combustible hidrgeno para el ciclo rankine

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educación química para un futuro sostenible educación química • abril de 200176

educación química para un futuro sostenible

1 Fes- Zaragoza, UNAM.

Correo electrónico: [email protected] Instituto de Ingeniería, UNAM.

Correo electrónico: [email protected]

Recibido: 21 de noviembre 2007; aceptado: 29 de octubre 2008.

Combustible hidrógenopara el ciclo RankineRaael Sánchez Dirzo1 y Rodolo Silva Casarín2

AbstrAct (Hgn Ful f rankin cl)As we become more conscious o the problem o global warming, CO2 is seen as the principalvillain in the drama, though it is not the only substance involved. Since the production o CO 2 comes mainly rom motor vehicles and electricity-generating processes, most investigation isocused on energy saving and improving eciency in these two areas.In this paper we address the question o electricity generation. The Rankine cycle is the meansby which most electricity is generated, using heat combustion, with consequent pollutingemissions. By changing the combustion material, rom oil, gas or coal, to hydrogen, as inelectrolysis cycles, we could eliminate the emissions and recycle the hydrogen.At present only 2% o the electricity generated worldwide comes rom renewable, non-polluting sources (sun, wind and sea). In this article we look at the possibility o harnessing

sea power to produce the energy required to burn hydrogen in an innovative Rankine cyclewhich would allow us to produce electricity without urther contaminating the planet.

Keywords: Rankine cycle, uel cycle, renewable energies, process fow diagrams.

IntroducciónEl bióxido de carbono, CO2, es la sustancia química más céle-bre por el eecto invernadero que está causando sobre el pla-neta pero no es la única. Producto de los procesos de combus-tión del petróleo, gas natural, carbón y madera, su presencia

en la atmósera rebasa ya las 380 ppm y va en aumento, el lí-mite considerado para un cambio climático irreversible es de500 ppm. Los pronósticos más pesimistas indican que se lle-gará al mismo a mediados del siglo.

Ya que el CO2 proviene de la combustión de los hidrocar-buros utilizados en los automóviles y las centrales de potenciaeléctrica principalmente, la investigación para disminuir supresencia se centra en incrementar la eciencia y los ahorrosde dichos dispositivos pero, pese a los notables avances que laingeniería ha logrado en estos rubros ello aún no es suciente.Del total de la electricidad generada en el mundo, 39.8% pro-viene de quemar carbón, 19.6% de quemar gas natural,15.7% de sionar el núcleo de uranio, 6.7% de quemar los lí-quidos del petróleo, 16% de las hidroeléctricas y el resto, me-nos de 2%, de las energías del mar, sol y vientos. Estas últimas,tecnologías que no emiten CO2 al generar electricidad, tienenmarginal presencia en la industria energética y son conside-

radas tan sólo como promisorios “juguetes cientícos”.Las centrales de potencia operan basadas en ciclos term

dinámicos conocidos como Rankine y Brayton, y cuando opran juntos se les llaman ciclos combinados; éstos orman parde un grupo de ciclos que sostienen todo el movimiento d

las sociedades contemporáneas. Disminuir no solamente presencia del CO2 en el planeta sino el resto de sustancias qula contaminan como los productos de los enómenos de combustión, signica incidir en tales ciclos para innovarlos. Al mmento las mejoras a los ciclos Rankine y Brayton se han centrado en variar las condiciones de presión y temperatura de fuido motor, mejorar la composición de su combustible (qutar compuestos de azure por ejemplo), usar materiales mresistentes, mejorar el diseño de sus turbinas y aplicar sistmas de control automatizado, lo que ha permitido, para caso de las mejores centrales eléctricas que son precisamende ciclos combinados, alcanzar el 60% de eciencia, logro ntable en tanto que el promedio de las centrales de potencconvencionales —que siguen siendo mayoría— es de 34%.

