2013-03-01-euita-etsia-eiae-h2 y pilas - universidad politécnica de …....

“El hidrógeno como vector energético y las Pilas de Combustible”

Antonio González García-CondeDirector Departamento Aerodinámica y Propulsión – INTA

Vicepresidente de la Asociación Española del Hidrógeno

(Madrid, 1 de marzo de 2013)

Hidrógeno y Electricidad: “Hydricity”

Contenido:1. Fundamentos del Hidrógeno.

2. El mercado del hidrógeno: Producción, Almacenamiento, Logística de distribución y Transporte.

3. Utilización del hidrógeno (Transporte y Generación estacionaria) Pilas de Combustible-Fundamentos

4. El por qué del H2 en el transporte: Eficiencia, Consumo de energía, Emisiones y Capacidad de producción.

5. La infraestructura de utilización del H2 en el transporte: Vehículos con pilas de combustible y estaciones de llenado.

6. El por qué del H2 en la generación de potencia estacionaria: Concepto “Hydricity”.

7. La infraestructura de utilización del H2 en generación de potencia estacionaria: Generación con pilas de combustible.

8. H2, Pilas de Combustible: Generación de Empleo.

HIDROGENO: Fundamentos

Contenido:.1. Fundamentos del H2.

2. El mercado del hidrógeno.

3. Utilización del H2 : Fundamentos de Pilas de Combustible

4. El por qué del H2 en el transporte.

5. La infraestructura de utilización del H2 en el transporte.

6. El por qué del H2 en generación de potencia estacionaria

7. Infraestructura de utilización del H2 en generación estacionaria

Hidrógeno:El elemento más ligero y más abundante

del Universo

HidrHidróógeno:geno:

El elemento mEl elemento máás ligero y ms ligero y máás abundante s abundante del Universodel Universo

3.2 3.2 MeVMeV

Fusión Estelar:Dos átomos

de Hidrógeno forman uno de Helio y

proporcionan ingentes

cantidades de energía

FusiFusióón n Estelar:Estelar:

Dos Dos áátomos tomos de Hidrde Hidróógeno geno forman uno forman uno de Helio y de Helio y

proporcionan proporcionan ingentes ingentes

cantidades de cantidades de energenergííaa

Hidrógeno:En la atmósfera terrestre se encuentra tan

solo una fracción de 1 ppm en volumen

HidrHidróógeno:geno:

En la atmEn la atmóósfera terrestre se encuentra tan sfera terrestre se encuentra tan solo una fraccisolo una fraccióón de 1 n de 1 ppmppm en volumenen volumen

HH22 en los Hidrocarburosen los Hidrocarburos

HH22 en la Biomasaen la Biomasa

HH22 en el Aguaen el Agua

Los recursos energéticosLos recursos energLos recursos energééticosticos

H2 AguaHH22 AguaAgua

La economía del Hidrógeno

La economLa economíía del a del HidrHidróógenogeno

Fuente: Fuente: FundFund. Nuevas Tecnolog. Nuevas Tecnologíías del Hidras del Hidróógeno de Araggeno de Aragóónn


Fuente: Hydrogen - Sustainble energy for transport and energy utility market – NRW


Contenido:1. Fundamentos del H2.

2. El mercado del hidrógeno:

- Producción

- Almacenamiento

- Transporte

- Distribución

3 Utilización del H2 : Fundamentos de Pilas de Combustible

4 El por qué del H2 en el transporte.

5 La infraestructura de utilización del H2 en el transporte.



El mercado del Hidrógeno:Producción

El hidrEl hidróógeno no es un recurso natural, geno no es un recurso natural, el hidrel hidróógeno hay que producirlogeno hay que producirlo

GAS: Gas Natural o Bio-gasReformado de vapor o Oxidación parcial

ACEITES (Renovables o fósiles):Reformado de vapor o

Oxidación parcial

H2CARBON:

Gasificación

ALCOHOLES: Etanol, metanol derivados de gas o BiomasaReformado

AGUA y ELECTRICIDAD:Electrólisis de agua con

electricidad renovable

MADERA (Biomasa): Pirólisis

ALGAS:Foto-síntesis

ProducciProduccióón de Hn de H22

Gran diversidad de recursos y procesosGran diversidad de recursos y procesos

Fuente: Hydro

Producción de Hidrógeno

H-C Pesados

Petróleo Refino H-C Ligeros

Gases Refinería

Coke de Petróleo

Gas Natural

Carbón

Biomasa Fermentación Biogas

Digestión anaerobia

Residuos

Solar

OxidaciónParcial

Reformado

RE

NO

VA

BL

ES

GasificaciónPirólisis

NUCLEAR

H I

D R

O G

E N

O

Procesoscon aporte de calor,

agua y otros reactivos

Fuentes Primariasde Energía

Procesos.Conversión energía

Fuentes Secundariasde Energía H2

FO

SIL

ES

Conversión TérmicaCiclos Termo-

Químicos

(con aporte de energía TERMICA)

