TEMA 1 Introducción. Hidrógeno como Vector Energético

TEMA 1

Introducción. Hidrógeno como Vector Energético

CURSO INTRODUCTORIO SOBRE TECNOLOGÍAS

DEL HIDRÓGENO Y LAS PILAS DE COMBUSTIBLE

David Fernández Rodrí[email protected]

Unidad de Innovación AbiertaPuertollano, 7 de Abril de 2021

1. Centro Nacional de Hidrógeno en España

2. Hidrógeno como vector energético

3. Integración del H2 con las energías renovables. Power to X technologies

4. Métodos de producción de H2 verde

5. Almacenamiento de H2

6. Pilas de combustible

ÍNDICE

ÍNDICE

Tema 1 Introducción. Hidrógeno como vector energético

Centro Nacional del Hidrógeno

Sede CNH2 en Puertollano

◙ Puertollano

• Centro Público de Investigación creado en 2007 a través de un Consorcio entre el

Ministerio de Ciencia e Innovación (MCI) y la Junta de Comunidades de Castilla-La

Mancha, al 50% cada uno.

• Está ubicado en Puertollano, Ciudad Real (Castilla-La Mancha).

4

Centro Nacional del

hidrógenoLíneas estratégicas I+D Participación Sectorial

Laboratorios e

instalacionesProyectos

Vídeo

CNH2

https://youtu.be/MxhrxIPkKVc


• Está orientado al desarrollo de las tecnologías de hidrógeno y las pilas de

combustible (laboratorios, bancos de ensayo, puestos de experimentación, pilas,

sistemas de almacenamiento, ingeniería, seguridad, normativa…). Sus objetivos son:

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• Promover e impulsar las tecnologías de hidrógeno y pilas de

combustible a nivel nacional e internacional mediante la realización de

estudios de percepción social, formación y difusión del uso y sus

aplicaciones.

• Realizar investigación, experimentación y validación de prototipos y

equipos cubriendo toda la cadena de valor.

• Desarrollar y escalar procesos.

• Implementar proyectos de I+D+i:

✓ Bajo contrato (financiación privada o pública)

✓ Financiados (internacionales, nacionales o regionales

participando de forma individual o en colaboración con otros)

✓ Estratégicos (financiados internamente)

• Servicios a terceros (consultoría, caracterización y análisis, diseño y

construcción de bancos de ensayo, estudios de seguridad y normativa,

etc).

Centro Nacional del


Laboratorios e


Desde 2007, el CNH2 ha participado y coordinado más de 40 proyectos

de carácter nacional e internacional

La plantilla del CNH2 cuenta con 42 empleados.


Centro Nacional del


Laboratorios e


Organigrama del CNH2

19%

62 %

2 %17 % Doctor

Licenciado / Ingeniero

Diplomado/Ingeniero

técnico

FPI/Bachiller

Plantilla del CNH2

Plan Estratégico 2019-2022:

Líneas Estratégicas de I+D+i

Desarrollo de la

normativa

Investigación en

métodos de

análisis de

estudios de

seguridad

Sistema de

detección de

fugas y

atmósferas

explosivas

Validación,

certificación y

homologación de

elementos y

sistemas

Electrólisis a

partir de Energías

Renovables

Procesos

fotolíticos

PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO

ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO

Hidrógeno

gaseoso

Hidruros

metálicos

TRANSFORMACIÓN DE HIDRÓGENO

Pilas de

Combustible

de Óxido

Sólido (SOFC)

Pilas de

Combustible

Poliméricas

(PEMFC)

Power to Gas

INTEGRACIÓN

DE HIDRÓGENO

Sistemas

Estacionarios

Sistemas de

Transportes

Percepción social

de la

incorporación del

hidrógeno

Formación y

difusión

Análisis Técnico-

Económico

Desarrollo de

encuestas

IMPLANTACIÓN TECNOLOGICA Y

SOCIOECONÓMICA

Realización de

Jornadas

Científico-

Técnicas

NORMATIVA Y SEGURIDAD

Materiales

porosos

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Centro Nacional del


Laboratorios e


Procesos

biológicos

Vectores

energéticos

Sistemas

novedosos de

reformado

ColaboracionesUniversidades y Centros de I+D+i:

