Clase_No_11_Energía_Hidrógeno Ficheiro

Energía del Hidrógeno - Contenido
El Hidrógeno
Métodos de producción
Almacenamiento de Hidrógeno
Celdas de Combustible
Funcionamiento
Tipos de celdas
Hidrógeno Solar
Conclusiones
El Hidrógeno
¾ La combustión de combustibles fósiles constituye el principal causante de la emisión de gases de
efecto invernadero, responsables del efecto de calentamiento global que sufre nuestro planeta .
¾ Esta situación no resulta sostenible a medio plazo, y es necesario preparar una transición
controlada hacia una nueva forma de producción y consumo energético que sea limpia, segura y
fiable.
¾ Una de las alternativas es el uso de hidrógeno como fuente de energía, y su transformación en
electricidad por medio de las llamadas pilas de combustible.
Combustible
Energía
[kJ/g]
Energía
[kJ/l]
Carbón
29.3
-
Madera
8.1
-
Gasolina
43.5
30590
¾ Hay que producir el hidrógeno a partir de energías primarias.
Hoy en día aproximadamente el 95% del hidrógeno se obtiene a
partir de combustibles fósiles.
Diesel
42.7
29890
Metanol
19.6
15630
Gas natural
50.02
31.7
¾ El hidrógeno tiene una densidad energética en masa 3 veces
superior a la de la gasolina.
Hidrógeno
119.9
10
¾ El hidrógeno no es una fuente primaria de energía, ya que no
se encuentra libre en la naturaleza y no es directamente
aprovechable. Es un vector energético, es decir, un portador de
energía.
Contenido energético de
diversos carburantes
El Hidrógeno
Ventajas frente a los combustibles fósiles :
Alta densidad energética en base másica. Bajo peso de combustible en los tanques de
almacenamiento.
Alta disponibilidad. Se puede producir a partir de distintas materias primas.
Elemento estable y no corrosivo.
Combustible "limpio". La combustión del hidrógeno con oxígeno sólo produce agua.
Desventajas frente
frente aa los
los combustibles
combustibles fósiles
fósiles ::
Desventajas
Baja densidad
densidad energética
energética en
en base
base volumétrica.
volumétrica. Se
Se requieren
requieren tanques
tanques contenedores
contenedores
Baja
grandes yy pesados.
pesados.
grandes
Transporte yy almacenamiento
almacenamiento costosos
costosos yy de
de implementación
implementación compleja.
compleja.
Transporte
Combustible secundario:
secundario: se
se debe
debe consumir
consumir energía
energía para
para conseguirlo
conseguirlo aa partir
partir de
de las
las
Combustible
distintas materias
materias primas
primas (agua,
(agua, biomasa,
biomasa, combustibles
combustibles fósiles),
fósiles), ya
ya que
que no
no existe
existe en
en estado
estado
distintas
elemental.
elemental.
El Hidrógeno – Producción Actual
partirde
dehidrocarburos:
hidrocarburos:
AApartir
••
Reformadocon
convapor:
vapor: elelhidrocarburo
hidrocarburoes
estratado
tratadocon
convapor
vaporde
deagua
aguaaatemperaturas
temperaturas
Reformado
entre700
700yy1100
1100ºC.
ºC.ElElproceso
procesose
serealiza
realizaen
endos
dosfases:
fases:
entre
1ªfase:
fase: CH
CH4++HH2OO⇒
⇒CO
CO++3H
3H2
1ª
4
2
2
2ª
fase:
CO
+
H
O
⇒
CO
+
H
2
2
2ª fase: CO + H2O ⇒ CO2 + H
••
Oxidación
parcial:reacción
reacciónde
decombustión
combustiónentre
entre1300
1300yy1500
1500ºC
ºC
Oxidaci
ón parcial:
0,4O2
O2 ⇒
⇒ 0,9
0,9CO
CO++0,1
0,1CO
CO2++HH.2.
