Master en Energías Renovables, Pilas de Combustible e Hidrógeno CSIC-UIMP
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- Tomás Godoy Cárdenas
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1 NECESIDADES DE I+D EN LA Master en Energías Renovables, CSIC-UIMP Dr. Iñaki Azkarate
2 2 Agotamiento Combustibles Fósiles Sostenibilidad Sistema Energético?? ENERGÍAS RENOVABLES Contaminación, Calentamiento Global ECONOMÍA DEL HIDRÓGENO 2 / Madrid, 27 Mayo 2009
3 3 Calentamiento Global / Incremento CO2 3 / Madrid, 27 Mayo 2009
4 4 Calentamiento Global. Previsiones 4 / Madrid, 27 Mayo 2009
5 5 Producción de Petróleo 5 / Madrid, 27 Mayo 2009
6 6 Producción de Gas Natural 6 / Madrid, 27 Mayo 2009
7 7 Producción de Carbón 7 / Madrid, 27 Mayo 2009
8 8 Capacidad del Parque Nuclear 8 / Madrid, 27 Mayo 2009
9 9 Previsiones del Parque Nuclear de la IAEA 9 / Madrid, 27 Mayo 2009
10 10 Fuentes de Energía 10 / Madrid, 27 Mayo 2009
11 11 Previsión de Instalaciones renovables / Madrid, 27 Mayo 2009
12 12 Contribución de Fuentes de Energía Renovables 12 / Madrid, 27 Mayo 2009
13 13 Previsión del escenario energético 13 / Madrid, 27 Mayo 2009
14 14 Economía del Hidrógeno 14 / Madrid, 27 Mayo 2009
15 15 Economía del Hidrógeno 15 / Madrid, 27 Mayo 2009
16 16 16 / Madrid, 27 Mayo 2009
17 17 Etapas de la Cadena del Hidrógeno 1 PRODUCCIÓN 2 ALMACENAMIENTO Y DISTRIBUCIÓN 3 CONSUMO 4 ASPECTOS TRANSVERSALES, SEGURIDAD EN EL USO DEL HIDRÓGENO 17 / Madrid, 27 Mayo 2009
18 18 Producción 1. PRODUCCIÓN Electrolisis de agua. Reformado de Hidrocarburos. Gasificación. Métodos Químicos y Termoquímicos. micos. 18 / Madrid, 27 Mayo 2009
19 19 Producción Electrolisis del agua - Mediante energía a eléctrica obtenida a partir de fuentes renovables. - Basado en la reacción n H 2 O H 2 + ½ O 2 Cátodo Ánodo 2 H2O + 2e OH 2OH- + H2 2OH H2O + 1/2O2 + 2e- - Electrolizadores Alcalinos. Tecnología a disponible comercialmente. Actualmente se produce Hidrógeno a presiones de hasta varias decenas de bares. 19 / Madrid, 27 Mayo 2009
20 20 Producción Electrolisis del agua - Electrolizadores PEM. 20 / Madrid, 27 Mayo 2009
21 21 Producción Reformado de Hidrocarburos - La mayor parte del Hidrógeno se produce mediante este método m a partir de metano. - Basado en las reacciones CH 4 + H 2 O ---- CO + 3H 2 CO + H 2 O ---- CO 2 + H 2 - Oxidación n Parcial (POX) - Reformado Autotérmico (ATR) 21 / Madrid, 27 Mayo 2009
22 22 Producción Gasificación de Biomasa - Biomasa / Gasificación. Se obtiene una mezcla de gases que se enriquece en Hidrógeno tras un proceso de purificación n generalmente basado en un proceso de adsorción/ n/desorción por cambio de presión n (PSA) Gasificación de Carbón C+H 2 O+calor ---- CO + H 2 22 / Madrid, 27 Mayo 2009
23 23 Producción Métodos Químicos y Termoquímicos - Consisten en reacciones químicas que ocurren a temperaturas elevadas (>500 C) en las que el balance total es la descomposición n de agua en H2 y O2. Se plantean asociadas a reactores nucleares en los que se generan n las temperaturas necesarias, aunque también n hay otras que transcurren mediante energía a solar-térmica. rmica. Hay más m s de 100 ciclos propuestos, pero los más m s prometedores son: - CaBr 2 Fe 2 O 3 - H 2 SO 4 HI - Westinghouse 23 / Madrid, 27 Mayo 2009
24 24 Métodos Químicos y Termoquímicos Producción 24 / Madrid, 27 Mayo 2009
25 25 Métodos Químicos y Termoquímicos Producción Westinghouse 25 / Madrid, 27 Mayo 2009
26 26 Producción 1. PRODUCCIÓN. NECESIDADES DE I+D Electrolisis de agua - Mejora de la eficiencia. - Materiales más m s resistentes para electrodos - Materiales para membranas - Nuevos catalizadores 26 / Madrid, 27 Mayo 2009
27 27 Producción 1. PRODUCCIÓN. NECESIDADES DE I+D Reformado de Hidrocarburos - Catalizadores. - Mas eficeintes. - No basados en metales nobles. - Que permitan reacciones a temperaturas más m s bajas. - Sistemas de separación n de gases - Membranas 27 / Madrid, 27 Mayo 2009
