CICLO DEL HIDRÓGENO PRODUCCIÓN, ALMACENAMIENTO Y USO

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1 Ciudad Real, 8 de Noviembre de 2013 CICLO DEL HIDRÓGENO PRODUCCIÓN, ALMACENAMIENTO Y USO Ernesto Amores Vera Unidad de Simulación y Control ernesto.amores@cnh2.es Departamento de Investigación

2 ÍNDICE 1. QUÉ ES EL CICLO DEL HIDRÓGENO? 2. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO 3. ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO 4. TRANSFORMACIÓN Y USOS DEL HIDRÓGENO 5. CENTRO NACIONAL DEL HIDRÓGENO

4 1. QUÉ ES EL CICLO DEL HIDRÓGENO? El Sistema Energético Mundial ANTECEDENTES Durante el siglo XX, el sistema energético dominante se centró en generar energía, en cantidad abundante y de buena calidad, a partir del uso masivo de las fuentes energéticas basadas en los recursos fósiles: carbón, petróleo, gas natural, y sus derivados. Este modelo energético permitió lograr enormes avances en el cuidado de la salud, en las comunicaciones, en la producción de alimentos, en el transporte... y en el desarrollo de la tecnología, tal y como hoy la conocemos. Pero, cuáles son las consecuencias de este modelo energético...?

5 1. QUÉ ES EL CICLO DEL HIDRÓGENO? El Sistema Energético Mundial PROBLEMAS FUENTE: Climate, Energy & Earth Process Revolución Iraní Crece el consumo de China e India Guerra del Yom Kipur FUENTE: Euribor Recesión en Asia EMISIONES CONTAMINANTES Las concentraciones de CO2 en la atmósfera y otros Gases de Efecto Invernadero, han aumentado más de un 36% desde 1750 hasta 2010 SITUACIÓN GEOPOLÍTICA MUNDIAL La producción de combustibles fósiles está vinculada con la situación geopolítica de países de Oriente Medio (donde se encuentran el 64% de las reservas mundiales de petróleo y gas)

6 Miles de millones de barriles por año 1. QUÉ ES EL CICLO DEL HIDRÓGENO? El Sistema Energético Mundial PROBLEMAS FUENTE: ASPO, 2004 FUENTE: Diercke RECURSOS FINITOS Y AGOTABLES Los combustibles fósiles son finitos, y por lo tanto, agotables. Según la ASPO, el pico de petróleo se producirá en esta misma década AUMENTO DE POBLACIÓN Y DEMANDA DE ENERGÍA Según las Naciones Unidas, la población mundial será de 10 mil millones en Si las tendencias se mantienen, la mayor parte de este consumo deberá ser cubierto por combustibles fósiles.

7 1. QUÉ ES EL CICLO DEL HIDRÓGENO? El Sistema Energético Español En España, los problemas anteriores se acentúan porque la dependencia energética nacional es muy elevada. En 2007 alcanzó el 74% La mayor parte de la energía primaria que actualmente consumimos DEBE SER IMPORTADA desde otros países FUENTE: Instituto Nacional de Estadística (INE), 2012

8 1. QUÉ ES EL CICLO DEL HIDRÓGENO? Nuevo Modelo Energético ENERGÍAS RENOVABLES Teniendo en cuenta la evolución de las reservas de petróleo, la inestabilidad de su precio, el consumo energético y las emisiones por combustibles fósiles, se hace evidente que cada vez es más necesario buscar otro tipo de fuentes energéticas. Estas fuentes alternativas podrían ser las Energías Renovables, que se presentan en España como una excelente opción para resolver estos problemas: Son inagotables e infinitas Permiten reducir la dependencia energética exterior No producen GEI, ni otras emisiones en su uso Se encuentran geográficamente distribuidas Favorecen el autoconsumo Incrementan el empleo en el sector renovable No generan residuos de difícil tratamiento

9 1. QUÉ ES EL CICLO DEL HIDRÓGENO? Nuevo Modelo Energético ENERGÍAS RENOVABLES Pero las Energías Renovables también presentan problemas en su gestión y producción: Un panel FV no produce electricidad si no hay suficiente irradiación solar Un aerogenerador no produce electricidad si no hay suficiente viento qué hacer si la demanda no coincide con la producción? Necesitamos herramientas que nos permitan almacenar esta energía en períodos de gran producción, para que pueda utilizarse en épocas de escasez del recurso renovable. EL HIDRÓGENO Y LAS PILAS DE COMBUSTIBLE SE PRESENTAN COMO UNA ALTERNATIVA PARA APLICACIÓN EN TRANSPORTES Y GENERACIÓN DE POTENCIA. SON EL COMPLEMENTO PERFECTO DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES Y PERMITIRÍAN UNA DRÁSTICA REDUCCIÓN DE LA DEPENDENCIA ENERGÉTICA DEL EXTERIOR