Gas Natural

Carbón

Residuos

Geotérmica

Solar Fotovoltaica

Eólica Aerogeneradores

Hidráulica Turbinas

Biomasa Metabolismo Fotobiolisis

Fotocatálisis

Fotoelectrólisis

Electrólisisde Agua

FO

SIL

ES

Petróleo(derivados)

NUCLEAR

H I

D R

O G

E N

O

Procesos.Conversión energía

Fuentes Primariasde Energía

Fuentes Secundariasde Energía

Procesoscon aporte de

electricidad, aguay luz solar

H2

RE

NO

VA

BL

ES

Electricidad

CiclosTermo-

Eléctricos

(con aporte de energía ELECTRICA y FOTONICA)

Producción de Hidrógeno

Producción Anual de Hidrógeno ~ 8 EJ ≅ 65 Mt , 745 bcm

•• El 96% se produce a partir de combustibles fEl 96% se produce a partir de combustibles fóósilessiles

•• El 95% de la producciEl 95% de la produccióón es n es ““cautivacautiva”” (se consume (se consume ““in situin situ””))

Fuente: ETE 05 - OCDE/IEA 2007

Producción de Hidrógeno actual

Fuente: UNICAMP 2004

El uso actual del HEl uso actual del H22 es industrial, no energes industrial, no energééticotico

Uso del Hidrógeno en la actualidad

Para abastecer la demanda del sector transporte en 2030, habría que multiplicar la producción actual de H2 por 17

¿ Cuánto hidrógeno haría falta para atender toda la demanda energética

mundial del sector transporte ?

¿ Cuánto hidrógeno haría falta para atender toda la demanda energética

mundial del sector transporte ?

En 2030 se necesitarán 3300 Mtep ~ 137 EJ( Fuente: OCDE/IEA: World Energy Outlook 2009 )

Producción mundial anual de H2 es ~ 8 EJ (año 2007)

Carburos Metálicos.

Central de Producción de H2por Reformado de GN

Fuente: ETE 05 - OCDE/IEA 2007

Costes de Producción del Hidrógeno

Fuente: Agencia Internacional de la Energía, 2005

El mercado del Hidrógeno:Almacenamiento



- Producción

- Almacenamiento

- Transporte

- Distribución






•• Hidruros metHidruros metáálicos.licos.

•• LLííquido.quido.

•• Gas comprimido.Gas comprimido.

•• Nuevos materiales Nuevos materiales nanonano--estructurados.estructurados.

•• Materiales de CarbonoMateriales de Carbono

•• Compuestos quCompuestos quíímicos.micos.

Almacenamiento del Hidrógeno

44.546.350120Poder Calorífico Inferior (MJ/kg)

31.67 (MJ/l)86.5835.910.79Poder Calorífico

Inferior (MJ/m3)

0.73 (kg/l)1.870.720.09Densidad (kg/Nm3)

GasolinaPropanoMetanoH2Propiedad

El mercado del Hidrógeno:Transporte



- Producción

- Almacenamiento

- Transporte

- Distribución






Transporte del Hidrógeno

El transporte de hidrógeno por gasoducto requiere 4,6 veces más energía que el

transporte del gas natural (por unidad de energía transportada)

El transporte de hidrógeno licuado por barco o camión a largas distancias, lleva asociadas altas pérdidas de energía por

evaporación

La infraestructura de transporte de hidrógeno para fines energéticos se basará primero en la construcción e interconexión de una infraestructura de producción

distribuida y, posteriormente, centralizada.

