PROGRAMA DE ESTUDIOS: HIDRÓGENO Y CELDAS DE COMBUSTIBLES PROTOCOLO Fechas Mes/año Clave 1-SE-ER-04 Semestre 9no. Elaboración 03 2007 Nivel Licenciatura X Maestría Doctorado Aprobación Ciclo Integración Básico Superior X Aplicación Colegio H. y C.S. C. y T. X C. y H. Plan de estudios del que forma parte: Ingeniería en Sistemas Energéticos Propósito(s) general(es): Que el estudiante obtenga el conocimiento teórico básico sobre la aplicación del hidrógeno como vector energético, las diferentes fuentes y procesos para la producción de hidrógeno, así como los aspectos básicos relacionados con el almacenamiento, transporte y distribución del hidrógeno. Además que conozca los fundamentos termodinámicos, transferencia de materia y cinética del funcionamiento de las celdas de combustible, y finamente los tipos de celdas comerciales, a través de la descripción práctica y el desarrollo de las habilidades necesarias para comprender la utilización del hidrógeno y de las celdas de combustibles en los diversos campos industriales, domésticos y de transporte. Carácter Modalidad Horas de estudio semestral (16 semanas) Indispensable Seminario Taller Con Docente Teóricas 52 Autónomas Teóricas 52 Curso X Curso-taller Prácticas 20 Prácticas 20 Optativa * X Laboratorio Clínica Carga horaria semanal: 4.5 hrs. Carga horaria semestral: 72 hrs. Asignaturas Previas Combustibles y combustión Asignaturas Posteriores: Requerimientos para cursar la asignatura Perfil deseable del profesor: Conocimientos sobre Procesos Termodinámicos, Combustibles y formas de Combustión y Balance de Materia y Energía. Habilidades: Plantear y resolver ecuaciones sobre ciclos termodinámicos y resolver ecuaciones de estado de sistemas termodinámico. Que tenga una Licenciatura o Posgrado en alguna área relacionada con la química, física o energía, tales como: Ingeniería en Energía, Químico o Física de preferencia con experiencia docente. Academia responsable del programa: Programa de Energía Diseñador (es): Dr. Gerardo Canizal Jiménez, M. en I. Carlos Chávez Baeza, Dr. Álvaro Eduardo Lentz Herrera y M. en I. Fernando Gabriel Arroyo Cabañas. *Aquellas en las que se ofrece la posibilidad de cursar una de las asignaturas, para cubrir un requisito INDISPENSABLE será considerada INDISPENSABLE. Ingeniería en Sistemas Energéticos, Programa de Hidrógeno y celdas de combustibles 1
PROGRAMA DE ESTUDIOS HIDRÓGENO Y CELDAS DE COMBUSTIBLES INTRODUCCIÓN Las Fuentes de Energías no Convencionales posiblemente podrían contribuir a sostener la demanda energética, pero es claro que no poseen las ventajas del petróleo y del gas natural: algunas son intermitentes, otras están localizadas o resultan de difícil aplicación para fines de transporte, industrias, etc. Urge, pues, encontrar alguna forma intermedia de energía, que pueda obtenerse de alguna fuente primaria de energía no convencional. Tal es el caso del sistema energético del hidrógeno, que recientemente ha cobrado ímpetu como una posible manera de solucionar el problema. Se trata de una especie de nexo entre las nuevas fuentes de energía y el usuario. El hidrógeno puede ser generado a partir de nuevas fuentes de energía no convencionales y podrá usarse en reemplazo de los combustibles fósiles. No sería ya una fuente primaria de energía, sino intermediario, o una forma secundaria o un portador de energía. El hidrógeno es un elemento de combustión más liviano y más limpio que cualquier otro; puede ser convertido eficientemente en otras formas de energías y es, además, el elemento más abundante de la naturaleza, pero no está libre sino combinado con otro elemento, el oxígeno, dando agua, así como en numerosos otros compuestos que contienen hidrógeno. En la propia atmósfera se encuentra en pequeña proporción: 0,2%. Además de ir agotándose, los combustibles fósiles son altamente contaminantes de la atmósfera al ser quemados, Por otra parte el petróleo que es el principal combustible utilizado en la actualidad, se encuentra distribuido desigualmente en la tierra, de tal manera que es una fuente de conflicto entre naciones, como lo ha puesto de manifiesto la absurda Guerra del Golfo. Se ha