10 1. QUÉ ES EL CICLO DEL HIDRÓGENO? Ciclo del Hidrógeno Energético FUENTE: International Journal of Hydrogen Energy Una instalación renovable alimenta una serie de cargas (viviendas, equipos), pero cuando existe un excedente en la producción eléctrica, esta puede utilizarse para generar hidrógeno. En momentos sin recurso renovable, el hidrógeno almacenado permite alimentar las diferentes cargas del sistema, a través de su transformación en electricidad a través de una pila de combustible

11 1. QUÉ ES EL CICLO DEL HIDRÓGENO? Ciclo del Hidrógeno Energético Economía del Hidrógeno Jeremy Rifkin, 2002 PRODUCCIÓN TRANSFORMACIÓN Modificación total del modelo energético actual basado en combustibles fósiles, por uno basado en el hidrógeno. ALMACENAMIENTO FUENTE: International Journal of Hydrogen Energy Esta visión basa sus principios en que el H2 se puede producir a partir de recursos autóctonos de la forma más económica y respetuosa con el medio ambiente posible.

12 1. QUÉ ES EL CICLO DEL HIDRÓGENO? Propiedades del Hidrógeno PARÁMETRO VALOR DENSIDAD DEL HIDRÓGENO GAS 0,0893 kg/nm 3 DENSIDAD DEL HIDRÓGENO LÍQUIDO 0,0708 kg/l DENSIDAD ENERGÉTICA DEL HIDRÓGENO GAS 10,8 MJ/Nm 3 DENSIDAD ENERGÉTICA DEL HIDRÓGENO LÍQUIDO PUNTO DE EBULLICIÓN PUNTO DE FUSIÓN PODER CALORÍFICO INFERIOR PCI HIDRÓGENO PODER CALORÍFICO SUPERIOR PCS HIDRÓGENO LÍMITES DE EXPLOSIÓN LÍMITES DE DETONACIÓN TEMPERATURAS DE COMBUSTIÓN ESPONTÁNEA CAPACIDAD CALORÍFICA ESPECÍFICA 8,495 MJ/L 20,28 K 14,02 K 119,972 MJ/Kg 141,890 MJ/Kg 4-75 % de H 2 en el aire 18,3 59,0% de H 2 en el aire 858 K Cp = 14,33 J/(Kg K) Cv = 10,12 J/(Kg K) COEFICIENTE DE DIFUSIÓN 0,61 cm 2 /s

14 2. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO El hidrógeno no es un recurso sino un vector energético, es decir, un portador de energía. Esto supone que se debe producir a partir de fuentes energéticas, conteniendo una cierta cantidad de energía, una vez que este ha sido producido PRODUCCIÓN Existen diferentes vías para producir hidrógeno dependiendo de la fuente de energía utilizada y el proceso empleado. FUENTE: International Journal of Hydrogen Energy INVESTIGACIONES ENCAMINADAS A MEJORAR LOS PROCESOS DE PRODUCCIÓN Y SU INTEGRACIÓN CON EE.RR.

15 2. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO FUENTE: CNH2

16 2. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO Procesos de Conversión Química Se aplican tanto a combustibles fósiles (carbón e hidrocarburos) como a biomasa. En todos los procesos se produce CO 2, siendo posible secuestrarlo. Métodos: Reformado: Son los más habituales para producir hidrógeno. De todos los procesos existentes, el más utilizado es el reformado con vapor de agua a partir de GN: CH H 2 O 4 H 2 + CO C, 25 bar Rendimiento global 80% Gasificación: Proceso que consiste en la combustión con defecto de O 2 en la que se obtiene CO 2, CO, CH 4 y H 2 a una temperatura que oscila entre los 700 y C Pirolisis: Consiste en la descomposición de un combustible sólido (carbón o biomasa) mediante la acción de calor, para obtener un gas de síntesis (CO y H 2 )

