Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica

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1 Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica IE 0502 Proyecto Eléctrico Usos de la electricidad para la obtención de hidrógeno a través de la electrólisis de agua Por: Natalia López Podestá Ciudad Universitaria Rodrigo Facio Julio del 2006

2 Usos de la electricidad para la obtención de hidrógeno a través de la electrólisis de agua Por: Natalia López Podestá Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado de: BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Aprobado por el Tribunal: M.Sc. José Joaquín Chacón Leandro Profesor Guía M.Sc. Jorge Badilla Pérez Profesor Lector Dr. Franklin Chinchilla Hidalgo Profesor Lector ii

3 A mis padres, por todo lo que me han dado en la vida. iii

4 RECONOCIMIENTOS Al Ing. José Joaquín Chacón por su colaboración y el interés mostrado en el desarrollo de esta investigación. Al Ing. Carlos Roldán por la ayuda brindada y su respaldo en la realización de este trabajo. A David por su motivación de todos los días y a Betsy por su apoyo incondicional. iv

5 ÍNDICE GENERAL RECONOCIMIENTOS... iv ÍNDICE GENERAL... v ÍNDICE DE FIGURAS... vii ÍNDICE DE TABLAS... viii NOMENCLATURA... ix RESUMEN... x CAPÍTULO 1: Introducción Objetivos Objetivo general Objetivos específicos Metodología...3 CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico Situación Energética Mundial Caracterización del Hidrógeno Métodos de producción de hidrógeno Reformado a vapor de agua Gasificación Electrólisis Energía termal Electrólisis a alta temperatura Biofotólisis Fuentes para la obtención de hidrógeno Producción de hidrógeno a partir de la generación hidroeléctrica en Costa Rica Almacenamiento y distribución del hidrógeno Hidrógeno en estado gaseoso Hidrógeno en estado líquido Hidrógeno en estado sólido Celdas de Combustible Celda de Combustible de Membrana de Intercambio Protónico (PEMFC) Celda de Combustible Alcalinas (AFC) Celda de Combustible de Ácido Fosfórico (PAFC)...29 v

6 2.6.4 Celda de Combustible de Carbonato Fundido (MCFC) Celda de Combustible de Óxido Sólido (SOFC) Celda de Combustible de Metanol (DMFC) Aplicaciones del hidrógeno...34 CAPÍTULO 3: Generación de hidrógeno a partir de electrólisis Generalidades de la electrólisis Tipos de electrolizadores Polymer Electrolyte Membrane (PEM) Alcalinos Óxido Sólido Costo del hidrógeno producido a partir de electrólisis...39 CAPÍTULO 4: El hidrógeno como combustible Costo del hidrógeno como combustible para el transporte Contribución del costo de la electricidad en el precio del hidrógeno Contribución de la inversión en el precio del hidrógeno...52 CAPÍTULO 5: Conclusiones y recomendaciones Conclusiones Recomendaciones...56 BIBLIOGRAFÍA APÉNDICES ANEXOS vi

7 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1 Relación Carbono-Hidrógeno en combustibles... 5 Figura 2.2 Densidad de varios gases a TPN. 7 Figura 2.3 Densidad de líquidos a presión atmosférica Figura 2.4 Calor de combustión de varios combustibles Figura 2.5 Calor de combustión por unidad volumétrica Figura 2.6 Proceso de reformado a vapor de agua Figura 2.7 Proceso de gasificación Figura 2.8 Proceso de electrólisis Figura 2.9 Tecnologías de generación de hidrógeno Figura 2.10 Potencial hidroeléctrico de Costa Rica Figura 2.11 Curva de demanda diaria de energía eléctrica Figura 2.12 Curva de demanda anual de energía eléctrica Figura 2.13 Celda de combustible tipo PEM Figura 2.14 Celda de combustible tipo PAFC Figura 2.15 Celda de combustible tipo MCFC con reformado interno..31 Figura 2.16 Celda de combustible tipo DMFC Figura 4.1 Contribución del costo de la electricidad en el precio del hidrógeno...51 Figura 4.2 Contribución de la inversión en el precio del hidrógeno.. 53 vii

8 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1 Propiedades Físicas...6 Tabla 2.2 Características de los diferentes tipos de celdas de combustible 34 Tabla 3.1 Costo promedio de la electricidad.. 40 Tabla 3.2 Evaluación de la producción de hidrógeno en horario continuo 42 Tabla 3.3 Evaluación de la producción de hidrógeno fuera de horas punta...44 Tabla 3.4 Evaluación de la producción de hidrógeno en horario nocturno 46 Tabla 4.1 Contribución del costo de la electricidad en el precio del hidrógeno...51 Tabla 4.2 Contribución de la inversión en el precio del hidrógeno Tabla A.1 Electrolizadores producidos por la empresa Avalence..62 Tabla A.2 Especificaciones de algunos electrolizadores viii

9 NOMENCLATURA AFC atm DMFC FRP H H 2 HHV K Kg/m³ MCFC TPN Pa PAFC PEM PEMFC SOFC US$/kW Alkaline Fuel Cell Atmósfera de presión Direct Methanol Fuel Cell Fiberglass Reinforced Plastics Átomo de hidrógeno Molécula de hidrógeno Calor superior de combustión Grados Kelvin Kilogramo por metro cúbico Molten Carbonate Fuel Cell Temperatura y presión normal Pascales Phosphoric Acid Fuel Cell Proton Exchange Membrane Proton Exchange Membrane Fuel Cell Solid Oxid Fuel Cell Dólares por kilowatt ºC Grados Celsius ix

10 RESUMEN En el presente trabajo se estudia la producción y el uso del hidrógeno generado a partir de la electrólisis del agua, con el propósito de analizar la viabilidad de utilizarlo como combustible en Costa Rica. En primera instancia, se realiza una revisión bibliográfica de las propiedades del hidrógeno, de las principales fuentes y métodos para su obtención y de las tecnologías disponibles de almacenamiento y distribución del gas. Además, se investiga sobre el desarrollo de celdas de combustible y electrolizadores. Seguidamente, se realiza un análisis sobre los costos para la producción y almacenamiento del hidrógeno a partir de la electrólisis del agua. Asimismo, se analizan las ventajas, desventajas y viabilidad de utilizar el hidrógeno como combustible para el transporte. Finalmente, los resultados muestran que sería factible sustituir la gasolina por el hidrógeno en el sector transporte, en el momento en que el precio de la gasolina aumente hasta superar el precio del hidrógeno. En general, se prueba que es posible utilizar el hidrógeno como combustible en motores de combustión interna, y obtener mejor rendimiento que utilizando hidrocarburos. x