Administraciones:

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Centro Nacional del


Laboratorios e


http://www.itecam.com/

ColaboracionesEmpresas:

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Centro Nacional del


Laboratorios e


http://www.adix.es/

http://idical.es/

http://www.solventus.es/index.asp

Participación Sectorial

Plataforma Tecnológica Española del Hidrógeno y de las Pilas de Combustible

Miembro del Grupo Rector, coordinador del Grupo de Trabajo de Otros Usos del Hidrógeno y subcoordinador del Grupo de Trabajo de Almacenamiento de Hidrógeno

Asociación Española del Hidrógeno

Vocal de la Junta Directiva

Asociación Española de

Pilas de Combustible

Vocal de la Junta de Gobierno

Plataforma Española de

Seguridad Industrial

Plataforma Tecnológica

Ferroviaria Española

Plataforma Española de

Seguridad Industrial

Plataforma Tecnológica Española

de Automoción y Movilidad

A nivel nacional:

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Centro Nacional del


Laboratorios e



Miembro de la Red de Unidades de Cultura Científica y de la Innovación (Red UCC+i) de la FECYT

Miembro de UNE (participación en Comités Técnicos)

CTN181 “Hidrógeno”, CTN218 "Sistemas de almacenamiento de energía eléctrica“

y CTN206/SC105 “Tecnologías de pilas de combustible” donde ostenta la Secretaría técnica.

Miembro de ALINNE

(Alianza por la Investigación y la Innovación Energética)

El CNH2 tiene además suscritos acuerdos de colaboración con los principales centros de investigación

nacionales, con diversos centros tecnológicos, empresas y universidades.

Solo en 2019 se firmaron 32 acuerdos de colaboración.

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Centro Nacional del


Laboratorios e



Miembro de Hydrogen Europe Research, research grouping

de la Fuel Cell and Hydrogen Joint Undertaking (FCH-JU)

Miembro de Hysafe (Safety of Hydrogen as an energy carrier)

Miembro de EERA (European Energy Research Alliance)

Miembro de la IEA coordinadores de la sub-task 5 (Specific case studies)

dentro de la Task 38 (Power-to-Hydrogen and Hydrogen-to-X:

System Analysis of the techno-economic, legal and regulatory conditions)

Representante español en Technology Collaboration

Programme on Advanced Fuel Cells ( AFC TCP)

A nivel internacional:

