ENERGÉTICA DEL HIDRÓGENO

Transcripción

1 Departamento de Energética y Mecánica de Fluidos Escuela Superior de Ingenieros Universidad de Sevilla Avenida de los Descubrimientos S/N Sevilla Proyecto Fin de Carrera: ENERGÉTICA DEL HIDRÓGENO CONTEXTO, ESTADO ACTUAL Y PERSPECTIVAS DE FUTURO Clara Fdez-Bolaños Badía Marzo 2005 Tutor del Proyecto: D. Ramón Velázquez Vila

2 Clara Fernández-Bolaños Badía 2

3 A mis padres, mi hermana y Alejandro. Clara Fernández-Bolaños Badía 3

4 Sin carbón no habría maquinaria, y sin maquinaria no habría vías del tren, ni locomotoras, ni fábricas, nada de lo que es indispensable en la civilización moderna. Qué quemarán en lugar de carbón? Agua contestó Harding. Agua? exclamó Pencroft agua para calentar agua? Sí, pero agua en sus elementos primitivos respondió Harding Creo que el agua será algún día utilizada como combustible, que el hidrógeno y el oxígeno que la constituyen, utilizándolos juntos o por separado, proporcionarán una fuente inagotable de calor y luz. Me gustaría verlo observó el marinero. Nacimos demasiado pronto,... La Isla Misteriosa, Julio Verne, Clara Fernández-Bolaños Badía 4

5 ENERGÉTICA DEL HIDRÓGENO CONTEXTO, ESTADO ACTUAL Y PERSPECTIVAS DE FUTURO Clara Fernández-Bolaños Badía 5

6 ÍNDICE DE CONTENIDO Índice de Contenido... 6 Índice de figuras Índice de tablas Introducción Introducción general Panorámica energética mundial Demanda energética mundial Factores determinantes de la demanda energética Evolución de la demanda energética por regiones Unión Europea Norte América Europa Central y Oriental y la Comunidad de Estados Independientes Japón y el Pacífico Asia América Latina Oriente Medio y África Agotamiento de los combustibles fósiles Problemática medioambiental Cambios medioambientales Posibles causas de los cambios climáticos Emisiones de CO Relación entre el calentamiento terrestre y las emisiones de CO Efectos provocados por el aumento de temperatura según el IPCC Respuesta internacional al problema del cambio climático Papel de los bosques en la fijación del carbono Clara Fernández-Bolaños Badía 6

7 2 Análisis de la Alternativa Energética Introducción Energías primarias Introducción Energía Hidráulica Energía Solar Energía Eólica La Biomasa Energía Geotérmica Energía Mareomotriz Energía Nuclear por fisión Energía Nuclear por fusión Conclusión Combustibles alternativos al hidrógeno Introducción Etanol Biodiesel Metanol Derivados del Carbón Propiedades del hidrógeno Introducción Propiedades del hidrógeno Propiedades características del hidrógeno gaseoso Propiedades características del hidrógeno líquido Comparación entre las distintas alternativas Introducción Inagotabilidad Eficiencia Seguridad Combustible para el transporte Impacto ambiental Viabilidad económica Versatilidad Clara Fernández-Bolaños Badía 7

8 2.5.9 Otras consideraciones Conclusiones Sistema de Energía del Hidrógeno Producción de hidrógeno Introducción Métodos de producción de hidrógeno Electrolisis Reformado de Vapor de Gas Natural Gasificación del Carbón Oxidación Parcial de Hidrocarburos Biomasa Gasificación Pirólisis Oxidación Parcial Fermentación Ciclos de Hidrólisis Termoquímica Ciclo del Azufre-Yodo Ciclo termoquímico UT Proceso Zn/ZnO Energía Solar Electroquímica Termoquímica Fotoquímica Producción fotobiológica del hidrógeno Conclusiones Comparación del análisis del ciclo de vida de los procesos de producción de hidrógeno Comparación entre los distintos sistemas de producción Posible evolución de los sistemas de producción Almacenamiento Introducción Hidrógeno comprimido Clara Fernández-Bolaños Badía 8

9 3.2.3 Hidrógeno líquido Hidruros Metálicos Hidruros Químicos Nanoestructuras de Carbono Almacenamiento subterráneo de hidrógeno gaseoso Almacenamiento en gaseoductos Conclusiones Distribución Introducción Transporte como Gas Comprimido Transporte como Hidrógeno Líquido Transporte en Hidruros Metálicos Consideraciones sobre los métodos de transporte Generación Distribuida Conclusiones Células de combustible Introducción Funcionamiento de una célula de combustible Tipos de células de combustible Células de combustible poliméricas (PEMFC) Células de combustible alcalinas (AFC) Células de combustible de ácido fosfórico (PAFC) Células de combustible de carbonatos fundidos (MCFC) Células de combustible de óxidos sólidos (SOFC) Células de combustible de metanol directo (DMFC) Comparación entre distintas células de combustible Ventajas de las células de combustible Conclusión Aplicaciones del hidrógeno Introducción Aplicaciones portátiles Aplicaciones estacionarias Clara Fernández-Bolaños Badía 9