11 CAPÍTULO 1: Introducción El presente trabajo tiene como propósito el estudio de la producción y el uso del hidrógeno generado a partir de la electrólisis del agua como una forma de buscar nuevos usos para la electricidad en el país. La razón del proyecto se debe principalmente a que buena parte de la energía que se consume a nivel mundial es del tipo fósil, que incluye el carbón mineral, el gas natural y derivados del petróleo. En general, el consumo y precio de los derivados del petróleo ha aumentado considerablemente, y el aumento en la demanda ha hecho que las reservas probadas de petróleo hayan disminuido considerablemente en los últimos años. Por otra parte, las emisiones causadas por la combustión de los combustibles fósiles son nocivas para la salud y el medio ambiente, y el dióxido de carbono que producen, es el mayor responsable del efecto de invernadero. De ahí surge la necesidad de reimpulsar el uso de fuentes alternativas de energía y de estrategias de ahorro energético, que además permitan un desarrollo sostenible y amigable con el medio ambiente. La obtención de hidrógeno a partir de electricidad es una opción importante a explorar en el país, con el objeto de buscar nuevos usos para la hidroelectricidad en el hogar, el comercio o la industria. La combustión del hidrógeno prácticamente no produce gases de invernadero, y además su obtención de dicho gas a partir de la electrólisis del agua lo convierten en un 1

12 2 recurso que puede ser importante con el fin de buscar nuevos usos para la electricidad a generar con fuentes renovables de energía. Costa Rica es el único país de Centroamérica y Panamá que al año 2004 generó toda la energía eléctrica consumida con recursos renovables (hidroelectricidad, geotermia, energía eólica o termoeléctricas con bagazo de caña de azúcar), existiendo además un importante potencial disponible que puede ser desarrollado no solamente para satisfacer la demanda creciente de electricidad sino para utilizar la electricidad buscando nuevos usos a ese importante recurso. La posibilidad de utilizar parte de la electricidad disponible en el país para producir hidrógeno y utilizarlo por ejemplo en el transporte o el hogar es un asunto de gran interés para el país. Por su parte, dadas las importantes ventajas ambientales del hidrógeno como combustible frente a los derivados del petróleo, sus posibilidades, beneficios y restricciones tecnológicas y económicas existentes al uso del hidrógeno en Costa Rica son aspectos que pretende analizar el presente trabajo. 1.1 Objetivos Objetivo general El objetivo general del presente trabajo es la búsqueda de nuevos usos para el hidrógeno producido a partir de la electrólisis del agua.

13 Objetivos específicos Los siguientes son los objetivos específicos del presente trabajo: Describir las principales tecnologías disponibles y evaluar costos de producción y almacenamiento del hidrógeno a partir de la electrólisis del agua. Analizar alternativas disponibles para el almacenamiento y utilización del hidrógeno en particular en el transporte y el hogar. Identificar una aplicación particular para el uso del hidrógeno y analizar preliminarmente ventajas, desventajas y viabilidad técnica y económico-financiera. 1.2 Metodología La metodología abarca la realización de una revisión bibliográfica sobre el tema con el objeto de caracterizar el hidrógeno como fuente potencial de energía, estudiar las principales dificultades tecnológicas que enfrenta el uso del hidrógeno e identificar una aplicación específica del uso de electricidad para la producción de hidrógeno y su utilización en pequeña escala.

14 CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico 2.1 Situación Energética Mundial La demanda global energética de origen fósil ha venido aumentando hasta alcanzar más de un 2% por año y se pronostica que aumentará en un 60% antes del 2020 [1]. Por esta razón, es posible esperar que restricciones en la oferta de petróleo junto a incrementos importantes de la demanda provoquen que los precios del petróleo sigan aumentando. Aunque las reservas de combustibles fósiles son en la actualidad importantes pero a la vez finitas, es de esperar que se presenten crisis mundiales de suministro de petróleo derivadas de situaciones geopolíticas impredecibles a la fecha. Por otra parte, el uso de combustibles fósiles produce emisiones de gases de invernadero que producen calentamiento en la atmósfera y un aumento en la concentración de dióxido de carbono y otros gases como el metano y los óxidos de nitrógeno. Si las tendencias de consumo de combustibles fósiles continúan como hasta ahora, la atmósfera puede llegar a contener el doble de gases de invernadero que los que tenía a mediados del siglo pasado y provocar un calentamiento global. Al ser el hidrógeno uno de los elementos que forman el agua, sería una fuente de energía inagotable, de modo que no provocaría crisis económicas como las del petróleo, y además sería una energía no contaminante ya que en la combustión no produce emisiones de gases de invernadero. 4

15 5 Muchos combustibles convencionales son compuestos de hidrógeno y carbono. En la siguiente figura se puede observar la transición desde combustibles con alto contenido de carbono, hacia combustibles con mayor contenido de hidrógeno. Figura 2.1 Relación Carbono-Hidrógeno en combustibles [1] 2.2 Caracterización del Hidrógeno El hidrógeno es un gas incoloro, inodoro, insípido, no presenta toxicidad y es altamente flamable y reactivo; es el elemento de menor masa atómica y es más liviano que el aire. Además es el elemento químico más abundante en el universo [2]. El hidrógeno puro se presentan en forma de moléculas diatómicas (H 2 ); sin embargo, en la naturaleza se encuentra principalmente en forma combinada debido a su gran reactividad, formando una gran cantidad de compuestos que incluyen el agua, hidrocarburos, proteínas, ácidos, etc. En la Tabla 2.1 se muestra las principales propiedades físicas del hidrógeno.