( Hidrógeno en estado líquido 20.28 K )

El mercado del Hidrógeno:Logística de distribución



- Producción

- Almacenamiento

- Transporte

- Distribución






ALMACENAMIENTO Y DISTRIBUCIONALMACENAMIENTO Y DISTRIBUCIONALMACENAMIENTO Y DISTRIBUCION

Logística de Distribución de Hidrógeno

Utilización del Hidrógeno Transporte y Generación EstacionariaPilas de Combustible



3. Utilización del H2 :Fundamentos de Pilas de Combustible





Utilización del Hidrógeno como combustible para el transporte

Sistemas de propulsión

Vehículos Híbridos. Cadenas de tracción

Vehículo Híbrido con Motor Combustión


Freno Regenerativo

Motor de Combustión

Motor Eléctrico

Gasolina

Batería



Freno Regenerativo


Motor Eléctrico

Tanque H2

Batería



Freno Regenerativo


Motor Eléctrico

Tanque H2

Batería

Vehículo eléctrico con Pila de Combustible

Vehículo eléctrico con Pila de Combustible

Freno Regenerativo

Motor Eléctrico

Pila Combustible

Tanque H2

Batería

Gasolina y MCI

Hidrógeno y MCI

Hidrógeno yPila de Combustible

¿¿QuQuéé son las Pilas de son las Pilas de Combustible?Combustible?

Pilas de Combustible: Fundamentos



3. Utilización del H2 :Fundamentos de Pilas de Combustible





Definición

Una Pila de Combustible es un dispositivo electroquímico queconvierte directamente la energía química en energía eléctrica.

Energía Química

(Combustible+Oxidante)

Energía Eléctrica

Energía Térmica

Energía Mecánica

Motores Térmicos

Límite de Carnot

ηmáx =1-Tf/Tc

Pilas de Combustible

Combustióncon oxígeno

Generadorη ≈ 1


Principio de básico de funcionamiento(Pilas PEM)

AnodoAnodo CCáátodotodo

ElectrolitoElectrolito

Corriente elCorriente elééctricactrica

HidrHidróógenogeno

Ox

Ox íí

gen

og

eno

o A

ire

o A

ire

EscapeEscape


800-1000

600-650

200-220

50-100

70-80

80-100

T T operacioperacióónn

((ooCC))

H2 y CO del reformado

interno de gas natural o

gasificación de carbón

H2 de reformado de GN o metanol

Metanol diluido

H2 puro o de reformado de compuestos

hidrogenados

H2

CombustibleCombustible

100- 250 kW

100 kW-2 MW

50 kW-10 MW

0.01- 0.2

5-250 kW

5- 150 kW

PotenciaPotencia

40-50Polímeros

(PEM)

30-40Metanol Directo

(DMFC)

50-65Oxido sólidos

(SOFC)

45-60Carbonatos

(MCFC)

40-45Ácido Fosfórico

(PAFC)

60Alcalina(AFC)

RendimientoRendimiento(%)(%)

TecnologTecnologííaa

Pilas de Combustible: Tipos

Pilas de Combustible: Tipos vs Aplicaciones

Componentes (Pilas PEM)

MEMBRANAS y ELECTRODOS


MEA(Membrane Elecctrode Assembly)

Unidad básica conversión electroquímica

MONOCELDA

MEA + placas terminales



STACKApilamiento de varias monoceldasconectadas eléctricamente

Pilas PEM 2,5 y 5 kW, INTA (1996)

PLACAS BIPOLARESSeparación-Distribución GasesConducción de corriente

PLACAS TERMINALESActúan de terminales eléctricosy empaquetan el conjunto



Principio de funcionamiento

El número de celdas en el “stack” determina la tensión total.

El área de cada celda determina la intensidad total.

La potencia vendrá dada por el producto de la tensión y la intensidad.

La diferencia entre el calor de reacción y el trabajo eléctrico producido es evacuada en forma de calor que puede ser recuperado para otros usos.


Curva V-I Potencia P=VI

Características de operación

1,231,23

1,001,00

V=VV=Vidid--ηηoo--ηηactact--ηηΩΩ--ηηccvv

iii (i (mAmA/cm/cm22))

ηηoo

ηηactact

ηηΩΩ

ηηcc

PP

iii (i (mAmA/cm/cm22))


RENDIMIENTO ELECTROQUÍMICO

ε= εT. εV. εF

RENDIMIENTO ELECTROQUÍMICO

ε= εT. εV. εF

Rendimiento electroquímico- Rendimiento termodinámico

(Máximo intrínseco)

εT= ∆G/∆H = -nF Veq/∆H

- Rendimiento de Faraday

- Rendimiento de voltaje

εV= V/Veq

εF= I/Imax



Potencia vs Rendimiento

PPεε

i (i (mAmA/cm/cm22))

A carga parcial más rendimiento



Corriente ContinuaCorriente Continua

No almacenan energía(No necesitan recarga)

Almacenan Energía (Necesitan recarga)

PilasPilasBaterBaterííasas

Generación continuaGeneración continua

No límite CarnotLímite de Carnot

PilasPilasMotor C.I.Motor C.I.