Existe una posibilidad adicional de innovación y es el cambio de combustible. De quemar hidrocarburos a quemar hdrógeno se tendría la alternativa de operar un ciclo del combustible toda vez que el hidrógeno tiene la capacidad volverse a reciclar, una propiedad notable que está uera dalcance del resto de los combustibles y que la economía lineclásica no considera cuando se determinan sus costos de prducción. La investigación del hidrógeno como combustible ha centrado en su uso al transporte, destacadamente la indutria aeroespacial, y la generación de electricidad mediante lceldas de combustible. Pero hay un área que este trabajo pr



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tende resaltar: la alternativa de usar el hidrógeno como com-bustible para operar el ciclo Rankine (en los últimos lustrosen combinación con el ciclo Brayton).

El problema del combustibleLos ciclos de potencia que sostienen el movimiento de la in-raestructura material de nuestras sociedades modernas son:Otto y Diesel, que mueven a los millones de autos y maqui-naria pesada; Brayton, que hace volar aviones y cohetes; Ran-kine y Brayton, que separados o combinados producen casitoda la electricidad en el mundo, y el ciclo de Carnot, quesustenta el desarrollo teórico de todos ellos. Existen dos ciclosadicionales que poco a poco se abren paso en la ingenieríaconocidos como ciclo Stirling y ciclo Ericsson. Todos estosciclos pueden encontrarse en los textos de termodinámica yrepresentan uno de los más notables resultados de la interac-ción entre la ciencia y la tecnología, sin la cual sería inconce-bible nuestra civilización. Hasta el momento la mayor parte

de la energía para operar estos ciclos proviene de quemar hi-drocarburos y en menor medida de sionar el núcleo de ura-nio. En promedio los hidrocarburos usados como combusti-bles tienen un calor de combustión de 40 MJ por cadakilogramo de combustible quemado.

En la práctica las reacciones de combustión que se llevan acabo para operar los ciclos de potencia están muy lejos de serelementales. Lo que se quema son mezclas de extrema com-plejidad y se les denominan genéricamente natas, mazutes,gasolinas, combustóleos, diéseles, turbosinas y GLP (Gases Li-cuados a Presión) cuando son líquidos; biogas, gas natural ysingas cuando son gases, y biomasa, lignitos, esquistos, turbas,

hullas, coques, bagazos, carbonos y leñas cuando son sólidos.Algunos hidrocarburos se presentan en dos o tres estados deagregación como los betunes, ceresinas y paranas. Cada com-bustible debe poseer propiedades sicoquímicas especícaspara ser usado en una u otra máquina y su caracterización esuna tarea undamental para el correcto uncionamiento de lasmismas. Las centrales eléctricas que utilizan hidrocarburoscomo combustible emiten al ambiente diversas sustancias; unejemplo lo son las centrales que queman carbón o combustó-leo, y las nucleoeléctricas de 1 GW de capacidad instalada—para comparar México tiene una capacidad instalada de50 GW—, que emiten al ambiente los promedios mostradasen la tabla 1 (Culp, 1991).

Sólo las emisiones de las centrales eléctricas lanzadas alplaneta entero son impresionantes. Si se suma las que el trans-porte genera, los contaminantes se cuantican en miles demillones de toneladas al año. El problema de disminuirlasconlleva el problema de quemar menos y utilizar más ecien-temente el petróleo, carbón, gas natural y leña, y de ahorrar yhacer un uso razonable de su consumo. Esto en sí sería ungran avance y signicaría parte de la solución al problema. Laotra parte lo es sin duda el desarrollo de las uentes de energíarenovables, particularmente obtener energía eléctrica de losmares, vientos y sol. Conociendo la naturaleza caótica de talesuentes es necesario desarrollar técnicas para almacenar quí-

micamente parte de su inmensa potencialidad. Tal almacena-miento puede lograrse mediante el acoplamiento de los siste-mas para captar a las renovables y las plantas de electrólisis de

agua. Estas últimas pueden diseñarse para responder al carác-ter irregular y diuso de las primeras, lo que conllevaría a abrirla posibilidad de plantear la producción masiva del hidrógenoen su unción de combustible.