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Centro Nacional del


Laboratorios e


I. Laboratorio de Electrólisis Alcalina

II. Laboratorio de Investigación y Escalado de Tecnología PEM

III. Laboratorio de Electrónica de Potencia

IV. Laboratorio de Microrredes

V. Laboratorio de Simulación

VI. Laboratorio de Caracterización de Materiales

VII. Laboratorio de Óxidos Sólidos

VIII. Laboratorio de Fabricación (Fab-Lab)

IX. Laboratorio de Almacenamiento

X. Laboratorio de Testeo de Tecnología PEM

XI. Laboratorio de Vehículos

XII. Laboratorio de Integración Doméstica

XIII. Laboratorio de Biotecnologías de Hidrógeno

XIV. Punto de repostaje a 350 bar

Laboratorios







ÍNDICE

ÍNDICE


EL HIDRÓGENO COMO

VECTOR ENERGÉTICO

Tema 1 Introducción. El hidrógeno como vector energético

PANORAMA ENERGÉTICO ACTUAL

• Disminución de las reservas del petróleo

• Inestabilidad del precio de combustibles fósiles

• Aumento del consumo energético

• Aumento de emisiones contaminantes

Nuevas fuentes de energía

FUENTES DE ENERGÍA RENOVABLES

• Inagotables e infinitas

• Permiten reducir la dependencia energética

exterior

• No producen GEI ni otras emisiones en su uso

• Se encuentran geográficamente distribuidas

• Favorecen el autoconsumo

http://www.google.es/url?sa=i&source=images&cd=&cad=rja&docid=WkRYP1cGOnFuDM&tbnid=YXRkExExsP2lqM:&ved=0CAgQjRwwAA&url=http://sonidiario.tumblr.com/post/14395277465&ei=aYx7Ut-iDqfA0QXZloGoCA&psig=AFQjCNH7C7bBdaH4t11nro6rR2FBCaxfYg&ust=1383914985283801

EL HIDRÓGENO COMO

VECTOR ENERGÉTICO


IMPORTANCIA DEL ALMACENAMIENTO

• Un panel fotovoltaico no produce electricidad si no hay

suficiente irradiación solar

• Un aerogenerador no produce electricidad si no hay suficiente

viento

¿COMO HACER COINCIDIR LA DEMANDA CON LA PRODUCCIÓN?


EL HIDRÓGENO COMO

VECTOR ENERGÉTICO


TIPOS DE ALMACENAMIENTO

• Biológico: petróleo, gas natural, carbón, biomasa

• Mecánico: aire comprimido (CAES), volante de inercia, bombeo hidráulico

• Térmico: aprovecha cambios de fase

• Químico y electroquímico: hidrógeno y baterías

El hidrógeno nos permite almacenar mayores cantidades de energía y durante más tiempo


EL HIDRÓGENO COMO

VECTOR ENERGÉTICO


¿QUÉ ES EL HIDRÓGENO?

El hidrógeno no es un recurso sino un vector energético, es decir, un portador de energía.

Esto supone que se debe producir a partir de fuentes energéticas, conteniendo una ciertacantidad de energía, una vez que éste ha sido producido

El 96% del hidrógeno producido utiliza como energía primaria combustibles fósiles, siendo elreformado de gas natural la vía más comúnmente utilizada para producir hidrógeno.


✓☺ Mayor contenido en Energía porunidad de masa que otros combustibles.

EL HIDRÓGENO COMO

VECTOR ENERGÉTICO


PROPIEDADES DEL HIDRÓGENO

✓ Al tratarse del gas más ligero, bajocontenido en Energía por unidad de volumenfrente a otros combustibles.

✓ Su aplicación práctica requiere por tanto de sistemas de compresión o licuefacción paraaumentar la densidad y reducir el volumen que ocupa (fundamental en aplicaciones detransporte).


EL HIDRÓGENO COMO

VECTOR ENERGÉTICO


PROPIEDADES DEL HIDRÓGENO

Fuente: AeH2

Fuente: Universidad de la Coruña


EL HIDRÓGENO COMO

VECTOR ENERGÉTICO


TECNOLOGÍAS DE PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO


EL HIDRÓGENO COMO

VECTOR ENERGÉTICO


TIPOS DE HIDRÓGENO

• HIDRÓGENO NEGRO: producido a partir de carbón mediante un proceso de

gasificación (gas de síntesis) o a través de hidrocarburos pesados.

• HIDROGENO GRIS: producido a partir de gas natural u otros hidrocarburos ligeros

(CH4) o GLP mediante procesos de reformado (SRM).

• HIDRÓGENO AZUL: obtenido de forma similar al hidrógeno gris, pero utilizando

técnicas de captura, uso y almacenamiento de carbono

• HIDRÓGENO VERDE: generado a partir de electricidad renovable, utilizando como

materia prima el agua mediante un proceso de electrólisis








ÍNDICE

ÍNDICE


INTEGRACIÓN CON EERR.

