HidrógenoHidrógenofuturo brillante o punto ciego

XVII FORO DE AVANCES DE LA INDUSTRIA DE LA REFINACIÓNJunio 2011

®

Energía consciente para el siglo XXI

Elizabeth Mar  JuárezMiguel Angel Rodríguez Toral

Energía,¿hacia dónde nos dirigimos?¿hacia dónde nos dirigimos?

• En realidad, se trata de garantizar la seguridad energética– Diversificación de la oferta

• Obteniendo flexibilidad y estabilidad del sistema energético

– Seguridad de abasto, confiabilidad y precios al consumidor 

• Sin afectar demasiado la balanza de pagosSin afectar demasiado la balanza de pagos– Estabilidad en el presupuesto para obtener servicios energéticos 

(costo país)

• Cuidando la seguridad ambiental– Potencial para alcanzar los objetivos de gases de efecto invernaderoPotencial para alcanzar los objetivos de gases de efecto invernadero 

y de otros temas ambientales 

– Mejora de la calidad del aire en las grandes ciudades

– A través de un liderazgo y cooperación internacional en el desarrollo y despliegue de tecnologíadesarrollo y despliegue de tecnología

• Pero tenemos que planear y ejecutar inteligentemente• Prius• Alemania 76MW – 10 GW• China 1.3 GW ‐ 23 GWeolica

El presupuesto en IDT ha disminuido sensiblemente en el 

campo energético

Pero ha aparecido, un nuevo jugador, el j g ,hidrógeno

¿El Hidrógeno?• El hidrógeno ha fascinado a muchas personas desde el siglo 

XIX i l J li V 1874 t ó l t

¿El Hidrógeno?

XIX, incluso Julio Verne en 1874 tocó el tema…• Ahora, la "economía del hidrógeno" es a menudo esgrimida 

como la solución perfecta para un consumo de energía en p p gequilibrio con el medio ambiente

¿Economía del 

• Es un hecho, que ha habido avances sustantivos en los últimos 20 años.

hidrógeno?

Sin embargo,Si bien el hidrógeno se encuentra de forma abundante en el planeta, no se encuentra libre en la

t l El t l ti d fnaturaleza. El compuesto que lo contiene de forma mas abundante es el agua, seguido por los hidrocarburos y la materia orgánica.

Producir H2Producir H2eficientemente a partir

de estos compuestos es el reto tecnológico queel reto tecnológico que

aún no se ha superado.

• Mito 1: El hidrógeno se encontrará disponible en el 

Mito 2: Los automóviles alternativos son una realidad para 

mercado en el mediano plazo

Disponibilidad en el Mercado

2002 2030Combustible 2002 2030Combustible

todos

Inversión de Capital

F T dieselDMEGas LPGas naturalDieselGasolina

2002 2030Combustible

F T dieselDMEGas LPGas naturalDieselGasolina

2002 2030Combustible

Poca Disponibilidad

Disponibilidad

No disponible en el mercado comercial

Alta

InversiónF T Di l

Hidrogeno

Gas natural

HidrogenoElectricidadMetanol

BiodieselEtanolF T diesel

HidrogenoElectricidadMetanol

BiodieselEtanolF T diesel

Baja

Inversión

F-T Diesel

LPGEtanolBiodiesel

DieselGasolina

Eléctrico

Fuente:http://www.wbcsd

Riesgo de Inversión

Alto RiesgoBajo Riesgo

El hidrógeno es el combustible del En promedio, los autos híbridos futuro: en 1990, se decía que en 2000, en 2000 se decía que en el 2010, ahora se dice que en 2020

son 5000 dólares más caros, tomando en cuenta costos de combustible

Es cierto, que el consumo de energía con base en hidrógeno se 

está orientando al sectorestá orientando al sector transporte. 

l lActualmente su uso es limitado, sin embargo existen vehículos tanto 

públicos como privados que operan p p q pcon Hidrógeno y otros se encuentran en desarrollo.