Plantas de electrólisis:la producción industrial del hidrógenoEn la actualidad el 96% de las 65 millones de toneladas al añode hidrógeno —equivalente a 8 EJ, menor que el 2% del su-ministro total de energía primaria en el mundo—, es obtenidode la reorma del metano, renerías y gasicación del carbón(IEA, 2007). El resto se obtiene por la electrólisis del agua.

Hasta para la obtención del hidrógeno la participación de loshidrocarburos es notable. No será ácil revertir esta realidadaunque el conocimiento básico para hacerlo ya existe. Elcuestionamiento más uerte que se le ha hecho al hidrógenocomo combustible es de tipo económico. El inorme de la IEAantes aludido muestra que en eecto su producción por elec-trólisis es en promedio de dos a tres veces más costosa que suobtención por medio de la reorma del gas natural y comoenergético cuesta al menos el doble que por ejemplo la gaso-lina. Pero si se consideran los costos ocultos de la quema delos hidrocarburos en su impacto negativo sobre la salud y losecosistemas, resulta que éstos son iguales o más caros que elhidrógeno si consideramos también que éste se puede reciclaren el caso de usarse en la generación de electricidad. En otraspalabras, si bien el hidrógeno es más oneroso que el carbón,combustóleo y gas natural —combustibles utilizados en lascentrales de potencia—, la cantidad requerida de hidrógenoes mucho menor para generar la misma cantidad de electrici-dad, con la ventaja adicional de que puede ser reciclado. Elpapel de combustible que el hidrógeno puede jugar en eltranscurso del siglo XXI hace necesario que el proceso deelectrólisis empiece a buscar las economías de escala. Aun-que la electrólisis es una tecnología madura y comercial seenrenta al complejo problema de alimentarse de electricidadque no provenga de la quema de los hidrocarburos sino de la

Tabla 1. Emisión de contaminantes en centrales de 1 GW.

Emisiones Carbo-

eléctricas

Termo-

eléctricas

Nucleares

(ton/año)

CO2 7,800,000 4,700,000 0

SO2 40,000 91,000 0NOx 9,500 6,500 0

Sólidos– cenizas– polvos– productos de fsión– combustible gastado

330,000

6,00000

0

6,50000

00

0.930




generada por las energías renovables: sol, vientos y mares. Talproblema está siendo resuelto con éxito en los diversos ren-tes de la innovación tecnológica. Así el desarrollo de sistemasque acoplen paneles otovoltaicos con plantas de electrólisistiene años de investigación y desarrollo (Koukovinos et al., 1982; Stahl et al., 1995; Abaoud et al., 1998; Meurer et al., 2000). Lo mismo se podría decir del acoplamiento de aeroge-neradores y plantas de electrólisis (Bechrakis et al., 2006;Thanaa et al., 2006). El acoplamiento de dispositivos océano-motrices con plantas de electrólisis empieza a investigarsecon prototipos de tipo fotante (Temeev et al., 2006). Todoestá dispuesto para el desarrollo de los sistemas híbridos aescala industrial donde el acoplamiento de las diversas uen-tes alternas con los sistemas de electrólisis pueda generar almenos el 20% del suministro total de energía requerida por elmundo, concentrada en el hidrógeno para los próximos 50años. El reto de transormar las corrientes, olas y ondas mari-nas, el fujo de otones solares y las corrientes de aire en la

electricidad que alimente a las centrales de electrólisis es unatarea con respuestas positivas y que deben ser abiertamenteapoyadas por la sociedad. El problema está pasando de la es-cala de la investigación básica a los niveles de investigación dela ingeniería básica y de detalle.

