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La ventana hacia una visión diferente de la
energía
ARIEMA
Aplicaciones de
hidrógeno y pilas de
combustible.
Rubén Pozo
Una breve Introducción
¿Qué es el Hidrógeno?
Es un combustible ....
... muy abundante en la Tierra ...
... pero no directamente aprovechable.
Por lo tanto no es una fuente de energía, ...
... sino un vector energético.
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El hidrógeno: propiedades físicas y químicas
Hidrógeno
Gasolina
Propano
Metano
120
43
46
50
Densidad gas (kg/Nm3)
0,090
-
2,010
0,717
Densidad energética gas (MJ/ Nm3)
10,8
-
92,5
35,8
Densidad liquido (kg/l)
0,071
0,733
-
-
Densidad energética liq. (MJ/ l)
10,8
31,5
-
-
Límites de inflamabilidad (%)
4,0 – 75
1,0 - 7,6
2,1 - 9,5
5,3 – 15,0
Límites de detonación (%)
18,3 - 59
1,1 - 3,3
3,1 - 7
6,3 - 13,5
Mínima energía de activación (mJ)
0,02
0,24
0,26
0,29
Temp. de comb. espontánea (K)
858
501-744
760
813
Emisiones (mg CO2 / kJ)
0
≈ 80
65
55
Visibilidad de la llama
no
sí
sí
sí
no/no
sí/ sí
sí/ sí
sí/ sí
Poder calorífico inferior (kJ/gr)
Toxicidad (combustible y emisiones)
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Una breve Introducción
¿Cómo usar el Hidrógeno?
“Quemándolo” como si fuera gas natural o glp
combustión limpia
combustión catalítica
motores de combustión interna
turbinas de gas / ciclos combinados
Reacción: H2+O2 calor y H2O
O usarlo de otra forma
Pila de combustible
Reacción: H2+O2 calor + H2O + electricidad
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Una breve Introducción
¿Qué es una pila de combustible?
Una pila de combustible es un generador eléctrico.
Convierte de directamente la energía química de un
combustible en energía eléctrica.
Al igual que una batería, es un proceso electroquímico de
alto rendimiento.
Al igual que un generador térmico, puede funcionar en
continuo mientras tenga aporte exterior de combustible.
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¿Cómo funcionan?
H2
O2
e-
I
H+
e- O2
OH-
H2
e-
OHOH-
e- O2
medio
ácido
e-
medio
básico
H2
Ánodo
H+
H+
Cátodo
H2
½O2+2H++2e-
⇒ 2H++2e-
⇒ 2H2O
H2+2OH-
½O2+H2O+2e-
⇒2H2O+2e-
⇒2OH-
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Tipos de pilas
T (oC)
Aplicaciones
Ventajas
Inconvenientes
PEM
60100
Transporte,
electrónica,
electricidad
-T, -corrosión,
fácil arranque
Catalizadores caros
Sensible a impurezas
AFC
90100
Espacio y
militar
Buen
comportamiento
Fiabilidad
Eliminar CO2 de fuel y
aire es caro
PAFC
175200
Transporte y
electricidad
probada
Platino
Bajas prestaciones
MCFC
6001000
Electricidad
Las de alta T
Corrosión.
Tecnología alta T
SOFC
6001000
Electricidad
Las de alta T
Tecnología alta T
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PAFC
MCFC
SOFC
PEFC
H2
Fuel
Fuel
Fuel
Fuel
CO
Veneno
(>0.5%)
Fuel
Fuel
Veneno
(>10ppm)
CH4
Inerte
Inerte
Fuel
Inerte
CO2 &
H2O
Inerte
Inerte
Inerte
Inerte
S
Veneno
(>50 ppm)
Veneno
(>0.5
ppm)
Veneno
(>1.0
ppm)
Sin datos
completo
s
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Tipos de Reacciones
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APLICACIONES
Tipos de Aplicaciones
Aplicaciones Portátiles
Aplicaciones al Transporte
Aplicaciones Estacionarias
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APLICACIONES PORTÁTILES
Toshiba. PEMFC + MH
Motorola. DMFC
Nokia. DMFC
FHG – ISE. PEMFC + MH
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Transporte: tierra, mar y aire
bicicletas eléctricas
motos
coches
autobuses
furgonetas
camiones
barcos
submarinos
aviones
naves espaciales
Palcan. 2 kW PEMFC
MH H2
Mercedes Benz
85 kW PEMFC
H2 350 bar
FCX / HONDA
85 kW PEMFC
H2 350 bar
IVECO-IRISBUS
65 kW PEMFC
H2 350 bar
Fastec
12 kW PEM FC
H2 comp.
Duffi / Anuvu
6 kW PEM FC
Shuttle
36 kW AFC
H2/O2 líquido
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Componentes
Por ejemplo Honda FCX Clarity
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¿Tienen sentido el hidrógeno y las pilas
de combustible en el transporte?