pensado, entonces, en fuentes alternativas de energía que son prácticamente ilimitadas, pero muestran inconvenientes ya que son intermitentes de manera que requerirán algún almacenaje para poder ser consumidas cuando no están disponibles. No pueden usarse tampoco para el transporte, salvo quizás la nuclear. El sistema energético del hidrógeno es un intermediario, entre las nuevas fuentes de energía primaria y los sectores consumidores. La forma intermediaria de energía debe ser transportables, económica y renovable y además, no contaminante. Siendo el combustible sintético más barato de producir por unidad de energía almacenada, casi no da lugar a contaminación alguna y además se encuentra en abundancia en la naturaleza. Pero puede convertirse fácilmente en otras formas de energía más útiles para el usuario, como combustible para motores de combustión interna, turbinas de gas o motores a chorro. El hidrógeno es almacenable, en tanto que la electricidad no lo es, o lo es a un costo prohibitivamente alto. Puede usarse directamente como combustible, en reemplazo del gas natural, en procesos industriales que precisan calor, así como la calefacción, el agua caliente o la cocina con las debidas precauciones que exige este gas. La combustión del hidrógeno produce vapor de agua, el cuál puede usarse en diversas industrias en lugar del carbón, sin los efectos contaminantes de éste. Cuando se requiere electricidad podrá lograrse fácilmente mediante el uso de "celdas o pilas de combustible", en las que el hidrógeno se combina con el oxígeno generando electricidad: es el Ingeniería en Sistemas Energéticos, Programa de Hidrógeno y celdas de combustibles 2
proceso inverso de la electrólisis usada para generar hidrógeno. La eficiencia de conversión de dichas pilas está entre el 50 y el 70% y se espera que aumente conforme la tecnología. En los motores de combustión interna se logra energía mecánica con eficiencia entre el 15 y el 20% más que los combustibles fósiles y sin contaminar. Aplicada a los aviones, dado su bajo peso supera ampliamente a los combustibles usuales de los jets: el menor peso de despegue implica menos consumo de combustible. En los aviones supersónicos desaparecen las objeciones referidas a la contaminación de las capas superiores de la atmósfera particularmente la de ozono, pues el hidrógeno al quemar produce vapor de agua; además los motores transportarán más suavemente y podrían ser más pequeños. Cada país podrá usar la fuente de energía que más le convenga para generar el hidrógeno, pero el uso de baterías y pilas solares parece ser el más apropiado en vista de enormes progresos en la producción de éstas. En la actualidad este gas es muy usado en la industria química para fabricar amoníaco combinando hidrógeno con nitrógeno. Se usa también como materia prima para fabricar sustancias orgánicas para el sector de alimentación; asimismo como agente reductor en metalurgia y en petroquímica como aislante térmico en generadores y como combustible en el llamado soplete oxhídrico. El uso del hidrógeno como combustible requerirá una profusa difusión de los riesgos entre los usuarios y una educación estricta sobre los mismos entre la población. PROPÓSITOS GENERALES Que el estudiante obtenga el conocimiento teórico básico sobre la aplicación del hidrógeno como vector energético, las diferentes fuentes y procesos para la producción de hidrógeno, así como los aspectos básicos relacionados con el almacenamiento, transporte y distribución del hidrógeno. Además que conozca los fundamentos termodinámicos, transferencia de materia y cinética del funcionamiento de las celdas de combustible, y finamente los tipos de celdas comerciales, a través de la descripción práctica y el desarrollo de las habilidades necesarias para comprender la utilización del hidrógeno y de las celdas de combustibles en los diversos campos industriales, domésticos y de transporte. UNIDAD 1. INTRODUCCIÓN PLANEACIÓN ESPECÍFICA Propósitos específicos Que el estudiante conozca las principios y la historia de la aplicación del Hidrógeno como vector energético, así como el desarrollo de las celdas de combustibles, mediante la descripción teórica e histórica de los principios del desarrollo del uso del Hidrógeno y de las celdas de combustible, para que conozca la mecánica de la aplicación del Hidrógeno como vector energético y de las celdas de combustibles en los diferentes sectores industriales o en el consumidor final. Ingeniería en Sistemas Energéticos, Programa de Hidrógeno y celdas de combustibles 3
