el futuro de la energía: hidrógeno y pilas de combustible
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El futuro de la energía: Hidrógeno y Pilas de Combustible. Leire Romero Elu Responsable I+D Fundación para el Desarrollo de las Nuevas Tecnologías del Hidrógeno en Aragón. Indice. Introducción. Hidrógeno: materia prima y vector energético. La oportunidad del hidrógeno y las pilas. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
El futuro de la energía: Hidrógeno y Pilas de Combustible
Leire Romero EluResponsable I+DFundación para el Desarrollo de lasNuevas Tecnologías del Hidrógeno en Aragón
Indice
Introducción
Hidrógeno: materia prima y vector energético
Producción de hidrógeno
Hidrógeno y energías renovables
Pila de combustible
Automoción y motores
La iniciativa de Aragón
Almacenamiento y distribución
La oportunidad del hidrógeno y las pilas
Introducción
Agotamiento de combustibles fósilesParadigmas energéticos
61.761.7 % %
11.711.7 % %9.49.4 % %8.58.5 % %5.15.1 % %3.53.5 % %
Source: BP Statistical Review of World Energy 2005
Agotamiento de combustibles fósiles
Reservas probadas de petróleoReservas probadas de petróleo (2005)(2005)
Petróleo
Agotamiento de combustibles fósiles
40.840.8 % %
35.735.7 % %
7.97.9 % %7.87.8 % %4.84.8 % %4.04.0 % %
Source: BP Statistical Review of World Energy 2005
Gas natural
Reservas probadas de gas naturalReservas probadas de gas natural (2005)(2005)
Agotamiento de combustibles fósiles
Source: BP Statistical Review of World Energy 2005
32.632.6 % %
31.631.6 % %
28.028.0 % %
5.55.5 % %2.12.1 % %
Carbón
Reservas probadas de carbónReservas probadas de carbón (2005)(2005)
Cambio de paradigma, ¿urgente?
Hidrógeno: materia prima y vector energético
Fusión Estelar:Fusión Estelar:
Dos átomos de Hidrógeno (H•) Dos átomos de Hidrógeno (H•)
forman uno de Helio yforman uno de Helio y
proporcionan proporcionan ingentes ingentes
cantidades de energíacantidades de energía
3.2 MeV3.2 MeV
Hidrógeno:Hidrógeno:
Elemento Elemento más ligeromás ligero y y más más
abundanteabundante del UNIVERSO del UNIVERSO
75% de la masa75% de la masa
90% de sus átomos90% de sus átomos
Corteza terrestre 10º elemento en Corteza terrestre 10º elemento en
peso, y peso, y 1º en número de átomos1º en número de átomos. .
80% combinado en forma de agua.80% combinado en forma de agua.
En la atmósferaEn la atmósfera, sólo 1 pmm, sólo 1 pmm
Deuterio
Tritio
1 electrón
Átomo Hidrógeno 1 protón
Hidrógeno: elemento y molécula
Producción y almacenamiento de hidrógeno
• 95% de la producción es "cautiva", se consume in situ.
• 96% se produce por fuentes fósiles.
Producción anual de hidrógeno ~ 5 EJ 41 Mt , 470 bcm
Producción actual de hidrógeno
Producción y almacenamiento de hidrógeno
El hidrógeno se utiliza actualmente en la industria como materia prima, no como uso energético.
Consumo actual de hidrógeno
Seguridad con Hidrógeno
Gran difusividad
Características propias de llama e ignición
El H2 es un gas inflamable, que se suele El H2 es un gas inflamable, que se suele almacenar a presión.almacenar a presión.
Se maneja a nivel industrial con muy altos Se maneja a nivel industrial con muy altos índices de seguridad.índices de seguridad.
La cuestión de la seguridad
El concepto de vector energético
La oportunidad del Hidrógeno y Pilas de Combustible
El hidrógeno es un “vector” energético que puede obtenerse a partir de cualquier fuente de energía y agua. Como gas combustible, puede emplearse en automoción o en la producción de electricidad, generando agua como residuo.
Hidrógeno: ¿tercera revolución industrial?
Las pilas de combustible son dispositivos que convierten la energía química de un combustible, preferentemente hidrógeno, directamente en electricidad, sin generar contaminantes, con mucho menos ruido que un motor convencional y mayor eficiencia.
