Energa del Hidrogeno

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UTN Facultad Regional RafaelaEnerga del HidrogenoAnexo Trabajo Prctico N1

Autores: BELINDE, Juan BONELLI, Matas GIAILEVRA Franco MARQUEZ Ma. Beln14/03/2013

"S, amigos mos, yo creo que el agua ser empleada algn da como combustible. El hidrgeno y el oxgeno que la constituyen, utilizados aislada o simultneamente, suministrarn una fuente de luz y de calor inagotables, dotadas de una intensidad de la que el carbn no es capaz [] El agua ser el carbn del futuro "Julio Verne, La isla misteriosa (1874)

ENERGA DE HIDRGENOEn los ltimos aos el hidrgeno ha cobrado notoria relevancia como combustible del futuro, ya sea a travs de su combustin directa o mediante su utilizacin en celdas o pilas de combustible. En los tradicionales motores de combustin interna, las celdas de combustible presentan la ventaja de convertir eficientemente la energa qumica de combustibles ricos en H2 en energa elctrica sin etapas intermedias de combustin y prcticamente con emisin cero de xidos de nitrgeno (NOx) y xidos de azufre (SOx).Propiedades del hidrgenoIncoloro, inodoro y no txico, el gas hidrgeno es el ms sencillo de todos los elementos. Es un gas biatmico, inquieto y escurridizo, que condensa a -253 C (doscientos cincuenta y tres grados bajo cero). Es difcil de transportar, licuar y manipular con seguridad. El tomo de hidrgeno comn est formado slo por un protn y un electrn y no posee neutrones. Es tambin el elemento ms ligero de todos, casi 15 veces ms que el aire.El hidrgeno es, adems, el elemento ms abundante del Universo: las tres cuartas partes de la materia csmica son hidrgeno, que podramos utilizar como combustible si estuviera a nuestro alcance. En la Tierra prcticamente no existe hidrgeno en estado libre. Y es que es tan ligero que casi podramos decir que no pesa: la fuerza de gravedad de nuestro planeta no puede retener un elemento con una masa tan insignificante y el poco hidrgeno que se produce de manera natural por ejemplo, el que contienen los gases volcnicos se escapa rpidamente hacia la atmsfera. Si se encuentra unido a otros tomos, en particular al carbono en los hidrocarburos y al oxgeno en el agua, por consiguiente se debe consumir energa para separarlo.Hay hidrgeno en la biomasa y el biogs; pero, sobre todo, en la biomasa. Rompiendo los enlaces de las molculas que lo contienen mediante diferentes tecnologas, se consigue producir hidrgeno y, una vez almacenado y transportado, utilizarlo como combustible o en otras aplicaciones.El hidrgeno tiene una elevada densidad energtica en base msica en comparacin con el gas natural y la nafta, con lo cual el peso del combustible ser menor en los tanques de almacenamiento, pero por otra parte el H2 tiene una baja densidad energtica en base volumtrica en relacin por ejemplo con el gas natural, con lo cual se requerirn tanques de almacenamiento grandes y pesados o bien almacenarlo en otro estado (lquido o en forma de hidruros metlicos) lo que implica una tecnologa muy sofisticada y costosa.Debido a su alto contenido energtico (en base msica) ha sido considerado como un vector energtico alternativo con importantes ventajas medioambientales y de disponibilidad por sobre los combustibles fsiles tradicionales.Sin embargo el carcter limpio y no contaminante del hidrgeno como combustible depender del proceso y la materia prima que se emplee para su obtencin, como as tambin del origen de la energa requerida por dicho proceso.Si se lo obtiene a partir de hidrocarburos, e independientemente de la tecnologa empleada, se generan xidos de carbono; por lo tanto la calificacin de combustible limpio se pone en duda, a menos que se utilicen materias primas provenientes de la biomasa, la cual en su desarrollo consume dixido de carbono.Si se lo obtiene del agua, se debe recurrir a la electrlisis, tecnologa que si bien no genera xidos de carbono, consume importantes cantidades de energa en forma de electricidad. Y si esa electricidad se la obtuvo empleando combustibles fsiles, nuevamente las bondades del hidrgeno como combustible no contaminante se ven relativizadas.Sin embargo si la electricidad que requiere la electrlisis proviene de represas hidroelctricas, centrales nucleares, energa elica, solar o biomasa, se puede decir que el H2 es un combustible que no genera xidos de carbono.No obstante debe mencionarse que la combustin de con aire en determinadas proporciones genera altas temperaturas de llama que pueden producir xidos de nitrgeno.Usos tradicionales y nuevos del hidrgenoEn el mundo se producen cada ao alrededor de 50 millones de toneladas de hidrgeno. Sin embargo, slo una mnima parte de ese hidrgeno se utiliza para producir energa, principalmente en aplicaciones espaciales.La utilizacin del hidrgeno como combustible abre a la industria del petrleo las puertas de un nuevo mercado, en el que, junto a las empresas especializadas en la produccin y el suministro de gases, ocuparn un lugar privilegiado, por lo menos al principio.

