UNIDAD 8 PRODUCCIÓN Y ALMACENAJE DE HIDRÓGENO

Transcripción

1 UNIDAD 8 PRODUCCIÓN Y ALMACENAJE DE HIDRÓGENO

2 PROPIEDADES DEL HIDRÓGENO El hidrógeno (en griego, 'creador de agua') es un elemento químico de número atómico 1, representado por el símbolo H. Con una masa atómica del 1,00794 (7) u, es el más ligero de la tabla de los elementos. Por lo general, se presenta en su forma molecular, formando el gas diatómico (H 2 ) encondiciones normales. Este gas es inflamable, incoloro, inodoro, no metálico e insoluble en agua. Es el elemento más abundante en el universo, pero en la tierra es difícil de encontrar por separado ya que al ser tan ligero es muy volátil y se concentra en las capas altas de la atmósfera.

3 PROPIEDADES DEL HIDRÓGENO El almacenamiento del hidrógeno es clave para su utilización. Técnicamente no ofrece dificultades pero tiene un costo caro. Por otro lado el hidrógeno tiene la ventaja de una gran densidad energética por unidad de masa: 1kg de hidrógeno equivale a 2,78 kg de gasolina. Sin embargo tiene el inconveniente de ocupar una gran volumen: 1 m3 de hidrógeno (en condiciones normales), equivale a 0,34 litros de gasolina. Para reducir volumen se almacena a presiones elevadas llegando a una equivalencia aproximada de 1 litro de gasolina equivale a 6,5 litros de hidrógeno. Esto se consigue con presiones del orden de 700 bares. El hidrógeno en condiciones normales de presión es líquido a casi -273 ºC

4 HIDRÓGENO VECTOR ENERGÉTICO Cuando hablamos de hidrógeno decimos que es un vector energético y no una fuente de energía. El motivo de tal distinción es que el hidrógeno no lo podemos obtener directamente, como el carbón, energía solar, eólica etc. El hidrógeno lo tenemos que producir a partir de tras fuentes de energía.

5 PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE COMBUSTIBLES 1. A partir combustibles fósiles 2. A partir de combustibles renovables

6 PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE COMBUSTIBLES

7 PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE COMBUSTIBLES

8 PRODUCCIÓN A PARTIR DE COMBUSTIBLES FÓSILES 1.1 A partir de gas natural (la más desarrollada): 1.1.1Reformado de vapor Conversión endotérmica (absorbiendo calor) de metano y vapor de agua ºC, 3-25 bares. Este proceso consiste en exponer al gas natural, de alto contenido de metano, con vapor de agua a alta temperatura y moderada presión. CH 4 H 2O calor CO 3H CO H O CO H calor Oxidación parcial de gas natural Producción de H 2 por combustión parcial de CH 4 con O 2. CH 1 O2 CO H calor

9 PRODUCCIÓN A PARTIR DE COMBUSTIBLES FÓSILES Reformado autotérmico Combinación de anteriores ºC Presiones superiores a 100 bares

10 PRODUCCIÓN A PARTIR DE COMBUSTIBLES FÓSILES 1.2 A Partir de carbón Por varios procesos de gasificación Conversión favorecida a altas temperaturas C s H 2O calor CO H 2

11 PRODUCCIÓN A PARTIR DE COMBUSTIBLES FÓSILES 1.2 A Partir de carbón

12 GASIFICACIÓN DEL CARBÓN O DE BIOMASA. La gasificación es un proceso termoquímico en el que un sustrato carbonoso (residuo orgánico) es transformado en un gas combustible de bajo poder calorífico, mediante una serie de reacciones que ocurren a una temperatura determinada en presencia de un agente gasificante ( aire, oxígeno y/o vapor de agua ).