POWER TO X

Módulo I La energía y el hidrógeno

INTEGRACIÓN CON EERR. USOS Y CONSUMO DE HIDRÓGENO VERDE




POWER TO X

INTEGRACIÓN CON EERR. DESCARBONIZACIÓN SECTORES

• Re-electrificación: el hidrógeno producido puede ser utilizado de nuevo paraproducir electricidad a gran escala, a través de turbinas, motores de combustióninterna o pilas de combustible (power to power)

• Transporte. El hidrógeno puede ser utilizado como combustible alternativo envehículos de pila de combustible. Es especialmente interesante en vehículos pesados(barcos, trenes, autobuses) donde es la opción más prometedora frente al uso debaterías

• Industria. El hidrógeno es utilizado actualmente en diferentes sectores industrialescomo materia prima (fertilizantes, refinerías, acerías)

• Residencial: a través de a inyección de hidrógeno en la red de gas natural (power togas)



Transformación de los excesos de energía renovable en hidrógeno, almacenamiento dedicho hidrógeno y transformación nuevamente en electricidad mediante pila decombustible, motor alternativo de combustión interna o microturbina. Esta opción permitehacer que los parques de energías renovables los cuales no son gestionables, puedan sergestionables, aumentando la competitividad de los mismos. La eficiencia del ciclo completoes de entre el 40 y el 50%, pero se ha de tener en cuenta que se trata de energía que de otraforma se perdería.


POWER TO X



Transformación de los excesos de energías renovables en hidrógeno, almacenamiento yposterior distribución desde el punto de producción hasta las hidrogeneras o punto derepostaje de hidrógeno, donde será consumido como combustible mediante vehículoseléctricos de pilas de combustible o mediante vehículos de combustión interna modificadospara funcionar con hidrógeno como combustible. En este caso, los excesos de energíasrenovables se transforman en combustible, reduciendo de esta forma las importaciones ecombustible importado y reduciendo los efectos de gases de invernadero, al ser vapor deagua la única emisión producida por la combustión térmica o electroquímica del hidrógeno.


POWER TO X



Transformación de los excesos de energías renovables en hidrógeno e inyección a la red degas natural. De esta forma, se interconectan las dos redes principales que cualquier paísdesarrollado posee, que son la red eléctrica y la red de gas natural. Esta opción permiteinyectar los excesos de energía renovable en la red de gas natural, pudiéndose de esta formaalmacenarse los excesos de energía renovable, debido a la gran capacidad existente en lasredes de gas natural. En España está permitido que se introduzca hasta el 10% de hidrógenoen la red de gas natural, lo que es una cantidad muy considerable.


POWER TO X



Transformación de los excesos de energías renovables en hidrógeno y mezcla con CO2

residual de cualquier proceso, para la generación de metano sintético, siendo dicho metanoel componente principal del gas natural, generando por tanto gas natural sintéticoautóctono, sin la necesidad de ser importado del exterior. De la misma forma, es posiblemezclar el hidrógeno proveniente de excesos de energías renovables con biogás provenientede plantas de biodigestión, vertederos, plantas de tratamiento de agua, etc., transformandouna corriente que inicialmente tiene un contenido pobre en metano, en una corriente con uncontenido en metano por encima del 98%.


POWER TO X



Transformación de los excesos de energías renovables en hidrógeno y mezcla con N2 paragenerar amoniaco renovable. Este amoniaco renovable podrá ser utilizado para la industriade fertilizantes, explosivos, industria química, etc., o bien podrá utilizarse como un energycarrier, al ser posible almacenar 120 kg de hidrógeno por cada metro cúbico de amoniaco.En este último caso, a 10 bar de presión, será un líquido, que será estable y podrá utilizarsecomo almacén de energía e incluso para importar energía fuera de la comunidad de Castilla laMancha o incluso fuera de España y Europa. En el caso de utilizarse como energy carrier, elhidrógeno antes de su uso, ha de ser separado del amoniaco, mediante procesos catalíticos oelectroquímicos.