Potencia y Energía

desacopladas



Comparación con Baterías y MCI

Ventajas/InconvenientesIntelligent Energy – Stack 75 kW

(EVS-21 – Monaco -2005)

Intelligent Energy – Sistema PC 10 kW

☺ Alta eficiencia.

☺ Respuesta rápida

☺ Sin emisiones.

☺ Carácter modular

☺ Silencioso.

Coste elevado.


Gas rico Gas rico en Hen H22HH22

Procesador de Combustible

“STACK” Acondicionador

de Potencia

Sistema de recuperación de calor

y potencia

CombustibleCCCC CA

Gas de Cola

Calor Residual

CA

Sistemas con pila de combustible

Aplicaciones Transporte (Automoción)

Aplicaciones Transporte (Automoción)

Aplicaciones EstacionariasAplicaciones Estacionarias


¿ Por qué el hidrógeno como combustible alternativo para el

transporte ?

H2 como vector energético: Aplicaciones en Transporte



3. Utilización del H2 :Transporte





Sistemas de Propulsión Terrestre basados en H2 y Pilas de Combustible

- Eficiencia -

Sistemas de PropulsiSistemas de Propulsióón Terrestre n Terrestre basados en Hbasados en H22 y Pilas de Combustibley Pilas de Combustible

-- Eficiencia Eficiencia --





4. El por qué del H2 en el transporte:

- Eficiencia

- Consumo energía

- Emisiones

- Capacidad de producción


6 El por qué del H2 en generación de potencia estacionaria

7 Infraestructura de utilización del H2 en generación estacionaria

Los MCI presentan su punto de operación óptimo (el que ofrece un menor consumo específico de combustible), en o cerca de su punto de máxima potencia.Las pilas de combustible tienen rendimientos mayores a cargas parciales (a máxima potencia su eficiencia es menor).

Sistemas de propulsión basados en H2 y PC: EFICIENCIASistemas de propulsiSistemas de propulsióón basados en Hn basados en H22 y PC: y PC: EFICIENCIAEFICIENCIA

Diferencia principal entre sistemas de tracción basados en pilas de combustible y en motores de combustión interna

Ref.: Frano Barbir, PEM Fuel Cells: Theory and Practice.


Sistemas de propulsión basados en H2 y PC: EFICIENCIASistemas de propulsiSistemas de propulsióón basados en Hn basados en H22 y PC: y PC: EFICIENCIAEFICIENCIA

Diferencia principal entre sistemas de tracción basados en pilas de combustible y en motores de combustión interna

Ref.: Frano Barbir, PEM Fuel Cells: Theory and Practice.

En un ciclo normal de conducción, en coches, motos y autobuses urbanos, la mayor parte del tiempo el motor opera a cargas parciales.

En estas condiciones, la eficiencia que se obtiene de los MCI está lejos de su máximo y las pilas de combustible pueden llegar a duplicar la eficiencia de los MCI.


Análisis del Ciclo de Vida del combustible“Del Pozo a las Ruedas” (“Well to Wheels”)

Consumo de energía y Emisiones

del Pozo al Tanque del Tanque a la Rueda



- Consumo de Energía -


-- Consumo de EnergConsumo de Energíía a --






- Eficiencia

- Consumo energía

- Emisiones





Sistemas de propulsión basados en H2 y PC: Consumo EnergíaSistemas de propulsiSistemas de propulsióón basados en Hn basados en H22 y PC: y PC: Consumo EnergConsumo Energííaa

• Las pilas de combustible ofrecen una clara reducción de consumo en el caso de las tecnologías de tracción por MCI que, hoy en día, son menos eficientes.

• En el caso de las mejores tecnologías (Diesel Inyección Directa CommonRail), las pilas solo consiguen una pequeña reducción.



- Emisiones -


-- Emisiones Emisiones --






- Eficiencia

- Consumo energía

- Emisiones





Sistemas de propulsión basados en H2 y PC: EmisionesSistemas de propulsiSistemas de propulsióón basados en Hn basados en H22 y PC: y PC: EmisionesEmisiones

Las pilas de combustible ofrecen una clara reducción de emisiones tanto en comparación con las mejores como con las peores tecnologías de tracción por MCI de hoy en día.



