Almacenamiento a presión y uso industrial del hidrógeno

Presentación
Almacenamiento a Presión y Uso
Industrial del Hidrógeno
D. Alberto G. Valdivielso
Air Liquide
European Platforms & Services
European Engineering for Industrial Merchant
Technical Solutions & Back Office Manager
The world leader in industrial and medical gases
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Indice
Antecedentes
Almacenamiento
a Presión
Mercado
Actual del Hidrógeno
Mercado
Futuro del Hidrógeno
Hidrógeno
como vector de energía
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Antecedentes
 El
aumento del coste de los combustibles junto con el
aumento en el impacto de los gases de efecto invernadero, han
propiciado un auge en la aplicación del H2 como vector de
Energía.
 Existe
una clara vocación política de las Administraciones
para promover y fomentar el uso de energías alternativas.
 Como
consecuencia, el desarrollo de la infraestructura del
H2 ha tomado una importancia considerable.
 Producción
 Almacenamiento
 Distribución
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Antecedentes
 Propiedades
del H2:
Densidad energética másica:
120 MJ/kg
Densidad energética volumétrica:
0,01 MJ/l
1 kg de H2 = 2,78 kg de gasolina
1 Nm3 de H2 = 0,34 l de gasolina
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Antecedentes
Propiedad
PCI (MJ/kg)
H2
LH2
120
120
Metano Propano Gasolina
50
46,3
44,5
Densidad (Kg/Nm3) 0.0899 70,8
0,72
1,87
730
PCI (kg/Nm3)
35,9
86,58
31.670
10,79 8.495
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Antecedentes
 En
muchas aplicaciones el hidrógeno no es producido en el
lugar o en el momento en que es consumido:
por que se produce de forma centralizada y se usa de
forma distribuida
por que se utiliza para almacenamiento
por que se utiliza en instalaciones móviles o portátiles
 Por
ello es necesario contar
almacenamiento y/o de transporte.
con
sistemas
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de
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Antecedentes
 Pero
Almacenar y Transportar H2 tiene un coste:
Interesa almacenar o transportar la mayor cantidad
posible en el mínimo espacio posible.
Gas (aumentar la presión)
Líquido (disminuir la temperatura)
Sólido (atrapar las moléculas)
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Antecedentes
1 à 50 m3/h
Botellas
Consumidores
SR gas
Centros de
acondicionamiento
Transporte
SR liquido
Generadores
Canalización
1000 à 100 000 m3/h
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Antecedentes
 Modos
de almacenamiento de Hidrógeno:
Gaseosa:
- Es la solución más simple desde el punto de vista de la
infraestructura, pero ofrece baja densidad volumétrica.
- Aplicaciones estacionarias: Cilindros tipo I
- Aplicaciones móviles: Cilindros tipo II, III y IV
Compresión a 200 Bar  7,5%
Compresión a 700 Bar  11%
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Antecedentes
200 bar
Depósitos
de acero
350 bar
Depósitos de aluminio
o material metálico
inoxidable totalmente
enrollado con fibra de
carbono
350 bar
Depósitos de aluminio
o material metálico
inoxidable enrollado
con fibra de de
carbono
700 bar
Depósitos polímeros
totalmente enrollado
con fibra de de
carbono
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Antecedentes
 Modos
de almacenamiento de Hidrógeno:
Líquida:
- Se almacena a temperaturas criogénicas en recipientes aislados
térmicamente a presión cercana a la atmosférica.
Liquefacción  35-40%
Pérdidas  3% día
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Antecedentes
 Modos
de almacenamiento de Hidrógeno:
Sólida:
- Se basa en enlaces entre el gas y los elementos del
compuesto.
- El almacenamiento y la extracción del hidrógeno se realiza
mediante control del calor liberado o absorbido durante ambos
procesos.
- Menor presión de almacenamiento, mayor seguridad y
densidad volumétrica razonable.
- Mayor peso y precio de los compuestos.
- Tecnología en estado de desarrollo.
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Antecedentes
Ventajas
Inconvenientes
H2 gas comprimido
 Tecnología
 Menor
más desarrollada
coste
H2 líquido
 Baja
densidad energética
 Altas presiones
 Seguridad
 Temperaturas
 Alta
densidad energética
criogénicas
 Materiales, seguridad y
coste
H2 en forma sólida
 Gran
capacidad de
almacenamiento
 Bajas presiones
 En
desarrollo
 Alto peso del sistema
 Control de la temp.
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Indice
Antecedentes
Almacenamiento
a Presión
Mercado
Actual del Hidrógeno
Mercado
Futuro del Hidrógeno
Hidrógeno
como vector de energía
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Almacenamiento a Presión
La
cantidad de H2 a una presión P, contenido en un volumen V
determinado es:
PV znRT
 P: presión (Pa)
 V: volumen (m3)
 z: factor de compresibilidad
 n: nº de mols
 R: Constante (8,31 J/molK)
 T: Temperatura (K)
Distribución molecular
Factor de compresibilidad con presión
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Almacenamiento a Presión
El hidrógeno es el único elemento que en
una expansión se puede llegar a
calentar. Esto ocurre cuando el hidrógeno
pasa de presiones muy altas a otras
presiones más bajas. En la gráfica se
puede ver representado una línea
isoentálpica en un diagrama T-p.
Coeficiente Joule-Thomson
T