POWER TO X



Transformación de los excesos de energías renovables en hidrógeno y mezcla con CO2 paragenerar etanol y/o metanol renovable. Este etanol y/o metanol renovable podrán serutilizados para la industria química e industrias auxiliares, o bien podrá utilizarse como unenergy carrier, al ser posible almacenar 95 kg de hidrógeno por cada metro cúbico de etanoly/o metanol. En este último caso, a condiciones atmosféricas de presión y temperatura, seráun líquido, que será estable y podrá utilizarse como almacén de energía e incluso paraimportar energía En el caso de utilizarse como energy carrier, el hidrógeno antes de su uso,ha de ser separado del etanol y del metanol, mediante procesos catalíticos o electroquímicos.


POWER TO X








ÍNDICE

ÍNDICE



MÉTODOS DE PRODUCCIÓN

DE H2 VERDE

Source: Hydrogenics.



MÉTODOS DE PRODUCCIÓN

DE H2 VERDE

TIPOS DE ELECTRÓLISIS

Alcalina PEM SOEC

Tipo de electrolito KOH o NaOH Electrolito polimérico sólido (Nafion)

Y2O3-ZrO2

Ión transporte OH- H+ O2-

Temperatura (ºC) 60-85 40-80 800-1000

Rendimiento (%) 60-70 70-80 85-95

Ventajas Equipos comerciales, mayor durabilidad y menor coste

Alta presión de gases de salida Alta presión de gases de salida. Bajo consumo de electricidad

Desventajas Electrolito liquido corrosivo. Baja presión de salida. Necesidad de posterior purificación

Elevado coste de catalizadores y membrana

Actualmente en investigación








ÍNDICE

ÍNDICE



ALMACENAMIENTO

DE H2

TIPOS DE ALMACENAMIENTO

Hidrógeno comprimido Hidrógeno licuado

Hidruros metálicos Cavidades salinas

P = 1 barT = -253 ºC

Ventajas:• Mayor capacidad

almacenamiento• Bajo costeDesventajas:• Elevado peso• Baja cinética de reacción

Hidruros habituales: • Aleación de magnesio • Aleación de niquel

TIPO I:Aluminio/acero

TIPO II:Aluminio + Fibra carbono

TIPO III:Capa metálica + Fibra carbono

• Buena estanqueidad• Bajo nivel de

proliferación de bacterias y microorganismos

• En caso de producirse defecto por la presión, los fallos se restauran de forma autónoma ya que la sal puederecristalizar



TRANSPORTE

DE H2

TIPOS DE TRANSPORTE

Marítimo

Terrestre

Primer barco de H2 liquido comprimido (800 bar y -243 ºC)Desde la costa sur de Australia hasta Japon (KAWASAKI motor)

Tubería (< 15 km)

Trailer de H2 comprimido o licuado (15 km – 150 km)

Red de distribución de gas (>150 km)








ÍNDICE

ÍNDICE



PILAS DE COMBUSTIBLE




MODOS DE FUNCIONAMIENTO DEL VEHÍCULO

Modo 1. Subida. Tanto la pila de combustible como la batería alimentan el motor eléctricoModo 2. Superficie plana. La pila de combustible alimenta el motor eléctrico y a la vezmantiene la batería en niveles adecuados de cargaModo 3. Bajada. Modo regeneración. Cuando el vehículo frena, la energía generada por elmotor es almacenada en las baterías.




OTRAS APLICACIONES EN MOVILIDAD. AUTOBUSES




OTRAS APLICACIONES EN MOVILIDAD. CAMIONES




OTRAS APLICACIONES EN MOVILIDAD. FERRY

• 1500 pasajeros

• 140 m3 de almacenamiento de H2

• 8300 kW de pila de combustible

• 2400 kWh de baterías

• Velocidad de 17 nudos



DIMENSIONAMIENTO HIDROGENERA


ÍNDICE

David Fernández Rodríguez Unidad de Innovación Abierta

[email protected] Puertollano, 7 de Abril de 2021

¡¡MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN!!


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DEL HIDRÓGENO Y LAS PILAS DE COMBUSTIBLE

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