- Capacidad de producción de H2 -


-- Capacidad de producciCapacidad de produccióón de Hn de H22 --






- Eficiencia

- Consumo energía

- Emisiones





Potencial de Producción de Combustibles de Automoción de origen Renovable para Europa después de 2020

- Escenario Alternativo de LBST [EU15] -

¿ Es relevante el H2 frente a otros combustibles alternativos?¿¿ Es relevante el HEs relevante el H22 frente a otros combustibles alternativos?frente a otros combustibles alternativos?


Nº de Vehículos de pasajeros que pueden alimentarse a partir de Recursos Energéticos Renovables en Europa después de 2020 [EU15]

¿ Es relevante el H2 frente a otros combustibles alternativos?¿¿ Es relevante el HEs relevante el H22 frente a otros combustibles alternativos?frente a otros combustibles alternativos?


11 22 33

44 55 66

Automóviles propulsados por pila de combustible

1- Honda Clarity ; 2- Mercedes Clase B; 3- Toyota FCHV adv:

4- Kia Borrege FCEV; 5- GM Hydrogen4; 6- Cadillac Provoq

Algunos vehículos actuales

Uso del H2 en Pilas de Combustible

Automóviles propulsados por pila de combustible

7- Ford Fusion H2-999; 8- Tongji Passat; 9- Hyunday-i-blue;

10- Peugeot ePURE; 11- Suzuki WagonR FCV; 12- Audi A2

77 88 99

1010 1111 1212



1 2 3

4 5 6

Autobuses propulsados por pila de combustible

1- Daimler-Chrisler-Citaro; 2- Irisbus -Citycell; 3- Toyota Hino;

4- Tsingua Univ.; 5- MAN-Argemuc; 6- Autotram


1- Daimler-Chrisler-Citaro; 2- Irisbus -Citycell; 3- Toyota Hino;

4- Tsingua Univ.; 5- MAN-Argemuc; 6- Autotram




7- Scania; 8- Thor ThunderPower; 9- Proton Motors;

10- Ballard P4 Zebuss; 11- Neoplan; 12- Georgetown University


7- Scania; 8- Thor ThunderPower; 9- Proton Motors;

10- Ballard P4 Zebuss; 11- Neoplan; 12- Georgetown University

77 88 99

1010 1111 1212



Motocicletas propulsadas por pila de combustible:

1- Yamaha FC-Dii ; 2- Suzuki Crossage; 3- Yamaha FC-Aqel

4- Honda Cub; 5- Intelligent Energy ENV; 6- Japan Steel Works

1 2 3

4 5 6



“Rickshaw” a HidrógenoBaranas Hindu University (India)

“Rickshaw” a HidrógenoBaranas Hindu University (India)

Hidrógeno:Transporte Terrestre - Motocicletas

HidrHidróógeno:geno:Transporte TerrestreTransporte Terrestre -- MotocicletasMotocicletas

Vehículos especiales propulsados por pila de combustible:

1- Carretilla elevadora Exide-Ballard; 2- Vehículo carga maletas-Besel;

3- Vehículo golf – AJUSA; 4- Delfin - INTA; 5- HyChair - Besel

1 2 3

4 5



Locomotoras propulsadas por pila de combustible:

1- NE Train-Japan Railway Company; 2- Kawasak Fuel Cell Train;

3- BNSFRailway; 4- Rail Power Technologies

1 2 3

4



Aviones propulsados por pila de combustible:

1- Antares - DLR; 2- Boeing R&D Europe;

3- Avizor - INTA; 4- Helios – NASA; 5- Ion Tiger – US Navy

1 2

3 4 5



Algunos barcos propulsados por pila de combustible:

1- Nemo - Amsterdam; 2- Besel HyBoat;

3- Viking Lady (MCFC 320 kW); 4- U212 - HDW



Infraestructura de Utilización del Hidrógeno en el Transporte








Utilización del Hidrógeno: Transporte

Utilización de H2 en Transporte:

Vehículos con Pilas de Combustible

UtilizaciUtilizacióón de Hn de H22 en Transporte:en Transporte:

VehVehíículos con Pilas de Combustibleculos con Pilas de Combustible





5. La infraestructura de utilización del H2 en el transporte:

Vehículos con PC

Estaciones llenado.



