LA TECNOLOGÍA DEL LA TECNOLOGÍA DEL HIDRÓGENO EN EL ESCENARIO HIDRÓGENO EN EL ESCENARIO

MUNDIALMUNDIAL

PABLO MALVÁREZ VILLAVERDEPABLO MALVÁREZ VILLAVERDE

2ºC 2006/072ºC 2006/07

SUMINISTRO GLOBAL DE ENERGÍASUMINISTRO GLOBAL DE ENERGÍA

Contribución de fuentes primarias de energíaContribución de fuentes primarias de energía

Mundial Mundial

Combustibles fósilesCombustibles fósiles 84%84%

Energía nuclearEnergía nuclear 8,5%8,5%

Energías renovablesEnergías renovables 7,5%7,5%

FUENTES PRIMARIAS DE ENERGÍAFUENTES PRIMARIAS DE ENERGÍA

Fuentes fósilesFuentes fósiles• Daño ambientalDaño ambiental• Recursos limitadosRecursos limitados

Fuentes nuclearesFuentes nucleares• Tema de discusión abiertaTema de discusión abierta

Fuentes alternativas renovablesFuentes alternativas renovables• Solar, eólica, hidráulica, geotérmica, mareomotriz y Solar, eólica, hidráulica, geotérmica, mareomotriz y

otras.otras.• Impacto ambiental nulo o tolerableImpacto ambiental nulo o tolerable

FUENTES PRIMARIAS DE ENERGÍAFUENTES PRIMARIAS DE ENERGÍA

Consumidor finalConsumidor final• 25 % electricidad25 % electricidad• 75 % combustible75 % combustible

Las fuentes primarias de energía renovables no se Las fuentes primarias de energía renovables no se pueden utilizar directamente como combustible. Deben pueden utilizar directamente como combustible. Deben convertirse a portadores de energía.convertirse a portadores de energía.

Las fuentes renovables deben usarse tanto para Las fuentes renovables deben usarse tanto para manufacturar combustibles como para generar manufacturar combustibles como para generar electricidad.electricidad.

HIDRÓGENO COMO COMBUSTIBLE HIDRÓGENO COMO COMBUSTIBLE SINTÉTICO IDEALSINTÉTICO IDEAL

Es el elemento más abundante de la naturalezaEs el elemento más abundante de la naturaleza

Almacena la mayor cantidad de energía por unidad de Almacena la mayor cantidad de energía por unidad de peso (142 MJ/kg peso (142 MJ/kg 33.3 kWh/kg) 33.3 kWh/kg)

Su combustión produce agua, no contamina el ambienteSu combustión produce agua, no contamina el ambiente

Fácilmente almacenable como gas a presión, como Fácilmente almacenable como gas a presión, como líquido a bajas temperaturas (-253 líquido a bajas temperaturas (-253 ooC) o en estructuras C) o en estructuras sólidas (hidruros, nanotubos de carbono)sólidas (hidruros, nanotubos de carbono)

HIDRÓGENO COMO COMBUSTIBLE HIDRÓGENO COMO COMBUSTIBLE SINTÉTICO IDEALSINTÉTICO IDEAL

Fácilmente transportable por cañerías y uso directo en Fácilmente transportable por cañerías y uso directo en quemadores o motores produciendo calor por combustión quemadores o motores produciendo calor por combustión limpia, o conversión directa de su energía química en limpia, o conversión directa de su energía química en electricidad en celdas de combustibleelectricidad en celdas de combustible

El hidrógeno no se encuentra libre en la naturaleza. Se debe El hidrógeno no se encuentra libre en la naturaleza. Se debe gastar energía para producirlo.gastar energía para producirlo.

No es una fuente energética, sino un intermediario entre la No es una fuente energética, sino un intermediario entre la fuente primaria y el dispositivo de conversión de energía donde fuente primaria y el dispositivo de conversión de energía donde se lo utilice, i.e., es un almacenador y transportador de energía.se lo utilice, i.e., es un almacenador y transportador de energía.

Intermediación del hidrógeno: se requiere su producción a bajo Intermediación del hidrógeno: se requiere su producción a bajo costo.costo.