Temas y subtemas 1.1 La importancia del hidrógeno y de las celdas de combustibles. 1.2 Historia del hidrógeno y de las celdas de combustibles. UNIDAD 2. HIDRÓGENO Propósitos específicos. Que el estudiante conozca en que consisten las diferentes técnicas de producción de Hidrógeno, así como los usos asociados a este elemento y la forma en que se debe almacenar para poder usarlo como vector energético, mediante el análisis teórico de los procesos productivos, usos y tipos de almacenaje asociado al sector de aplicación, lo cual le servirá para saber como hay que realizar la aplicación y la seguridad que debe tener por el uso en determinada aplicación. Temas y subtemas 2.1. Química del hidrógeno. 2.2. Producción de hidrógeno. 2.2.1. Reformado con vapor. 2.2.2. Reformado por oxidación parcial, autotérmico y seco. 2.2.3. Gasificación y conversión de biomasa arbolada. 2.2.4. Producción biológica de hidrógeno (Algae). 2.2.4.1. Fotosíntesis. 2.2.4.2. Producción bacterial. 2.2.4.3. Fermentación. 2.2.4.4. Otros procesos. 2.2.5. Fotosíntesis artificial. 2.2.6. Electrólisis. 2.2.6.1. Electrólisis de agua. 2.2.6.2. Electrólisis de alta temperatura. 2.2.7. Hidrólisis. 2.2.8. Células electroquímicas. 2.2.9. Ciclo del azufre-yodo. 2.2.10. Separación del agua por procesos térmicos directos o catalíticos. 2.3. Escala de Producción. 2.3.1. Producción centralizada. 2.3.2. Producción para distribución. 2.3.3. Reformado de combustible en el vehículo. 2.4. Usos de conversión de hidrógeno. 2.4.1. Procesos Energéticos. 2.4.2. Combustión. 2.4.3. Celda de combustible. 2.4.4. Usos Industriales. 2.5. Almacenaje del Hidrógeno. 2.5.1. Gas comprimido. 2.5.2. Hidrógeno líquido. Ingeniería en Sistemas Energéticos, Programa de Hidrógeno y celdas de combustibles 4
2.5.3. Almacenaje como hidruro. 2.5.4. En carbón como gas crío-absorbido. UNIDAD 3. CELDAS DE COMBUSTIBLES Propósitos específicos Que el estudiante analice los aspectos tecnológicos de los diferentes tipos de Celdas de Combustibles, sus principios, la termodinámica asociada y los posibles usos en los diversos sectores, mediante el análisis teórico de sus principios, termodinámica, reacciones, cinética, construcción y la aplicación para lo que fue desarrollada, para que sea capaz de evaluar las ventajas de las celdas de combustible en la generación de energía. Temas y subtemas 3.1 Principios de la celda de combustible. 3.1.1 Definición de celda de combustible. 3.1.2 Celda de combustible simple. 3.1.3 Ventajas y desventajas de las celdas de combustible. 3.1.4 Operación básica de las celdas de combustibles. 3.2 Termodinámica de la celda de combustible. 3.2.1 Potencia de calor de un combustible. 3.2.2 Potencia de trabajo de un combustible. 3.2.3 Voltaje reversible de una celda de combustible. 3.2.4 Eficiencia de una celda de combustible. 3.3 Cinética de reacción de la celda de combustibles. 3.3.1 Cinética Electroquímica y en el electrodo. 3.3.2 Reacciones de transferencia de carga. 3.3.3 Energía de Activación. 3.3.4 Potencial de una reacción. 3.3.5 Intercambio de corriente y electro-catálisis. 3.3.6 Catálisis en celdas de combustible. 3.4 Transporte de cargas en celdas de combustibles. 3.4.1 Movimiento de las cargas. 3.4.2 Transporte de cargas a bajos Voltajes. 3.4.3 Resistencia al Transporte de cargas en celdas de combustibles. 3.4.4 Conductividad. 3.5 Transporte de masa en celdas de combustible. 3.6 Caracterización de celdas de combustible. 3.6.1 Caracterización electroquímica. 3.6.2 Porosidad y área superficial. 3.6.3 Permeabilidad a los gases. 3.6.4 Determinación estructural y química. 3.7 Tipos de Celda de combustible. 3.7.1 Celda de ácido fosfórico. 3.7.2 Celda de membrana polimérica electrolítica. 3.7.3 Celda de combustible alcalina. Ingeniería en Sistemas Energéticos, Programa de Hidrógeno y celdas de combustibles 5