CH1,4++0,3
0,3HH2OO++0,4
CH1,4
2
2
2
partirdel
delagua:
agua:
AApartir
Carbón
18%
electrólisis
4%
••
petróleo
30%
Gas natural
48%
Electrólisis:
procesomucho
muchomás
máscaro
caroque
queelel
Electr
ólisis: proceso
reformadocon
convapor.
vapor.Produce
Producehidrógeno
hidrógenode
degran
gran
reformado
pureza,que
quese
seutiliza
utilizaen
enlalaindustria
industriaelectrónica,
electrónica,
pureza,
farmacéuticaooalimentaria.
alimentaria.
farmacéutica
Hoyen
endía
díaaproximadamente
aproximadamenteelel96%
96%del
delhidrógeno
hidrógeno
Hoy
seobtiene
obtieneaapartir
partirde
decombustibles
combustiblesfósiles.
fósiles.
se
El Hidrógeno – Almacenamiento
••
••
••
••
••
••
••
••
••
••
••
Almacenamientoen
enforma
formagaseosa:
gaseosa:
Almacenamiento
hidrógenose
sealmacena
almacenaaaalta
altapresión
presión(P
(P>>20
20Mpa).
Mpa).
ElElhidrógeno
Requieredepósitos
depósitospesados
pesadosyyvoluminosos.
voluminosos.
Requiere
Planteaproblemas
problemasde
deseguridad.
seguridad.
Plantea
Noresulta
resultacompetitivo
competitivodebido
debidoaasu
suelevado
elevadocoste.
coste.
No
Almacenamientoen
enforma
formalílíquida:
Almacenamiento
quida:
El
hidrógeno
se
almacena
enestado
estadolíquido
líquidoen
enrecipientes
recipientescriogénicos.
criogénicos.
El hidrógeno se almacena en
Requierealcanzar
alcanzartemperaturas
temperaturasde
dealmacenamiento
almacenamientomuy
muybajas
bajas(21,2
(21,2K).
K).
Requiere
costees
eselevado.
elevado.Indicado
Indicadosólo
sólopara
paraaplicaciones
aplicacionesdonde
dondeelelcoste
costedel
delhidrógeno
hidrógenono
nosea
seaun
unfactor
factor
ElElcoste
críticoyyéste
éstesea
seaconsumido
consumidoen
encortos
cortosperiodos
periodosde
detiempo
tiempo(por
(porejemplo,
ejemplo,en
enaplicaciones
aplicaciones
crítico
aeroespaciales).
aeroespaciales).
Combinación
química
(hidrurosmet
metálicos):
Combinaci
ón qu
ímica (hidruros
álicos):
Diversos
metales
de
transición
y
sus
aleacionespueden
puedenser
serutilizados
utilizadospara
paraalmacenar
almacenarhidrógeno
hidrógenoen
en
Diversos metales de transición y sus aleaciones
formade
dehidruros
hidrurosmetálicos.
metálicos.
forma
principalinconveniente
inconvenientees
eselelelevado
elevadopeso
pesodel
delsistema
sistemade
dealmacenamiento,
almacenamiento,como
comoconsecuencia
consecuenciade
de
ElElprincipal
losbajos
bajosniveles
nivelesde
deretención
retenciónde
dehidrógeno
hidrógenoque
quese
seconsiguen
consiguen(<
(<2%
2%aatemperaturas
temperaturasinferiores
inferioresaa423
423
los
K).
K).
Adsorción
enssólidos
porosos((nanoestructuras
decarbono)
carbono):
Adsorci
ón en
ólidos porosos
nanoestructuras de
:
Se
está
estudiando
la
utilización
de
nanoestructuras
de
carbono
conelevada
elevadasuperficie
superficieespecífica
específicacomo
como
Se está estudiando la utilización de nanoestructuras de carbono con
mediode
dealmacenamiento.
almacenamiento.
medio
Seríauna
unaforma
formasegura
segurayysencilla
sencillade
dealmacenar
almacenarelelhidrógeno
hidrógenosin
sinusar
usaraltas
altaspresiones.
presiones.
Sería
El Hidrógeno
Métodos futuros de producción
partirde
debiomasa:
biomasa:
AApartir
Gasificación:
Combustiónincompleta
incompletade
delalabiomasa
biomasaentre
entre700
700yy1200ºC.
1200ºC.
Gasificaci
ón: Combustión
Productos:HH2,,CH
CH4,,CO.
CO.