Cmo se produce?Desde el siglo XIX el hombre sabe cmo separar el hidrgeno y el oxgeno que forman el agua aplicando una corriente elctrica. El proceso se llama, electrlisis y se trata de una tecnologa conocida y tan sencilla que forma parte de los experimentos que se realizan en los colegios. La electrlisis, adems, es limpia y produce un hidrgeno de gran pureza.La opcin ms barata a da de hoy es producir hidrgeno a partir de gas natural mediante la igualmente bien conocida tecnologa del reformado con vapor, que consiste en romper las molculas de gas con vapor de agua en presencia de un catalizador. Adems, es tambin la opcin menos contaminante a partir de combustibles fsiles con la tecnologa actual, el gas natural parece el candidato en mejor posicin para liderar la produccin de hidrgeno en un futuro prximo.Convertir el carbn en gas calentndolo hasta 900C es la forma ms antigua de producir hidrgeno: as es como se obtena el gas ciudad, que contena hasta un60% de hidrgeno.

Cmo se producir?

Con agua y electricidad de origen renovable, coinciden los expertos. Pero tambin se investigan otras alternativas. Una posibilidad es la fotoelectrlisis, que bsicamente consiste en sumergir en el agua una clula fotovoltaica fabricada con un material semiconductor que hace las veces de electrolizador. Combinando en uno los dos pasos de la electrlisis tradicional, se eliminan costos y se consiguen eficiencias un poco mayores.Existen, sin embargo, dos tecnologas de produccin de hidrgeno a partir de fuentes renovables que no incluyen electricidad, cuyo coste y, por tanto, viabilidad podran ser interesantes a medio plazo. La primera incluye la gasificacin de biomasa, un poco ms cara que el reformado de gas, pero rentable donde la biomasa sea abundante y barata; y diferentes tratamientos de los anlogos "bio" de los hidrocarburos y alcoholes: biodiesel, biogs y bioetanol.La segunda opcin es utilizar energa trmica de alta temperatura. Por eso tambin tiene muchas esperanzas puestas en el hidrgeno la industria nuclear, que trabaja en el desarrollo de nuevos reactores de alta temperatura con los que realizar lo que se conoce como hidrlisis trmica. Porque para separar el agua en hidrgeno y oxgeno slo con calor hacen falta temperaturas de al menos 2.000 C, difciles de alcanzar con energa solar y casi imposibles de manejar. Sin embargo, insertando una cadena de reacciones intermedias, la temperatura se rebajara a unos 850 C.Puede que en futuro no tan lejano sta sea la forma de obtener hidrgeno "bueno, verde y barato" a partir de la energa solar.Se han propuesto otras formas de obtener hidrgeno ms o menos exticas, desde la produccin biolgica por medio de microorganismos hasta la llamada electrlisis gravitacional, pero de momento sus resultados son puramente anecdticos.

Hidrgeno como combustible vehicular por qu?

Para empezar, porque es un buen combustible, capaz de proporcionar ms energa por unidad de masa que cualquier otro combustible conocido: 33,3 kWh por kg, frente a los 13,9 kWh del gas natural o los 12,4 kWh del petrleo, por ejemplo. Se trata tambin un combustible limpio a nivel local, que, cuando se quema, lo nico que produce, adems de energa, es bsicamente vapor de agua, librndonos, entre otras, de las emisiones de CO2, el principal gas de efecto invernadero.Y gracias a la pila de combustible el hidrgeno es, adems, un intermediario energtico eficiente y tan verstil como la electricidad. Como todo buen vector energtico, el hidrgeno, al igual que la electricidad, puede obtenerse a partir de un amplio abanico de recursos naturales utilizando prcticamente cualquier fuente de energa, con lo que no hara falta importarlo (siempre y cuando en su fabricacin se utilizaran recursos y fuentes primarias de energa autctonas y renovables).Pero, por encima de todo, el hidrgeno puede almacenarse. Y esta capacidad de servir de almacn de energa, -que no tiene la electricidad- es la que da sentido al"despilfarro" energtico y econmico que, segn algunos, supone la transformacin de energa elctrica en un hidrgeno cuyo fin es convertirse otra vez en (menos) energa elctrica; y la que convierte al hidrgeno en el complemento ideal de las energas renovables, especialmente la elica y la solar, que slo funcionan cuando sopla el viento y hace sol: en las horas de baja demanda el viento y el sol se utilizaran no para cargar de energa unas aparatosas, contaminantes y siempre insuficientes bateras, sino para producir hidrgeno, que podramos utilizar despus en una pila de combustible para producir electricidad en casa o viajar en un coche"movido por el viento" sin necesidad de instalar un aerogenerador en el techo del vehculo. Con el apoyo del hidrgeno, las renovables se abrirn paso en el sector de la automocin y se convertirn en las (verdaderas) sustitutas del petrleo. sa es la idea.