PeroPero• Mito 3. Sus costos pueden ser competitivos con los autos tradicionalescon los autos tradicionales

•Costo de Inventario Alto para el Biodiesel

Costo•Costo de Producción Alto para Combustibles Sintéticos

•Costo de Distribución Alto para Combustibles Gaseosos

$/GJ

40

50

0

10

20

30

0

Gasolin

aMeta

nolEtan

olGas

LPDim

etil E

ter

Gas N

atural

Liquido

Natural

Comprim

idoHidro

geno

Tropsc

h Diesel

(50%)

Diesel

Biodiesel

(20%)

Fuente:http://www.wbcsd

GGas

N

Fischer-

Tr

Realidades para el uso en el pSector Transporte

• La inversión e Infraestructura requerida para elLa inversión e Infraestructura requerida para el hidrógeno es muy alta

• La producción de hidrógeno como vector de p genergía es energéticamente ineficiente

• El uso generalizado de celdas de combustible gtodavía no llega 

• Las variables que definen la demanda de combustibles en el sector transporte no sólo se refieren a que haya disponibilidad del mismo

• ¿Es el hidrógeno un vector energético para ¿ g g pel futuro inmediato?

Beneficios del hidrógenoBeneficios del hidrógenogg

Disminución de los niveles Disminución de los niveles de contaminación en las de contaminación en las zonas urbanaszonas urbanaszonas urbanas.zonas urbanas.Una rápida reducción en la Una rápida reducción en la emisión de gases de efecto emisión de gases de efecto invernadero.invernadero.Independencia energética Independencia energética con respecto al mercado con respecto al mercado petroleropetrolero

La situación actual…Su temperatura de licuefacción es extremadamente baja (253Su temperatura de licuefacción es extremadamente baja (253°° C).C).

Su capacidad energética es menor por unidad de volumen como gas o como Su capacidad energética es menor por unidad de volumen como gas o como p g p gp g p glíquido, una tercera parte del gas natural y gasolinalíquido, una tercera parte del gas natural y gasolina

Su producción requiere de procesos altamente consumidores de energía.Su producción requiere de procesos altamente consumidores de energía.

El transporte por ductos del HEl transporte por ductos del H22 es menos es menos eficiente que para otros gases.eficiente que para otros gases.

Los contenedores para su almacenaje son Los contenedores para su almacenaje son Los contenedores para su almacenaje son Los contenedores para su almacenaje son grandes y el almacenamiento de cantidades grandes y el almacenamiento de cantidades adecuadas de hidrógeno a bordo de un adecuadas de hidrógeno a bordo de un vehículo todavía representan un problema vehículo todavía representan un problema significativosignificativosignificativo.significativo.

El HEl H22 no es tóxico pero su efecto como no es tóxico pero su efecto como contaminante atmosférico no ha sido bien contaminante atmosférico no ha sido bien estudiado ya que el Hestudiado ya que el H gaseoso puede ser gaseoso puede ser estudiado ya que el Hestudiado ya que el H22 gaseoso puede ser gaseoso puede ser reactivo al recibir rayos UV e infrarrojos.reactivo al recibir rayos UV e infrarrojos.

Economía del hidrógeno

Empaquetamiento

g

Producción Utilización

EmpaquetamientoCompresión, 

licuefacción, hidruros

DistribuciónProducción de 

hidrógeno

Utilización del 

hidrógeno

Distribución¿Ductos, autotanques, 

trenes?

AlmacenamientoContenedores a 

presión y criogénicos

Transferencia

Actualmente y por lo menos en los próximos diez años la situaciónActualmente y por lo menos, en los próximos diez años, la situación tecnológica es muy compleja, costosa y energéticamente ineficiente como

para ser una realidad

Entonces ¿cero hidrógeno?Entonces, ¿cero hidrógeno?