CICLO DEL HIDRÓGENOCICLO DEL HIDRÓGENO

Producción de H2

Combustión de H2

Medio Ambiente

EnergíaPrimaria

agua

agua

EnergíaUtil

Almacenamientoy transporte de H2

oxígeno

oxígeno

Electricidad

PRODUCCIÓN, ALMACENAMIENTO Y PRODUCCIÓN, ALMACENAMIENTO Y COMBUSTIÓN DEL HIDRÓGENOCOMBUSTIÓN DEL HIDRÓGENO

Dispositivos de conversión de energía.Dispositivos de conversión de energía.

Para alcanzar alta eficiencia de conversión y Para alcanzar alta eficiencia de conversión y máxima velocidad se requiere minimizar las máxima velocidad se requiere minimizar las pérdidas de energía de los procesos involucrados.pérdidas de energía de los procesos involucrados.

Las pérdidas de energía se manifiestan como Las pérdidas de energía se manifiestan como sobrepotenciales de las reacciones electródicas sobrepotenciales de las reacciones electródicas involucradas en procesos de conversión de energía.involucradas en procesos de conversión de energía.

MÉTODOS DE PRODUCCIÓNMÉTODOS DE PRODUCCIÓN

REFORMADOCH4, CH3OH, etc.

ELECTRÓLISIS DE AGUA

MÉTODOSFOTOQUÍMICOS

TERMÓLISIS DE AGUA

HIDRÓGENO

CO2

REFORMADO DE HIDROCARBUROS Y REFORMADO DE HIDROCARBUROS Y DERIVADOS CON VAPOR DE AGUADERIVADOS CON VAPOR DE AGUA

CH4

CH4 + H2O CO + 3 H2

CO + H2O CO2 + H2

T 1000 K

65.7 % H2

16.1 % CO2

17.6 % H2O0.4 % CO

CH3OH

CH3OH CO + 2 H2

CO + H2O CO2 + H2

T 600 K

64.4 % H2

21.1 % CO2

13.8 % H2O0.8 % CO

OTROS

* Etanol* Naftas* etc.

Mejoras en rendimiento y estabilidad de los catalizadores

ELECTRÓLISISELECTRÓLISIS

BAJA TEMPERATURABAJA TEMPERATURA

HH22OO(l)(l) ½ O ½ O22 + H + H22

T T 100 100ooCC

EErev rev 1.2 V 1.2 V

EEceldacelda 1.5 - 1.8 V 1.5 - 1.8 V

Cinética de reacción lentaCinética de reacción lenta

Efectos óhmicosEfectos óhmicos

ALTA TEMPERATURAALTA TEMPERATURA

HH22OO(v)(v) ½ O ½ O22 + H + H22

T T 1000 1000ooCC

EErev rev 0.8 V 0.8 V

EEceldacelda 1.0 - 1.3 V 1.0 - 1.3 V

Cinética de reacción rápidaCinética de reacción rápida

Efectos óhmicosEfectos óhmicos

ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENOALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO

El almacenamiento de hidrógeno implica la reducción de un El almacenamiento de hidrógeno implica la reducción de un enorme volumen de gas (1 kg Henorme volumen de gas (1 kg H22 11 m 11 m33, CNPT)., CNPT).

El desafío es empaquetar átomos de hidrógeno tan cerca El desafío es empaquetar átomos de hidrógeno tan cerca como sea posible, i.e., alcanzar la más alta densidad de como sea posible, i.e., alcanzar la más alta densidad de energía volumétrica usando la menor cantidad de material energía volumétrica usando la menor cantidad de material adicional.adicional.

Para aumentar la densidad de energía se debe realizar Para aumentar la densidad de energía se debe realizar trabajo para comprimir el gas, o disminuir la temperatura trabajo para comprimir el gas, o disminuir la temperatura (<Tc), o reducir la repulsión entre átomos de hidrógeno (<Tc), o reducir la repulsión entre átomos de hidrógeno mediante su interacción con otros materiales.mediante su interacción con otros materiales.

