Anexo III - El Hidrógeno

Aprovechamiento de recursos energéticos renovables no
integrables en la red eléctrica.
El caso de la producción de Hidrógeno.
ANEXO III: EL HIDRÓGENO.
Una de las respuestas a esta crisis que se avecina es el uso de hidrógeno
como fuente de energía y su transformación en electricidad por medio de las
llamadas pilas de combustible.
Así, el término economía del hidrógeno responde a una visión de futuro donde
este gas, generado de forma limpia y económica, serviría para alimentar el
grueso de las necesidades energéticas de la sociedad. Esta propuesta
reduciría la dependencia actual sobre los combustibles fósiles, ya que el
hidrógeno podría ser generado a partir de otras fuentes primarias como las
renovables o la nuclear. Igualmente se disminuiría la contaminación
atmosférica y la emisión de gases de efecto invernadero, puesto que el único
residuo generado por una pila de combustible es agua.
Introducción.
El hidrógeno fue descubierto por el científico británico Henry Cavendish, en
1.776, quién informo de un experimento en el que había obtenido agua a partir
de la combinación de oxígeno e hidrógeno, con la ayuda de una chispa
eléctrica. Como estos elementos, no eran conocidos los denominó “aire
sustentador de la vida” y “aire inflamable” respectivamente. El químico francés
Antoine Lauren Lavoisier consiguió repetir con éxito el experimento en 1.785 y
dio el nombre de oxígeno al “aire sustentador de la vida” y el de hidrógeno al
“aire inflamable”.
Aunque se están realizado importantes avances tecnológicos, la implantación
de la economía del hidrógeno no es inmediata y requiere aún dar respuesta a
importantes retos tecnológicos, económicos y sociales que se describen a
continuación.
Desde el punto de vista de la producción del hidrógeno, hay que considerar que
los métodos actuales resultan costosos y se basan principalmente en la
gasificación de combustibles fósiles a altas presiones y temperaturas. Los
procesos basados en energías renovables o energía nuclear no se encuentran
suficientemente desarrollados y a nivel industrial su coste es aún mayor. Por
otro lado, para dar respuesta a una demanda global de este tipo de energía, se
necesitaría el desarrollo de un sistema de distribución de hidrógeno similar al
que existe hoy en día para la gasolina.
El almacenamiento supone otro reto aún por resolver ya que, debido a su baja
densidad energética, se necesitan enormes volúmenes de hidrógeno para
alimentar procesos con alta demanda energética. En la actualidad se investiga
en el desarrollo de tanques de alta presión, adsorbentes porosos e hidruros
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metálicos que permitan almacenar cantidades suficientes de este compuesto
en espacios reducidos.
El precio actual de las pilas de combustible y su fiabilidad supone otra barrera a
la aplicación masiva de esta tecnología. El uso de electrodos con catalizadores
de metales nobles como el paladio y el platino, con un elevado precio de
mercado, y los problemas de envenenamiento, sobre todo en procesos que
utilizan hidrógeno de menor pureza, también son objeto de investigación.
Otro de los aspectos a superar es el de la seguridad ya que el hidrógeno es un
compuesto altamente inflamable y potencialmente explosivo en contacto con el
oxígeno de la atmósfera. Por ello se deben adoptar normativas de seguridad
específicas que son diferentes a las que hoy se aplican con éxito para otros
compuestos como la gasolina, el butano o el gas natural.
Características del hidrógeno.
El hidrógeno es el elemento más ligero, más básico y más ubicuo del universo.
Cuando se utiliza como fuente de energía, se convierte en el combustible
eterno. Nunca se termina y, como no contiene un solo átomo de carbono, no
emite dióxido de carbono.
El hidrógeno se encuentra repartido por todo el planeta: en el agua, en los
combustibles fósiles y en los seres vivos. Sin embargo, raramente aparece en
estado libre en la naturaleza, sino que tiene que ser extraído de fuentes
naturales.
El hidrógeno no es fuente primaria de energía, no es un combustible que
podamos extraer directamente de la tierra como el gas natural.
La fuente más común de hidrógeno es el agua. Se obtiene por la
descomposición química del agua en oxígeno e hidrógeno partir de la acción de
una corriente eléctrica (electrólisis) generada por fuentes de energía renovable
(solar fotovoltaica, eólica, etc.). Este proceso divide el agua, produciendo
oxígeno puro e hidrógeno.
El hidrógeno obtenido puede ser comprimido y almacenado en celdas por
varios meses hasta que se lo necesite. El hidrógeno representa energía
almacenada, se puede quemar combustible para producir calor, impulsar un
motor, o producir electricidad en una turbina.
Las principales características del hidrógeno son las que en la siguiente tabla
detallamos:
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CARACTERÍSTICAS DEL HIDRÓGENO
Gas: 0,0899 kg/Nm3
Densidad
Líquido: 0,0708 kg/l
Poder calorífico
Inferior: 120,00 MJ/kg
Superior: 141,86 MJ/kg
Límites de explosión
Concentración H2 en aire 4 % – 75%
Límites de detonación
Concentración H2 en aire 18,3 % – 59,0 %
Capacidad calorífica específica
Cp = 14,199 J/(kg*K)
Cv = 10,074 J/(kg*K)
0,61 cm2/s
Coeficiente de difusión
Figura 121: Principales propiedades físicas del Hidrógeno. Fuente: La Economía del
Hidrógeno.
