Hidrógeno y Pilas de combustible. Víctor M. Orera

Transcripción

1 Hidrógeno y Pilas de combustible Víctor M. Orera Zaragoza, 14 de mayo de 2007

2 Hidrógeno y Pilas de Combustible - El problema energético - Hidrógeno. La solución?. - Pilas de combustible. Victor M. Orera Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón C.S.I.C.-Universidad de Zaragoza orera@unizar.es

3 Desde que el Hombre descubre el fuego la utilización de energía ha estado íntimamente asociada al desarrollo socioeconómico

4 Energía y Desarrollo Japón, Alemania, GB, Francia EEUU PIB ($)/habitante Brasil Italia España Suecia India China Energía (Toe)/habitante.año Hay una correlación directa entre bienestar y consumo de energía

5 Pero Obtenemos el 87.5% del petróleo, carbón y gas natural! El problema de los combustibles fósiles: a) Escasez de recursos y alta concentración geopolítica de los yacimientos b) Emisión de contaminantes: Efecto invernadero + Muy baja eficiencia energética de los sistemas actuales

6 Fósiles: Reservas vs. producción Año 2004 Petróleo Gas Carbón Producción Reservas Años** Reservas probadas de recursos energéticos minerales con su contenido energético aproximado en millones de Tep* en el 2004 calculado a partir de los datos de la referencia. Estimación en años de la duración de estos recursos. Con Uranio y fisión para 300 años con tecnología actual y 3000 con nueva generación de reactores Statistical Review of World Energy, 2005

7 La quema masiva de combustibles fósiles produce enormes emisiones de gases a la atmósfera. Estos gases tardan mucho tiempo en reabsorberse y producen cambios en el clima

8 Atomic Energy Agency U.K. Efecto invernadero y cambio climático Calentamiento global 55% CO 2 Otros gases T.P. 100 años 5% 20% 20% Combustión Carbón Petróleo, Gas, Deforest. NO x CH 4, HC Clorofluoroc. T.P. 150 años Fertilizantes Comb. Fos. T.P. 10 años Pantanos Ganadería Minería T.P. 75 años Aerosoles Espumas Refrigerantes

9 Hay cambio climático? Resultados de los estudios paleo-climáticos en los que se observa el efecto del polvo y CO 2 atmosférico en la temperatura de la tierra desde hace años

10 Si, hay cambio climático Incremento de la concentración de gases invernadero a partir de la revolución industrial en comparación con las variaciones históricas incluidos los periodos de las glaciaciones Petit JR et al., Nature,1999;399:429

11 Hacia el año 2020 La producción de petróleo barato tendrá un máximo Gas natural durará unos 62 años Fin de vida util de centrales nucleares Hacia fin de siglo ΔT ºC Tenemos que asimilar que los recursos energéticos son finitos y que que buscar alternativas sostenibles!

12 Soluciones? Soluciones sociopolíticas: Medidas de ahorro energético, modelo de sociedad,... Soluciones tecnológicas: Sustituir los combustibles fósiles por otras fuentes de energía Renovables Un LDV EURO4 arroja 12.8 kg de CO 2 /100km. Gas natural-hidrógeno comprimido-pemfc 8.3g/100km. (Zero Emission Vehicles) Incrementar el rendimiento de los motores En transporte de superficie la eficiencia < 25%. En USA de los 12 M barriles de petróleo diarios que se consumen solo se aprovechan 3 en generar movimiento

13 Sistemas Estacionarios: Renovables? Eólica: + de 12 GW instalados, hasta el 40% de la electricidad. Fuente discontínua y dispersa Solar: Potencial ilimitado que necesita de fuertes inversiones. 260 x 10 6 MWh energía eléctrica Producción fotovoltaica media de unos 50 kwh/m 2 año + s de km 2 de superficie instalada. Solar térmica? Planta Abengoa 50MW

14 Y el transporte? Combustible actual red urbana Futuro combustible para red urbana Petróleo 40% gas natural 95% 20% hidraúlica 5% Otros 20% petróleo 10% eólica 10% solar Objetivos del plan CUTE (Transporte urbano europeo limpio. Año 2020) PILAS DE COMBUSTIBLE Funcionando con Hidrógeno

15 Por qué Hidrógeno? VENTAJAS H 2 + 1/2O 2 H 2 O MJ/kg - Energía limpia - Elevada Energía Química (HC 47 MJ/kg ) - Muy abundante pero en forma de complejos (H 2 O) - Producción mediante electricidad procedente de renovables o energía solar - Tecnología bastante conocida (Producción anual 0.55BNm 3 )

16 Propiedades del Hidrógeno Hidrógeno Gasolina Metano Poder calorífico (kj/g) Densidad (gas) kg/nm 3 Densidad (líquido) kg/l Dens. energética (MJ/m 3 ) Límites inflamabilidad (%) (l) Límites detonación (%) Emisiones (mg CO 2 /kj)

