Hidrógeno
• Es el elemento más abundante en el planeta
• Siempre unido a otros átomos => se necesita energía para obtener H2
• Condensa a –253ºC => difícil licuar, manipular y almacenar
• Su combustión con aire solo genera H2O y NOx en pequeñas cantidades
Hidrógeno• Densidades energéticas:
Combustible kWh/kg kWh/l Tanque
Nafta 12.7 8.8 1.0 Metano (gas, 170 atm) 13.8 1.7 5.2Metanol 6.3 4.4 2.0H2(liq) 33.3 2.4 3.7H2(gas, 170 atm) 33.3 0.6 14.6Hidruro(FeTi) 0.6 3.2 2.8Hidruro(LaNi5) 0.4 3.3 2.7
1 l nafta ≡ 2.86 m3 H2 (g) CNPT ≡ 3.58 l H2(l)
0.333 m3 H2 (g) CNPT ≡ 1 kWh (ε = 100 %)
Hidrógeno
• Tipos de almacenamiento:
– Como gas• Altas presiones
– Como líquido criogénico• Muy bajas temperaturas
– En forma sólida como hidruros metálicos• Bajas temperaturas
Producción de H2
• Tecnologías tradicionales
1) Reformado con vapor:– Materia prima de bajo peso molecular:
• Metano, Etano, GLP, Naftas– Tecnología dominante actualmente– Proceso endotérmico
2) Oxidación parcial (Gasificación):– Materia prima de mayor peso molecular:
• Fuel-oil, asfaltos, carbón y biomasa– Proceso exotérmico
Gas de síntesis
1a etapa
Producción de H2
• Tecnologías tradicionales
Tren de purificación con reactores catalíticos:
a) Reformador secundariob) Reactores adiabáticos (convertidores de CO)
– Reactor de alta temperatura– Reactor de baja temperatura
c) Reactor de metanación (adiabático)
Resultado: H2 de elevada pureza (99.7%)contenido de CO de hasta 0.3%
2a etapa
Producción de H2
• Otras Tecnologías
– Proceso autotérmico• Combinación de reformado con vapor y oxidación parcial
– Reformado con CO2 (Reformado seco)• Reemplazo del vapor• Relación CO/H2 mayor a la del reformado con vapor• Disponibilidad de grandes cantidades de CO2 de calidad
apropiada
Producción de H2
• Otras Tecnologías
– Pirólisis• Descomposicón de hidrocarburos a altas temp. => C + H2
(subproducto)• El proceso en si mismo no produce óxidos de carbono
– Pequeños reformadores• Materia prima: alcoholes
– Tecnologías basadas en biomasa• Producen H2 directamente• Impureza de la materia prima• Limitada disponibilidad de recursos
Producción de H2
• Otras Tecnologías– Electrólisis del agua
• Energía fósil• Energía nuclear• Energías renovables:
– Eólica– Solar– Hidráulica– Geotérmica– Mareomotriz– Biomasa
– Termólisis del agua– Métodos fotoquímicos
Producción de H2
• Pequeños reformadores
– Se utilizan principalmente para alimentar pilas de tipo PEM
– Pueden alimentarse con • Metanol• Etanol
Producción de H2
• Pequeños reformadores
– Con Metanol:• Temp. de operación del reformado: 300ºC
• Actualmente se genera utilizando gas natural
• Ventajas: bajo costo, facilidad de transporte y almacenamiento
• Desventajas: tóxico, proviene del gas => genera CO2
Producción de H2
• Pequeños reformadores
– Con Etanol:• Temp. de operación del reformado: 500ºC a
700ºC• Ventajas: no es tóxico, se obtiene con recursos
renovables, facilidad de transporte y almacenamiento
• Desventajas: Proceso más complejo que el reformado con metanol, pudiendo generar metano y subproductos no deseados
Celda tipo PEM• Reacciones químicas:
Ánodo: 2H2 → 4H+ + 4e-
Cátodo: 4e- + 4H+ + O2 → 2H2OReacción completa: 2H2 + O2 → 2H2O
• Ventajas:– No produce contaminación– Solo se desecha agua y calor– Es silenciosa– Alto rendimiento (~50%)
• Desventajas: – Precisa H2 de alta pureza
(hasta 30 ppm de CO)