3.7.4 Celda de carbonatos fundidos. 3.7.5 Celda de óxidos sólidos. 3.8 Usos y sistemas de las celdas de combustibles. 3.8.1 Transporte. 3.8.2 Generación de electricidad. 3.8.3 Generación térmica. 3.9 Impacto Ambiental de las celdas de combustibles. METODOLOGÍA PARA EL CURSO Este programa ésta planeado para dictarse como un curso teórico. El aprendizaje de los temas se debe llevar a cabo en dos niveles aquel que se imparten con docente y un nivel que debe ser de aprendizaje autónomo. En los períodos de estudio con docente el estudiante asistirá a clases. Las clases serán mediante la interacción estudiante-profesor y estudiante-estudiante en las que todos deberán participar activamente y el profesor tendrá la función de supervisor y facilitador. Esta función será favorecida por el uso de material que suministre el entendimiento y la comprensión de los temas, se podrán usar principalmente representaciones y modelos en computadora con paquetería didáctica, además de otro tipo de ayudas didácticas. Puesto que la asignatura Hidrógeno y Celdas de Combustibles es parte de las aplicaciones industriales. La explicación de los fenómenos que se presentan a través de exposiciones ayudará al estudiante a comprender mejor los procesos con los cuales se enfrentara en su vida profesional, así también como a reforzar los conocimientos teóricos adquiridos en clases. EVALUACIÓN DIAGNÓSTICA Modalidad: Escrita. EVALUACIONES Criterios: Conceptos básicos de química, balance de energía y materia, termodinámica, ecuaciones de estado y cinética química. EVALUACIÓN FORMATIVA Modalidad: Las evaluaciones podrán ser de forma escrita, oral, o ambas y se aplicara como mínimo dos evaluaciones durante el curso, debido a que así lo requiere el programa. Las evaluaciones se realizaran en el momento en que el profesor considere adecuado considerando para esto el avance del programa y de las necesidades de integración de los contenidos del programa así como el avance del grupo con respecto a este. Criterios: Grado y comprensión de conocimientos, aplicación de conocimientos, análisis e integración de los diversos contenidos a través de la resolución de problemas. Ingeniería en Sistemas Energéticos, Programa de Hidrógeno y celdas de combustibles 6
EVALUACIÓN PARA LA CERTIFICACIÓN Modalidad: Esta evaluación podrá ser escrita, oral, o ambas. Criterios: Conceptos básicos de Química del Hidrógeno, procesos de obtención, tipos de aplicaciones y de almacenaje, principios de las Celdas de Combustibles, tecnología y en que se usan. Indicadores. Que el estudiante conozca los diferentes conceptos sobre química del Hidrógeno, los procesos de producción del hidrógeno, cuales son los tipos de aplicaciones y las formas en que se almacena, principios de las Celdas de Combustibles, tipos de Celdas de Combustibles, termodinámica y cinética asociada a las Celdas de Combustibles, aplicaciones según el sector para el que se desarrollaron. BIBLIOGRAFÍA BÁSICA Blomen, L. J. M. J. and Mugerwa, M. N., Fuel Cell Systems, Springer, 2006. Hoffmann, P. and Harkin, T., Tomorrow's Energy: Hydrogen, Fuel Cells, and the Prospects for a Cleaner Planet, The MIT Press, 2002. Sorensen, B., Hydrogen and Fuel Cells: Emerging Technologies and Applications (Sustainable World), Academic Press, 2005. Barclay, F.J., Fuel Cells, Engines and Hydrogen: An Exergy Approach, John Wiley & Sons, 2006. Larminie, J. and Dicks, A., Fuel Cell Systems Explained, 2 nd ed., John Wiley & Sons, 2003. Busby, R. L., Hydrogen and Fuel Cells: A Comprehensive Guide, PennWell, 2005. Srinivasan, S., Fuel Cells: From Fundamentals to Applications, Springer, 2006. O'Hayre, R., et. al., Fuel Cell Fundamentals, Wiley, 2005. OECD, Hydrogen & Fuel Cells, International Energy Agency, 2004. Daniel Sperling and James Cannon, The Hydrogen Energy Transition: Moving Toward the Post Petroleum Age in Transportation, Academic Press, 2004. RECURSOS DIDÁCTICOS Equipo audiovisual, equipo de cómputo, paquetería didáctica para la enseñanza de la química y de Física. Ingeniería en Sistemas Energéticos, Programa de Hidrógeno y celdas de combustibles 7