13 PRODUCCIÓN A PARTIR DE BIOMASA Hidrógeno se produce de manera similar que a partir de carbón. No existen plantas comerciales Se produce H 2 y biocombustibles Gasificación y la pirólisis: medio tecnológico más prometedor Reservas de biomasa: Productos no refinados Calidad inconsistente Pobre control de calidad

14 PRODUCCIÓN A PARTIR DE BIOMASA REFORMADO DE FLUIDOS BIODERIVADOS (PRINCIPALMENTE BIOETANOL CH3-CH2-OH). Este proceso es similar a la producción de hidrógeno a partir de carbón ya que tiene las mismas etapas. Una etapa de gasificación de la biomasa y otra etapa de reformado de vapor.

15 PRODUCCIÓN A PARTIR DE BIOMASA PIRÓLISIS La pirólisis se puede definir como la descomposición térmica de un material en ausencia de oxígeno o cualquier otro reactante. Esta descomposición se produce a través de una serie compleja de reacciones químicas y de procesos de transferencia de materia y calor. La pirólisis también aparece como paso previo a la gasificación y la combustión. Se puede considerar que la pirólisis comienza en torno a los 250 C, llegando a ser prácticamente completa en torno a los 500 C. A parte del hidrógeno, se producen otra serie de gases e hidrocarburos que son aprovechables para la producción de energía (por ejemplo metano).

16 PRODUCCIÓN A PARTIR DE BIOMASA FERMENTACIÓN Dos tipo: -Fermentación alcohólica: Se trata de conseguir alcohol puro al 96% y después se lleva a cabo un reformado con vapor. - Fermentación anaeróbica. Se trata de producir biogás y posteriormente llevar a cabo un reformado con vapor.

17 PRODUCCIÓN A PARTIR DE LA RUPTURA DE AGUA Electrólisis del agua El agua se separa en H 2 y O 2 por aplicación de energía Global H O electricidad H 1 O cátodo : 2 H 2 O 4e 2 H 2 2O 2 ánodo : 2O 2 O 2 4e La energía total aumenta lentamente con la temperatura La energía eléctrica disminuye con T.

18 PRODUCCIÓN A PARTIR DE LA RUPTURA DE AGUA Electrólisis del agua Instalación comercial de producción de H 2 (150 m3/h) mediante electrolisis de agua.

19 PRODUCCIÓN A PARTIR DE LA RUPTURA DE AGUA Electrólisis alcalina Disolución alcalina de KOH (Hidróxido potásico) como electrolito A presiones de 25 bares

20 PRODUCCIÓN A PARTIR DE LA RUPTURA DE AGUA Electrolisis por membrana de electrolito polimérico (PEM) (una de las más usadas) El electrolito es una resina polimérica. Aplicaciones estáticas y móviles 1 ánodo : H 2O O 2 2 H 2 cátodo : 2 H 2e H Ventajas: Mayor seguridad Más compacto Operar a presiones mayores Inconveniente Limitado tiempo de vida de las membranas 2 2e

21 PRODUCCIÓN A PARTIR DE LA RUPTURA DE AGUA ofotoelectrolisis Sistema fotovoltaico unido a electrolizadores La energía eléctrica necesaria se obtiene de células fotovoltaicas El Hidrógeno se obtiene desde electrolizador

22 PRODUCCIÓN A PARTIR DE LA RUPTURA DE AGUA Producción fotobiológica Fotosíntesis Producción catalizada de H 2 por hidrogenasas Fotosíntesis : 2H Pr oducción de Hidrógeno :4H 2 O 4H 4e 4e O 2 2H 2 La hidrogenasa es una enzima que cataliza la oxidación reversible de Hidrógeno molecular (H2)

23 PRODUCCIÓN A PARTIR DE LA RUPTURA DE AGUA Producción fotobiológica

24 PRODUCCIÓN A PARTIR DE LA RUPTURA DE AGUA o Electrolisis a altas temperaturas Tecnología de células de combustible a altas temperaturas Necesita menos energía que los sistemas anteriores. De aplicación en centrales solares térmicas. Tiene el inconveniente de un aumento notable de la corrosión al trabajar a altas temperaturas.