La combinación de hidrógeno y pilas de combustible responde a la tendencia hacia sistemas energéticos sostenibles, autosuficientes y no contaminantes. Por la magnitud del cambio tecnológico, se ha llegado a afirmar que representan la tercera revolución industrial.
El ciclo del Hidrógeno, vector energético
Hacia la Economía del Hidrógeno
La Plataforma Tecnológica Europea del Hidrógeno y Pilas de Combustible ha cifrado la magnitud de los mercados incipientes en este sector para el año 2020 en varios cientos de miles de pilas para los sectores de automoción y generación estacionaria, y de cientos de millones de unidades para aplicaciones de electrónica portátil.
Fuente: Strategic Overview, European Hydrogen and Fuel Cell Technology Platform (www.hfpeurope.org)
Pilas de combustible: sector en crecimiento
Las pilas de combustible entraron en una fase comercial el año pasado, según un estudio de la consultora Fuel Cell Today, especialista en el sector.
El sector de las pilas creció un 75% en 2007, llegando a las 12.000 unidades nuevas, mientras que la capacidad de atender una demanda creciente está asegurada.
El sector tiene características de alta tecnología: un cuarto de las empresas activas se dedican en exclusiva a esta tecnología.
“The commercialisation of fuel cells started in 2007, according to Fuel Cell Today in its 2008 Industry Review, released today. The Review, titled "Fuel Cells: Commercialisation", reports that in the last year the fuel cell industry has seen a growth of 75% in new units delivered, with some 12,000 new fuel cell units shipped during 2007. Fuel Cell Today believes that the current global manufacturing capability for fuel cells is around 100,000 units per annum, with a quarter of this coming from companies whose business activity is exclusively the development of hydrogen and fuel cell technologies” (Fuente: Fuel Cell Today, 30 de enero de 2008)
Sector estratégico para Europa
La Comisión Europea junto con el sector empresarial están poniendo en marcha una iniciativa, la Iniciativa Tecnológica Conjunta o JTI, para impulsar el desarrollo tecnológico y acercar la creación de mercados incipientes en hidrógeno y pilas de combustible.
El compromiso firme de la Comisión Europea y la agrupación industrial New Energy World es de aportar conjuntamente 940 millones de euros de aquí a 2013 a través de la JTI. Varias empresas españolas (5 a la fecha) han confirmado su adhesión a la agrupación industrial (www.fchindustry-jti.eu ).
Impulso a nivel nacional
La participación española en proyectos de hidrógeno y pilas de combustible en el Sexto Programa Marco de la Comisión Europea fue muy escaso, con un retorno incluso menor que el promedio del Programa Marco. En la propia constitución de la agrupación industrial de la JTI se aprecia una escasa participación nacional.
El Plan Nacional de I+D 2008-2011 reconoce la importancia del hidrógeno y las pilas de combustible en su contribución a los objetivos en Energía y Cambio Climático. Se espera un aumento sustancial en los proyectos de I+D en este ámbito.
El programa CENIT ha concedido ayuda a dos proyectos en la temática: SPHERA para producción y almacenamiento de hidrógeno, y DEIMOS para pilas de combustible, en el que participan más de 30 empresas.
En definitiva, es el momento de lograr posiciones de liderazgo y vocación emprendedora a nivel internacional.
Producción de hidrógeno
Producción de hidrógenoVías de producción de hidrógeno
Vías de producción de hidrógeno
Reformado de metano e hidrocarburos
Reacción shift
Disociación del agua: electrólisis y termólisis
Ciclos Termoquímicos
Producción de hidrógeno
224 3HCOOHCH
222 HCOOHCO
222 2
1HOOH
206)/( molkJH
41)/( molkJH
)1200(165)/(
)298(405)/(
KmolkJH
KmolkJH
22
42222
2
22
IHHI
SOHHIOHSOI
Un poco de química...
Reformado de hidrocarburos
Gas de síntesis y gas rico en hidrógeno
REFORMING
(ATR)
HEAT INTEGRATION
(STEAM GENERATION & PREHEAT)
PSA
PURE H2
WASTE GAS
EXHAUST
AIR WATER
SULFUR
REMOVAL
FEED
Economía del hidrógenoHidrógeno "fósil": captura y secuestro de CO2
2H2O + Electricidad 2H2 + O2
Electrólisis
285 kJ/mol
Electrólisis alcalina
Electrolito: potasa
Electrolizador PEM (Proton Exchange Membrane)
Electrólisis ácida (PEM)
1.H2SO4 → SO3 + H2O (a 880-930 K).