16 6 Tabla 2.1 Propiedades Físicas Símbolo Químico H2 Peso Molecular 2,016 T. Ebullición (1atm) -252,8 ºC T. Crítica -239,9 ºC Presión Crítica 12,98 atm Densidad en estado Gaseoso (20ºC, 1atm) 0,08342 Kg/m³ Densidad en estado Líquido (p.e. 1atm) 70,96 Kg/m³ Peso Específico (aire=1) 0,0696 La temperatura crítica corresponde a la máxima temperatura a la cual es posible mantener una sustancia en forma líquida, en el caso del hidrógeno, la temperatura crítica corresponde a -239,9 ºC, apenas 33,1 ºC por encima del cero absoluto (0 K). El punto de ebullición a presión atmosférica es el segundo más bajo en la naturaleza y solo el helio posee un punto de ebullición menor. Como se puede observar en la Figura 2.2, la densidad del hidrógeno a condiciones ambientales es tan baja que equivale apenas a un 7% de la densidad del aire [3]. Esta característica presenta una desventaja, ya que implica que se almacene menos energía por unidad de volumen que con otros gases comprimidos. Por esa razón, el almacenamiento del hidrógeno requiere de grandes volúmenes y altas presiones.

17 7 2,00 1,80 1,60 Densidad (kg/m 3 ) 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 Aire Oxígeno Helio Hidrógeno Gas natural Propano Figura 2.2 Densidad de varios gases a TPN (25ºC y 101,3 kpa) [4] Por su parte, aunque el hidrógeno líquido es otra alternativa de almacenamiento, pues en ese estado su densidad aumenta considerablemente, se requiere de una gran cantidad de energía para mantener el hidrógeno a temperatura y presiones muy bajas con el fin de mantener el hidrógeno en forma líquida. En la siguiente figura se muestra la densidad de algunos líquidos a presión atmosférica.

18 Densidad (kg/m 3 ) Aire Oxígeno Helio Hidrógeno Gas Natural Propano Gasolina Diesel Fuel Oil Etanol Figura 2.3 Densidad de varios líquidos a presión atmosférica [4] El calor de combustión de una sustancia es la cantidad de calor que se libera en la combustión completa de un gramo o de una mole de la sustancia, comenzando y terminando la combustión a temperatura y presión normal (TPN). El calor superior de combustión o HHV 1 corresponde al valor cuando se aprovecha la energía de vaporización del agua producida durante dicho proceso. Tal y como se observa en la Figura 2.4, el hidrógeno posee un HHV mucho mayor que los combustibles convencionales. 1 HHV del inglés High Heating Value

19 HHV (kj/kg) Hidrógeno Gas Natural Propano Gasolina Diesel Fuel oil Etanol Figura 2.4 Calor de combustión de varios combustibles [4] Sin embargo, es necesario tomar en cuenta el calor de combustión por unidad volumétrica para comparar los combustibles en el caso de almacenamiento. Tal y como se observa en la Figura 2.5, el hidrógeno (tanto líquido como gaseoso) continúa teniendo una gran desventaja con respecto a los combustibles convencionales. Al ser mayor la densidad del hidrógeno líquido en comparación con el hidrógeno gaseoso, es de esperar que el calor de combustión por unidad volumétrica sea mayor cuando se utiliza hidrógeno en estado líquido.

20 10 HHV (kj/lt) Hidrógeno líquido Hidrógeno Gas a 20 Mpa y 25 C Gas Natural Propano Gasolina Diesel Fuel oil Etanol Figura 2.5 Calor de combustión por unidad volumétrica [4] 2.3 Métodos de producción de hidrógeno La obtención del hidrógeno puede realizarse de varias formas y todos los procesos utilizados industrialmente son del tipo endotérmicos (requieren energía). Dado que se necesita consumir una considerable cantidad de energía en el proceso de extracción, el hidrógeno debería ser considerado como un transmisor de energía más que como una fuente de energía. Los siguientes son los principales métodos de obtención del hidrógeno Reformado a vapor de agua Actualmente, el 5% de la producción mundial de hidrógeno se realiza a partir de gas natural y agua mediante un proceso conocido como reformado a vapor de agua [5]. El

21 11 proceso químico se realiza con la combinación de agua y una base de hidrocarburo, normalmente el gas natural, que está constituido principalmente de metano. Figura 2.6 Proceso de reformado a vapor de agua [3] Tal y como se observa en la Figura 2.6, el proceso incluye tres etapas, primero se combina el vapor y el metano a alta presión (3MPa) y temperatura (entre 550 y 900 C), para producir una mezcla de hidrógeno, dióxido de carbono y otras impurezas, conocida como gas sintético. CH H O H + CO (2.3-1) Seguido a esto, se debe extraer el dióxido de carbono del gas sintético, y por último purificar el hidrógeno obtenido.

22 12 El rendimiento neto de conversión es típicamente de un 83%; el hidrógeno producido con éste procedimiento puede costar unos 75 centavos de dólar por kilogramo [3]. Una alternativa en el reformado a vapor es utilizar como materia prima un bioaceite que se obtiene a partir de biomasa por medio de pirólisis. Existen algunos procesos alternativos al proceso de reformado con vapor que están siendo desarrollados actualmente, entre ellos cabe mencionar la oxidación parcial, donde el gas natural es oxidado parcialmente con el fin de obtener directamente gas sintético y el reformado auto térmico, en el cual se combina el proceso de reformado a vapor con el de oxidación parcial. Sin embargo, ambos procesos tienen el inconveniente de que son menos eficientes que el de reformado a vapor Gasificación Otras bases de hidrocarburo se pueden transformar con vapor, no obstante, hay sustancias que por sus características, no pueden ser reformadas con vapor debido al daño que provocarían a los catalizadores. El método de gasificación, no requiere el uso de catalizadores, por lo tanto, es posible utilizar una amplia variedad de materia primas que van desde líquidos de alta viscosidad como el fuel oil, hasta sólidos como el carbón mineral y la biomasa. El proceso se puede se observar en la Figura 2.7.

23 13 Figura 2.7 Proceso de gasificación [3] La gasificación se lleva a cabo a temperaturas superiores a los 1300 C para que el carbón mineral o la biomasa reaccionen con el agua y se forme gas sintético. C + H + 2O H 2 CO2 (2.3-2) Al igual que el método de reformado a vapor de agua, se extrae el dióxido de carbono de la mezcla y se eliminan las impurezas. El rendimiento neto de conversión es típicamente de un 63%; el hidrógeno producido con éste procedimiento puede costar unos 92 centavos de dólar por kilogramo [6].