Reversibilidad de los procesos de absorción/desorción de Reversibilidad de los procesos de absorción/desorción de hidrógeno.hidrógeno.

ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENOALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO

GAS: GAS: a alta P~200 atm (recipientes de acero) a alta P~200 atm (recipientes de acero) 0.6 kWh/l a 170 atm.0.6 kWh/l a 170 atm.Recipientes de aluminio reforzados externamente con fibras de Recipientes de aluminio reforzados externamente con fibras de carbono. Mayor relación masa Hcarbono. Mayor relación masa H22/peso recipiente (4 veces mayor /peso recipiente (4 veces mayor que en recipientes de acero). que en recipientes de acero).

Alta P~450 atm (recipientes de materiales compuestos reforzados Alta P~450 atm (recipientes de materiales compuestos reforzados con fibras de carbono).con fibras de carbono).

LÍQUIDO: LÍQUIDO: a T< -253a T< -253ooC. Proceso de licuación y su mantenimiento C. Proceso de licuación y su mantenimiento insume 35-40% del contenido energético del hidrógeno.insume 35-40% del contenido energético del hidrógeno.2.4 kWh/l2.4 kWh/l

ESTRUCTURAS SÓLIDAS: ESTRUCTURAS SÓLIDAS: hidruros metálicos, hidruros metálicos, nanoestructuras de carbono.nanoestructuras de carbono.3.3 kWh/l (LaNi3.3 kWh/l (LaNi55))

PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDADPRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD

Combustión térmica convencionalCombustión térmica convencional

Combustible (HC) + OCombustible (HC) + O22 CO CO22 + H + H22O + calorO + calor

E.Q. E.Q. calor calor trabajo mecánico trabajo mecánico electricidad electricidad

TT = (T = (T11 - T - T22)/T)/T11

COMBUSTIÓN DEL HIDRÓGENOCOMBUSTIÓN DEL HIDRÓGENOCELDA DE COMBUSTIBLECELDA DE COMBUSTIBLE

Ánodo:Ánodo: HH22 2 H 2 H+ + + 2 e+ 2 e--

Cátodo:Cátodo: ½ O½ O22 + 2 H + 2 H++ + 2 e + 2 e-- H H22OO

Reacción total: Reacción total: HH22 + ½ O + ½ O22 H H22O + O + electricidadelectricidad

GENERACIÓN DE CALOR EN CELDAS DE GENERACIÓN DE CALOR EN CELDAS DE COMBUSTIBLECOMBUSTIBLE

Q = Q = - (4.18 T - (4.18 T S/nF) iS/nF) i + + i i + + ii22 R Rcalor generadocalor generado calor generadocalor generado calor generadocalor generado

debido al cambiodebido al cambio por irreversibilidadpor irreversibilidad por pérdidaspor pérdidas

de entropía de lade entropía de la de la reacción dede la reacción de óhmicasóhmicas

reacción de celdareacción de celda celdacelda

Reacción global de la celda de combustibleReacción global de la celda de combustible

2 H2 H22 + O + O22 2 H 2 H22O + O + electricidadelectricidad + + calorcalor

CELDAS DE COMBUSTIBLECELDAS DE COMBUSTIBLE

Alta eficiencia de conversión de energía química en Alta eficiencia de conversión de energía química en

electricidad, electricidad, t t 100 % 100 % p p 60-70 % 60-70 % No contaminan el medio ambienteNo contaminan el medio ambiente Operan silenciosamente Operan silenciosamente (no tienen partes móviles)(no tienen partes móviles) Rápida entrada en servicioRápida entrada en servicio Flexibilidad respecto al tipo de combustible:Flexibilidad respecto al tipo de combustible:

hidrógeno, gas natural, gasificación de hidrógeno, gas natural, gasificación de carbón, alcohol, etccarbón, alcohol, etc

Modularidad: Modularidad: (mW a MW)(mW a MW) Mínimo mantenimiento Mínimo mantenimiento (no hay desgaste mecánico)(no hay desgaste mecánico) Capacidad de cogeneración Capacidad de cogeneración (electricidad/calor); (electricidad/calor); p = 80-85 %p = 80-85 %