25 PRODUCCIÓN A PARTIR DE LA RUPTURA DE AGUA Descomposición a alta temperatura se produce a unos 3000ºC un 10% del agua se descompone y el 90% se recicla Presenta muchas complicaciones por las elevadas temperaturas.

26 PRODUCCIÓN A PARTIR DE LA RUPTURA DE AGUA Ruptura termoquímica del agua Se trata de descomponer el agua a temperaturas inferior mediante reacción químicas de agua con ciertos aditivos. Se reduce el coste y tiene un alto rendimiento

27 PRODUCCIÓN A PARTIR DE LA RUPTURA DE AGUA

28 MODALIDEDES DE PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO PRODUCCIÓN CENTRALIZADA PRODUCCIÓN DISTRIBUIDA

29 PRODUCCIÓN CENTRALIZADA DE HIDRÓGENO

30 PRODUCCIÓN DISTRIBUIDA DE HIDRÓGENO Beneficio: Se reduce necesidad de transportar H 2 combustible No es necesario construcción de nuevas infraestructuras Coste de producción mayor para pequeña capacidad Eficacia menor que para las plantas centralizadas Desventaja: Espacio requerido por la producción del hidrógeno

31 ALMACENAMIENTO otres formas principales de almacenar H 2 Gas Líquido Sólido

32 ALMACENAMIENTO

33 HIDRÓGENO GASEOSO La manera más habitual para almacenar hidrógeno es en depósitos a alta presión. Las presiones típicas de almacenamiento son 200 bares, 350 bares (estándar hace años para los depósitos que se montaban en vehículos) y 700 bares que actualmente es el estándar empleado en automoción. En los laboratorios, los gases a presión como el nitrógeno o el oxígeno acostumbran a almacenarse en balas o bombonas de acero, sin embargo, este tipo de depósitos no es práctico para la mayor parte de las aplicaciones del hidrógeno debido a que son muy pesadas. Por ello, se han desarrollado tanques ligeros a base de materiales compuestos como por ejemplo los montados en los Toyota Mirai que cuentan con tres capas. Una capa interna hecha de un polímero plástico a base de nylon con una baja permeabilidad al hidrógeno. Una capa intermedia de resina epoxy con fibra de carbono que da la rigidez estructural al depósito. Y por último una coraza externa fabricada con un material compuesto a base de fibra de vidrio para proteger al depósito de posibles abrasiones. De esta forma, mediante el uso de materiales compuestos, se logra reducir notablemente el peso de los depósitos que hay que embarcar.

34 HIDRÓGENO GASEOSO Tanque compuesto Ventajas Bajo peso Comercialmente disponible, diseñado y probado Soportan altas presiones Desventajas Gran volumen Alto coste y energía Cuestiones de seguridad

35 HIDRÓGENO GASEOSO

36 HIDRÓGENO GASEOSO Depósito de hidrógeno de alta presión del Toyota Mirai Presión (MPa) Volumen (L)

37 HIDRÓGENO GASEOSO Microesferas de cristal Se llenan las esferas de H 2 a alta presión y temperatura Se enfrían a temperatura ambiente Se transfieren al tanque de baja presión Se calientan a 300 ºC

38 HIDRÓGENO GASEOSO

39 HIDRÓGENO LÍQUIDO Otra opción es almacenar el hidrógeno en estado líquido, sin embargo, para que el hidrógeno se encuentre en estado criogénico es necesario mantener una temperatura de -253 ºC. Por tanto, para licuar el hidrógeno se requiere una cierta cantidad de energía para bajar la temperatura hasta 20,3 K sobre el cero absoluto, además se necesitan también unos depósitos fuertemente aislados para conservar tan baja temperatura. Este es un método para almacenar cantidades relativamente grandes de hidrógeno. Si bien, mediante este método el hidrógeno no puede mantenerse almacenado durante largos periodos de tiempo, debido a lo costoso que es mantener el hidrógeno en estado líquido y a las pérdidas que puedan producirse. BMW ha desarrollado y empleado la tecnología del hidrógeno líquido en prototipos en los que ha utilizado pequeños tanques.