Productos:
2
4
Pirólisis:
Combustiónincompleta
incompletaen
enausencia
ausenciade
deoxígeno,
oxígeno,aaunos
unos500
500ºC
ºC
Pir
ólisis: Combustión
Productos:HH2,,CO,
CO,CO
CO2eehidrocarburos
hidrocarburosligeros.
ligeros.
Productos:
2
2
Fotoelectrólisis:
Fotoelectr
ólisis:
Indirecta:
Panelesfotovoltaicos
fotovoltaicos++radiación
radiaciónsolar.
solar.
Indirecta: Paneles
Directa:Celdas
Celdasfoto
fotoelectroquímicas
electroquímicas(material
(materialsemiconductor)
semiconductor)++radiación
radiaciónsolar.
solar.
Directa:
Ciclostermoqu
termoquímicos:
Ciclos
ímicos:
Consisten
en
una
combinaciónde
dereacciones
reaccionesquímicas
químicasaaalta
altatemperatura
temperaturaque
queproducen
producenlala
Consisten en una combinación
disociaciónde
delalamolécula
moléculade
deagua.
agua.Se
Sehan
hanalcanzado
alcanzadoeficiencias
eficienciasdel
del40%.
40%.
disociación
Pararealizar
realizarlos
losciclos
ciclostermoquímicos
termoquímicosse
sepuede
puedeemplear
emplearenergía
energíanuclear
nuclearoosolar.
solar.
Para
Producción
fotobiológica:
Producci
ón fotobiol
ógica:
Ciertasbacterias
bacteriasyyalgas
algasverdes
verdespueden
puedenproducir
producirhidrógeno,
hidrógeno,utilizando
utilizandoúnicamente
únicamenteluz
luz
Ciertas
solar,agua
aguayyuna
unaenzima
enzimallamada
llamadahidrogenasa.
hidrogenasa.
solar,
El Hidrógeno
Métodos futuros de producción
Electrólisis
Electr
ólisis
Biomasa:
Biomasa:
Gasificación.
--Gasificaci
ón.
Pirólisis.
- Pirólisis.
Fotoelectrólisis:
Fotoelectr
ólisis:
Directa.
--Directa.
Indirecta.
--Indirecta.
Producción
fotobiológica
Producci
ón fotobiol
ógica
Ciclostermoqu
termoquímicos
Ciclos
ímicos
Hidrógeno
Combustiblesfófósiles:
Combustibles
siles:
Hidrocarburos:
Hidrocarburos:
Reformado
--Reformado
Oxidación
parcial
--Oxidaci
ón parcial
Carbón:
Carb
ón:
Gasificación
- Gasificación
Otros??
¿¿Otros
El Hidrógeno
Celdas de Combustible
La celda de combustible es un dispositivo que produce
electricidad y agua mediante un proceso inverso a la
electrólisis.
Electrólisis
Electricidad + agua → Hidrógeno +
Oxígeno
Pila de combustible
Hidrógeno + Oxígeno
→
Electricidad + agua
Elementos básicos de una celda de combustible:
combustible
Estructura típica de una celda de
combustible
Dos electrodos (ánodo y cátodo).
Electrolito:
Electrolito sustancia encargada de transportar los iones producidos en las
reacciones redox.
El electrolito a veces se utiliza acompañado de un catalizador.
catalizador
H2 y O2, utilizados como combustible y oxidante respectivamente.
El Hidrógeno
Funcionamiento de Celdas de Combustible
1) En el ánodo tiene lugar la oxidación del
combustible: las moléculas de hidrógeno
se disocian en protones y electrones.
H 2 → 2H + + 2e −
2) El electrolito permite el paso de los protones,
e impide el paso de los electrones.
3) Los electrones generan corriente eléctrica a
su paso por un circuito externo.
4) En el cátodo se produce una reacción de
reducción: electrones y protones se combinan
con el oxígeno para formar agua.
Celda de combustible
1
O2 + 2H + + 2e − → H 2 O
2
Una celda individual genera un voltaje cercano a un voltio.
Para las aplicaciones que requieren mayor voltaje y alta
potencia se apilan en serie el número necesario de estas celdas,
para formar una pila de combustible.