17 2. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO Procesos de Termólisis Se basa en la extracción del hidrógeno de la molécula que lo alberga (hidrocarburo o agua) mediante la aplicación de calor. Este calor procede de una fuente externa, como la energía solar concentrada o la energía nuclear. Las temperatura de operación van desde 1000K de algunos ciclos termoquímicos (rendimiento en torno al 42%), hasta los 2500K en la termólisis directa del agua. Procesos de Electrólisis Proceso electroquímico en el cual, a partir de agua y electricidad se obtiene H2 y O2. Es un método que permite la producción de hidrógeno de manera limpia, siempre y cuando la energía que se utilice para el proceso provenga de fuentes renovables. Rendimiento 65-85%. H 2 O (liq) H 2 (gas) + ½ O 2 (gas)

18 2. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO El 96% del H2 producido requiere como energía primaria combustibles fósiles, siendo el reformado de gas natural la vía más comúnmente utilizada para producir H2 FUENTE: ICAI SI QUEREMOS UTILIZAR EL HIDRÓGENO COMO VECTOR ENERGÉTICO SOSTENIBLE, NO PODEMOS PRODUCIRLO MEDIANTE COMBUSTIBLES FÓSILES Origen del hidrógeno producido en 2007 La producción limpia de H2 a partir de fuentes renovables es el aspecto crítico y fundamental a la hora de concebir el H2 como un sistema de almacenamiento de energía.

19 2. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO Electrólisis del Agua CONCEPTOS GENERALES H 2 O H 2 ½ O 2 De los diferentes métodos de producción existentes, la electrólisis del agua permite una combinación excelente con las EERR para la generación de H2 energético. dónde se realiza? CELDAS CELDAS CELDAS CELDAS STACK ELECTROLS. FUENTE: CNH2, FuelCellToday, Elygrid, Hydrogenics

20 2. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO Electrólisis del Agua Primera Ley de la Termodinámica aplicada a la electrólisis del agua: H = G + T S TERMODINÁMICA DE LA ELECTRÓLISIS Q+ Q- TÉRMICA CALOR FUENTE: Universidad de Sevilla GLOBAL ELÉCTRICA VOLTAJE REVERSIBLE: tensión mínima para dividir el agua en H2 y O2 (a 25 C y 1 atm es 1.23V) VOLTAJE TERMONEUTRO: tensión a aplicar cuando la única energía suministrada es eléctrica, sin generación ni absorción de calor (a 25 C y 1 atm es 1.48V)

21 2. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO Electrólisis del Agua CURVA DE POLARIZACIÓN 20 C 40 C 60 C La relación entre voltaje y corriente, proporciona la curva característica I-V o de polarización, la cual nos permite analizar el comportamiento de una celda electrolítica, ya que a través de ella podemos comprender la cinética de la reacción de la electrólisis del agua y determinar los diferentes puntos de operación. Además la curva I-V pone de manifiesto el efecto de las irreversibilidades del proceso.

22 2. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO Electrólisis del Agua TIPOS DE ELECTRÓLISIS ALCALINA ÁCIDA (PEM) ÓXIDO SÓLIDO Iones OH - son los encargados del transporte iónico. El electrolito es por lo general una disolución de KOH. Las cámaras anódica/catódica se encuentran separadas por un diafragma que impide la mezcla de gases. aprox kwhe/nm 3 H2 Se usa un polímero de tipo ácido, denominado PEM (membrana de intercambio de protones), como electrolito para transportar los iones H + y al mismo tiempo para separar los gases entre las cámaras. El consumo de electricidad se reduce, pero se precisa disponer de una fuente térmica de elevada temperatura. Se pueden operar con temperaturas de hasta 1000 C con electrolizadores de óxido sólido aprox kwhe/nm 3 H2 aprox kwhe/nm 3 H2

24 3. ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO Una vez que el hidrógeno ha sido producido, este debe almacenarse hasta el momento en que será usado o transformado. ρ HIDRÓGENO = kg/nm 3 El hidrógeno, almacena mucha energía por unidad de masa, pero muy poca por unidad de volumen debido a su baja densidad ALMACENAMIENTO FUENTE: International Journal of Hydrogen Energy PROBLEMA EN APLICACIONES DE TIPO PORTÁTIL Y TRANSPORTE. NECESIDAD DE NUEVAS INVESTIGACIONES

25 3. ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO FUENTE: NEW ENERGY AND FUEL MUCHA ENERGÍA POR UNIDAD DE MASA, PERO MUY POCA POR UNIDAD DE VOLUMEN 2.5 kg GN 1 kg H2 GN = 55 MJ/kg ρ = 0.78 kg/nm 3 GN = 43 MJ/Nm 3 H2 = 142 MJ/kg ρ = 0.089kg/Nm 3 H2 = 12 MJ/Nm 3 1 Nm 3 GN 3.5 Nm 3 H2