Se requiere también una diusión masiva de los logros has-ta ahora alcanzados en la sustitución de los hidrocarburoscomo combustibles para conocimiento de nuestras socieda-des que, a nal de cuentas, son las que decidirán qué uturoconstruir: uno donde los hidrocarburos sigan predominandocomo energéticos u otro, donde las renovables tengan unamayor participación. Describir en este breve espacio los ru-

tos de la ingeniería para resolver este problema no es posible,la bibliograía crece (Sørensen, 2004; Volker, 2005) y los pro-totipos en ideas, diseños, pruebas y comercialización se cuen-tan por decenas, considerándose entre los más ingeniosos queel hombre ha concebido para desplazar a los hidrocarburoscomo combustibles.

Las plantas de electrólisis no sólo son una tecnología ma-dura y comercial sino que sus innovaciones como plantas deproceso se equiparan a las de la industria petroquímica e in-cluso las superan por la expectativa utura que se ha deposi-tado en ellas. Estas plantas se diseñan y construyen desde es-cala de laboratorio, pasando por planta piloto hasta nivelesindustriales y su diseño es versátil y modular. Por desgraciaexisten pocas empresas dedicadas a su innovación, diseño,construcción, operación y mantenimiento. En el uturo estova a ser muy costoso para los países en desarrollo, ya que setendrán que importar como actualmente se importan lasplantas petroquímicas. Las centrales de electrólisis modernasson capaces de trabajar con agua en ase vapor lo que incre-menta su eciencia (Kreuter, 1998; Sigurvinsson, 2007). Pue-de ser simulado su comportamiento como planta de proceso(Vanhanen, 1994; Rzayeva, 2001) y se reportan también as-pectos de optimización (Kothari, 2006). A estas alturas sepuede cuestionar: “Si ya produje la electricidad con energíasrenovables, ¿no sería mejor utilizarla para satisacer otras ne-

cesidades en lugar de emplearla en producir hidrógeno pavolver a producir electricidad?” La respuesta se está encotrando en la investigación simultánea de ambas tareas. Comarriba se armó, la naturaleza de las energías renovables intermitente (aleatorio y “caprichoso”, no responden en momento preciso en que requerimos su energía) y diusa (potencia en la unidad de área es baja) lo que obliga a disponde algún tipo de almacenamiento. El almacenamiento madecuado lo es sin duda el almacenamiento químico en ormde hidrógeno por medio de la electrólisis de agua. Las plantde electrólisis pueden responder a tal naturaleza de las renvables logrando concentrar su energía ya que el calor de combustión del hidrógeno es tres veces mayor que el de cualquihidrocarburo y, adicionalmente, su producto es agua que pude volverse a reciclar rompiendo su molécula por medio las energías renovables. De un ciclo del combustible se puehablar. En escenarios que avorezcan la generación de electcidad proveniente de las renovables, parte de la energía de ést

deberá ser almacenada y el resto, en eecto, podrá consumirdirectamente y en el momento en que se produce.

Integración del ciclo del combustiblehidrógeno al ciclo RankineTeniendo disponible el combustible hidrógeno a partir de energía híbrida del sol, vientos y mares, el segundo problema resolver es cómo utilizarlo para operar el ciclo Rankine. proceso clásico del ciclo Rankine se muestra en el diagrama Su descripción es la siguiente: la caldera es alimentada coagua líquida por medio de una bomba. El agua se vaporiza la caldera al recibir el calor de combustión de algún combu