24 Electrólisis El tercer método más utilizado es la electrólisis, proceso mediante el cual se hace pasar una corriente eléctrica entre electrodos inertes sumergidos en agua, y así separar sus moléculas en sus elementos constitutivos: hidrógeno y oxígeno. El proceso se puede observar en la Figura 2.8. Figura 2.8 Proceso de electrólisis Dado que el agua es virtualmente un aislante eléctrico, se le agrega un electrolito para hacerla un medio conductor; el hidrógeno se libera en el cátodo y una cantidad equivalente de oxígeno se libera en el ánodo. El líquido mismo y los separadores porosos usados en la celda electrolítica evitan que se mezclen los gases liberados, que pueden recogerse a presiones convenientes. 2H H + O 2O (2.3-3)

25 15 El rendimiento promedio durante la electrólisis viene siendo de un 65%, sin embargo, los dispositivos más modernos para la electrólisis pueden alcanzar un rendimiento entre el 80 y el 85%. En la actualidad, ésta técnica se utiliza solamente en plantas relativamente pequeñas, a un costo de entre 2,40 y 3,60 dólares por kilogramo de hidrógeno producido [7] Energía termal La energía termal es una tecnología que produce hidrógeno convirtiendo energía térmica en energía eléctrica para realizar la separación de las moléculas del agua en hidrógeno y oxígeno. Las altas temperaturas se pueden obtener en plantas nucleares, paneles solares o alguna fuente de energía fósil Electrólisis a alta temperatura El proceso de la electrólisis a alta temperatura es una variación de la electrólisis convencional. Al proceso de descomposición del agua se le agrega calor para así utilizar menos energía eléctrica, y por ende mejorar la eficiencia del proceso. Sin embargo, desde el punto de vista térmico, el proceso es menos eficiente, es por esto que se aprovecha cuando se tienen excedentes de energía térmica Biofotólisis La captura de la energía solar basada en fotosíntesis puede realizarse por medio de la biofotólisis, que consiste en la capacidad que algunas algas verdes tienen de poder captar energía luminosa y usarla a través de una cadena de transporte de electrones y unas

26 16 singulares enzimas (hidrogenasas), para producir hidrógeno por descomposición del agua. La investigación del proceso de biofotólisis ha conocido grandes progresos en la última década, pero falta un largo camino que recorrer para hacer éstas producciones sostenibles y encontrar nuevos organismos. En la Figura 2.9, se presenta un resumen de las tecnologías de generación de hidrógeno. Figura 2.9 Tecnologías de generación de hidrógeno. [8] 2.4 Fuentes para la obtención de hidrógeno Al contrario de la mayoría de los combustibles, el hidrógeno debe ser extraído químicamente de materiales que son ricos en contenido de hidrógeno, tales como las fuentes fósiles, la biomasa y fuentes de energía alternativas (solar, hidroeléctrica, eólica y

27 17 nuclear). Dado que se necesita consumir energía considerable en el proceso de extracción, es importante resaltar que el hidrógeno debería ser considerado como un transmisor de energía, más que como una fuente de energía. Las fuentes fósiles tales como el petróleo y sus derivados, el gas natural y el carbón mineral, pueden utilizarse para liberar la energía requerida para producir hidrógeno. El hidrógeno puede obtenerse de la misma fuente fósil, o se puede separar del agua utilizando la energía almacenada en la fuente. Costa Rica cuenta con una importante producción agrícola, entre los que sobresalen la producción de arroz, azúcar, piña, aceite de palma africana, naranja, banano y café. La obtención de estos productos genera una cantidad de desechos biomásicos importantes que podrían utilizarse como fuente para la producción de hidrógeno. Las fuentes de energía alternativas para producir hidrógeno se utilizan para procesos endotérmicos que dividen las moléculas del agua en hidrógeno y oxígeno. Los sistemas biológicos utilizan la energía solar para la obtención del hidrógeno, y la electrólisis utiliza la energía proveniente de alguna fuente suplidora de electricidad Producción de hidrógeno a partir de la generación hidroeléctrica en Costa Rica Costa Rica goza de un gran potencial en recursos renovables de energía (hidroelectricidad, geotermia, energía eólica y termoeléctrica con bagazo de caña de azúcar), suficiente para satisfacer la demanda creciente de electricidad. Tal y como se

28 18 observa en la Figura No. 2.10, existe un gran potencial sin explotar, en el caso de la generación hidroeléctrica. Potencial Hidroeléctrico de Costa Rica Potencia (MW) Potencial Total Plantas existentes Proyectos por desarrollar Figura No Potencial Hidroeléctrico de Costa Rica [9] De lograrse la satisfacción creciente de la demanda con recursos renovables, es posible esperar que existan excedentes de energía eléctrica, especialmente en horas nocturnas y en los meses en que hay mayor precipitación. En las Figuras No y 2.12 se observa que existen períodos en las que la demanda de energía eléctrica es mayor; como es de suponer, la menor demanda se da en horas de la noche.

29 19 MW Demanda Máxima Diaria 1600, , , ,00 800,00 600,00 400,00 200,00 0,00 00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 Figura No Curva de demanda diaria de energía eléctrica 2 Hora 2 Fuente: Centro Nacional Control de Energía CENCE, ICE.

30 20 MW Demanda máxima anual , , , , , , , , ,00 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Figura No Curva de demanda anual de energía eléctrica 3 De esta forma, el precio de la electricidad depende del horario en que se consuma la energía eléctrica. En Costa Rica se han definido horarios diario y anual a partir de las curvas de demanda, con el fin de establecer las tarifas de energía eléctrica. Las definiciones 4 son las siguientes para el caso de la Compañía Nacional de Fuerza y Luz (CNFL), principal distribuidora de electricidad del país: 3 Fuente: Centro Nacional Control de Energía CENCE, ICE.