Frente al convencional:
Bajo nivel de contaminantes
Razonable rendimiento energético
Bajo nivel vibraciones y ruidos
Generación directamente eléctrica
Frente al vehículo eléctrico:
Autonomías razonables
Tiempo de recarga cortos
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Comparativa
Propulsión
Hibrido
no
Motor
combustión
interna
sí
no
Pila de
combustible
sí
Baterías*
-
Combustible
Eq.litro
/100km
gCO2
/km
mgCH4
/km
mgNOX/
km
Eq.gCO2
/km
Gasóleo
6,03
139
10
10
142
Gasolina
6,59
153
20
17
159
Gas natural
7,00
125
124
9
130
Hidrógeno
6,37
0
0
10
3
Gasóleo
5,19
120
10
10
123
Gasolina
5,18
121
20
17
127
Gas natural
5,42
97
124
9
102
Hidrógeno
4,70
0
0
10
3
Gasolina
5,56
129
124
3,5
133
Hidrógeno
3,55
0
0
0
0
Gasolina
4,84
113
124
3,5
117
Hidrógeno
3,28
0
0
0
0
Electricidad
1,49
0
0
0
0
Datos Opel Zafira. Estudio Europeo Energía y Emisiones del Pozo a la Rueda en Vehículos Avanzados. LBST, GM. 2002.
* Tesla Roadster: características del fabricante
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Consideraciones de seguridad H2
¿Seguro que es seguro?
Depósitos H2 seguros (impacto, disparo, …)
En caso de fugas, H2 muy seguro
Sería necesario adaptar/regular garajes y túneles
Experimento Univ Miami (Mike Swain) 2001
Vehículos H2 + FC de
bomberos franceses y
californianos
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En España
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AUTOBUS EMT MADRID
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Visión de futuro en las aplicaciones al
transporte
¿Qué dicen los políticos?
Plataforma Europea HFC:
2050 sistema energético basado en H2
Libro verde abastecimiento energético para Europa:
2015: H2 en 2% de los vehículos
2020: H2 en 5% de los vehículos
¿Qué dicen los fabricantes?
Honda tiene 200 unidades del FCX Clarity (alquiler)
Toyota, General Motors, Honda, Daimler y Hyundai anuncian
comercialización en 2015 ($50.000 un sedán gama alta)
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Visión de futuro
Hidrógeno y pilas de combustible, frente a eléctrico
enchufable:
permite uso de renovables (y nuclear)
ayuda a gestionar red eléctrica
no contamina en su uso
vehículos silenciosos y libres de vibraciones
☺ ¡mayor autonomía!
☺ ¡menor tiempo de recarga!
¡menor eficiencia energética!
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Visión de futuro
Enchufable híbrido con hidrógeno y pila de
combustible, frente a enchufable híbrido con gasolina:
aumenta la autonomía
reduce el tiempo de recarga
mantiene el carácter no contaminante
☺ libre ruido y vibraciones
☺ no requiere generador eléctrico
de momento, + coste y - fiabilidad
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Proyectos aplicaciones al transporte
Proyectos de aplicaciones al transporte en los que ha
participado ARIEMA
PSE PEIXE VERDE, eficiencia energética en barcos de pesca.
(usos y aplicación real de pilas de combustible en barcos de
pesca).
CENIT SPHERA. Mayor proyecto de Hidrógeno en España con
una presupuesto 30M €, Ariema participa como socio en líneas
de estudio de trabajo de usos de hidrógeno en barcos.
APACHE, Aplicación de PilAs de Combustible e Hidrógeno en
pequeños vehículos Eléctricos
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Proyecto APACHE
Esquema de funcionamiento.
Hidruros
Metálicos
1000sL de
hidrógeno
Pila de
combustible
Pila de combustible de 400W
eficiencia 47%
90Ah 12V
Convertidor
DC/DC
batería
23-13 VDC // 12VDC (89%)
Bus a 12VDC
Motor de la
Embarcación
500W a 12 V
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Fotos del proyecto APACHE
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APLICACIONES ESTACIONARIAS
Uso en aplicaciones estacionarias:
Producción continua de electricidad,
producción eléctrica y de calor para un
suministro continuo.
Sistemas de SAI, Sistemas de Alimentación
ininterrumpida que aseguran un continuo
funcionamiento eléctrico.
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Aplicaciones estacionarias
UTC-FC. 200 kW PAFC. NG
BALLARD. 200 kW PEMFC. NG
SIEMENS. SOFC. NG
MTU. 250 kW MCFC. NG
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Aplicaciones estacionarias :Back-up
Sistema completo de 5 kW de Plug Power
Vista frontal
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Aplicaciones estacionarias :Back-up
Sistema completo de 5 kW de Plug Power
Vista trasera
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Aplicaciones estacionarias :Back-up
Sistema completo de 5 kW de Plug Power
Detalle de conexiones del stack
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Algunos Proyectos en los que ARIEMA ha participado:
RES2H2
ITHER
HIDROSOLAR 21
HIDROBACKUP
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RE2H2
Cliente: Instituto Tecnológico de Canarias (ITC)
6 pilas Potencia total: 30 kW
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ITHER: Fundación del Hidrógeno de Aragón
6,3 kWp
100 kWh
7 kW
Gestión de la
Energía
20 kWh
5 kW GenCore
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Proyecto Hidrosolar 21
Pila de combustible 5 kW en Burgos
Proyecto Hydrosolar 21
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La ventana hacia una visión diferente
de la energía