Almacenamiento a Presión y Uso Industrial del Hidrógeno

Transcripción

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2 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 2

3 Indice Antecedentes Almacenamiento a Presión Mercado Actual del Hidrógeno Mercado Futuro del Hidrógeno Hidrógeno como vector de energía 3

4 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 4

5 Antecedentes Propiedades del H2: Densidad energética másica: 120 MJ/kg Densidad energética volumétrica: 0,01 MJ/l 1 kg de H 2 = 2,78 kg de gasolina 1 Nm 3 de H 2 = 0,34 l de gasolina 5

6 Antecedentes Propiedad H 2 LH 2 Metano Propano Gasolina PCI (MJ/kg) ,3 44,5 Densidad (Kg/Nm 3 ) ,8 0,72 1, PCI (kg/nm 3 ) 10, ,9 86,

7 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 con sistemas de almacenamiento y/o de transporte. 7

8 Antecedentes Pero Almacenar y Transportar H 2 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) 8

9 Antecedentes 1 à 50 m3/h Botellas Centros de acondicionamiento SR gas Consumidores Transporte SR liquido Generadores Canalización 1000 à m3/h 9

10 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% 10

11 Antecedentes 200 bar 350 bar Depósitos de acero Depósitos de aluminio o material metálico inoxidable enrollado con fibra de de carbono 350 bar 700 bar Depósitos de aluminio o material metálico inoxidable totalmente enrollado con fibra de carbono Depósitos polímeros totalmente enrollado con fibra de de carbono 11

12 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 12

13 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. 13

14 Antecedentes H 2 gas comprimido Tecnología más desarrollada Menor coste Ventajas Inconvenientes Baja densidad energética Altas presiones Seguridad H 2 líquido Alta densidad energética Temperaturas criogénicas Materiales, seguridad y coste H 2 en forma sólida Gran capacidad de almacenamiento Bajas presiones En desarrollo Alto peso del sistema Control de la temp. 14

15 Indice Antecedentes Almacenamiento a Presión Mercado Actual del Hidrógeno Mercado Futuro del Hidrógeno Hidrógeno como vector de energía 15

16 Almacenamiento a Presión La cantidad de H2 a una presión P, contenido en un volumen V determinado es: P: presión (Pa) PV znrt V: volumen (m 3 ) z: factor de compresibilidad n: nº de mols R: Constante (8,31 J/molK) T: Temperatura (K) Distribución molecular Factor de compresibilidad con presión 16

17 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 JT T P H Diferencia de temperatura en el llenado de una botella con H 2 17

18 Almacenamiento a Presión Compresión ideal adiabática: E: Trabajo específico para la compresión (J/kg) P0: Presión inicial (Pa) P1: Presión final (Pa) V0: Volumen específico inicial (m/kg) α: Coeficiente adiabático α=cp/cv Cp= 14,33 J/kgK Cv= 10,12 J/kgK E 1 p V 0 0 p p 1 0 ( 1) 1 18

19 Almacenamiento a Presión El acondicionado de H 2 en botellas y Semirremolques a 200 bar. se realiza en centros de acondicionado completamente automatizados. Sus partes fundamentales son: Depuración del H 2 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 H 2 19

20 Indice Antecedentes Almacenamiento a Presión Mercado Actual del Hidrógeno Mercado Futuro del Hidrógeno Hidrógeno como vector de energía 20

21 Mercado actual del hidrógeno 1 à 50 m3/h Botellas Consumidores SR gas Centros de acondicionamiento Transporte SR liquido Generadores Canalización 1000 à m3/h 21

22 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 22

23 Mercado actual de hidrógeno PLANTA HYCO DE PUERTOLLANO Vista General 23

24 Mercado actual de hidrógeno PLANTA HYCO DE PUERTOLLANO Características principales de la Planta PRODUCCIÓN Producción H Nm3/h 24 barg Hacia Repsol-YPF: Nm3/h Mercado (MM): 600 Nm3/h Vapor 45 ton/h 41 barg 390 ºC Repsol-YPF CO2 10 ton/h Mercado industrial(mm) 24

25 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 25

26 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 semiremolques gas en la carretera Comprimido a 200bar, cada camión contiene entre 2000 to 6600Nm3 de H2 Más de botellas y bloques Comprimido a 200bar, desde 1Nm3 a 300Nm3 en cada entrega 26

27 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 m3/hr 27

28 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... 28

29 Indice Antecedentes Almacenamiento a Presión Mercado Actual del Hidrógeno Mercado Futuro del Hidrógeno Hidrógeno como vector de energía 29

30 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. 30

31 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 y /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. 31

32 Indice Antecedentes Almacenamiento a Presión Mercado Actual del Hidrógeno Mercado Futuro del Hidrógeno Hidrógeno como vector de energía 32

33 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 420 bars Compresor de gran capacidad bars En cascada con almacenamiento 410 bars * Proyecto desarrollado por el consorcio Gas Natural SDG y REPSOL-YPF. Planta Piloto en Francia January 2003 En cascada con almacenamiento 420 bars formado por las empresas Air Liquide España, 33

34 Estación de Servicio de Madrid (esh2) Compresor de H2 Surtidor de H2 34

35 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 35

36 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 36

37 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 700 bars Botella de 20 litros de 300 bars EMPTY 37

38 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 botellas de composite( bar & 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 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. 38