Hechos fehacientes…Hechos fehacientes…

• La incorporación del H2 a la matriz energéticaLa incorporación del H2 a la matriz energética siempre se sobredimensiona

• El principal uso del H2 es como materia prima• El principal uso del H2 es como materia prima, para la síntesis de amoniaco y en la refinación de petróleode petróleo

• Existe un esfuerzo de investigación e inversión i l d l ld dmuy importante en el campo de las celdas de 

combustible

Tanto en el sector académico, como en el patentamiento, las celdas de combustible son un 

campo muy dinámicocampo muy dinámico

Si bien existen retrasos importantes, los mapas tecnológicosmuestran los caminos posibles para el hidrógeno…

El sistema energético es unsistema complejo…

• Es fascinante pensar que los sistemas complejos son p q p jcompletamente abiertos, todo puede cambiar por un hecho sorpresivo: catástrofes naturales, un avance técnico o fenómenos sociales

• ¿Pueden las cosas cambiar en 10 años?– En 10 años se puso a un hombre en la luna, su costo fue de 100 mil millones de dólares de 1960100 mil millones de dólares de 1960.

• Pensemos que el sector telecomunicaciones quisiera un sistema de energía mucho más confiable que lo 

i l lid dque existe en la actualidad– El hidrógeno podría convertirse en un vector energético más deseable que la electricidad

H2 l d EUAH2 en el sector transporte de EUA• En EUA hay alrededor de 250 millones de vehículosEn EUA hay alrededor de 250 millones de vehículos de pasajeros, sin incluir autobuses

• ¿qué pasaría si hubiera un cambio de mentalidad en ¿q puna parte de los consumidores? – California tenía 17 millones de autos en 2000

• 1 millón de vehículos impulsados por hidrógeno de una o de otra manera representaría sólo 0.04% de la flota vehicular de pasajeros

H2 y las energías renovablesH2 y las energías renovables

• En los últimos años ha habido un impulso aEn los últimos años, ha habido un impulso a nivel mundial a las energías renovables

• Es innegable que el hidrógeno puede ser• Es innegable que el hidrógeno puede ser generado con energía solar, eólica, maremotriz etcmaremotriz, etc.

• El hidrógeno es ideal para las celdas de b iblcombustible

¿Futuro brillante o punto ciego?¿Futuro brillante o punto ciego?Existen los que apoyan 100% al hidrógeno y los que lo denostan Existen los que apoyan 100% al hidrógeno y los que lo denostan 

completamente Estamos entre la sobrevaluación y la negacióncompletamente Estamos entre la sobrevaluación y la negacióncompletamente. Estamos entre la sobrevaluación y la negación.completamente. Estamos entre la sobrevaluación y la negación.

La transición de una economía basada en hidrocarburos a una “economía La transición de una economía basada en hidrocarburos a una “economía del hidrógeno” está muy lejos en el horizonte ¿o no?del hidrógeno” está muy lejos en el horizonte ¿o no?g y j ¿g y j ¿

•• El uso del hidrógeno en el sistema energético depende en buena medida El uso del hidrógeno en el sistema energético depende en buena medida de los avances técnicos y tecnológicos que se alcancen, pero también de de los avances técnicos y tecnológicos que se alcancen, pero también de factores sociopolíticos que pueden cambiar en un instantefactores sociopolíticos que pueden cambiar en un instantefactores sociopolíticos que pueden cambiar en un instante.factores sociopolíticos que pueden cambiar en un instante.

•• La incertidumbre es elevada, pero las posibilidades son muchas. La La incertidumbre es elevada, pero las posibilidades son muchas. La fascinación de la humanidad con el hidrógeno es innegable y continuará fascinación de la humanidad con el hidrógeno es innegable y continuará g g yg g ydando de que hablar.dando de que hablar.

M h h bi d t i ió iMuchas cosas han cambiado pero nuestra misión sigue siendo la misma…

transformar el conocimiento en aplicaciones industriales innovadoras para las prioridades estratégicas de Petróleos MexicanosPetróleos Mexicanos

G iGracias

Costo de generación por tipo de combustible(centavos por kW/h)

EólicaCarbón Solar PVSolar térmicaEólicaCarbón Solar PVSolar térmica

• Producción de hidrógeno.