17 Riesgos en la automoción

18 Cómo producir el hidrógeno que necesitaríamos? Ventajas e inconvenientes de las distintas tecnologías de producción de H 2. TECNOLOGÍA VENTAJAS INCONVENIENTES Electrolisis Tecnología conocida, H 2 de alta pureza, renovables Caro a RT, a desarrollar para alta T Reformado Bien conocida, bajo coste con gas natural Secuestro CO 2 caro Gasificación de carbón o biomasa Usa biomasa, hidrocarburos pesados, carbón, etc. H 2 muy impuro y necesidad de secuestrar el CO 2 Termolisis usando energía solar o nuclear Potencial producción a gran escala, tecnología limpia Tecnología compleja y no disponible actualmente Biología: algas y bacterias Potencial uso masivo pero en fase incipiente de estudio Poca eficiencia,

19 Producción de Hidrógeno directa de la energía solar A la superficie de la tierra llegan Terawatios (0.4 kw/m 2 ) Fotosíntesis aprovecha 100 TW. Consumo actual 10 TW. Fotocatálisis en TiO 2 Fotobiológico

20 Cómo almacenar el hidrógeno que necesitaríamos? TECNOLOGÍA VENTAJAS INCONVENIENTES Almacenamiento a alta presión > 250 bares Tecnología bien conocida Baja densidad energética Seguridad Hidrógeno líquido Aceptable autonomía y tiempo de operación El licuado consume el % de la energía Hidrocarburos + reformado Peso comparable al de la gasolina Volumen y peso del reformador Hidruros metálicos -LaNi 5 : excelente a temperatura ambiente -Mg 2 Ni: buena capacidad de almacenamiento -Bajo almacenamiento, sufre desproporcionación -Cinética lenta, incluso con activación a 400 ºC Materiales carbonosos, C activo, fulerenos Ligeros, huecos, porosos Bajísimos rendimientos Difícil escalado

21 Coste de suministro del H 2 $/GJ Combustible Gasolina/Gasóleo Gas Natural H 2 de GN con secuestro CO H 2 de carbón con secuestro CO H 2 de biomasa H 2 de electricidad aerogenerador H 2 de electricidad fotovoltaica H 2 de electricidad cogeneración H 2 de electricidad nuclear International Energy Agency (2003)

22 Ejemplo: Cuanto H 2 necesitaríamos en España? Hipótesis: Eficiencia FC: 80%, motor eléctrico 80%, total 64% Electrolizador: 83% Consumo en transporte: 0.35 MTEP/día Eficiencia ICE: 20% Necesita unas 20,000 Tm H 2 /día y para generarlos por electrolísis unos 760 GWh/día y 400,000 Tm agua/dia Esto requeriría por ejemplo multiplicar por 10 la capacidad de generación de electricidad por energía eólica ( 12 GW de potencia instalada actual) o dedicar un 25% de los cultivos a crear biomasa - Algunos argumentan en favor de la energía nuclear: (P.M. Grant, Nature 424, 129)

23 Que es una Pila de Combustible? Son dispositivos electroquímicos que convierten de forma continua la energía química en eléctrica (y algo de calor) con alta eficiencia y baja emisión de contaminantes. Placa solar ELECTROLIZADOR y PILA DE COMBUSTIBLE oxígeno hidrógeno Pila de combustible oxígeno Depósito de oxígeno H 2 O Electrolizador Depósito de hidrógeno hidrógeno

24 Ventajas Pequeñas Limpias Silenciosas Adaptables (fácil instalación) La mayor eficiencia eléctrica Durabilidad y fiabilidad sin precedentes Versátiles en cuanto al combustible utilizado Modulares Desventajas Alto coste de entrada al mercado Tecnología nueva Carencia estructural

25 Cómo funcionan las FC?

26 Algunas aplicaciones - Transporte - Plantas de energía estacionarias - Sistemas portátiles - Todos aquellos sistemas que utilizan baterías eléctricas

27 TIPOS DE PILAS DE COMBUSTIBLE Se caracterizan por el electrolito que usan: Baja y media temperatura de trabajo < 200 C: PAFC H 3 PO 4 AFC NaOH, KOH PEMFC Nafion Alta temperatura: SOFC YSZ MCFC Li 2 CO 3, Na 2 CO 3

28 Combustibles líquidos Gas natural evaporación SOFC Reformador integ C Elimina S MCFC Reformador integ 650 C 500 a 800 C H 2 + CO - eficiencia 300 a 500 C H PAFC 2 + CO C (CO<5%) oxidación CO PEMFC (CO<10 ppm) 80 C

29 PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cells) T = ºC - Electrolito: Nafion (membrana polimérica) ánodo: H 2 2H + + 2e - cátodo: ½ O 2 + 2H + + 2e - 2H 2 O - Eficiencia: 40-50% / Potencia: Hasta 250 kw - PROBLEMA: Tolera CO 2, pero no CO (veneno para el catalizador de Pt) - Combustible: H 2, reformado de hidrocarburos (CH 3 OH, gas natural...) - Aplicaciones: Automoción, baterías recargables...