El factor de compresibilidad dependerá de la presión expresada en bar., como
se observa en la siguiente tabla:
Presión
F. Compre.
1
50
100
150
200
250
300
350
1,000
1,032
1,065
1,089
1,132
1,166
1,201
1,236
400
500
600
700
800
900
1000
1,272
1,344
1,416
1,489
1,560
1,632
1,702
Presión
F. Compre.
Figura 122: Tablas de Presión y Factor de Compresión del Hidrógeno. Fuente: La
Economía del Hidrógeno.
Un ejemplo del factor de compresibilidad: 1 botella (las convencionales) de 50
litros a 200 bar de hidrógeno contiene a 0ºC:
(0,050 m3 * 200 bar.)/ 1,132 = 8,834 Nm3
Las equivalencias entre el caudal de hidrógeno y potencia eléctrica son las que
a continuación se muestran en la siguiente tabla:
Kg./h de H2
Nm3/h de H2 gas
l/h de H2 líquido
Potencia (kw)
1,0
11,12
14,12
33,33
0,0899
1,0
1,270
3,00
0,0708
0,788
1,0
2,359
0,0300
0,333
0,424
1,0
Figura 123: Equivalencias del Hidrógeno en distintas unidades. Fuente: La Economía del
Hidrógeno.
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Donde tenemos que el hidrogeno es líquido a presión atmosférica por debajo
de los 20,39 K; y la equivalencia en potencia esta basada en el poder calorífico
inferior.
Masa H2
(Kg.)
H2 gas (Nm3)
H2 líquido (l)
Energía (MJ)
Energía
(Kw.*h)
1,0
11,12
14,12
120
33,33
0,0899
1,0
1,270
10,8
3,0
0,0708
0,788
1,0
8,495
2,359
0,00833
0,0926
0,1177
1,0
0,278
0,0300
0,333
0,424
3,6
1,0
Figura 124: Equivalencias del Hidrógeno en distintas unidades (II). Fuente: La Economía
del Hidrógeno.
Ejemplos de cálculo utilizando estas tablas son los siguientes:
•
Un electrolizador con un rendimiento del 85% que produzca 10 Nm3/h,
tiene un consumo eléctrico de 35,29 Kw. (10*3,0/0,85), y consume 8,091
Kg. de agua por hora (10*0,0899*(18/2)).
•
Una pila de combustible de 10 Kw. que tenga un rendimiento global del
45%, consume 7,40 Nm3/h de H2 (10*0,333/0,45), o 0,667 Kg/h de H2
(10*0,03/0,45), y produce 6,0 Kg. H2O/h (0,667*(18/2))
A continuación podemos ver una comparativa del valor energético basado en el
poder calorífico inferior:
•
1 Kg. de H2 →2,78 Kg. de gasolina→2,80 Kg. de gasóleo→2,40 Kg. de
metano→entre 2,54 y 3,14 Kg. de gas natural (dependiendo de la
composición del GN)→2,59 Kg. de propano→2,62 Kg. de butano→6,09
Kg. de metanol.
•
1 l de H2→0,268 l de gasolina→0,236 l de gasóleo→0,431 l de metanol.
•
1 l de H2 (a 350 bar)→0,0965 l de gasolina→0,085 l de gasóleo→0,24 l
de metano (a 350 bar)→entre 0,3 y 0,35 l de gás natural (a 350
bar)→0,117 l de propano (a 350 bar)→0,127 l de butano (a 350
bar)→0,191 l de metanol.
Las principales ventajas de utilizar el hidrógeno como energía son:
•
No produce: contaminación ni consume recursos naturales, el
hidrógeno se toma del agua y luego se oxida y se devuelve al agua. No
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hay productos secundarios ni tóxicos de ningún tipo que puedan
producirse en este proceso.
• Seguridad: los sistemas de hidrógeno tienen una historia de seguridad
muy impresionante. En muchos casos, el hidrógeno es más seguro que
el combustible que está siendo reemplazado. Además de disiparse
rápidamente en la atmósfera si se fuga, el hidrógeno, en contraste con
los otros combustibles, no es tóxico en absoluto.
• Alta Eficiencia: las celdas de combustible convierten la energía química
directamente a electricidad con mayor eficiencia que ningún otro sistema
de energía.
• Funcionamiento silencioso: en funcionamiento normal, la celda de
combustible es casi absolutamente silenciosa.
• Larga vida y poco mantenimiento: aunque las celdas de combustible
todavía no han comprobado la extensión de su vida útil, probablemente
tendrán una vida significativamente más larga que las máquinas que
reemplacen.
Modularidad: se puede elaborar las celdas de combustible en cualquier
tamaño, tan pequeñas como para impulsar una carretilla de golf o tan grande
como para generar energía para una comunidad entera. Esta modularidad
permite aumentar la energía de los sistemas según los crecimientos de la
demanda energética, reduciendo drásticamente los costos iniciales.
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