Pila de combustible PEM
El Hidrógeno
Características de las Celdas de Combustible
Diferencias entre celdas de combustible y dispositivos de combustión interna.:
• Los dispositivos de combustión interna se basan en la conversión de energía
térmica en energía mecánica. La eficiencia de este proceso está limitado por
el Ciclo de Carnot.
• Las celdas de combustible convierten directamente la energía química en energía
eléctrica. Desde el punto de vista termodinámico este proceso es mucho más
eficiente.
eficiente
Diferencias entre celdas de combustible y baterías:
Las baterías son dispositivos de almacenamiento de energía. La producción de
energía cesa cuando se consumen los reactivos químicos almacenados dentro
de la batería. No pueden proporcionar un flujo continuo de energía eléctrica.
En las celdas de combustible, tanto el combustible como el oxidante proceden
de una fuente externa, y permiten generar corriente eléctrica de manera casi
indefinida, en la medida en que pueda suministrarse combustible de forma
continuada.
El Hidrógeno
Rendimiento de las Celdas de Combustible
El potencial eléctrico ideal generado por una celda de combustible viene dado por
la ecuación de Nernst:
⎡ C [ H 2 ] ⋅ C [O2 ]1 / 2 ⎤
RT
E = E0 +
ln ⎢
⎥
C [ H 2O ]
2F
⎥⎦
⎢⎣
E: Potencial eléctrico de la pila (volts.)
E: Potencial eléctrico de la pila (volts.)
E : Potencial redox estándar( T=25º C , 1 Molar)
Eo: oPotencial redox estándar( T=25º C , 1 Molar)
R: Cte. de los gases (8.31 J/Kmol)
R: Cte. de los gases (8.31 J/Kmol)
T: Temperatura absoluta (K)
T: Temperatura absoluta (K)
F: Cte. de Faraday (96.6 kJ/mol)
F: Cte. de Faraday (96.6 kJ/mol)
C[ ]: Concentraciones molares de reactivos y productos
C[ ]: Concentraciones molares de reactivos y productos
¾ La ecuación de Nerst permite calcular el potencial ideal de una celda de combustible
en función de la temperatura y de las concentraciones de reactantes y productos.
El Hidrógeno
Rendimiento de las Celdas de Combustible
El potencial real de la celda es inferior al ideal, debido a las pérdidas por polarización:
El potencial real de la celda es inferior al ideal, debido a las pérdidas por polarización:
• Polarización de activación: algunas reacciones electroquímicas son muy lentas, y re-quieren una
• Polarización de activación: algunas reacciones electroquímicas son muy lentas, y re-quieren una
cierta energía de activación (> 50-100 mV) para que se produzcan.
cierta energía de activación (> 50-100 mV) para que se produzcan.
• Polarización óhmica: debido a resistencias eléctricas asociadas a los electrodos, el elec-trolito y
• Polarización óhmica:
debido a resistencias eléctricas asociadas a los electrodos, el elec-trolito y
los contactos. hmica
los contactos.
• Polarización de concentración: se producen gradientes de concentración (por difusión o
• Polarización de concentración: se producen gradientes de concentración (por difusión o
convección) que disminuyen la actividad del electrodo.
convección) que disminuyen la actividad del electrodo.
Para densidades de corriente bajas,
dominan las pérdidas por polarización
de activación.
En un rango intermedio de densidades
de corriente prevalece polarización
óhmica, y la variación de V es lineal
(región de Tafel).
Curva de polarización típica de una celda de combustible
Para densidades de corriente altas,
aumentan las pérdidas por polarización
de concentración.
El Hidrógeno
Tipos de Celdas de Combustible
El Hidrógeno
Celdas de Combustible PEM
Laspilas
pilasPEM
PEMusan
usancomo
comoelectrolito
electrolitoun
unpolímero
polímero
Las
sólido.
sólido.
Utilizanun
uncatalizador
catalizadorde
deplatino.
platino.
Utilizan
Ventajas:
Ventajas:
Rapidezde
dearranque.
arranque.Operan
Operanaarelativamente
relativamentebajas
bajas
Rapidez
temperaturas(80ºC).
(80ºC).
temperaturas
Desventajas:
Desventajas:
Extremadamentesensible
sensibleaalalacontaminación
contaminaciónpor
porCO.