Del análisis del pozo a las ruedas se puede concluir que la mayor ventaja en términos de reducción de emisiones y de aumento de la eficiencia, se logra con sistemas de propulsión con pila de combustible que utilicen hidrógeno obtenido

a partir de biomasa o a partir de agua por electrólisis con energía eólica

La falta de una infraestructura para la producción,

transporte, distribución y suministro final de hidrógeno

se considera el mayor obstáculo para la introducción de los vehículos con pila de

combustible

Tec

no

log

ía d

e p

roce

sad

o

Infraestructura de suministro

Tecnología en desarrollo

Prototipos demostrados

No se requiere proceso

Existe Tecnología familiar y bien conocida

Infraestructura y tecnología necesitan

desarrollo

HidrógenoHidrógeno

MetanolMetanol

GasolinaGasolina

Incremento Coste/Peso

Incremento Emisiones

Ford Motor Company

Figura 9: Comparación cualitativa de combustibles a utilizar en vehículos con pila de combustible (Fuente: Ford Motor Company)

Infraestructura de H2 : Vehículos con Pilas de CombustibleInfraestructura de HInfraestructura de H22 : : VehVehíículos con Pilas de Combustibleculos con Pilas de Combustible


El círculo vicioso …El círculo vicioso …No se fabricarán vehículos con pilas de combustible mientras no haya una infraestructura suficiente de estaciones de repostado de hidrógeno

No se construiráinfraestructura de estaciones de repostado de hidrógeno mientras no haya suficientes vehículos con pilas de combustible para repostar.

… ya se empieza a superar… ya se empieza a superar



La superación del círculo viciosoComercialización de FCVs y creación infraestructura H2

al mismo tiempo y con la misma dimensión



La superación del círculo viciosoInicio de creación de infraestructura de H2 en Europa

“H2 Mobility”(10 Sepbre. 2009)



Utilización de H2 en Transporte:

Estaciones de Llenado

UtilizaciUtilizacióón de Hn de H22 en Transporte:en Transporte:

Estaciones de LlenadoEstaciones de Llenado





5. La infraestructura de utilización del H2 en el transporte:

Vehículos con PC

Estaciones llenado.



Utilización del Hidrógeno: Estaciones de llenado

¿Producción centralizada y transporte del H2 o producción “in situ”?


Infraestructura de Hidrógeno: Estaciones de llenadoInfraestructura de HidrInfraestructura de Hidróógeno: geno: Estaciones de llenadoEstaciones de llenado


Infraestructura de Hidrógeno: Estaciones de llenadoInfraestructura de HidrInfraestructura de Hidróógeno: geno: Estaciones de llenadoEstaciones de llenado

Utilización del Hidrógeno en generación de electricidad

Potencia Estacionaria

¿ Por qué el hidrógeno en la generación de potencia

estacionaria ?



3. Utilización del H2 :Generación estacionaria





Generaciónde PotenciaGeneraciónde Potencia

• Centralizada

• Distribuida

Hid

roca

rbur

os

Reducción de emisiones GEIReducción de emisiones GEI

Economía de escala a favorUsos limpios del C.Filtrado de gasesCaptura CO2

• Estacionaria:Tamaño y disponibilidad de espacio en contra.

• Móvil: No es posible

Nuevos portadores de energía:Hidrógeno y Electricidad

Utilización del Hidrógeno: Generación Estacionaria

Reducción de emisiones en generación de potencia estacionariaReducciReduccióón de emisiones en generacin de emisiones en generacióón de potencia estacionarian de potencia estacionaria

Hidrógeno y Electricidad

Hidrógeno

ElectrolizadorElectrolizador Pila de Pila de CombustibleCombustible

OO22

AguaAgua

Red eléctrica

Red de gas

El concepto “Hydricity”

Geoffrey Ballard, el fundador de Ballard Power Systems, acuñó el término “hydricity” para describir un nuevo sistema energético en el que el hidrógeno y la electricidad se utilizan indistintamente como portadores de energía intercambiables.

Los excedentes de electricidad pueden usarse para electrolizar agua en sus constituyentes H2 y O2, y el H2 almacenado puede utilizarse posteriormente para regenerar electricidad o como combustible para el transporte.

Hidrógeno

ElectrolizadorElectrolizador Pila de Pila de CombustibleCombustible

OO22

AguaAgua

Red eléctrica

Red de gas

Hidrógeno en Integración de Renovables

Incremento de la producción eólica

Requisitos de regulación y control


Incremento de la producción eólica

Requisitos de regulación y control

! ? Electricidadno

despachable

Producción de Hidrógeno a partir de Energía Eólica

Bus DC

Electrolizador

H2

H2O

InterfaceGenerador

InterfaceRed

Electrónica de potencia - Gestión de carga

H2 despachable

(electrolizador como carga gestionable)


! ?