JT  
P 
H
Diferencia de temperatura en el
llenado de una botella con H2
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Almacenamiento a Presión
 Compresión ideal adiabática:
E: Trabajo específico para la compresión (J/kg)
(1)
P0: Presión inicial (Pa)





p
1


E
p0V0 
1
P1: Presión final (Pa)




1
p0 



V0: Volumen específico inicial (m/kg)
α: Coeficiente adiabático α=Cp/Cv
Cp= 14,33 J/kgK
Cv= 10,12 J/kgK
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Almacenamiento a Presión

El acondicionado de H2 en botellas y Semirremolques a 200 bar. se realiza
en centros de acondicionado completamente automatizados. Sus partes
fundamentales son:





Depuración del H2 bruto.
Compresión a 200 bar.
Llenado rápido en los envases mediante las rampas.
Análisis para el control de calidad del producto.
En las rampas se puede
distinguir:
 Cuadro de regulación, que permite
el control en automático de las
diferentes fases del llenado, y el
cambio automático de los diferentes
puestos.
 Colector a los diferentes puestos de
carga.
 Flexibles de conexión para la carga.
Rampa de llenado de botellas de H2
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Indice
Antecedentes
Almacenamiento
a Presión
Mercado
Actual del Hidrógeno
Mercado
Futuro del Hidrógeno
Hidrógeno
como vector de energía
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Mercado actual del hidrógeno
1 à 50 m3/h
Botellas
Consumidores
SR gas
Centros de
acondicionamiento
Transporte
SR liquido
Generadores
Canalización
1000 à 100 000 m3/h
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Mercado actual de hidrógeno
•Producción centralizada de hidrógeno

Grandes Plantas y canalizaciones
 Más de 45 referencias en todo el mundo (SRM)
 4 Plantas de producción de H2 líquido.
 La mayor red de canalización de H2 en el mundo > 1100km
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Mercado actual de hidrógeno
PLANTA HYCO DE PUERTOLLANO
Vista General
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Mercado actual de hidrógeno
PLANTA HYCO DE PUERTOLLANO
Características principales de la Planta
 PRODUCCIÓN
Producción
H2
48.400 Nm3/h
24 barg
Hacia
Repsol-YPF:
47.800 Nm3/h
 Mercado (MM): 600 Nm3/h
Vapor
45 ton/h
41 barg
390 ºC
Repsol-YPF
CO2
10 ton/h
Mercado
industrial(MM)
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Mercado actual de hidrógeno
•Producción distribuida de hidrógeno

Generadores de H2 Onsite
Cientos de referencias en todo el mundo
Complementadas por bac-kup gaseoso
Amplia gama de unidades estándar
•Pequeños electrolizadores: desde 5 a 120Nm3/h  HYOS
•Pequeños SMR: desde 100 a 4000m3/h
•Reformadores de Methanol : desde 200m3/h
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Mercado actual de hidrógeno
•Distribución de hidrógeno

Centros de llenado, semiremolques, bloques y botellas
• Más de un centenar de centros de llenado de H2 a 200 bar.
• Más de 1.000 semiremolques gas en la carretera
• Comprimido a 200bar, cada camión contiene entre 2000 to 6600Nm3
de H2
• Más de 200.000 botellas y bloques
• Comprimido a 200bar, desde 1Nm3 a 300Nm3 en cada entrega
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Mercado actual de hidrógeno
combustible
ESPACIO
REFINERÍAS
HT/HDS…
ELECTRÓNICA
Epitaxie
QUÍMICO
Specialtés
VIDRIO
Float Glass
QUÍMICO
Productos de base
VIDRIO
Fibres optiques
TRATAMIENTOS TÉRMICOS
Aceros
TRATAMIENTOS TÉRMICOS
LABORATORIOS
Aceros inox
Análisis
VIDRIO
Polissage
10
ALIMENTACIÓN
Sorbitol
ALIMENTACIÓN
Aceites y cuerpos grasos
100
1,000
10,000
100,000
m3/hr
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Mercado actual de hidrógeno
Principales aplicaciones

Química : detergentes, pinturas, materiales plásticos,
productos intermedios del textil


Refino : reducción del contenido en azufre de los carburantes
Metales : atmósferas anti-oxidantes, tratamientos térmicos

Espacial : principal carburante de los cohetes

Vidrio : pulido, vidrio plano
Agroalimentaria: Hidrogenación de las materias grasas, aromatización
Pilas de combustible: Autobuses, submarinos ...