CO.
Extremadamente
Aplicaciones:
Aplicaciones:
Generaciónde
deenergía
energíaestacionaria.
estacionaria.
Generación
Transporte(coches,
(coches,autobuses).
autobuses).
Transporte
Características:
Características:
Temperatura:80
80ºC
ºC
Temperatura:
Eficiencia(%):
(%):32-45
32-45
Eficiencia
Potencia:5-250
5-250kW
kW
Potencia:
El Hidrógeno
Celdas de Combustible PAFC
Laspilas
pilasPAFC
PAFCutilizan
utilizanácido
ácidofosfórico
fosfóricocomo
comoelectrolito.
electrolito.
Las
Requierenun
uncatalizador
catalizadorde
deplatino.
platino.
Requieren
Ventajas:
Ventajas:
Sonmenos
menossensibles
sensiblesaalalacontaminación
contaminaciónpor
porCO
COque
quelas
las
Son
pilasPEM.
PEM.
pilas
Desventajas:
Desventajas:
Granpeso
pesoyytamaño.
tamaño.Son
Soncaras
caras(3500-4000
(3500-4000€€
Gran
porkilovatio)
kilovatio)
por
Aplicaciones:
Aplicaciones:
Generaciónde
deenergía
energíaestacionaria.
estacionaria.
Generación
Transporte(vehículos
(vehículospesados).
pesados).
Transporte
Características:
Características:
Temperatura:205
205ºC
ºC
Temperatura:
Eficiencia(%):
(%):36-45
36-45
Eficiencia
Potencia:50
50kW
kW- -11
11MW
MW
Potencia:
El Hidrógeno
Celdas de Combustible AFC
Laspilas
pilasalcalinas
alcalinasutilizan
utilizanuna
unasolución
soluciónde
dehidróxido
hidróxidode
de
Las
potasioen
enagua
aguacomo
comoelectrolito.
electrolito.
potasio
Comocatalizador
catalizadorse
sepueden
puedenemplear
empleardiversos
diversosmetales
metales
Como
nopreciosos.
preciosos.
no
Ventajas:
Ventajas:
Altorendimiento
rendimientoyyeficiencia.
eficiencia.
Alto
Desventajas:
Desventajas:
Sonmuy
muysensibles
sensiblesaalalacontaminación
contaminaciónpor
porCO
CO2..
Son
2
Menor
duración
debido
a
su
susceptibilidad
a
ese
Menor duración debido a su susceptibilidad a ese
tipode
decontaminación.
contaminación.
tipo
Aplicaciones:
Aplicaciones:
Aplicaciones:ambientes
ambientesdonde
dondehay
haycontaminación
contaminación
Aplicaciones:
porCO
CO2(espacio,
(espacio,fondo
fondodel
delmar).
mar).
por
2
Características:
Características:
Temperatura:65-220
65-220ºC
ºC
Temperatura:
Eficiencia(%):
(%): >>50
50
Eficiencia
Potencia:5-150
5-150kW
kW
Potencia:
El Hidrógeno
Celdas de Combustible SOFC
Laspilas
pilasde
deóxido
óxidosólido
sólidoemplean
empleancomo
comoelectrolito
electrolitoun
un
Las
componentede
decerámica
cerámicaduro
duroyyno
noporoso
poroso..
componente
Nonecesitan
necesitancatalizador.
catalizador.
No
Ventajas:
Ventajas:
Menorcoste
coste(no
(nonecesitan
necesitancatalizador).
catalizador).
Menor
Altorendimiento
rendimientoen
ensistemas
sistemasde
de cogeneración
cogeneración
Alto
(electricidad++calor)
calor)
(electricidad
Muyresistentes
resistentesaalalacorrosión
corrosiónyyaalalacontaminación
contaminaciónpor
por
Muy
CO.
CO.
Desventajas:
Desventajas:
Arranquelento.
lento.