31 21 Horario de temporadas: Temporada alta: Se define como temporada alta al tiempo comprendido entre el 1 de enero y el 31 de agosto del mismo año, es decir, 8 meses. Temporada baja: Se define como temporada baja al tiempo comprendido entre el 1 de septiembre y el 31 de diciembre del mismo año, es decir, 4 meses. Horario de los periodos: Período punta: Se define como período punta al comprendido entre las 10:01 y las 12:30 horas y entre las 17:31 y las 20:00 horas, es decir, 5 horas del día. Se facturará la máxima medición de potencia registrada durante el mes, exceptuando la registrada los sábados y domingos. Período valle: Se define como período valle al comprendido entre las 6:01 y las 10:00 horas y entre las 12:31 y las 17:30 horas, es decir, 9 horas del día. Se facturará la máxima medición de potencia registrada durante el mes. Período nocturno: Se define como período nocturno al comprendido entre las 20:01 y las 6:00 horas del día siguiente, es decir, 10 horas del día. Se facturará la máxima medición de potencia registrada durante el mes. La CNFL brinda un tipo de tarifa residencial horaria (T-REH) en la que se toma en cuenta este tipo de horarios con el fin de ofrecer al cliente la opción de comprar energía eléctrica más barata en horas de menor demanda. De esta manera, es posible sacar provecho 4 Según Compañía Nacional de Fuerza y Luz (CNFL)

32 22 de dichas tarifas para producir hidrógeno. Además, existe la necesidad de levantar el consumo de energía eléctrica en el período nocturno y disminuirlo en el período punta con el fin de estabilizar la curva de demanda diaria de energía eléctrica (Figura No. 2.11). 2.5 Almacenamiento y distribución del hidrógeno El desarrollo de una economía basada en el hidrógeno dependerá de los avances logrados en la eficiencia del almacenamiento y distribución del mismo. Las tecnologías existentes presentan varias desventajas debido a las propiedades físico-químicas del hidrógeno, tal y como se detalló en la Sección 2.2. Existen varias formas para almacenar el hidrógeno, ya sea en estado gaseoso, líquido o sólido, dependiendo de la utilización final del mismo Hidrógeno en estado gaseoso La desventaja principal del hidrógeno en estado gaseoso es que, debido a su baja densidad, es poca la cantidad de hidrógeno por unidad de volumen que se puede almacenar. Adicionalmente, para lograr un almacenamiento eficaz se requieren altas presiones para comprimir el gas. Actualmente, el hidrógeno se puede almacenar y distribuir como gas en contenedores y tuberías de alta presión, pero para el almacenamiento de grandes cantidades de hidrógeno, es preferible la utilización de minas abandonadas y cavernas subterráneas. Otra desventaja es que el material utilizado para este tipo de almacenaje es sometido a grandes esfuerzos que pueden ocasionar fatiga, provocando grietas y volviéndolo quebradizo, debido a que el hidrógeno se introduce en el material en el que están hechos.

33 23 Tuberías de alta presión Cuando se tiene un sistema centralizado, el hidrógeno se debe distribuir por medio de gasoductos. El gas se envía por tuberías de acero hacia los sitios de consumo, con un método similar al usado con el gas natural. Actualmente, se están investigando nuevos tipos de tuberías no metálicas como las fabricadas con polímeros reforzados por fibras de vidrio o de carbono (FRP) que han demostrado su factibilidad tanto desde el punto de vista técnico como desde el punto de vista económico [3]. Cilindros de alta presión El transporte de hidrógeno se puede realizar con cilindros de alta presión, ya sea en vehículos convencionales o en camiones para su distribución, dependiendo del material utilizado. Actualmente, existen cilindros de acero, aluminio y plástico. Los cilindros de acero son los más resistentes y pesados por lo que se utilizan para el transporte en camiones. El aluminio y el plástico son más livianos que el acero por lo que se consideran adecuados para el almacenaje en vehículos, pero a pesar de estar recubiertos con fibra de vidrio, no son tan resistentes como el acero. Camiones de tubos de alta presión Una manera más eficiente de transportar hidrógeno gaseoso es en un tube trailer, que consiste en un trailer de tubos en el que se puede almacenar más hidrógeno en comparación con los cilindros de alta presión.

34 Hidrógeno en estado líquido Contenedores criogénicos El hidrógeno líquido se puede almacenar en depósitos criogénicos en el que las necesidades de espacio se ven enormemente reducidas en comparación con el hidrógeno gaseoso, debido a que en esta forma el hidrógeno requiere menos volumen que el requerido para almacenar la misma cantidad de hidrógeno en estado gaseoso. Sin embargo, su principal inconveniente es que, debido a la baja temperatura necesaria para mantener el hidrógeno en estado líquido (menor a -240ºC), el proceso de licuefacción es muy intensivo energéticamente hablando, que supone el 30-40% de la energía que se utiliza en la producción [8] Hidrógeno en estado sólido Actualmente, se están investigando nuevas tecnologías para optimizar la capacidad de almacenamiento de hidrógeno en vehículos [3]. El almacenaje en estado sólido se refiere a la capacidad del hidrógeno de absorberse en un material, ya sea en hidruros metálicos, en materiales de acumulación química, o en nanoestructuras. La liberación del hidrógeno se puede realizar tanto reversible como irreversiblemente. En el proceso reversible se controla la temperatura y la presión para almacenar o liberar el hidrógeno. En el proceso irreversible, el hidrógeno se libera por reacción química con otro elemento, como el agua [10].

35 25 El principal inconveniente de este tipo de almacenaje es su elevado peso, sin embargo, permite almacenar más hidrógeno por unidad de volumen que en forma líquida. Hidruros Metálicos Los hidruros metálicos son combinaciones de aleaciones metálicas con capacidad de almacenar y liberar hidrógeno con gran seguridad [8]; trabajan a temperatura ambiente y a presión atmosférica. Tiene la ventaja de ser almacenadores muy seguros, pues en caso de producirse una pérdida de presión en caso de ruptura, se enfría el hidruro metálico y se inhibe la liberación adicional de hidrógeno. Este tipo de almacenamiento es del tipo atómico, ya que la molécula de hidrógeno (H 2 ) se descompone en sus dos átomos (H-H) para enlazarse con la red atómica del medio sólido formando precisamente, el hidruro metálico. Un inconveniente que posee este tipo de materiales es que pueden deteriorarse debido al cambio de volumen que produce la emisión y absorción de calor asociadas al almacenamiento y liberación del hidrógeno. Materiales Nanoestructurados La abundancia del carbono, su peso molecular relativamente bajo y su afinidad química con el hidrógeno le convierten en un absorbedor de hidrógeno muy conveniente [10]. El hidrógeno interactúa con los materiales a base de carbono de una manera más efectiva que con los hidruros metálicos.