40 HIDRÓGENO LÍQUIDO Hidrógeno líquido criogénico (LH 2 ) temperaturas criogénicas (-253 ºC) mayor densidad energética principal ventaja: conseguir una alta densidad de almacenamiento a presiones relativamente bajas Aplicaciones:combustible en vehículos, combustible de aviones.

41 HIDRÓGENO LÍQUIDO Soluciones de NaBH4 (borohidruro de sodio ) NaBH 4 (l) + 2H 2 O (l) 4H 2 (g) + NaBO 2 (s) El borohidruro de sodio es usado en pilas de combustible experimentales como un medio de almacenar hidrógeno. Como pila, es menos inflamable y menos volátil que la gasolina, pero más corrosivo. Es relativamente respetuoso con el medio ambiente ya que de producirse un vertido se degradará rápidamente a sales inertes. El hidrógeno es generado en la pila de combustible a través de la descomposición catalítica de una solución acuosa del borohidruro:

42 HIDRÓGENO SÓLIDO Está en desarrollo pero ofrece muchas posibilidades y está siendo la más estudiada: gran capacidad de almacenamiento a bajas presiones. Cómo inconveniente es el elevado peso. Se trata de utilizar materiales que tengan la capacidad de combinarse fácilmente con el hidrógeno y en una reacciones que sean reversibles, es decir, que en primer lugar reacciona el hidrógeno con la sustancia. El resultado de esta reacción es la que almacena el hidrógeno y es transportable. Finalmente se realiza la reacción inversa obteniendo de nuevo el hidrógeno.

43 COMPARACIÓN Ventajas del hidrógeno en estado sólido: Menor volumen Menor presión Mayor pureza de H 2

44 APLICACIONES DEL HIDRÓGENO Pilas de Combustible Las pilas de combustible o celdas de combustible son unos dispositivos electroquímicos, capaces de convertir directamente la energía química contenida en un combustible en energía eléctrica. Esta transformación electroquímica (sin combustión) no está limitada por el rendimiento de Carnot, lo que permite conseguir rendimientos relativamente altos (en la práctica en el entorno del 40 o 50%, aunque en teoría podrían ser bastante superiores). Se presentan como unos dispositivos con enorme potencial de aplicación.

45 APLICACIONES DEL HIDRÓGENO Pilas de Combustible Fundamentalmente una pila de combustible es un apilamiento (con conexiones internas en serie) de células o celdas individuales. Estas celdas están formadas por dos electrodos (ánodo y cátodo) donde se producen respectivamente la oxidación del hidrógeno y la reducción del oxígeno, y por un electrolito (que puede ser un medio tanto ácido como básico) que permite el intercambio de los iones que generan ambas reacciones. Uniendo cada dos celdas existe un elemento de unión, denominado normalmente placa bipolar (que además facilita la canalización de los gases) que permite la circulación de los electrones, que pasando por el circuito externo, completan las reacciones.