Producción de Hidrógeno a partir de Energía Eólica

H2 para electricidad despachable

Bus DC

Batería Pila Combust.

MCI, Turbina

H2

H2O

Electrónica de potencia - Gestión de carga

InterfaceGenerador

InterfaceRed

Electrolizador

Proyecto de la isla de UTSIRA (Noruega)


RES2H2Integration of RES into European energy sectors using H2

( EC-5FP, Contract nº ENK5-CT-2001-00536 )

Proyecto RES2H2: Islas Canarias y Griegas



Proyecto SOTAVENTO

Generación de potencia estacionaria con Pilas de Combustible

Contenido:1. Combustibles

alternativos para el transporte.

2. Fundamentos de H2y Pilas.






GAS NATURAL: Su interacción con la economía del hidrógeno

Para uso residencial y comercial, el gas natural parece la elección más adecuada dado que la red de distribución está muy desplegada (de hecho la mayor parte de los sistemas de pilas de combustible estacionarias consumen gas natural).

Ventajas potenciales de las pilas de combustible en generación de potencia estacionaria: 4.- Flexibilidad en la elección del CombustibleVentajas potenciales de las pilas de combustible en generaciVentajas potenciales de las pilas de combustible en generacióón de n de potencia estacionaria:potencia estacionaria: 4.4.-- Flexibilidad en la elecciFlexibilidad en la eleccióón del Combustiblen del Combustible

Generación Estacionaria con Pilas de Combustible

La tecnologLa tecnologíía del Ha del H22 y las y las pilas de combustible y la pilas de combustible y la GeneraciGeneracióón de Empleon de Empleo

¿Cuántas patentes se hacen anualmente en H2 y pilas, en relación con las de energías renovables?Fuente: Estudio de CleanTech Group sobre datos de la Oficina de Patentes americana

H2 y las pilas de combustible: Generación de Empleo

Ya hay mercado, ya hay 40.000 empleos(Fuente: Fuel Cells 2000, Febrero 2011)


El alto crecimiento en el sector de los vehículos ligeros podría ampliar las oportunidades laborales que comienzan alrededor de 2020, con la creación estimada de 675.000 nuevos puestos de trabajo netos para el año 2035.Fuente: U.S. DOE, Effects of a Transition to a Hydrogen Economy on Employment in the United States: Report to Congress, July 2008.

Existen grandes expectativas.Un último datoUn último dato


Resumen y ConclusionesResumen y Conclusiones

Es el elemento más abundante del Universo, pero no se encuentra libre en la Tierra.

No es un recurso natural, el hidrógeno hay que producirlo

El hidrógeno puede producirse a partir de muy variados recursos

(agua, recursos fósiles, biomasa, microorganismos, …),…

… siguiendo diversos procesos de transformación

(electrólisis, gasificación, reformado, fotoelectrólisis, fotobiólisis, …)

1.1.

2.2.

HIDROGENO: FundamentosHIDROGENO:HIDROGENO: FundamentosFundamentos

Por la diversidad de recursos, la utilización del vector H2 implica mayor seguridad de abastecimiento energético y mayor acceso a la energía.

Todos los procesos de transformación suponen un gasto energético, cuyos costes son asumibles (al igual que sucede con la electricidad), pero a diferencia de la electricidad, el hidrógeno es almacenable

Por la diversidad de recursos, la utilización del vector H2 implica mayor seguridad de abastecimiento energético y mayor acceso a la energía.

Todos los procesos de transformación suponen un gasto energético, cuyos costes son asumibles (al igual que sucede con la electricidad), pero a diferencia de la electricidad, el hidrógeno es almacenable

H2 como vector energético

3.3. El almacenamiento, transporte y distribución de hidrógeno no presenta dificultades técnicas (comprimido, licuado, hidruros metálicos, compuestos químicos intermedios,…), pero es “costoso”.

4.4. Para su utilización el hidrógeno puede combinarse con el oxígeno por procesos térmicos (MCI, turbinas) o electroquímicos (pilas de combustible) para generar energía mecánica o eléctrica con una emisión solo de vapor de agua.

HIDROGENO: FundamentosHIDROGENO:HIDROGENO: FundamentosFundamentos

En su uso final el hidrógeno es intrínsecamente limpio y si se tiene en cuenta toda la cadena desde su producción al uso final, el hidrógeno como vector ofrece reducciones de emisiones de GEI.