Desventajas• Difícil transporte y almacenamiento• No es combustible primario => se debe gastar
energía para producirlo• El saldo de energía en la producción de H2 es
negativo• Falta de desarrollo de infraestructura de producción y
distribución• Densidad de energía volumétrica muy baja• Alto índice de difusividad• Difícil de detectar fugas• Llama incolora
Aplicaciones en automóviles
Motores de combustión interna
• Fácil adaptación (similar a los sistemas de GNC)• Mejora la eficiencia del motor en un 25%• Combustión más limpia (solo emite NOx)• Difícil almacenamiento• Alto costo• Rendimiento limitado por Carnot
Aplicaciones en automóviles
Celdas de combustible
• Mínimo mantenimiento (no hay desgaste mecánico)• Alta eficiencia (no está limitada por Carnot)• Sin emisiones contaminantes• Silenciosa (ruido => ventiladores y compresores)• Puede actuar como generador eléctrico portátil• Permite una mayor libertad de diseño del automóvil
Aplicaciones en automóviles• Comparativa entre motores y celdas de combustible
Vehículo convencional con motor a CI
Vehículo con Celdas de Combustible
Ambientalmente limpio NO SI
Alto Desempeño SI SI y sobrepasarían a los vehículos convencionales
Bajo Mantenimiento NO SIConfiabilidad NO SI
ConfortSI para los estándares actuales, NO para los
futurosSI
Bajo Ruido NO SIAlta Eficiencia NO SI
Libertad de Diseño NO SI
Fuente de Potencia SI (supeditado a la energía almacenable en la batería) SI
Vehículos eléctricos alimentados con H2
TECNOLOGÍA PEM / HIDRÓGENO COMPRIMIDOTECNOLOGÍA PEM / HIDRÓGENO COMPRIMIDO1996-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
NEBUS (New ElectricBus)1997 Daimler ChryslerPotencia: 250 kWAutonomía: 250 kmVmáx: 80 km/h
Vehículos eléctricos alimentados con H2
1997Potencia: 50 kWTanque: 40 lAutonomía: 400 kmVmáx: 120 km/h 2000
Potencia: 75 kWTanque: 40 lAutonomía: 450 kmVmáx: 150 km/h
TECNOLOGÍA PEM / METANOL REFORMADOTECNOLOGÍA PEM / METANOL REFORMADO
El H2 en Argentina• Sistemas de almacenamiento de electricidad de
níquel-hidrógeno para misiones espaciales (Satélites SAC-C, SAC-D y SAOCOM).Proyecto cooperativo CONICET-CONAE-INIFTA
• Proyectos de sistemas sustentables de energía del IEDS (CNEA), CITEFA, Escuela Superior Técnica, DPE-INIFTA.
• Planta de demostración de un sistema sustentable de energía (Planta experimental eólico-hidrógeno de Pico Truncado).
FIUBA y el H2
• Laboratorio de Procesos Catalíticos (LPC):
– Estudio del proceso y purificación de hidrógeno a partir de etanol
– Propósito: montar un prototipo de producción de hidrógeno para alimentar una pila tipo PEM de 1kW y 10 kW
– Recibe cooperación del INGAR (dependiente del CONICET)
– El LPC cuenta con programas de cálculo para diseño y simulación de los reactores
– Actualmente en estudio de diferentes catalizadores
Bibliografía• Combustibles Alternativos, S. D. Romano, E. González Suárez, M.
A. Laborde, Ediciones Cooperativas, 2005• http://www.tierramerica.net• http://ingenieria.udea.edu.co/investigacion/gea/hidrogeno.htm• http://www.worldwide.fuelcells.org/• http://www.fuelcelltoday.com/• http://www.h2cars.biz/• http://www.bmwworld.com/hydrogen/• http://www.gm.com/company/gmability/adv_tech/• http://www.fordenespanol.com/environmental/whatsnext• http://www.toyota.com/about/environment/technology/fuelcell_hybr
id.html#fchv-5• Trabajo de Pablo Groglopo (alumno de TE)
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