Facultad de Ingeniería - UBA. Técnicas Energéticas Hidrógeno
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- Tomás Castellanos Chávez
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1 Facultad de Ingeniería - UBA Técnicas Energéticas Hidrógeno
2 Hidrógeno Es el elemento más abundante en el planeta Siempre unido a otros átomos => se necesita energía para obtener H2 Condensa a 253ºC => difícil licuar, manipular y almacenar Su combustión con aire solo genera H2O y NOx en pequeñas cantidades
3 Hidrógeno Densidades energéticas: Combustible kwh/kg kwh/l Tanque Nafta Metano (gas, 170 atm) Metanol H 2(liq) H 2(gas, 170 atm) Hidruro (FeTi) Hidruro (LaNi5) l nafta 2.86 m 3 H 2 (g) CNPT 3.58 l H 2(l) m 3 H 2 (g) CNPT 1 kwh (ε = 100 %)
4 Hidrógeno Tipos de almacenamiento: Como gas Altas presiones Como líquido criogénico Muy bajas temperaturas En forma sólida como hidruros metálicos Bajas temperaturas
5 Producción de H2 Tecnologías tradicionales Producción según materia prima
6 Producción de H2 Tecnologías tradicionales 1) Reformado con vapor: Materia prima de bajo peso molecular: Metano, Etano, GLP, Naftas Tecnología dominante actualmente Proceso endotérmico 2) Oxidación parcial (Gasificación): Materia prima de mayor peso molecular: Fuel-oil, asfaltos, carbón y biomasa Proceso exotérmico 1a etapa Gas de síntesis
7 Producción de H2 Tecnologías tradicionales Tren de purificación con reactores catalíticos: 2a etapa a) Reformador secundario b) Reactores adiabáticos (convertidores de CO) Reactor de alta temperatura Reactor de baja temperatura c) Reactor de metanación (adiabático) Resultado: H2 de elevada pureza (99.7%) contenido de CO de hasta 0.3%
8 Producción de H2 Otras Tecnologías Proceso autotérmico Combinación de reformado con vapor y oxidación parcial Reformado con CO2 (Reformado seco) Reemplazo del vapor Relación CO/H2 mayor a la del reformado con vapor Disponibilidad de grandes cantidades de CO2 de calidad apropiada
9 Producción de H2 Otras Tecnologías Pirólisis Descomposicón de hidrocarburos a altas temp. => C + H2 (subproducto) El proceso en si mismo no produce óxidos de carbono Pequeños reformadores Materia prima: alcoholes Tecnologías basadas en biomasa Producen H2 directamente Impureza de la materia prima Limitada disponibilidad de recursos
10 Producción de H2 Otras Tecnologías Electrólisis del agua Energía fósil Energía nuclear Energías renovables: Eólica Solar Hidráulica Geotérmica Mareomotriz Biomasa Termólisis del agua Métodos fotoquímicos
11 Producción de H2 Pequeños reformadores Se utilizan principalmente para alimentar pilas de tipo PEM Pueden alimentarse con Metanol Etanol
12 Producción de H2 Pequeños reformadores Con Metanol: Temp. de operación del reformado: 300ºC Actualmente se genera utilizando gas natural Ventajas: bajo costo, facilidad de transporte y almacenamiento Desventajas: tóxico, proviene del gas => genera CO2
13 Producción de H2 Pequeños reformadores Con Etanol: Temp. de operación del reformado: 500ºC a 700ºC Ventajas: no es tóxico, se obtiene con recursos renovables, facilidad de transporte y almacenamiento Desventajas: Proceso más complejo que el reformado con metanol, pudiendo generar metano y subproductos no deseados
14 Celda tipo PEM Reacciones químicas: Ánodo: 2H2 4H + + 4e - Cátodo: 4e - + 4H + + O2 2H2O Reacción completa: 2H2 + O2 2H2O Ventajas: No produce contaminación Solo se desecha agua y calor Es silenciosa Alto rendimiento (~50%) Desventajas: Precisa H2 de alta pureza (hasta 30 ppm de CO)
15 Usos del H2
16 Ventajas Abundante Combustión limpia Alta densidad energética Es renovable No es tóxico
17 Desventajas Difícil transporte y almacenamiento No es combustible primario => se debe gastar energía para producirlo El saldo de energía en la producción de H2 es negativo Falta de desarrollo de infraestructura de producción y distribución Densidad de energía volumétrica muy baja Alto índice de difusividad Difícil de detectar fugas Llama incolora
18 Aplicaciones en automóviles Motores de combustión interna Fácil adaptación (similar a los sistemas de GNC) Mejora la eficiencia del motor en un 25% Combustión más limpia (solo emite NOx) Difícil almacenamiento Alto costo Rendimiento limitado por Carnot
19 Aplicaciones en automóviles Celdas de combustible Mínimo mantenimiento (no hay desgaste mecánico) Alta eficiencia (no está limitada por Carnot) Sin emisiones contaminantes Silenciosa (ruido => ventiladores y compresores) Puede actuar como generador eléctrico portátil Permite una mayor libertad de diseño del automóvil
20 Aplicaciones en automóviles Comparativa entre motores y celdas de combustible Vehículo convencional con motor a CI Vehículo con Celdas de Combustible Ambientalmente limpio NO SI Alto Desempeño SI SI y sobrepasarían a los vehículos convencionales Bajo Mantenimiento NO SI Confiabilidad NO SI Confort SI para los estándares actuales, NO para los SI futuros Bajo Ruido NO SI Alta Eficiencia NO SI Libertad de Diseño NO SI Fuente de Potencia SI (supeditado a la energía almacenable en la batería) SI
21 Vehículos eléctricos alimentados con H2 TECNOLOGÍA PEM / HIDRÓGENO COMPRIMIDO 1996-utilitario Potencia: 50 kw 2 stacks, 280 V Autonomía: 250 km Vmáx: 110 km/h NEBUS (New Electric Bus) 1997 Daimler Chrysler Potencia: 250 kw Autonomía: 250 km Vmáx: 80 km/h 1999-MB clase A Potencia: 70 kw 2 stacks, 330 V Autonomía: 450 km Vmáx: 145 km/h
22 Vehículos eléctricos alimentados con H2 TECNOLOGÍA PEM / METANOL REFORMADO 1997 Potencia: 50 kw Tanque: 40 l Autonomía: 400 km Vmáx: 120 km/h 2000 Potencia: 75 kw Tanque: 40 l Autonomía: 450 km Vmáx: 150 km/h
23 El H2 en Argentina Sistemas de almacenamiento de electricidad de níquel-hidrógeno para misiones espaciales (Satélites SAC-C, SAC-D y SAOCOM). Proyecto cooperativo CONICET-CONAE-INIFTA Proyectos de sistemas sustentables de energía del IEDS (CNEA), CITEFA, Escuela Superior Técnica, DPE-INIFTA. Planta de demostración de un sistema sustentable de energía (Planta experimental eólico-hidrógeno de Pico Truncado).
24 FIUBA y el H2 Laboratorio de Procesos Catalíticos (LPC): Estudio del proceso y purificación de hidrógeno a partir de etanol Propósito: montar un prototipo de producción de hidrógeno para alimentar una pila tipo PEM de 1kW y 10 kw Recibe cooperación del INGAR (dependiente del CONICET) El LPC cuenta con programas de cálculo para diseño y simulación de los reactores Actualmente en estudio de diferentes catalizadores
25 Bibliografía Combustibles Alternativos, S. D. Romano, E. González Suárez, M. A. Laborde, Ediciones Cooperativas, id.html#fchv-5 Trabajo de Pablo Groglopo (alumno de TE)
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