarioPotencia: 50 kW2 stacks, 280 VAutonomía: 250 kmVmáx: 110 km/h
1999-MB clase APotencia: 70 kW2 stacks, 330 VAutonomía: 450 kmVmáx: 145 km/h