36 26 Este tipo de almacenamiento es del tipo molecular, ya que la molécula de hidrógeno (H 2 ) queda almacenada por medio de enlaces débiles con la estructura del medio sólido. Los nanotubos de carbono son estructuras moleculares más resistentes que el acero (de 10 a 100 veces), y están constituidos por cilindros compuestos de estructuras hexagonales de átomos de carbono. Las moléculas de hidrógeno son absorbidas en los poros de los nanotubos, ya sea dentro de de la estructura del tubo o en su superficie. 2.6 Celdas de Combustible Una celda de combustible es un dispositivo electroquímico de conversión de energía química en energía eléctrica, es decir, produce electricidad a partir de un combustible y de oxígeno. Análogamente a las baterías y acumuladores, las celdas de combustible están diseñadas para el relleno continuo de los reactivos consumidos, sus electrodos son relativamente estables, por lo que las celdas no se descargan. En una celda de combustible de hidrógeno los reactivos utilizados son hidrógeno en el lado del ánodo y oxígeno, en el lado del cátodo; existen varios tipos, tanto tecnologías comerciales como en investigación.

37 Celda de Combustible de Membrana de Intercambio Protónico (PEMFC) Actualmente, las celdas tipo PEMFC 5 son las más desarrolladas y consideradas las más apropiadas para el uso en vehículos convencionales. Este tipo de celdas utilizan una membrana polimérica como electrolito, para separar el ánodo del cátodo. Cuando está sumergida en agua, la membrana polimérica es conductora de protones pero no de electrones. El proceso para generar energía eléctrica es el inverso al de un electrolizador. El hidrógeno en el ánodo catalizador se descompone en protones y electrones que fluyen hacia el cátodo, los protones través del electrolito, y los electrones por un circuito externo. El único residuo de éste proceso es agua, que se forma una vez que el oxígeno reacciona con los protones y electrones que llegan al cátodo. El flujo de electrones por el circuito externo es precisamente la producción de energía. En la siguiente figura se muestra los componentes de una celda tipo PEM: 5 PEMFC del inglés Proton Exchange Membrane Fuel Cell

38 28 Figura 2.13 Celda de Combustible tipo PEM El rango de temperatura de operación en este tipo de celdas es de 70 a 200ºC, y el de eficiencia de 50 a 70%. Tiene un costo cercano a los US$ 3000/kW [3], debido al platino que se utiliza en el catalizador Celda de Combustible Alcalinas (AFC) Las celdas AFC 6 tienen un electrolito de tipo alcalino, generalmente de hidróxido de potasio (KHO). El potasio puede estar circulando en el electrolito o ser inmóvil (membrana impregnada de potasio). El catalizador en el ánodo es de níquel, pero el del cátodo es a base de carbón activado. La reacción en el ánodo con un catalizador de níquel, es de la forma: 2H + 4OH 4H 2O + 4e 2 (2.5-1) 6 AFC del inglés Alkaline Fuel Cell

39 29 Y en el cátodo con un catalizador a base de carbón activado: 2H O + 4e + O2 4OH 2 (2.5-2) En este tipo de celdas, la temperatura de funcionamiento es inferior a 80ºC, y la eficiencia varía de 60 a 70%. Su principal inconveniente es que los iones de hidrógeno en el electrolito son susceptibles al dióxido de carbono, lo que implica que se debe purificar el hidrógeno y el oxígeno antes de utilizarlos, para no reducir la conductividad de iones. Además, al ser el electrolito líquido, existe riesgo de derrames Celda de Combustible de Ácido Fosfórico (PAFC) El electrolito de las celdas tipo PAFC 7 es de ácido fosfórico (PO 4 H 3 ), y los electrodos son películas delgadas a base carbón activado cubierto con platino. El hidrógeno en el ánodo se disocia en protones y electrones bajo influencia del platino según la ecuación: + 2H 2 4H + 4e (2.5-3) Y en el lado del cátodo, el oxígeno se oxida según: + O2 + 4H + 4e 2H 2O (2.5-4) Finalmente, el agua se evacua en forma de vapor. 7 PAFC del inglés Phosphoric Acid Fuel Cell

40 30 Para que el hidrógeno y el oxígeno reaccionen en los electrodos, se utilizan unas placas de interconexión porosas o con ranuras para introducir los gases, tal y como se muestra en la siguiente figura: Figura 2.14 Celda de Combustible tipo PAFC Este tipo de celdas opera a temperaturas desde 180 a 210ºC, y poseen eficiencia de 36 a 55%. Sin embargo, la eficiencia disminuye con el tiempo, debido a la evaporación del electrolito y la corrosión de los electrodos. Tiene un costo cercano a los US$ 4500/kW [3] Celda de Combustible de Carbonato Fundido (MCFC) Las celdas tipo MCFC 8 utilizan como electrolito una mezcla de carbonato de litio y carbonato de potasio. Estos compuestos tienen características muy interesantes, buena conductividad iónica entre 600 y 700 C, un punto de fusión bajo y no son tóxicos. 8 MCFC del inglés Molten Carbonate Fuel Cell

41 31 Los iones que cruzan el electrolito son los carbonatos CO En el ánodo, la reacción de la oxidación es: CO3 4e + 2H 2O 2 2H + CO 2 (2.5-5) Y en el cátodo: O 2 + CO2 + 4e 2 2 CO 2 3 (2.5-6) Este tipo de celda se puede alimentar con combustibles como metano, biogas, e incluso carbón gasificado. El proceso de reformado que permite obtener la mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono puede realizarse en la misma celda, tal y como se puede observar a continuación: Figura 2.15 Celda de Combustible tipo MCFC con reformado interno La temperatura de operación en este tipo de celdas es de 650ºC, y el rango de eficiencia es de 48 a 56%. Debido al nivel de la temperatura, no es necesario utilizar platino