2.SO3 → SO2 + ½O2 (a 1000-1300 K).
Termólisis
2H2O + Energía Térmica 2H2 + O2
Problema: 2500 K y separar H2 et O2
Solución: Ciclos termoquímicos
Hidrógeno y Energías Renovables
La acumulación de la energía
****
****
****
**
***
***
*
***
*
Cost/kW
40
90
90
70
70
70
70
70
75
Efficiency
10 kW – 1 MW
Seconds -days
**************Hydrogen
10 kW – 1 MW
Seconds************Supercondensers
1 – 100 MWSeconds*************SMES
50 kW – 10 MW
Hours –days
************Na – S battery
1 kW – 40 MW
Seconds –hours
*************Ni – Cdbattery
1 kW – 40 MW
Minutes –hours
************Lead acid battery
100 – 1000 MW
Hours –days
****************Compressed air
10 – 100 KwSeconds –minutes
***************Flywheels
100 – 1000 MW
Hours –days
******************Water pumping
Power bandDischarge time
Environmentally friendly
Cost/kWhLife in cycles
Energy density
State of the art
Technology
****
****
****
**
***
***
*
***
*
Cost/kW
40
90
90
70
70
70
70
70
75
Efficiency
10 kW – 1 MW
Seconds -days
**************Hydrogen
10 kW – 1 MW
Seconds************Supercondensers
1 – 100 MWSeconds*************SMES
50 kW – 10 MW
Hours –days
************Na – S battery
1 kW – 40 MW
Seconds –hours
*************Ni – Cdbattery
1 kW – 40 MW
Minutes –hours
************Lead acid battery
100 – 1000 MW
Hours –days
****************Compressed air
10 – 100 KwSeconds –minutes
***************Flywheels
100 – 1000 MW
Hours –days
******************Water pumping
Power bandDischarge time
Environmentally friendly
Cost/kWhLife in cycles
Energy density
State of the art
Technology
La acumulación de las energías renovables
Energía eólica
Desacople con demanda
Infraestructuras infrautilizadas
Energía eólica
Desconexión de 2.800 MW eólicos.
Fallo en Alemania, bajada de frecuencia
La acumulación de la energía eólica
Generar H2 en horas de
máxima producción como
combustible para
automoción
Almacenamiento y Distribución
Energía por unidad de masa de diferentes combustibles
0
20
40
60
80
100
120
140
Hidrógeno Metano Propano Gasolina Diesel Metanol
En
erg
ía p
or
Un
idad
de
Mas
a (M
J/kg
)
Hidrógeno
Metano Propano Gasolina Diesel Metanol
1 kg 2,40 kg 2,59 kg 2,78 kg 2,80 kg 6,09 kg
Hidrógeno: mucha energía por unidad de masa
Energía por unidad de volumen de distintos combustibles en diferentes estados
0
5
10
15
20
25
30
35
Hidrógeno 200bar
Hidrógeno 350bar
Hidrógeno 700bar
Hidrógenolíquido
Metano a 200bar
Metano líquido Metanollíquido
Gasolinalíquida
Diesel líquido
En
erg
ía p
or
un
ida
d d
e v
olu
me
n (
MJ
/m3
)Hidrógeno: baja energía por unidad de volumen
ALMACENAMIENTOAlmacenamiento: el gran reto técnico
ALMACENAMIENTOComparativa de almacenamiento
350 bar
350 bar 700 bar
Almacenamiento gas a presión
200 bar
Almacenamiento hidrógeno líquido
Armazón: acero inoxidable o aleaciones de aluminio, por su alta resistencia a la corrosión del hidrógeno: >2mm
Aislamiento térmico: hojas de aluminio o polímero de aluminio separadas por fibra de vidrio o polímeros. Vacio con P<0,01 Pa
Interior es de materiales de baja conductividad térmica, fibras de plástico reforzadas con carbón o vidrio.