28 28 Producción 1. PRODUCCIÓN. NECESIDADES DE I+D Gasificación n de Biomasa - Catalizadores. - Mas eficeintes. - No basados en metales nobles. - Que permitan reacciones a temperaturas más m s bajas. - Sistemas de separación n de gases - Membranas - Sistemas de producción n directa de H mediante organismos vivos 28 / Madrid, 27 Mayo 2009
29 29 Producción 1. PRODUCCIÓN. NECESIDADES DE I+D Métodos Químicos y Termoquímicos micos - Materiales para altas temperaturas. - Procesos de separación. - Modelación n e información n termodinámica mica de Ciclos Termoquímicos. micos. - Catalizadores - Nuevos Ciclos Termoquímicos micos 29 / Madrid, 27 Mayo 2009
30 30 Producción 1. PRODUCCIÓN. NECESIDADES DE I+D Aspectos transversales - CATALISIS - SEPARACIÓN - MATERIALES - TEORÍA A Y MODELACIÓN 30 / Madrid, 27 Mayo 2009
31 31 Almacenamiento 2. ALMACENAMIENTO El almacenamiento del hidrógeno es un elemento clave en la Cadena del Hidrógeno. La densidad energética gravimétrica del hidrógeno es tres veces superior a la de la gasolina, mientras que su densidad energética volumétrica es la cuarta parte. 31 / Madrid, 27 Mayo 2009
32 32 Almacenamiento 2. ALMACENAMIENTO Volumen de 4kg de hidrógeno, para propulsar un coche eléctrico con de pila de combustible, almacenado en diferentes formas; tamaño relativo al del coche Fuente: Hydrogen Storage. State Of The Art and Future Perspective. Tzimas, E., Filiou, C., Peteve, S.D., Veyret, J.B. European Commission Directorate General Joint Research Centre, Petten, 2003, ISBN / Madrid, 27 Mayo 2009
33 33 Almacenamiento 2. ALMACENAMIENTO Hidrógeno comprimido. Hidrógeno licuado. Hidruros. Hidrógeno absorbido en soportes sólidos. s 33 / Madrid, 27 Mayo 2009
34 34 Almacenamiento Hidrógeno Comprimido Es una tecnología a convencional y la más m s dominada entre las que se contemplan. 34 / Madrid, 27 Mayo 2009
35 35 Almacenamiento Hidrógeno Licuado Es una tecnología a suficientemente desarrollada 35 / Madrid, 27 Mayo 2009
36 36 Almacenamiento Hidrógeno Licuado Es una tecnología a suficientemente desarrollada aunque tiene algunas contrapartidas como: - El hidrógeno licua a -253ºC. - Los criotanques son equipos complejos. Presentan el problema de las pérdidas por evaporación n (boil( off). - El almacenamiento de hidrógeno líquido l es especialmente adecuado para su empleo en vehículos porque el requerimiento de espacio de los tanques de hidrógeno líquido l es menor. - El almacenamiento de hidrógeno líquido l para aplicaciones estacionarias tan sólo s se empleará cuando el hidrógeno realmente sea solicitado en forma líquida, por ejemplo, en las estaciones de servicio. 36 / Madrid, 27 Mayo 2009
37 37 Almacenamiento Hidruros - Los hidruros metálicos consisten en aleaciones en las que el hidrógeno se combina formando hidruros de estequiometrías más s o menos complejas. - A través s de una reacción n química se forman compuestos sólidos s metálicos. - De modo inverso, el hidrógeno se libera cuando se aplica calor a los materiales y mediante la reducción n de la presión. - Los metales son aleados para optimizar tanto el peso del sistema a como la temperatura a la cual el hidrógeno puede ser recuperado. 37 / Madrid, 27 Mayo 2009
38 38 Almacenamiento Otros soportes sólidos - El hidrógeno puede también n ser adsorbido y almacenado de modo reversible sobre superficies sólidas s como resultado de la fisisorción o adsorción. - Materiales con una gran área específica como los carbonos nanoestructurados y los nanotubos de carbono son substratos posibles para la fisisorción. 38 / Madrid, 27 Mayo 2009
39 39 Almacenamiento Otros soportes sólidos - Zeolitas - Nanocomposites aerogeles - Metallic Organic Frame (MOF) - Bulk Amorphous Materials (BAM) - Hollow glass microspheres (HGM) 39 / Madrid, 27 Mayo 2009