tible particular obtenido del petróleo, gas natural y/o carbóy pese a que los productos de la combustión son tratados, lemisiones no pueden evitarse. El vapor que sale de la caldese lanza en orma de chorro hacia la turbina a la que se acopla un generador eléctrico. El vapor luego de realizar trabajo se envía al condensador donde retorna a su ase líquda y ésta se vuelve a bombear hacia la caldera, donde el cicse reinicia. No existe proceso sicoquímico más simple y qumás haya contribuido a elevar el bienestar de la humanidque el ciclo Rankine. Sus innovaciones, en el caso del tratmiento a las emisiones inevitables al ambiente se han concetrado en la instalación de ltros, lavadoras para desulurar gas de chimenea, reactores catalíticos para disminuir las emsiones de los compuestos de nitrógeno, precipitadores eletrostáticos y captura y almacenamiento de CO2 (Beér, 200Hawkins et al., 2006; IEA, 2007). Considerables inversionse llevan a cabo para modernizar las centrales de potencincrementar su eciencia y disminuir sus emisiones. Esto plausible y deberá seguirse haciendo pero mostremos ldiagramas que describen cómo hacer uso del ciclo hidrógencomo combustible, para operar el ciclo Rankine.

Mostremos dos posibilidades de integrar el ciclo del combustible hidrógeno al ciclo Rankine. Esto se muestra en ldiagramas de proceso 2 y 3; las dierencias entre éstos son loperaciones unitarias de las guras 4a y 4b.




Elegir una o ambas opciones es un problema que la inge-niería básica en curso está investigando. Nos encontramos enuna de las ronteras del conocimiento en ingeniería energéticamás interesantes y pertinentes toda vez que resolviendo cuálproceso elegir (que podrían ser ambos), los sistemas de ener-gía renovables particularmente el sol, vientos y mares, podríancompetir con las centrales de energía basadas en los hidrocar-buros y en la sión del uranio. Siendo optimistas también po-drían disputar los millonarios recursos que actualmente seestán invirtiendo en la usión nuclear.

Las razones cualitativas para armar esto son las siguientes:

1. Comparando el diagrama 1 con el 2 y 3, resalta la die-rencia más importante: no hay emisiones en estos últi-mos. El ciclo sicoquímico del agua descrito en la ele-mental reacción H2 + ½O2qeH2O así lo permite.

2. En el diagrama 1 las etapas de transormación para obte-ner el combustible que opera al ciclo Rankine se originan

en la exploración y explotación de miles de pozos en loscuales menos del 40% del petróleo contenido en ellos esextraído; de aquí pasa a las renerías, donde diversoscombustibles son obtenidos para ser usados en automóvi-les, aviones, barcos y centrales de energía convencionales.Hay que hacer reerencia al transporte de los diversoscombustibles en orma de miles de kilómetros de ductos,buques, carros-tanque y los gigantescos sistemas de alma-cenamiento de los mismos. Esta red de exploración, ex-plotación, transormación, transporte, almacenamiento yquema de los hidrocarburos es mundial. Se ha construidoen el transcurso de más de 100 años y seguirá acompa-

ñando a las uturas generaciones durante muchos añosmás. Pero los diagramas 2 y 3 muestran otra manera deconcebir, diseñar y construir nuestras uturas centrales depotencia de nuevo tipo. Éstas se levantarían en áreas don-de el sol, vientos y mares abunden. Son zonas costeras lasque llenan tales exigencias y México está rodeado delas mismas.

Las razones cuantitativas son:

1. En los primeros resultados numéricos utilizando eldiagrama 2 para una central de 1 GW de capacidad (Dir-zo, 2007), resulta que si bien producir hidrógeno es máscaro que los hidrocarburos, se requiere en menor canti-dad para producir los mismos kWh de electricidad, con laventaja insuperable de que se puede reciclar.

2. La reacción H2 + ½O2 qe H2O genera de dos a tresveces más energía que cualquier combustible hidrocar-buro. En principio es posible llevarla a cabo durante unproceso adiabático, lo que conllevaría a elevar el gradien-te de temperatura y con el mismo al incremento en laeciencia del ciclo Rankine. En el ejemplo numérico cita-do un ciclo Rankine simple sin hacer uso de todos losadelantos tecnológicos con los que cuentan las modernascentrales de potencia y con la simplicación de que todos

Diagrama 3. Central de potencia operada con renovables.