• Reformación del gas natural, es el método de producción más ampliamente usado, sin embargo,es costoso y genera grandes cantidades de CO2. En EEUU se producen alrededor de 9 millonesde toneladas anuales, equivalentes al consumo de 34 millones de automóviles

• Electrolisis del agua usando fuentes de energía renobables como solar o eolica, prácticamenteElectrolisis del agua usando fuentes de energía renobables como solar o eolica, prácticamenteno genera contaminantes y produce hidrógeno y oxigeno de alta pureza, puede ser la panaceaque resuelva el problema de energía

• Gasificación de biomasa e hidrocarburos pesados, es costoso y produce contaminantes.••• Reformación de líquidos renovables. El etanol producido por fermentación de la biomasa se

convierte en H2 y CO2 cuando se le hace reaccionar con vapor de agua a alta temperatura.

• Electrolisis a allta temperatura en centrales nucleares. El calor de los reactores nucleares sepemplea realizar la separación del hidrogeno y oxigeno del agua con alta eficiencia.

• Disociación termoquímica del agua. Las altas temperaturas de los concentradores solares seemplean para descomponer el agua en H2 y O2.

• Producción Fotobiologica de H2. Algunos microorganismos y las algas verdes consumen agua enpresencia de la luz solar produciendo hidrógeno como subproducto. Es el método maspromisorio en la actualidad.

T d t ét d h l b tibl f il l t i t• Todos estos métodos son mucho mas caros que los combustibles fosiles, el reto consiste endisminuir los costos de producción lo más rápido posible.

One Approach – Phase I

• Why?

California Fuel Cell Partnership

• Why?– Demonstrate vehicle technology by operating and testing the vehicles under real‐world conditions in 

California

• What?– Install and test a variety of alternative fuel infrastructure technologies– Identify potential problems and develop solutions– Increase public awareness and enhance opinion about fuel cell electric vehicles, preparing the market for 

commercialization

• Who?– 20 full partners (Big 3 and Big Oil, government agencies) and 10 associate partners (gas companies, 

utilities, transit agencies)– Collaboration in which companies and government entities are independent participantsp g p p p

• How much and how long?– $37M for facilities (combination of federal, state and industry funding) – $25M (est) for vehicles (industry funding)

O i i ll l d t d t t h d f 3 th th l– Originally planned to demonstrate hydrogen for 3 years, then methanol– Recently extended for 4 additional years

¿Por qué?¿ qDemostrar la tecnología de vehículos de uso y los controles de los vehículos bajo condiciones del mundo real en California¿Qué?I t l b i d d d t l í lt ti d b tiblInstalar y probar una gran variedad de tecnologías alternativas de combustible de infraestructuraIdentificar los posibles problemas y desarrollar solucionesAumentar la conciencia pública y mejorar la opinión sobre los vehículos de pila de combustible eléctrico, preparando al mercado para su comercialización¿Quién?20 socios de pleno derecho (3 grandes y las grandes compañías petroleras, agencias de gobierno) y 10 entidades asociadas (compañías de gas serviciosagencias de gobierno) y 10 entidades asociadas (compañías de gas, servicios públicos, las agencias de transporte)Colaboración en el que las empresas y entidades gubernamentales son participantes independientes¿Cuánto y por cuánto tiempo?37 millones de dólares para las instalaciones (combinación de fondos federales, estatales y financiación de la industria)$ 25 millones (estimado) para los vehículos (financiación de la industria)$ 25 millones (estimado) para los vehículos (financiación de la industria)Originalmente planeada para demostrar hidrógeno durante 3 años, luego de metanolAmpliado recientemente por 4 años más