Un almacn de energa difcil de almacenar

Por las propiedades fsicas del hidrgeno, almacenarlo supone todo un reto, sobre todo cuando se trata de hacerlo en un contenedor pequeo, ligero, seguro y barato, como tiene que ser el depsito de un automvil. Puede parecer extrao, cuando se sabe que un kilo de hidrgeno genera la misma energa que casi tres de gasolina.Sin embargo, ese kilo ocupa mucho volumen, por lo que la cantidad de energa que aporta el hidrgeno por unidad de volumen su densidad energtica es bajsima.Tan baja que, de utilizar hidrgeno sin "tratar", los coches seran "depsitos con ruedas" o se quedaran sin combustible casi antes de arrancar. Para almacenar 4 kg. de hidrgeno, (cantidad que consume un coche a pila en una distancia de 400 km) se necesitara un depsito equivalente a un globo de ms de 5 m de dimetro!Naturalmente, la solucin al problema pasa por reducir el volumen del hidrgeno como se reduce el volumen de todos los gases: comprimindolo, o enfrindolo hasta licuarlo. Tcnicamente, lo ms sencillo es comprimirlo a una presin de 200-350 bares, pero el hidrgeno sigue ocupando muchsimo: a 200 bares, almacenar los 4kg exigira un depsito de 250 l.

LA PILA DE COMBUSTIBLEQu es una pila de combustible?

Una pila de combustible es una especie de batera de alta tecnologa que convierte la energa qumica del combustible que la alimenta en energa elctrica. Pero hay una gran diferencia: una batera almacena en su interior la energa qumica que convierte en electricidad; cuando se termina esa energa qumica, la batera se tira; o, en el mejor de los casos, se recarga en un largo y tedioso proceso. La pila de combustible, en cambio, convierte en electricidad la energa qumica de un combustible que recibe del exterior y es capaz de suministrar energa elctrica de forma continua mientras se mantenga el aporte de este combustible. Uno de los reactivos de la pila es siempre el oxgeno, que acta como oxidante en el ctodo y que, dada su disponibilidad en el aire, generalmente no es necesario almacenar.El combustible propiamente dicho es habitualmente el hidrgeno, que suministrado de forma directa o a partir del reformado de un primer combustible (metanol o etanol, por ejemplo) alimenta la pila.

Cmo funciona?

La mayora de las pilas de combustible son, en realidad, una suma de pilas individuales, que reciben el nombre de clulas o celdas de combustible.Una clula de combustible consta de dos electrodos, nodo (-) y ctodo (+) ambos con cierto contenido de platino separados por un electrolito slido o lquido. En uno de los tipos ms conocidos y sencillo de pila, al que corresponde este esquema, el electrolito es una membrana. En el nodo se produce la reaccin del hidrgeno, que se disocia en 2 protones y 2 electrones.

Los protones o iones positivos de hidrgeno circulan a travs de la membrana hasta el ctodo, mientras los electrones, que no pueden atravesar la membrana, se escapan por un circuito elctrico que conecta los dos electrodos. Este flujo de electrones es la corriente elctrica que alimentar, por ejemplo, el motor elctrico de un coche. Una vez atravesado el circuito, los electrones entran en el ctodo, donde se combinan con los protones y el oxgeno del aire para formar agua.

VENTAJAS MEDIOAMBIENTALES

La pareja hidrgeno-pila de combustible es una gran aliada de la naturaleza. La oxidacin del hidrgeno sea en un motor de explosin, sea a travs de una pila no genera emisiones de SO2, hidrocarburos no quemados y, sobre todo CO2. Por el tubo de escape de un coche a pila slo sale vapor de agua. Las altas temperaturas que se generan en el interior de un motor trmico provocan la formacin de xidos de nitrgeno (NOx), que, sin embargo, pueden reducirse con ayuda de catalizadores que disminuyan la temperatura del proceso.La eficiencia de la pila permite tambin reducir el nmero de emisiones de CO2 y otras sustancias aunque se empleen combustibles menos limpios que el hidrgeno: como, para el mismo nmero de kilmetros, un coche a pila necesita menos combustible que uno con un motor tradicional, en su recorrido habr emitido menos contaminantes.

Bibliografa:

Rol del reso de aguas Residuales en la gestin de los recursos hdricos Ing.Javier Pozzi Agua potable para comunidades rurales, reuso y tratamientos avanzados de aguas residuales domsticas. - Red Iberoamericana de Potabilizacin y Depuracin delAgua. El uso de Aguas Servidas. Ing. Marcelo Juanico SECRETARA DE ENERGA DE LA NACIN: Contenidos didcticos. Combustibles alternativos, Silvia Daniela Romano Erenio Gonzlez Suarez Miguel ngel Laborde Hidrgeno y pila de combustible, publicacin de la coleccin Energas Renovables para todos elaborada por Haya Comunicacin. Direccin de la coleccin: LuisMerino / Pepa Mosquera, Redaccin de este cuaderno: Paloma Asensio (Fundacin de la energa de la Comunidad de Madrid)3