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Indice
Antecedentes
Almacenamiento
a Presión
Mercado
Actual del Hidrógeno
Mercado
Futuro del Hidrógeno
Hidrógeno
como vector de energía
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Mercado futuro de hidrógeno
•El hidrógeno como vector energético

Confluencia de tres grandes intereses
 Interés empresarial: Enorme sector a desarrollar:
•
Producción de energía eléctrica distribuida
•
Combustible para vehículos. (autonomía suficiente comprimido a 700 bar).
 Interés político: Independencia energética (recurso muy democrático):
•
Fácilmente producible a partir de muy diversas materias primas
 Interés social: Beneficios medioambientales
•
Reducción de emisiones y ruido.
•
Limitación del efecto invernadero.
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Mercado futuro de hidrógeno

Los prototipos de Pila de combustible no ofrecen a día de hoy una
solución competitiva para el transporte:
 Hoy:
•
•
•
•
Coste de la Pila de combustible = entre 2.000 y 6.000 €/kW
Coste del almacenamiento de H2 = 3000 €
Menos de 500 vehículos de fuel cell en todo el mundo
Menos de 100 estaciones de servicio de H2 en todo el mundo
 Mañana, Objetivos:
• Coste de la Pila = 50 €/kW
• 500 €
/kW realizable hoy con producción en masa
• Para bajar de aquí se necesita un descubrimiento tecnológico.
• Precio del H2 < 0,5 €/Nm3 (~ 1 kg H2 / 100 km para coches)

Los desarrollos están siendo soportados por:
 Los Gobiernos ( EC, DoE, WE-NET) ~ 1 B€/y
 Las compañías del sector automoción y energético( Toyota, Honda, GM,
DC, BP, Shell…)

Escenario para el 2020 :
 1% FC vehículos = 7 billones Nm3/año (hoy > 6 billones Nm3/año)
 Miles de Estaciones de servicio de H2 a construir en Europa.
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Indice
Antecedentes
Almacenamiento
a Presión
Mercado
Actual del Hidrógeno
Mercado
Futuro del Hidrógeno
Hidrógeno
como vector de energía
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Estaciones de Servicio de H2 construidas por
AIR LIQUIDE en el 2003
Estación
Luxemburgo
(CUTE)
Madrid *
(CUTE)
Kawasaki
(FCHV)
Puesta en
marcha
October 2003
May 2003
August 2003
Proceso de
llenado rápido
En cascada con
almacenamiento
HP @ 420 bars
Compresor de
gran capacidad
2.400 Nm3/h @
420 bars
En cascada con
almacenamiento
HP @ 410 bars
* Proyecto desarrollado por el consorcio
Gas Natural SDG y REPSOL-YPF.
Planta Piloto en
Francia
January 2003
En cascada con
almacenamiento
HP @ 420 bars
formado por las empresas Air Liquide España,
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Estación de Servicio de Madrid (esH2)
Compresor de H2
Surtidor de H2
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Axane, Filial para las Pilas de combustible
de Air Liquide
 Objetivo
global: llegar a ser un proveedor global de una oferta de energía
integrada completa basada en el binomio: Pila de combustible + H2
 Con
un claro enfoque de mercado
apuntando a los siguientes segmentos
Aplicaciones estacionarias de baja
potencia.
Generadores portátiles
Pequeños vehículos híbridos
Axane tiene su propia tecnología y Know-how,
desde el ensamblaje de los stack hasta los auxiliares
I+D+i con más de 30 empleados
AXANE es una filial 100% del
Grupo AIR LIQUIDE
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El proyecto HYCHAIN : aplicación clip-on
Desarrollo de una pequeña flota de vehículos con Pila de combustible de H2
Para iniciar un mercado para el uso de la Pila de combustible de H2 como un
combustible alternativo en Europa. USANDO LOGÍSTICA PARA EL H2 EN LOS
VEHÍCULOS DE LLENO CONTRA VACÍO

4 Regiones Europeas:
 Francia
 España
 Alemania
 Italia
Italy
France
Germany
Germany
Spain
Spain

24 socios – AL lider del proyecto

Proyecto aprobado por la CE, con 17 M€de subvención.

5 años de duración (entre el 2006 y el 2010) – 3 años de demostración (entre
el 2008 y el 2010). 148 vehículos + 10 mini buses
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Clip-on: una solución simple para todos
los vehículos HyChain
Botella de Composite
Cubierta de protección
CLIP’ON
Conector y regulador de presión
Sistema de recepción Clip’on
FULL
Dos tipos de botellas:
•Botella de 2 litros de H2 @ 700 bars
•Botella de 20 litros de H2 @ 300 bars
EMPTY
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Mercado futuro del hidrógeno. Conclusiones

Líderes en el comienzo del mercado del hidrógeno como vector
energético. Experiencia industrial en:
 Llenado de hidrógeno a 700 bar. Primer Centro de llenado europeo en
Alemania.
 Primera compra de más 2.000 botellas de composite(20 L @ 300 bar &
2L @ 700 bar).
 Instalaciones de sistemas clip-on en pequeños vehículos híbridos a Pila
de combustible de hidrógeno.



Cientos de nuevas Estaciones de servicio de hidrógeno a construir
para antes del 2012. Con llenado a 350 bar y a 700 bar.
Participación activa en Asociaciones del H2 y Pila de combustible,
así como en Comités normalizadores.
Transmitir nuestro saber hacer en temas de seguridad para convertir
el uso del hidrógeno como vector energético en un entorno de
utilización, sea industrial sea pública, completamente seguro.
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