Almacenamiento líquido
Hidrógeno adsorbido
Nanoestructuras carbonosas,
zeolitas, MOFs
Hidrógeno absorbido
Hidruros metálicos (LaNi5, TiFe,…) o
(Mg)
Hidrógeno absorbido
Hidruros complejos
(Alanatos: NaAlH4, boratos, etc.)
Reacción química de electrolisis
Almacenamiento en estado sólido
Tipo de suministro
Capacidad máxima kg/día
Comentarios
Semirremolque hidrógeno gas
250 Capacidad del semirremolque
Semirremolque hidrógeno líquido
3.000 La viabilidad de esta opción depende la distancia a la planta de LH2
Producción in-situ por electrolisis
100 Se espera una reducción de costes
Producción mediante reformadores
>10.000 Alternativa más desarrollada para grandes cantidades
Hidrógeno canalizado
>10.000 Zonas industriales
Distribución de hidrógeno: posibilidades
Distribución por tubería
Problemática: ¿el huevo o la gallina?
CASCADA: almacenamiento en zonas separadas
Compresor
.
415 bar
415 bar
415 bar
Concepto básico de una hidrogenera
Compresor
.
415 bar
415 bar
415 bar
Recarga en cascada
Concepto básico de una hidrogenera
Ejemplo de una hidrogenera
Ejemplo de una hidrogenera
Pila de combustible
Pilas de CombustibleDe energía química a energía eléctrica
Rendimiento motor térmico combustión interna ≤ 25%
Rendimiento motor eléctrico (80%) movido por pila de combustible (90%)
Rto. Total= 72% del contenido energético H2
adelectricidOHOH 222 2/1 H= -286 kJ/mol
Energía Química
(Combustible+Oxidante)
Energía Eléctric
a
Energía Térmica
Energía Mecánic
a
Máquinas Térmicas
Límite de Carnot
Pilas de Combustible
Pilas de combustible: la ventaja de la Termodinámica
Ánodo Electrolito Cátodo(-) (+)
H2
H2O
Combustible Oxidante½ O2
H2O
Ion positivo
Ion negativo
Combustible oxidado + otros gases y subproductos
Oxidante reducido + subproductos
2e-
Ánodo Electrolito Cátodo(-) (+)
H2
H2O
Combustible Oxidante½ O2
H2O
Ion positivo
Ion negativo
Combustible oxidado + otros gases y subproductos
Oxidante reducido + subproductos
2e-
eHH 442 2
ÁnodoÁnodo
OHHO 22 24 CátodoCátodo
2 H2 + O
2 ⇄ 2 H
2O
ReacciónReacción
Pilas de combustible: concepto
Pilas de combustible: tipos de pila
Pilas de combustible: tipos de pila
PortátilesMóviles
Estacionarias
Pilas de combustible: aplicaciones
Pilas de combustibleVentajas/Inconvenientes
Alta eficiencia
Respuesta Rápida
Sin emisiones
Carácter modular
Silenciosas
Coste elevado
Pilas de combustible: ventajas y desventajas
La pila PEM. El Stack
Placa bipolar
MEACapa difusora
Placa final
Placa bipolar
MEACapa difusora
Placa final
•Membrana + Electrodos (MEA)
•Capa difusora de gases (GDL)
•Placas bipolares
•Estanqueidad periférica
•Placas finales
•Placas de refrigeración
5kVA PEM FCSBoP
H2
Air
Anode
CathodeBlower
Recycle Tank
Fan
Rad
PumpDeio
Fill-Overflow
Fuel Cell Stack
H2O
NUVERA 5 kW
La pila PEM. El sistema
Automoción y motores
BATERIA
MOTOR ELECTRICO
TRANSMISION
RUEDAS
PILA COMBUSTIBLE
MOTOR ELECTRICO
TRANSMISION
RUEDAS
MOTOR COMBUSTION
TRANSMISION
RUEDAS
PILA COMBUSTIBLE
MOTOR ELECTRICO
TRANSMISION
RUEDAS
BATERIA
Convencional
Eléctrico a Batería
Eléctrico a Pila de Combustible
Eléctrico a Pila Combustible Híbrido serie
H2 H2H2
MCI a Hidrógeno
Hibridación de vehículos
Motores de combustión interna con hidrógeno
La apuesta en Aragón
La oportunidad del hidrógenoALGUNAS FORTALEZAS DE ARAGÓN
La oportunidad del hidrógeno
Almacenar la energía renovable …
… para los coches de hidrógeno
Autoabastecimiento energético
Competitividad industrial
Apoyar al desarrollo de proyectos estratégicos y de futuro que creen empleo, generen riqueza y diversifiquen el tejido industrial a la vez que lo hacen más competitivo.