46 APLICACIONES DEL HIDRÓGENO Pilas de Combustible Entre las ventajas generales de las pilas de combustible, cabe destacar: Su buen rendimiento, en torno al 40 o 50% y con posibilidades de mejora. Este rendimiento, a diferencia de otros sistemas, es relativamente alto para distintas potencias en un mismo sistema (es decir funcionando tanto a plena potencia como a cargas parciales), lo que permite ajustar la producción a la demanda sin sacrificar la eficiencia. Asimismo, el rendimiento es bueno independientemente del tamaño del sistema (a diferencia de los sistemas térmicos, en los que el rendimiento mejora con el aumento de escala). Son sistemas con muy poca inercia, que pueden seguir casi al instante la curva de demanda. Tienen un carácter modular, lo que significa por un lado un aumento de la fiabilidad a la vez que una reducción de costes, y por otro que las plantas se pueden construir en poco tiempo y pueden aumentar o disminuir la potencia sin cambiar su diseño. Además se puede conseguir una muy alta disponibilidad, ya que la parada de un módulo no supondría la parada del sistema completo. Al carecer de partes móviles, las pilas de combustible son silenciosas, no producen vibraciones (estas afirmaciones no son válidas para algunos de los componentes auxiliares), y por ello, en teoría, requieren poco mantenimiento.

47 APLICACIONES DEL HIDRÓGENO Pilas de Combustible

48 APLICACIONES DEL HIDRÓGENO Pilas de Combustible

49 APLICACIONES DEL HIDRÓGENO

50 MOTORES DE COMBUSTIÓN DE HIDRÓGENO -Motor Ford H2ICE (motor de combustión interna de hidrógeno):cuatro cilindros de 2,3 litros que desarrolla 110CV. >Hidrógeno gaseoso almacenado a 350 bares en tanques de 119L (equivale a 2,75kg de hidrógeno. Autonomía de unos 200 km). >El hidrógeno entra a 5,5 bares en el interior del motor. Un turbo compresor comprime el aire de admisión e incrementa la masa del la mezcla de combustible (el hidrógeno es muy poco denso). >Durante la compresión, el aire se calienta y es necesario enfriarlo mediante intercambiadores. El aire comprimido y enfriado se introduce en el motor y se combina con el hidrógeno en los cilindros.

51 MOTORES DE COMBUSTIÓN DE HIDRÓGENO Ford H2ICE Ventajas No contamina. El combustible es renovable. Es ecológico. Hace menos ruido. Tiene mas rendimiento. Inconvenientes- Es muy caro. No tiene lugar para maletero. Es monoplaza. Autonomía 200km. Una menor potencia(100cv)

52 COCHES CON PILA DE COMBUSIBLE DE H2 El hidrógeno se almacena en un depósito (o tanque) y gracias a la pila de combustible se obtiene energía eléctrica para hacer funcionar el motor eléctrico que moverá las ruedas. La pila de combustible (también llamada célula o celda de combustible) recibe hidrógeno y aire (para aprovechar el oxígeno de este), y mediante un proceso electroquímico genera energía eléctrica, agua (que se evacúa en forma de vapor) y algo de nitrógeno. Estas emisiones no son contaminantes y por eso se habla de vehículo de cero emisiones locales. El rendimiento es de entre el 50% y el 60%. La pila de combustible es pesada y muy costosa (se emplea platino o paladio para recubrir las placas de los electrodos). En ocasiones el vehículo puede llevar también una batería (normalmente de iones de litio) para acumulación de electricidad (pero más pequeña que si fuera un vehículo eléctrico puro ).

53 COCHES CON PILA DE COMBUSIBLE DE H2

54 COCHES CON PILA DE COMBUSIBLE DE H2 Coste del hidrógeno Un kilo de hidrógeno cuesta 12 euros(es cierto que en otros países como Alemania es algo más barato, unos ocho euros el kilo). Un kilo de hidrógeno energéticamente equivale a unos 2,8 kg de gasolina (1 kg de gasolina son aproximadamente 1,4 litros). Al precio actual de la gasolina (1,35 euros/litro) un kilo serían 1,89 euros. El hidrógeno parece más caro. Comparémoslo con un coche de gasolina actual muy eficiente, por ejemplo un Toyota Prius III, que tiene un consumo mixto de 3,9 l/100 km (en kilos serían 2,81). Hacer 100 km con gasolina cuesta 5,27 euros, 100 km con hidrógeno cuesta 12 euros. Datos de diciembre 2014