30 PEM: Utilización en transporte

31 PEMFC: Automoción

32 DMFC (Direct Methanol Fuel Cells) - Son PEMFC o alcalinas que usan mezcla de metanol y agua ánodo: CH 3 OH + H 2 O 6H + + 6e - + CO 2 (PEMFC) cátodo: 3/2 O 2 + 6H + + 6e - 3H 2 O - PROBLEMA: Eficiencia baja, hay que optimizar la carga del Pt - Aplicaciones: Sector transporte, aplicaciones portátiles y móviles. - Hoy, 20 compañías en el mundo están desarrolando DMFCs - Smart Fuel Cell GmbH (Germany) Toshiba y - NEC: portátil PC y PDA con DMFC

33 DMFC: Smart Fuel Cell GmbH - Suministrador energético portátil limpio, seguro, eficiente y silencioso (<40 db) - Cubre demanda energética de 4 días con 2 Kg de combustible (baterías de plomo ácido requieren 100 Kg) / Consumo: 1.5 l de CH 3 OH/kW (oper. contínua) - Opera a temperatura ambiente (-20 ºC 40 ºC) - Dimensiones (mm): 465x290x162 / Peso: 10 Kg (incluído combustible)

34 DMFC: NEC (portátil) - Peso portátil + combustible: 2Kg - Peso de la pila (combustible): 900g (300g) - Dimensiones (mm): 270x270x40 - Tiempo de operación: 5h (con un cartucho de 300cc) - En el mercado: portátil con PC y 40h de operación por cartucho

35 Otros tipos de Pilas de Combustible Alkaline Fuel Cells T = ºC (AFC) Electrolito: NaOH / KOH H 2 y O 2 purísimos Aplicaciones Espacio y militares Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC) T = ºC Electrolito: H 3 PO 4 (líquido) H 2 (tolera CO 2 y 1% de CO) Aplicaciones estacionarias Molten Carbonate Fuel Cells T = 650 ºC (MCFC) Electrolito: Li 2 CO 3 y K 2 CO 3 soportados en matriz cerámica H 2, CO, CH 4, hidrocarburos reformados Aplicaciones estacionarias Proyectos Geminis & Apollo US DoD Fuel Cell IZAR

36 T = ºC SOFC (Solid Oxide Fuel Cells) - Electrolito: YSZ (conductor de iones O 2- ) ánodo: H 2 + O 2- H 2 O + 2e - cátodo: ½ O 2 + 2e - O 2- - Eficiencia: 55% (75% en cogeneración) / Potencia: Hasta MW - Combustible: Mezcla de H 2 / CO / CH 4 - Aplicaciones: Amacenamiento eneregía y generadores estacionarios, Electrolisis del agua sin o con gas natural - Siemens Westinghouse: 15 unidades de demostración instalados - Sulzer Hexis: HXS 1000 premiere (sist. 1 kw residencial) (400 pre-series) - Canadian-based Fuel Cell Technologies: sistemas de 5 kw

37 SOFC: Siemens Westinghouse kw SOFC system de cogeneración en Westervoort (17000 horas) y en Essen (3700 horas) (Holanda) - Eficiencia: 46%

38 Investigación SOFC en Aragón (I.C.M.A.) Ánodos texturados Mini-Tubulares Eutécticos cerámicos V.M. Orera para ánodos R.I. Merino J.I. Peña P.B. Oliete R. Campana M.A. Laguna-Bercero A. Larrea Sinterización láser

39 Ánodos texturados por fusión láser: Nanoeutecticos (Colaboración con Ikerlan S. Coop.) Gran densidad de TPB s Estructura acanalada orientada Alta estabilidad microestructural

40 Pilas SOFC MiniTubulares (Contrato con Copreci S. Coop. - PROFIT) ASR = 0.3 Ωcm 2 (T 850 ºC) Objetivo: Stack SOFC 2.5 kwe 400 $/kw h Ánodo : µm ºC0.2l/min 850ºC0.5l/min 750ºC0.2l/min Electrolito µm 100 Cátodo: 8 µm (LSM + YSZ) Fuel: 4% H 2 Cátodo: 8 µm (LSM + YSZ) Power (mw cm 2 ) Intensity (ma/cm 2 )

41 Sinterizado láser: : SOFC Tubular soporte metálico (contrato con Fagor S. Coop. CENIT DEIMOS) Airbus España, Ames Biogás Fuel Cell Carbogen, Cesa, Copreci Eads-Casa, Embega, Injusa Sener, Zigor, Fagor, Cegasa Soporte metálico Anodo YSZ

42 Conclusiones Las perspectivas son delicadas: - La población mundial actual es alrededor de millones y se incrementa unos 350 millones/año. - En el mundo desarrollado una persona consume en promedio 100 kwh / día. Una reflexión: No heredamos la Tierra de nuestros padres sino que se la tomamos prestada a nuestros hijos Saint Exupery Una esperanza: La luz del sol que nos llega a la Tierra en solo 24 horas contiene más energía que la de todo el petróleo que hemos consumido hasta el presente...