SISTEMA DE ENERGIA SISTEMA DE ENERGIA GENERACIÓN DISTRIBUIDAGENERACIÓN DISTRIBUIDA

Bomba de calor

Bomba de calor

Sistema de almacenamiento

de calor

Sistema de almacenamiento

de calor

Celda de combustible

Celda de combustible

CalorCalor

ElectricidadElectricidad

CalefacciónCalefacción

RefrigeraciónRefrigeración

PLANTA DE CELDA DE COMBUSTIBLEPLANTA DE CELDA DE COMBUSTIBLE

Aire

Celda de combustible

Celda de combustible

Procesado delCombustible

Procesado delCombustible

Convertidor de

corriente

Convertidor de

corriente

Calor

ElectricidadCC

ElectricidadCA

Agua

Calor Aprovechable

Gas rico enHidrógeno

Gas naturalAlcoholHidrógeno

CELDAS ÁCIDAS DE POTENCIACELDAS ÁCIDAS DE POTENCIA

Reacción de reformadoReacción de reformado

CHCH44 + 2 H + 2 H22O + calor O + calor 3 H 3 H22 + CO + H + CO + H22OO

Reacción de conversiónReacción de conversión

CO + HCO + H22O O H H22 + CO + CO22 + calor + calor

Reacción totalReacción total

CHCH44 + 2 H + 2 H22O O 4 H 4 H22 + CO + CO22

CONTAMINACIÓN AMBIENTAL EN CONTAMINACIÓN AMBIENTAL EN GRANDES CIUDADESGRANDES CIUDADES

Fuente de contaminación:Fuente de contaminación:

Emisiones del escape de los vehículos con motor de Emisiones del escape de los vehículos con motor de combustión internacombustión interna

Cada 160000 km, el automóvil promedio naftero emite:Cada 160000 km, el automóvil promedio naftero emite:

1300 kg contaminantes orgánicos gaseosos1300 kg contaminantes orgánicos gaseosos

1250 kg de CO1250 kg de CO

85 kg de NO85 kg de NOXX

Vehículo con emisión cero de contaminantes:Vehículo con emisión cero de contaminantes:

Vehículo eléctricoVehículo eléctrico

ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENOALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO

Energía específica HEnergía específica H22 142 MJ/kg142 MJ/kg

Energía específica HC liq.Energía específica HC liq. 47 MJ/kg 47 MJ/kg

Vehículo con autonomía de 400 kmVehículo con autonomía de 400 km• Vehículo c/motor CIVehículo c/motor CI 24 kg gasolina24 kg gasolina• Vehículo c/motor CIVehículo c/motor CI 8 kg hidrógeno 8 kg hidrógeno• Vehiculo eléctrico c/CCVehiculo eléctrico c/CC 3 kg hidrógeno 3 kg hidrógeno

VEHÍCULO ELÉCTRICOVEHÍCULO ELÉCTRICO HIDRÓGENO COMPRIMIDOHIDRÓGENO COMPRIMIDO

NEBUS (New Electric Bus)1997 Daimler ChryslerPotencia: 250 kWAutonomía: 250 kmVmáx: 80 km/h

VEHÍCULO ELÉCTRICOVEHÍCULO ELÉCTRICO

VEHÍCULO ELÉCTRICOVEHÍCULO ELÉCTRICOTECNOLOGÍA PEM/HIDRÓGENO COMPRIMIDOTECNOLOGÍA PEM/HIDRÓGENO COMPRIMIDO

1994-utilitarioPotencia: 50 kW12 stacks, 230 V

1996-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

VEHÍCULO ELÉCTRICOVEHÍCULO ELÉCTRICOTECNOLOGÍA PEM/METANOL REFORMADOTECNOLOGÍA PEM/METANOL REFORMADO

1997Potencia: 50 kWTanque: 40 lAutonomía: 400 kmVmáx: 120 km/h

2000Potencia: 75 kWTanque: 40 lAutonomía: 450 kmVmáx: 150 km/h