Diagrama 1. Ciclo Rankine.

Diagrama 2. Central de potencia operada con renovables.

Diagrama 4. (a) Combustión sumergida, y (b) Intercambiador

de calor.

(a) (b)




sus procesos ueran reversibles, alcanzó la eciencia de50%, muy por encima del 34% que es la eciencia pro-medio de las plantas instaladas actualmente.

3. El manejo de la reacción adiabática del hidrógeno se en-cuentra al alcance de la tecnología moderna. Si bien rela-tivamente alta (dentro de magnitudes de los miles degrados) representan temperaturas mucho más bajas quelas necesarias para dominar la usión nuclear cuyas mag-nitudes son de millones de grados. Esto es sobresaliente,ya que en la química del hidrógeno para ormar agua esdonde se pueden encontrar soluciones más adecuadasal dilema de la energía que en la ísica de sus isótopos, eldeuterio y el tritio, para ormar helio. Esto deberían con-siderarlo los gobiernos que han apostado más por la u-sión de los núcleos de hidrógeno que por el elementalintercambio de su solitario electrón.

Los diagramas 2 y 3 ilustran una metodología de ingeniería

que permite el desarrollo sistemático de las energías renova-bles, su almacenamiento químico y su valoración técnico-económico respecto a los hidrocarburos como combustibles.Esta investigación orma parte de la rontera del conocimien-to de la ingeniería en su área energética y se encuentra enmarcha junto al desarrollo de tecnologías para hacer de lasrenovables la uente principal del suministro mundial de elec-tricidad durante el transcurso del siglo XXI, (Goltsov et al., 2005; Verheij, 2007; Zweibel et al., 2008; Dirzo, 2008).

ConclusionesLa inraestructura energética de la sociedad actual está sus-

tentada en los hidrocarburos y lleva más de cien años constru-yéndose. La presencia de los hidrocarburos como energéticosseguirá siendo undamental a lo largo del siglo XXI. Sería tri-vial pensar que de un día para otro se pudiera sustituirla conlas renovables pese a que se tiene el conocimiento básico parahacerlo. El asunto es más complejo de lo que estas líneas pu-dieran transmitir. El dilema energético no admite solucionesúnicas, económicas y a corto plazo. Todo lo contrario: cual-quier desarrollo tecnológico que se proponga será caro, a lar-go plazo y, en caso de ser exitoso, seguramente sólo ormaráparte de un universo de soluciones necesarias. Pero entre másproyectos se abran y tengan el apoyo suciente, mejor estare-mos preparados para disminuir la presencia de los hidrocar-buros como energéticos aumentando su presencia en la in-dustria petroquímica donde adquieren su máximo valor. En elcaso de la generación de energía eléctrica dos propuestas deingeniería de procesos ueron presentadas y sus principalesortalezas consisten en: (a) carecen de emisiones al ambiente,y (b) revierten las desventajas de intermitencia y diusión delas energías renovables por medio de técnicas de almacena-miento químico para obtener hidrógeno como combustiblede una manera continua, segura y eciente.

Las propuestas también permiten la valoración sistemáticade las variables técnico-económicas que haría que las energías

renovables puedan sustituir, lenta pero ininterrumpidamena los hidrocarburos en su unción de producir electricidad a largo del siglo XXI.

Esto orma parte de los proyectos de desarrollo que la igeniería está realizando en la actualidad y requiere la particpación creativa de jóvenes interesados en resolver uno de lproblemas más acuciantes y apasionantes de nuestra era: dilema energético.

In MemoriamEncontrándose en discusión este artículo llegó la noticia de partida sin retorno de Leonardo Cabrera, ingeniero químiperito constructor de plantas de proceso. Hará mucha alcuando empecemos a construir la primera central costera potencia alimentada por el sol, vientos y mares. A su memorse dedica este trabajo.

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