En su uso final el hidrógeno es intrínsecamente limpio y si se tiene en cuenta toda la cadena desde su producción al uso final, el hidrógeno como vector ofrece reducciones de emisiones de GEI.

H2 como vector energético

PILAS DE COMBUSTIBLE: FundamentosPILAS DE COMBUSTIBLE:PILAS DE COMBUSTIBLE: FundamentosFundamentos

1.1. Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte directamente la energía química en energía eléctrica (sin transformación intermedia a energía térmica y mecánica).

2.2. Las pilas de combustible presentan más eficiencia que los motores de combustión interna (no están sometidas al límite del ciclo de Carnot).

Transporte, Portátil, Estacionario baja potencia

35-4570-80Polímeros(PEMFC)

Portátil30-4050-100Metanol Directo (DMFC)

Transporte, Estacionario50-65800-1000Oxido sólidos

(SOFC)

Estacionario alta potencia45-60600-650Carbonatos

Fundidos (MCFC)

Estacionario media potencia40-45200-220Ácido Fosfórico

(PAFC)

Espacio, Submarinos6080-100Alcalina (AFC)

AplicacionesRend. (%)T (oC)Tecnología

Transporte, Portátil, Estacionario baja potencia

35-4570-80Polímeros(PEMFC)

Portátil30-4050-100Metanol Directo (DMFC)

Transporte, Estacionario50-65800-1000Oxido sólidos

(SOFC)

Estacionario alta potencia45-60600-650Carbonatos

Fundidos (MCFC)

Estacionario media potencia40-45200-220Ácido Fosfórico

(PAFC)

Espacio, Submarinos6080-100Alcalina (AFC)

AplicacionesRend. (%)T (oC)Tecnología

3.3. Existen diferentes tecnologías de pilas de combustible que permiten su uso en distintas aplicaciones(transporte, generación estacionaria, telecomunicaciones, aplicaciones portátiles, etc.) y con variados rangos de potencia (desde vatios a megavatios).

Intelligent Energy – Sistema PC 75 kW

PILAS DE COMBUSTIBLE: FundamentosPILAS DE COMBUSTIBLE:PILAS DE COMBUSTIBLE: FundamentosFundamentos

4.4. Tienen carácter modular, el número de celdas del “stack” determina la tensión total y el área de las celdas determina la intensidad de corriente.

5.5. A diferencia de los motores de combustión interna, las pilas de combustible presentan más eficiencia a carga parcial,...

PPεε



PPεε



… y, además, a diferencia de las turbinas de gas, mantienen la eficiencia con potencia bajas.

La visión de la economía del H2 se basa en la expectativa de que el hidrógeno pueda producirse a partir de recursos domésticos, de forma económica y medioambientalmente aceptable y en que las tecnologías de uso final del hidrógeno (pilas de combustible) ganen una cuota de mercado significativa.

En la medida que se alcancen estas expectativas, una economía del hidrógeno beneficiará al mundo proporcionando:

Mayor seguridad energética.

Mayor calidad medioambiental.

Alcanzar este objetivo requiere superar muchos desafíos técnicos, sociales y políticos.

La visión de la economía del H2 se basa en la expectativa de que el hidrógeno pueda producirse a partir de recursos domésticos, de forma económica y medioambientalmente aceptable y en que las tecnologías de uso final del hidrógeno (pilas de combustible) ganen una cuota de mercado significativa.

En la medida que se alcancen estas expectativas, una economía del hidrógeno beneficiará al mundo proporcionando:

Mayor seguridad energética.

Mayor calidad medioambiental.

Alcanzar este objetivo requiere superar muchos desafíos técnicos, sociales y políticos.sociales y políticos.

La Economía del HidrógenoLa Economía del Hidrógeno

Muchas gracias por vuestra atención

Hidrógeno y Pilas de Combustible

Antonio González García-CondeVice-Presidente de la Asociación Española del Hidrógeno

Director Departamento Aerodinámica y Propulsión – INTA

www.inta.es www.aeh2.org

Coche Hidrógeno Coche Gasolina

Ensayo de incendio en coche con H2 y con gasolina

La seguridad del Hidrógeno

t = 0

t = 3 segundos







t = 1 minuto

t = 1 m 30 s




2013-03-01-euita-etsia-eiae-h2 y pilas - universidad politécnica de …....

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