1/d 100 500 1000 1500 2000

Gasoline, Diesel / vehicle

kg 50 50 50 50 50

Fossil energy supplied Gj/d 241 1,203 2,407 3,610 4,814

FC vehicle efficiencyfactor

% 70 70 70 70 70

Hydrogen energyGj/d 176 878 1 755 2 633 3 510

suppliedGj/d 176 878 1,755 2,633 3,510

Hydrogen masssupplied

kg/d 1.188 5,938 11,877 17,815 23,753

Electrolyzer efficiency % 70 75 78 79 80y y

AC/DC conversionefficiency

% 93 94 95 96 96

Energy for electrolysis Gj/d 259 1,195 2,274 3,332 4,388

Water needed m3/d 11 53 107 160 214

Energy for water supply Gj/d 8 36 68 100 132

H2-compression, 20, 40 MPa

Gj/d 35 151 282 408 531MPa

Total energy needed Gj/d 301 1,381 2,624 3,840 5,051

Continuous powerneeded

MW 3 16 30 44 58

Energy wasted per H2

HHV% 79 64 56 52 50

Relative to supplied H2

HHV% 179 164 156 152 150

For the use of electrolytic hydrogen in road transport, the results are presented in Table 5, where the four possible supply pathways are:1.produced by electrolysis, compressed to 20 MPa and distributed by road to filling stations or consumers, stored at 10 MPa, then compressed to 40 MPa for rapid transfer to vehicles at 35 MPa. 2.produced by electrolysis, liquefied and distributed by road to filling stations or consumers, then transferred to vehicles. 3.produced by electrolysis on‐site at filling stations or consumers, stored at 10 MPa then compressed to 40 MPa for rapid transfer to

Energy costin HHV of H2

FactorPath A(gas)

Path B(liquid)

Path C(onsite)

Path C(hydride)

Production of H2

El l i 33% 1 33 1 33 1 33 1 17*

stored at 10 MPa, then compressed to 40 MPa for rapid transfer to vehicles at 35 MPa. 4.produced by electrolysis and used to make alkali metal hydrides. 

Table 5. Energy consumption for different hydrogen delivery pathsElectrolysis 33% 1.33 1.33 1.33 1.17*

Onsite production

65% 1.65 1.65

Packaging

Compression 20 MPa

8% 1.08 1.08

Liquefaction 40% 1.40 1.40

Chemical 60% 1 60 1 60

hydrides60% 1.60 1.60

Distribution

Road, 20 MPa H2, 100 km

6% 1.06 1.06

Road, liquid H2, 100 km

1% 1.01 1.01

Storage

Liquid H2, 10 days

guess: 5% 1.05 1.05

Transfer

10 MPa to 40 MPa

3% 1.03 1.03 1.03

Delivered to user

EnergyEnergy input/HHV of H2

1.59 2.02 1.59 1.90**

* Only 50% of the hydrogen released comes from electrolysis** Excluding energy needed to produce alkali metals

Hace cuatro décadas, los Estados Unidos se enfrentaba a una amenaza progresiva para la seguridad , p g p gnacional. La Unión Soviética había lanzaron el primer satélite al espacio en 1957. Luego, el 12 de abril de 1961, el cosmonauta ruso Yuri Gagarin despegó en la Vostok 1 y se convirtió en el primer ser humano en órbita.

El presidente Kennedy entiende que dominar el espacio podría significar la diferencia entre un país capaz de defenderse y una a la merced de sus rivales. En mayo 1961 un discurso ante el Congreso, dio a conocer Apolo ‐ ". Aterrizar un hombre en la Luna y regresar sano y salvo a la Tierra", un programa de 10 años de los subsidios federales destinados a El presidente anunció la meta, el Congreso asignó p g glos fondos, los científicos e ingenieros ponen sus narices a la plataforma de lanzamiento, y ‐ he aquí ‐Neil Armstrong pisó la superficie lunar, ocho años después.

El país se enfrenta ahora a una amenaza similar terribles: la dependencia del petróleo extranjero. Así como el Presidente Kennedy respondió a la superioridad espacial soviética con un firme compromiso, el presidente Bush debe responder a la influencia del petróleo extranjero por lo que la independencia energética en una prioridad nacional. El presidente reconoció, tanto por pregonan las células de combustible de hidrógeno en el estado de enero de la Unión. Sin embargo, los $ 1.2 mil millones que propone es una miseria comparado con lo que se necesita. Sólo un esfuerzo estilo Apolo a sustituir a los hidrocarburos con el hidrógeno se puede liberar a los EE.UU. para actuar como un líder mundial en lugar de un esclavo de su apetito por el petróleo.