Desarrollar una agenda estratégica que contenga líneas maestras de los pasos a realizar y de un horizonte temporal para los mismos.
Favorecer la creación de una red de empresas industriales que cooperen y generen futuras oportunidades de negocio basado en las tecnologías del hidrógeno
Las PYMEs son la base del empleo
Las Energías Renovables son clave
en la sostenibilidad
Misión de la Fundación del Hidrógeno
Patronato de la Fundación del Hidrógeno
Plan Director del Hidrógeno en Aragón
Objetivos:
- Cuáles son las oportunidades y líneas estratégicas.
- De dónde partimos (estado de la tecnología)
- Plantear proyectos para las empresas aragonesas, principalmente las PYMEs.
- Identificar aspectos transversales: formación, sensibilización, financiación.
- Detectar socios estratégicos.
Análisis Externo
¡ Vigilancia Tecnológica !
Análisis Interno
-Participación de 60 expertos
-Encuesta a 100 empresas
Grupos de Trabajo:
1. Generación con energías renovables.
2. Generación con otras energías.
3. Almacenamiento, logística y distribución.
4. Pilas de Combustible y aplicaciones.
5. Aplicaciones en automoción.
6. Impacto socioeconómico.
Plan Director del Hidrógeno en Aragón
Plan Director: Generación con renovables
ACCIONES INDUSTRIALES PLAZOProyecto piloto de generación de H2 con renovables En marcha
Proyectos precomerciales Medio
ACCIONES DE INVESTIGACIÓNTermólisis Medio
Descomposición catalítica de GN con hornos solares Medio
Gasificación de biomasa Medio
ACCIONES DE SOPORTEPotencial de producción de hidrógeno por eólica Corto
Régimen Especial para hidrógeno renovable Medio
Potencial de producción de hidrógeno por biomasa Corto
Plan Director: Generación con renovables
Proyecto ITHERProyecto ITHER: Energías Renovables
Fotovoltaica: 60 kW en tres marquesinas integradas en un aparcamiento del Parque Walqa, más 1,7 adicionales en el tejado del edificio
DEGER 2x5 kW
DOBON 10 kW
ADES 20 kW
Proyecto ITHER
Fotovoltaica: 41 kW en cinco seguidores. Tres tipos de seguimiento y seis tecnologías de placas en total.
Proyecto ITHER: Energías Renovables
VESTAS V29-225 kW
LAGERWAY-LW18/80 kW
ENERCON-E33/330 kW
Proyecto ITHEREólica: 635 kW en tres aerogeneradores diferentes
Proyecto ITHER: Energías Renovables
Centro de Evacuación Centro de Reparto
Infraestructura eléctrica para interconexión a red y conexión de generadores con electrolizadores (cargas)
Proyecto ITHER: Energías Renovables
Proyecto ITHERGENERACIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍAS RENOVABLES
Proyecto ITHER: Laboratorio de Hidrógeno
Laboratorio de Generación de hidrógeno por fotovoltaica (diciembre de 2006): electrolizador, pilas, almacenamiento en hidruros
Proyecto ITHERPróximas instalaciones
Edificio de 1.200 m2.Laboratorios (196 m2), talleres (276 m2), oficinas (240 m2), biblioteca, exposición, salas (160 m2).
Proyecto ITHERPróximas instalaciones
La oportunidad del hidrógenoALGUNAS FORTALEZAS DE ARAGÓN
Pasos Inmediatos
Puesta en marcha del Centro Tecnológico del Hidrógeno en Walqa.
Financiación del Plan Director del Hidrógeno en Aragón: 1,84 millones de euros en los próximos 4 años (Acuerdo de Consejo de Gobierno de 5 de junio de 2007)
Y todos los proyectos de futuro ….
… con el único límite de nuestra imaginación.
Gracias por su atención
Fundación para el Desarrollo de las Nuevas Tecnologías del Hidrógeno en Aragón
www.hidrogenoaragon.org