10 3.5.4 Aplicaciones en el transporte Aplicaciones espaciales Aplicaciones militares Barreras para la introducción del hidrógeno Seguridad Introducción Riesgos y Recomendaciones de las Instalaciones de 196 Hidrógeno Riesgos fisiológicos en presencia de hidrógeno Propiedades del hidrógeno que lo hacen más seguro que 202 otros combustibles Normas básicas de seguridad Selección de materiales Conclusiones Normativa Introducción La Estandarización. El Comité Técnico ISO/TC Reglamentación sobre el hidrógeno Resumen y Conclusiones Anexos A: Bibliografía B: Páginas de internet visitadas Índice de Figuras Figura 1 Distribución del consumo mundial de energía primaria Figura 2 - Evolución del consumo energético mundial según la Comisión Europea Figura 3 - Evolución de la Demanda Energética mundial según la Agencia Internacional de la Energía. (WEO2004) Figura 4- División mundial en siete regiones Figura 5 Evolución de la población mundial por regiones Figura 6 Evolución del Producto Interior Bruto por regiones Figura 7 Evolución del Consumo Energético en la Unión Europea Figura 8 Evolución del Consumo Energético en Norte América Clara Fernández-Bolaños Badía 10

11 Figura 9 - Evolución del Consumo Energético en CIS y CEE Figura 10 Evolución del Consumo Energético en el Pacífico Figura 11 Evolución del Consumo Energético en Asia., Figura 12 - Previsión de Campbell y Lahemene sobre el agotamiento del petróleo Figura 13 - Reservas estimadas de gas natural en el mundo Figura 14 - Evolución de los precios del petróleo y de sus productos derivados Figura 15 - Variación de la Temperatura Superficial del Hemisferio Norte Figura 16 Emisiones de CO 2 por región y por sector Figura 17 Evolución de la Concentración de CO 2 en la atmósfera Figura 18 Variación de la temperatura y de la concentración atmosférica de CO Figura 19 Proceso de Producción del Biodiesel Figura 20 Porcentaje de reducción de emisiones en una mezcla de diesel y biodiesel con respecto al diesel dependiendo del porcentaje de biodiesel Figura 21 Límites de Inflamabilidad de la mezcla hidrógeno-oxígeno-nitrógeno Figura 22 Límites de detonación de una mezcla de hidrógeno y aire dependiendo del tipo de confinamiento Figura 23 Variación de la distancia a un fuego de hidrógeno par una exposición a una radiación térmica de 2cal/cm 2 para un tiempo de exposición de 10s Figura 24 Vías de producción de hidrógeno Figura 25 Clasificación del hidrógeno en hidrógeno limpio y sucio Figura 26 Entradas y salidas de un proceso de producción de hidrógeno Figura 27 Esquema de la Electrolisis Figura 28 Reacciones de la Electrolisis Figura 29 Banco de ensayo de un Electrolizador Figura 30 Entradas y salidas del proceso de producción de hidrógeno mediante reformado de vapor Figura 31 Entalpías de reacción del proceso de reformado de vapor de metano Figura 32 Diagrama de flujo del Reformado de Vapor de Gas Natural Figura 33 Planta Piloto de Gasificación de Carbón Figura 34 Diagrama de flujo de la producción de hidrógeno a partir de carbón Figura 35 Diagrama de flujo de la producción de hidrógeno mediante oxidación parcial de hidrocarburos Figura 36 Esquema de la producción mediante oxidación parcial de hidrocarburos.105 Figura 37- Distintas formas de producción de hidrógeno a partir de la biomasa Figura 38 Diagrama de Flujo del sistema de oxidación parcial de biomasa con agua en estado supercrítico Figura 39 - Bioproceso de producción de hidrógeno a partir de la biomasa Figura 40 Esquema de un ciclo termoquímico de hidrólisis Figura 41 Reacciones del ciclo Azufre-Yodo Figura 42 Entradas y Salidas del ciclo Azufre-Yodo Figura 43 Ciclo de Azufre-Yodo Figura 44 Reacciones del ciclo Azufre-Yodo Figura 45 Reacciones del ciclo Bowman-Westinghouse Figura 46 Reacciones del ciclo termoquímico UT Figura 47 Procesos solares termoquímicos de producción de hidrógeno Figura 48 - Esquema de un Fotoelectrodo de estructura plana Figura 49 Esquema de la estructura de un Fotoelectrodo Híbrido Figura 50 Alga verde Chlamydomonas reinhardtii Clara Fernández-Bolaños Badía 11