Érase una vez, la adicción al petróleo de Estados Unidos era principalmente tió bi t l L hid b i i d l i luna cuestión ambiental. Los hidrocarburos son sucias ‐ ensuciando el aire y el 

agua, posiblemente cambiando el clima, y   causando la pérdida de la biodiversidad y la preciosa costa de bienes raíces. En esos términos, el argumento es principalmente político, uno de limpieza del medio ambiente g p p p , pcontra la piedad económica. El horror del 9 / 11 cambió para siempre. Enterradas en los escombros del Centro Mundial de Comercio fue el mito de que Estados Unidos puede afrontar los costos terribles de la política internacional del petróleo El precio de la dependencia del país del crudo hainternacional del petróleo. El precio de la dependencia del país del crudo ha incluido estilo años 70 crisis económicas, como la tormenta del desierto‐las aventuras militares, las relaciones tensas con menos energía‐hambrientos aliados, y ahora el terror en nuestras costas.

George W. Bush llegó a Washington, DC, como un tejano con profundas raíces en el negocio del petróleo. En los días siguientes a 11 de septiembre, sin embargo se transformó en el presidente de Seguridad Nacional Hoy en díaembargo, se transformó en el presidente de Seguridad Nacional. Hoy en día, su ambición de proteger a Estados Unidos a las amenazas emergentes eclipsa su vínculos con la industria. Al lanzar su poder detrás de hidrógeno, Bush sería el juego que, en lugar de perjudicar a la industria petrolera, que podría revitalizar la industria moribunda. Al mismo tiempo, podría ganar el apoyo de los ambientalistas, un grupo que se ha sentido abandonada por la Casa Blanca.

Según la sabiduría convencional, hay dos maneras de los EE.UU. para reducir la dependencia del petróleo extranjero: aumentar la producción nacional o la demandadependencia del petróleo extranjero: aumentar la producción nacional o la demanda disminuye. De cualquier manera, sin embargo, el país seguiría siendo rehén de los productores en el extranjero. Considere la administración nefasto plan para perforar en el Refugio Ártico Nacional de Vida Silvestre. Para todas las disputas políticas y la reacción, la productividad de esa área no es probable que para compensar la disminución de la p p q p pproducción de grandes yacimientos de petróleo de EE.UU., por no hablar de aumento de la oferta total de fuentes internas. En cuanto a la reducción de la demanda, los mecanismos de que disponen son pequeñas e ineficaces. El coche medio en la carretera es de nueve años de edad, por lo que incluso un aumento espectacular en la eficiencia del combustible , p q phoy en día no cabeza de graves consecuencias mañana. Por otra parte, el dinamismo en el corazón de la economía de EE.UU. depende de la energía. El crecimiento y el consumo están íntimamente relacionados.

Sólo hay una manera de aislar los EE.UU. desde el poder corrosivo del petróleo, y que para desarrollar una fuente de energía alternativa que está fácilmente disponible en el país. En cuanto a las opciones ‐ carbón, gas natural, agua, viento, solar y nuclear ‐ sólo hay una cosa que puede ser un sustituto al por mayor de petróleo extranjero dentro de una década: el q p p y p jhidrógeno. Las tiendas de la energía del hidrógeno con mayor eficacia que las baterías actuales, quemaduras doble de eficiencia en una célula de combustible como la gasolina lo hace en un motor de combustión interna (más de lo esperado para la energía necesaria para producirlo), y sólo deja el agua por detrás. Es abundante, limpia, y ‐ críticamente ‐p p ), y j g p , p , ycapaz de alimentar los coches. Al igual que los vuelos espaciales tripulados en 1961, la energía del hidrógeno se ha demostrado, pero primitiva, de una tecnología madura para la aceleración y el despliegue. (Para ello, gracias al programa Apolo en sí, lo que estimuló el desarrollo de pilas de combustible inicial.)