42 32 u otros metales nobles. Generalmente se utiliza níquel mezclado con cromo en el ánodo, y con iones de litio en el cátodo, reduciendo los costos de la celda. Uno de los inconvenientes que no se han podido resolver en las celdas de carbonato fundido reside en los problemas de estabilidad de los materiales utilizados, como lo es la corrosión en los electrolitos Celda de Combustible de Óxido Sólido (SOFC) Las celdas tipo SOFC 9 utilizan como electrolito un material cerámico (de itria y óxido de zirconio sólido) que transmite los iones de oxígeno cargados negativamente a elevadas temperaturas (entre 800 y 1000ºC). Los iones de oxígeno (O2-) son los que cruzan el electrolito. En el ánodo, la reacción de la oxidación es: H O H 2O + e (2.5-7) Y en el cátodo: 2 O 2 + 4e 2O (2.5-8) Al igual que las celdas de carbonato fundido, este tipo de celdas se pueden alimentar con combustibles como metano y carbón gasificado, y además, el proceso de reformado puede ser interno. 9 SOFC del inglés Solid Oxid Fuel Cell

43 33 El rango de temperatura de operación en este tipo de celdas es de 800 a 1000ºC, y el de eficiencia desde 50 a 70% Celda de Combustible de Metanol (DMFC) A diferencia de las otras celdas de combustible donde el hidrógeno se oxida con el ánodo, las celdas tipo DMFC 10 se alimentan de metanol. El electrolito que se utiliza es una membrana polimérica. La ventaja de estas celdas es su funcionamiento a temperatura baja o media, debido a que el metanol es un combustible líquido a temperatura normal. Sin embargo, se debe tomar en cuenta que el metanol es producto del gas natural, y no se estaría evitando el uso de combustibles fósiles para la disminución de las emisiones de gases de invernadero. Figura 2.16 Celda de Combustible tipo DMFC 10 DMFC del inglés Direct Methanol Fuel Cell

44 34 El rango de temperatura de operación en este tipo de celdas es de 60 a 120ºC, y el de eficiencia desde 20 a 30%. En la siguiente tabla se presentan características importantes de los diferentes tipos de celdas: Tabla 2.2 Características de los diferentes tipos de celdas de combustible Tipo Celda T [ºC] Electrolito Combustible Eficiencia [%] Utilización AFC Alcalina <80 Solución Alcalina Hidrógeno Transporte, espacial PEMFC Membrana de Intercambio Protónico Polímero Sólido Hidrógeno Transporte, generación, doméstico, portátil PAFC Ácido Fosfórico Ácido Fosfórico Hidrógeno, Gas Natural Generación: Ciclo combinado y residencial MCFC Carbonato Fundido 650 Carbonato de Litio + Potasio Hidrógeno, Gas Natural Generación: Ciclo combinado y residencial SOFC Oxido Sólido Oxido de Zirconio Sólido + Itria Hidrógeno, Gas Natural Transporte, cogeneración, producción, centralizada de electricidad, doméstico DMFC Metanol Directo Polímero Sólido Metanol Portátil, transporte 2.7 Aplicaciones del hidrógeno El hidrógeno se utiliza en la industria para la obtención de amoníaco, peróxido de hidrógeno, ácido clorhídrico, alcohol metílico, y otros. Si se combina con metales, forma hidruros metálicos. Además, el hidrógeno reacciona con azufre, cloro, oxígeno y con

45 35 compuestos orgánicos insaturados para formar los correspondientes compuestos saturados. Se puede emplear en la hidrogenación catalítica de grasas, margarinas y aceites, y también como agente reductor con el fin de extraer el contenido de oxígeno en gases o en óxidos metálicos, debido a que, como es más fácil extraer el agua que el oxígeno, el gas o el óxido metálico se combina con hidrógeno para que al reaccionar con el oxígeno se forme el agua y así obtener el metal o el gas en estado puro. Por otra parte, el hidrógeno se puede utilizar en sopletes para corte, fusión y soldadura de metales, quemando el hidrógeno con oxígeno en una llama concentrada de alta temperatura. Además se emplea en la combustión catalítica del hidrógeno para quemadores y calentadores. Otra aplicación es el uso del hidrógeno como reductor del contenido de azufre en combustibles con el fin de disminuir los efectos contaminantes. También se utiliza en el enfriamiento de rodamientos y generadores eléctricos, en la producción de metanol y de vidrio flotado, como combustible de cohetes espaciales, y como gas de relleno en globos y dirigibles. El hidrógeno serviría como almacenador de energía para la generación electroquímica de la electricidad mediante celdas de combustible, ya sea para el transporte o para contrarrestar el carácter intermitente de otras fuentes de energía renovable, como la solar y la eólica [11]. En el caso del transporte, el hidrógeno se emplea en motores de combustión interna obteniendo mejor eficiencia de la conversión de energía que la gasolina.

46 CAPÍTULO 3: Generación de hidrógeno a partir de electrólisis 3.1 Generalidades de la electrólisis Tal como se señaló en la sección 2.3.2, la electrólisis es un proceso que permite la obtención de hidrógeno por medio de la descomposición del agua en sus elementos constitutivos cuando se aplica corriente directa al agua. El proceso es más limpio que el de reformado a vapor y el de gasificación, debido a que, por medio de la electrólisis es posible obtener hidrógeno sin generar emisiones de gases de invernadero, dependiendo de las fuentes utilizadas para producir la electricidad. El proceso de electrólisis incluye múltiples componentes para cada etapa. En la etapa inicial, es necesario un rectificador y un destilador debido a que los electrolizadores operan con corriente directa y requieren agua purificada. Seguido a esto, se requiere de un generador de hidrógeno para realizar la electrólisis. Finalmente, cuando ya se obtiene el hidrógeno es necesario un compresor y cilindros para su almacenamiento. Sin embargo, existen electrolizadores que producen el gas a alta presión y por lo tanto no requieren de compresor adicional. Existen múltiples electrolizadores para diferentes fines dependiendo de la capacidad de producción de hidrógeno que se requiera. Los electrolizadores de menor capacidad se utilizan para fines domésticos y son capaces de producir de 0.9 a 2kg de hidrógeno por día; todos sus componentes se incluyen dentro de la misma unidad, lo que los hace compactos, a diferencia de las plantas electrolíticas más grandes en las que la capacidad y tamaño de cada uno de los componentes es mucho mayor. 36