26 3. ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO Para que el hidrógeno pueda utilizarse, especialmente en aplicaciones portátiles y en transporte, debemos incrementar la densidad energética volumétrica, para poder almacenar más energía en la misma cantidad de volumen. Hidruros metálicos intersticiales Hidruros químicos (NaBH4) H2 líquido (1 bar, 20K) H2 comprimido (700 bar, 300K) H2 en condiciones normales: MJ/l FUENTE: ICAI Densidad energética (MJ/l) PCI del hidrógeno respecto a su volumen (comprimido o líquido) o al de los hidruros Masa H2/Masa total sistema (%) Masa de hidrógeno contenida en el sistema respecto a la masa total, incluidos elementos aux.

27 3. ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO Hidrógeno comprimido Consiste en almacenar hidrógeno a altas presiones. El consumo energético de este procedimiento viene determinado por la necesidad de comprimir el hidrógeno, hasta la presión de almacenamiento. 200 bar 5-10% 700 bar 7-15% Consumo de energía respecto al PCI para comprimir hidrógeno desde 1 bar Para aplicaciones donde existe un gran volumen de almacenamiento, el aspecto crítico lo fijan los costes del sistema. Para aplicaciones móviles, se pueden utilizar botellas de acero con presión de 200 bar y volúmenes de l. FUENTE: pureenergycentre.com

28 3. ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO Hidruros metálicos Se realiza por medios químicos, estableciéndose un proceso de carga del hidruro (absorción) y otro de descarga (desorción). La energía consumida por este proceso es aproximadamente el 13% del PCI del hidrógeno. Se alcanzan presiones de bar. CARGA DESCARGA Proceso de absorción donde es preciso reducir la temperatura y retirar calor del hidruro, para favorecer la carga del hidrógeno en el hidruro Proceso de desorción donde es preciso calentar el hidruro y operarlo a alta temperatura, para favorecer el proceso de liberación del hidrógeno contenido Los hidruros están constituidos por algún elemento de las denominadas tierras raras (lantano, cerio, holmio,...) o un metal alcalino, y un metal de transición (habitualmente Ni) FUENTE: ARIEMA, Hidrogenio

29 3. ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO Hidrógeno líquido Requiere tecnología criogénica para mantener el hidrógeno por debajo de los -253 C (a 1 atm). Método de almacenamiento cuyo principal campo de aplicación se encuentra en el transporte en barco de grandes distancias. Otras tecnologías CARBÓN ACTIVADO Se consiguen presiones de almacenamiento de hasta 100 bar, aunque su densidad energética es muy baja cuando se almacena a temperatura ambiente ( MJ/l) NANOTUBOS DE CARBONO (FULERENOS) Grafito enrollado con forma cilíndrica, que permite almacenar una gran cantidad de hidrógeno, ya sea adsorbido en la superficie del nanotubo o dentro de la estructura del tubo FUENTE: nanotechnologies

31 4. TRANSFORMACIÓN Y USOS DEL HIDRÓGENO El hidrógeno, como vector energético, precisa de un elemento de conversión final, que puede ser directo o indirecto, según el sistema utilizado para ello. TRANSFORMACIÓN FUENTE: International Journal of Hydrogen Energy EXISTEN NUMEROSAS INVESTIGACIONES ENCAMINADAS A MEJORAR Y OPTIMIZAR TANTO LOS PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN, COMO LOS RELACIONADOS CON EL USO FINAL DEL HIDRÓGENO ENERGÉTICO PRODUCIDO

32 4. TRANSFORMACIÓN Y USOS DEL HIDRÓGENO SISTEMA DE CONVERSIÓN DIRECTO Las pilas de combustible (FC) son un sistema directo de conversión, ya que transforman la energía química del hidrógeno en energía eléctrica. SISTEMA DE CONVERSIÓN INDIRECTO Los motores de combustión son un sistema indirecto porque transforman la energía química del hidrógeno en energía mecánica. Aplicaciones portátiles (ordenadores, móviles), transporte (FCEV), plantas estacionarias de potencia (distribuida), sistemas auxiliares (UPS ó SAI),... Producción eléctrica (plantas de potencia), propulsión en sistemas de transporte, mezclas con GN, generación de CH4 a partir de H2/CO2 (Power to Gas), turbinas,... FUENTE: FuelCellToday, Ballard, motordehidrogeno.net