40 40 Almacenamiento Capacidad de almacenamiento de hidrógeno (considerando masa y volumen) para hidruros metálicos, nanotubos de carbono, gasolina y otros hidrocarburos. 40 / Madrid, 27 Mayo 2009
41 41 Almacenamiento Capacidad de almacenamiento de hidrógeno (considerando masa y volumen) para hidruros metálicos, nanotubos de carbono, gasolina y otros hidrocarburos. 41 / Madrid, 27 Mayo 2009 Fuente: Hydrogen Storage. State Of The Art and Future Perspective. Tzimas, E., Filiou, C., Peteve, S.D., Veyret, J.B. European Commission Directorate General Joint Research Centre, Petten, 2003, ISBN
42 42 Energías de enlace de diversos materiales candidatos para el almacenamiento de hidrógeno Almacenamiento 42 / Madrid, 27 Mayo 2009
43 43 Almacenamiento Tipo de almacenamiento Hidrógeno comprimido Hidrógeno licuado Hidruros metálicos Soportes sólidos Hidruros químicos 43 / Madrid, 27 Mayo 2009 Ventajas Tecnología dominada hasta presiones de bar. Alta densidad gravimétrica. Tecnología dominada. Alta densidad gravimétrica y volumétrica. Pureza. Alta densidad volumétrica. Seguridad. Densidades volumétrica y gravimétrica adecuadas. Pueden ser baratos. Alta densidad gravimétrica Desventajas / Barreras Voluminoso. Seguridad. Costos de compresión. Falta mejorar la tecnología para altas presiones Costo de licuefacción. Pérdidas por Boil off Temperaturas muy bajas, aislamiento térmico, materiales especiales. Baja densidad gravimétrica. Pesados. Caros. Alta temperatura de disociación. Refrigeración en la recarga. Complejos. Refrigeración en la recarga. No se confirman las expectativas iniciales. Toxicidad. Impurezas. Reacción de rehidrogenación.
44 44 Almacenamiento 2. ALMACENAMIENTO. NECESIDADES DE I+D Hidruros - Hidruros complejos - Síntesis y Procesamiento - Dopantes - Nitruros e Imidas - Nanohidruros 44 / Madrid, 27 Mayo 2009
45 45 Almacenamiento 2. ALMACENAMIENTO. NECESIDADES DE I+D Soportes sólidos s nanoestructurados - Materiales no disociativos - Compuestos nanoestructurados de Carbono - Nuevos conceptos de almacenamiento. Polímeros y compuestos inorgánico nico-orgánico nanoporosos - Materiales de alta superficie. Clatratos,, zeolitas - Tecnologías de Caracterización - Interacciones superficiales, enlace de H 45 / Madrid, 27 Mayo 2009
46 46 Almacenamiento 2. ALMACENAMIEMNTO. NECESIDADES DE I+D Aspectos transversales - CATALISIS - MATERIALES NANOESTRUCTURADOS - TEORÍA A Y MODELACIÓN - CARACTERIZACIÓN - SEGURIDAD 46 / Madrid, 27 Mayo 2009
47 47 Consumo 3. CONSUMO Pila de Combustible. Motor de Combustión n Interna. 47 / Madrid, 27 Mayo 2009
48 48 Consumo Pila de Combustible PEMFC 48 / Madrid, 27 Mayo 2009
49 49 Consumo Pila de Combustible SOFC 49 / Madrid, 27 Mayo 2009
50 50 Consumo Motor de Combustión Interna ICE 50 / Madrid, 27 Mayo 2009
51 51 Consumo 3. CONSUMO. NECESIDADES DE I+D Pila de Combustible - Catalizadores Cátodo C PEM. Mejora eficiencia, No metales nobles. - Catalizadores Cátodo C SOFC. Temperaturas más m s bajas. - Ánodos. Más M resitentes a impurezas (CO, S). - Procesos electrocatalíticos ticos a nivel atómico. - Materiales para membranas, conductividad iónica. i - Gestión n del agua - Conjunto Membrana-Electrodo (MEA) - Placas Bipolares - Materiales más m s resistentes. - Procesado de combustible (metano,..) 51 / Madrid, 27 Mayo 2009
52 52 Consumo 3. CONSUMO. NECESIDADES DE I+D Motor de Combustión Inetrna - Catalizadores. - Materiales - Sistemas de separación n de gases - Membranas 52 / Madrid, 27 Mayo 2009
53 53 Consumo 3. CONSUMO. NECESIDADES DE I+D Aspectos transversales - CATALISIS - MEMBRANAS - MATERIALES, QUÍMICA INTERFACIAL - TEORÍA A Y MODELACIÓN 53 / Madrid, 27 Mayo 2009
54 54 4. ASPECTOS TRANSVERSALES Seguridad. Normativa. Safety of Hydrogen as Energy Carrier Difusión. 54 / Madrid, 27 Mayo 2009
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