47 37 La descomposición del agua en gases por medio de electrólisis del agua es conocida desde la Primera Revolución Industrial. En 1800, Nicholson y Carlisle descubrieron éste proceso en electrolitos ácidos [12], y ya hacia 1902 se contaba con cerca de 400 electrolizadores industriales en todo el mundo. Los primeros electrolizadores PEM fueron construidos en 1966, y los electrolizadores de óxido sólido y los alcalinos, a principios de la década de los 70 [13]. 3.2 Tipos de electrolizadores Los componentes básicos de un electrolizador se muestran en la Figura 2.7. Sin embargo, dependiendo del electrolito usado, existen diferentes tipos de electrolizadores Polymer Electrolyte Membrane (PEM) En un electrolizador tipo PEM se utiliza un polímero como electrolito. Cuando se hace pasar la corriente eléctrica entre los electrodos, el agua reacciona en el ánodo liberando oxígeno e iones de hidrógeno cargados positivamente. Los electrones a través del circuito externo, y los iones a través de la membrana, fluyen hasta el cátodo, donde se combinan para formar el hidrógeno. La reacción el ánodo sería + 2H 2 O O2 + 4H + 4e (3.1-1) Y en el cátodo + 4H + 4e 2H 2 (3.1-2)

48 38 La temperatura del proceso es entre 80 y 100ºC Alcalinos Los electrolizadores alcalinos son similares a los PEM pero como electrolito usan una solución alcalina, sea hidróxido de sodio ó hidróxido de potasio. El proceso es el mismo que en un PEM pero a una temperatura más alta (entre 100 y 150ºC), y las reacciones en los electrodos difieren. En el ánodo la reacción es la siguiente 4OH O2 + 4H 2O + 4e (3.1-3) Y en el cátodo 4H 2 O + 4e 2H 2 + 4OH (3.1-4) Este tipo de electrolizadores pueden ser monopolares o bipolares. Un electrolizador monopolar tiene los electrodos conectados en paralelo, mientras que uno bipolar en serie, con los electrodos separados por una fina membrana. El costo de un electrolizador monopolar es menor al de uno bipolar ya que, como los electrodos se encuentran separados, el diseño y el mantenimiento resulta más sencillo. Sin embargo, las ventajas de un electrolizador bipolar es la de ser más compacto y poseer mayor capacidad de corriente, densidad y temperatura Óxido Sólido En los electrolizadores de óxido sólido se utiliza un material cerámico como electrolito, el cual transmite los iones de oxígeno cargados negativamente a elevadas

49 39 temperaturas (entre 500 y 800ºC) para disminuir la cantidad de energía eléctrica requerida. El proceso se diferencia al anterior en que es en el cátodo en que el agua reacciona liberando hidrógeno e iones de oxígeno cargados negativamente, y en el ánodo donde se forma el oxígeno. 3.3 Costo del hidrógeno producido a partir de electrólisis Sólo el 4% de la producción mundial de hidrógeno se obtiene por electrólisis de agua [14], ya que el costo de producción de hidrógeno es normalmente mayor al obtenido con los procesos que utilizan fuentes fósiles. Esto porque cerca del 68% de la electricidad producida mundialmente es obtenida a partir de fuentes como gas natural, derivados del petróleo y carbón mineral [15], lo que provoca que el costo de la energía eléctrica sea mayor que el de la energía fósil empleada es los procesos de reformado y gasificación. Sin embargo, es posible utilizar fuentes energéticas no fósiles para la generación de la energía eléctrica con el fin de que el costo de la electricidad sea más bajo, así como en el caso de las horas nocturnas [3]. Tal y como se ha comentado anteriormente, en nuestro país se dan períodos con menor demanda de energía eléctrica, dependiendo de la temporada (baja o alta) y del horario en que se produzca (punta, valle o nocturno). Con el fin de determinar el costo de producción de hidrógeno, se debe contemplar el horario en que opere el electrolizador, sea en operación continua, fuera de horas punta o solamente en horario nocturno. Los datos para establecer los costos de la electricidad en

50 40 estos casos, se obtuvieron de la Tarifa Residencial Horaria (T-REH) de la CNFL, y se resumen en la siguiente tabla. Tabla 3.1 Costo promedio de la electricidad Período horario Completo Sin punta Nocturno Cargo por energía ( /kwh) 39,65 26,21 16,97 Los costos de operación fijos se estiman a partir de la inversión inicial, considerando un 1% de la inversión total para el mantenimiento de la unidad, y 0.5% para extras. Por otra parte, se considera una tasa de descuento del 10% para el cálculo del valor presente neto (VAN) y se espera una tasa interna de retorno del 12%. Para analizar la factibilidad de producir hidrógeno a partir de la electrólisis, se considera un electrolizador con una capacidad de producción de 3kg de hidrógeno al día con una eficiencia mayor al 70% y un costo estimado de US$ Además, se considera que el electrolizador comprime el hidrógeno a una presión de psig (680.5 atm). En el costo de la inversión se debe tomar en cuenta que para almacenar el hidrógeno se requiere de al menos seis cilindros, cada uno con capacidad de almacenamiento de 0.5kg de hidrógeno. En el caso de la producción en horario continuo se debe considerar que para efectos de mantenimiento, el factor de planta debe rondar el 99%. Esto porque se debe considerar que la unidad debe salir de operación cuando requiera mantenimiento A partir de las

51 41 anteriores consideraciones, en la Tabla 3.2 muestra la información para determinar el costo de producción de hidrógeno en operación continua.

52 42 Tabla 3.2 Evaluación de la producción de hidrógeno en horario continuo Con base en: Instituto Costarricense de Electricidad, Análisis Actual y Tendencias Futuras de la Producción de Electricidad a partir del uso del Hidrógeno. Costa Rica, 2006.

53 43 De igual forma, se obtuvo el costo de producción en operación fuera del período punta, tal y como se observa en la siguiente tabla.

54 44 Tabla 3.3 Evaluación de la producción de hidrógeno fuera de horas punta Con base en: Instituto Costarricense de Electricidad, Análisis Actual y Tendencias Futuras de la Producción de Electricidad a partir del uso del Hidrógeno. Costa Rica, 2006.