33 4. TRANSFORMACIÓN Y USOS DEL HIDRÓGENO Pilas de Combustible FUNCIONAMIENTO Se trata de un dispositivo de conversión directa de energía, capaz de transformar en energía eléctrica la energía química de un combustible. Dicha transformación la realiza sin recurrir a un ciclo termodinámico, por lo que no está sujeta al límite de Carnot. dónde se realiza? H 2 CELDAS CELDAS CELDAS CELDAS STACK FC H 2 O ½ O 2 FUENTE: FuelCellToday

34 4. TRANSFORMACIÓN Y USOS DEL HIDRÓGENO Pilas de Combustible (FC) TERMODINÁMICA DE LA FC CURVA DE POLARIZACIÓN Balance termodinámico ( H = G + T S) y conceptos similares a la electrólisis del agua. Tensión máx. suministrada por una celda en condiciones estándar: Vrev = 1.23V Voc La curva de polarización representa la relación entre el potencial real producido por una pila y la corriente que la atraviesa FUENTE: CIEMAT, UDG

35 4. TRANSFORMACIÓN Y USOS DEL HIDRÓGENO Pilas de Combustible PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell FUENTE: FuelCellToday ε 45-50% PCS TIPOS DE PILAS DE COMBUSTIBLE FUENTE: FuelCellToday DMFC ε 35-40% PCS Direct Methanol Fuel Cell Son las más extendidas y trabajan por debajo de los 100 C. Muy utilizadas en vehículos. Usan un catalizador en base a Pt (Cat/And) que aumenta su coste. Debe utilizarse H2 (gas) muy puro. Utilizan como combustible metanol (líquido), de donde extrae el hidrógeno, a temperaturas de C. Muy usado en aplicaciones portátiles (<250W). Catalizador de Pt (Cat) y Pt/Ru (And).

36 4. TRANSFORMACIÓN Y USOS DEL HIDRÓGENO Pilas de Combustible TIPOS DE PILAS DE COMBUSTIBLE FUENTE: FuelCellToday SOFC ε 45-55% PCS AFC ε 50% PCS Solid Oxide Fuel Cell FUENTE: FuelCellToday Alkaline Fuel Cell Operan a elevadas temperaturas (1000 C). No se precisan metales preciosos como catalizador. El electrolito más común es ZrO2 (cerámico). Usado en generación de potencia estacionaria. Trabaja alrededor de los 70 C y requiere de oxígeno/hidrógeno puro para evitar el envenenamiento. Usa como electrolito una solución alcalina.

37 4. TRANSFORMACIÓN Y USOS DEL HIDRÓGENO Pilas de Combustible USO DE PILAS DE COMBUSTIBLE EN FCEV Para poder implementar un parque automovilístico basado en H2, se requiere de dos elementos: FCEV HIDROGENERAS FUENTE: FuelCellToday

38 FUENTE: H2employment.eu 4. TRANSFORMACIÓN Y USOS DEL HIDRÓGENO Pilas de Combustible USO DE PILAS DE COMBUSTIBLE EN FCEV Oil + Carga sólo cuando se está conduciendo Oil + Carga externa (electrogenera) Carga externa (hidrogenera) Carga externa (electrogenera)

39 4. TRANSFORMACIÓN Y USOS DEL HIDRÓGENO Pilas de Combustible USO DE PILAS DE COMBUSTIBLE EN FCEV Hyundai ix35 FCEV

41 5. CENTRO NACIONAL DEL HIDRÓGENO El Centro Nacional de Experimentación de Tecnologías de Hidrógeno y Pilas de Combustible (CNH2) es una Instalación Científico Técnica Singular (ICTS) orientada al desarrollo de tecnología relacionada con el hidrógeno y las pilas de combustible. Creado en 2007 como un consorcio público entre el Ministerio de Ciencia e Innovación (ahora Economía y Competitividad, MINECO) y la Junta de Comunidades de Castilla-La Mancha (JCCM), financiado por ambas al 50% cada uno, tiene establecida su sede en Puertollano (Ciudad Real). Sus principales objetivos son: - realizar experimentación y validación de prototipos y equipos - desarrollar y escalar procesos - homologar, certificar y verificar componentes y sistemas

42 5. CENTRO NACIONAL DEL HIDRÓGENO Producción de Hidrógeno Almacenamiento Transformación de Hidrógeno Implantación Tecnológica y Socioeconómica Normativa y Seguridad

43 MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN!! Ernesto Amores Vera Unidad de Simulación y Control ernesto.amores@cnh2.es Departamento de Investigación