Arranque
Lasaltas
altastemperaturas
temperaturasafectan
afectan aalaladuración
duraciónde
delos
los
Las
materialesde
delalapila.
pila.
materiales
Aplicaciones:
Aplicaciones:
Sistemasestacionarios.
estacionarios.No
Noes
esadecuada
adecuadapara
para
Sistemas
transportesoosistemas
sistemasportátiles.
portátiles.
transportes
Características:
Características:
Temperatura:600-1000
600-1000ºC
ºC
Temperatura:
Eficiencia(%):
(%): 43-55
43-55
Eficiencia
Potencia:100-250
100-250kW
kW
Potencia:
El Hidrógeno
Celdas de Combustible MCFC
Laspilas
pilasde
decarbonato
carbonatofundido
fundidoutilizan
utilizanun
unelectrolito
electrolito
Las
compuestode
deuna
unamezcla
mezclade
desales
salesde
decarbonato
carbonatofundidas
fundidas
compuesto
dispersasen
enuna
unamatriz
matrizcerámica
cerámicaporosa.
porosa.
dispersas
Comocatalizador
catalizadoremplean
empleanmetales
metalesno
nonobles.
nobles.
Como
Ventajas:
Ventajas:
Resistentesaalalacontaminación
contaminaciónpor
porCO
COyyCO
CO2
Resistentes
2
No
necesitan
reformador
externo:
debido
a
las
No necesitan reformador externo: debido a las
altastemperaturas
temperaturaslos
loscombustibles
combustiblesse
seconvierten
conviertenen
en
altas
hidrógenodentro
dentrode
delalapropia
propiapila,
pila,mediante
medianteun
unproceso
procesode
de
hidrógeno
conversióninterna.
interna.
conversión
Desventajas:
Desventajas:
Arranquelento.
lento.
Arranque
Cortaduración:
duración:Las
Lasaltas
altastemperaturas
temperaturasyyelelelectro-lito
electro-lito
Corta
corrosivodeterioran
deterioranlos
loscomponentes
componentesde
delalapila.
pila.
corrosivo
Aplicaciones:
Aplicaciones:
Generaciónde
deenergía
energíaestacionaria.
estacionaria.
Generación
Características:
Características:
Temperatura:600-650
600-650ºC
ºC
Temperatura:
Eficiencia(%):
(%): 43-55
43-55
Eficiencia
Potencia:100
100kW
kW--22MW
MW
Potencia:
El Hidrógeno
Para Reflexionar…
El Hidrógeno
Ciclo del Hidrógeno Solar
Ciclo del
H2
1)
La electricidad generada en los paneles fotovoltaicos se emplea para alimentar un
electrolizador.
2)
El oxígeno producido en la electrólisis se libera en el aire, y el hidrógeno es almacenado
en tanques.
3)
Cuando la energía solar no está disponible, el hidrógeno se recombina con el oxígeno del
aire en una pila de combustible, la cual convierte directamente la energía química en
electricidad. El único producto secundario de este proceso es agua pura.
El Hidrógeno
Conclusiones
El hidrógeno es un recurso energético limpio, y constituye una alternativa prometedora al
panorama energético actual
La utilización de las pilas de combustible de hidrógeno ofrece varias ventajas sobre otros
tipos de fuentes de energía, con una alta eficiencia y sin emisión de contaminantes.
La pilas de combustible de hidrógeno tiene un amplio rango de aplicación: desde
equipos portátiles hasta grandes centrales de producción de energía estacionaria.
La producción hidrógeno a partir de energías renovables permitiría desarrollar un sistema
de energía sostenible y reducir la dependencia actual respecto de los combustibles fósiles.
Existen varios problemas técnicos por resolver: el almacenamiento del hidrógeno, la
producción de hidrógeno a partir fuentes distintas de los combustibles fósiles.
Se está realizando un gran esfuerzo para implantar esta tecnología en el sector de
transportes y automoción.
El Hidrógeno
Bibliografía
Libros:
¾J. Larminie, A. Dicks. “Fuel Cell Systems Explained”, Second
Edition (2003). SAE Bookstore.
¾ A.J. Appleby and F.R. Foulkes. “Fuel Cell Handbook”, Van Norstand
Reinhold, New York.
Documentos y páginas web:
Asociación Española de Pilas de Combustible- APPICE
Tecnociencia: Especial Pilas de Combustible de Hidrógeno
Red de Pilas de Combustible del CSIC