12 Figura 51 Emisión neta de gases de efecto invernadero en la producción de hidrógeno Figura 52-Evolución de la implantación de los sistemas de producción de hidrógeno.126 Figura 53 Esquema de una barrera de hidrógeno Figura 54 Esquema de un tanque de hidrógeno comprimido Figura 55 Ciclo de Linde o de expansión de Joule-Thompson Figura 56 Diagrama de Flujo de una Licuación con preenfriamiento Figura 57 Diagrama Temperatura-Entropía de una Licuación con preenfriamiento. 131 Figura 58 Esquema de un contenedor de hidrógeno líquido Figura 59 Planta de Licuación de hidrógeno Figura 60 - Fotografía de un sistema de hidruro metálico Figura 61 Reacciones químicas y densidades graviméticas de algunos hidruros químicos Figura 62 Proceso de regeneración del Hidruro de Litio Figura 63 Representación gráfica de la estructura del slurry de Hidruro de Litio Figura 64 Slurry de Hidruro de Litio Figura 65- Experimento de acercamiento de una llama a un slurry de LiH Figura 66 (a) Nanotubos de pared compuesta; (b)nanotubos de pared simple Figura 67 Nanotubos de carbono dopados Figura 68 Comparación de volúmenes de almacenamiento del hidrógeno a bordo Figura 69 Gaseoducto de distribución de hidrógeno Figura 70 Gaseoductos de hidrógeno en Europa propiedad de Air Liquide Figura 71 Camión de transporte de cilindros de hidrógeno comprimido Figura 72 Esquema de una pila de combustible Figura 73 Estructura del Nafion Figura 74 Pila de combustible tipo PEM Figura 75 Pila de Combustible de Ácido Fosfórico de 200kW Figura 76 Pila de Combustible tipo MCFC Figura 77 Aplicaciones nuevas y convencionales del hidrógeno Figura 78 Producción y Aplicaciones del hidrógeno Figura 79 Esquema de un teléfono móvil con pila de combustible Figura 80 Ordenador portátil con una PEMFC Figura 81 Generador de 1.2kW de PEMFC Figura 82 - Pilas de combustible estacionarias Figura 83 Generación centralizada con pilas de combustible Figura 84 Pila de Combustible tipo SOFC Figura 85 Evolución del uso de las pilas de combustible en aplicaciones estacionarias Figura 86 Combustibles utilizados en las pilas de combustible estacionarias Figura 87 Comparación en volumen y peso los distintos tipos de almacenamiento. 187 Figura 88 Esquema de un vehículo de pila de combustible Figura 89 Análisis de las emisiones y de las necesidades energéticas para vehículos dependiendo el combustible que utilicen. (Estudio Europeo) Figura 90 Análisis de las emisiones y de las necesidades energéticas para vehículos dependiendo el combustible que utilicen. (Estudio Norteamericano) Figura 91 Esquema de un Space Shuttle Figura 92 Lanzamiento de un Spac Shuttle Figura 93 Bombardero B Clara Fernández-Bolaños Badía 12

13 Figura 94 (a) Relación entre la distancia y el peso del hidrógeno quemado para quemaduras de tercer grado por radiación térmica; (b) Intensidad de la radiación frente al tiempo de exposición para el umbral de valores dañinos Figura 95 Comparación entre una llama de hidrocarburo y una de hidrógeno Figura 96 Zona de peligrosidad tras una fuga de hidrógeno, metano o propano Índice de Tablas Tabla 1 - Previsiones de la Comisión Europea sobre la evolución de la demanda energética mundial Tabla 2 - Previsiones de la Agencia Internacional de la Energía sobre la evolución de la demanda de energía mundial Tabla 3 - Reservas de petróleo en EEUU, Arabia Saudí y Rusia Tabla 4 - Efectos previsibles dependiendo de la temperatura media global Tabla 5 Comparación entre las propiedades de un Diesel y un Biodiesel Tabla 6 Energía mínima de la chispa para la ignición de una mezcla de hidrógeno-aire Tabla 7 Factores de Eficiencia de utilización para distintas Aplicaciones Tabla 8 Comparación del Factor de Movilidad para distintos combustibles Tabla 9 Posibilidad de utilización de distintos procesos de conversión Tabla 10 Cantidad de Ecopuntos en el ACV de distintos sistemas de generación Tabla 11 Ventajas e inconvenientes de las principales tecnologías de producción de hidrógeno Tabla 12 Capacidades de almacenamiento medidas en diferentes nanoestructuras de carbono Tabla 13 Ventajas e Inconvenientes de los distintos métodos de almacenamiento del hidrógeno Tabla 14 Características de las células de combustible I Tabla 15 Características de las células de combustible Tabla 16 Síntomas dependiendo de la concentración de oxígeno en aire Tabla 17 Compatibilidad de los distintos materiales en sus aplicaciones en sistemas de hidrógeno Clara Fernández-Bolaños Badía 13

14 Clara Fernández-Bolaños Badía 14