UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA DEPARTAMENTO DE ENERGÍA Y FISICA INFORME FINAL DE INVESTIGACIÓN 2011 Aplicaciones y Usos del Hidrogeno, Como Una fuente de Combustible para la Generación Eléctrica RESPONSABLE : Ø M.Sc. Calderón Torres Hugo CORRESPONSABLES : Ø Ø Ø M.Sc. Castro Zavaleta Victor Mg. Mariños Castillo Antenor Ing. Velásquez Díaz Neil Nuevo Chimbote - 2012
INTRODUCCION La producción del hidrógeno es muy diversa porque puede producirse a partir de una amplia variedad de fuentes de energía tanto tradicionales como renovables. Mayoritariamente en su obtención a escala mundial se ha extraído a partir de combustibles fósiles como el carbón, el gas natural y el petróleo. El hidrógeno es la energía química renovable que podemos almacenar y transformar a energía eléctrica dónde y cuándo sea necesario. Con la expectativa de que el hidrógeno y las pilas de combustible puedan jugar un papel importante en la economía de la energía global, muchos gobiernos han asignado fondos para investigación, desarrollo y demostración del hidrógeno. Puede ser considerado como una forma de almacenar las energías y ser generado en cualquier parte del planeta con los recursos disponibles y utilizado como un combustible en el hogar o en el transporte. El presente informe es un estudio que nos permitirá tomar en consideración las condiciones actuales del alcance logrado en el desarrollo de las tecnologías para la generación eléctrica con Hidrogeno.
I. DATOS GENERALES 1.1 Facultad a la que Pertenecen los Investigadores : Facultad de Ingeniería 1.2 Área y Línea de Desarrollo de la Investigación : Área : Desarrollo Energético: Renovable y no Renovable. Línea : Potencial Energético 1.3 Tipo de Investigación : Según su Naturaleza o Profundidad : Descriptiva 1.4 Lugar y Centro de Ejecución del Proyecto : Localidad : Nuevo Chimbote, Campus Universitario Institución : Universidad Nacional del Santa
II. PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO 2.1 PROBLEMA : Cuáles son las dificultades tecnológicas y económicas en el uso del Hidrogeno como combustible para la generación eléctrica?
2.2 OBJETIVOS : II. PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO 2.2.1 OBJETIVOS GENERALES: 1. Determinar el estado de avance y desarrollo de la tecnología del uso del Hidrogeno como combustible para generación eléctrica. 2.2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS: 1. Determinar cuáles son las barreras específicas que están limitando el uso del hidrogeno como combustible. 2. Determinar la mejor opción tecnológica actual del uso del hidrogeno como combustible 3. Realizar una comparación entre las distintas celdas de combustible de hidrogeno para la generación eléctrica. 4. Identificar las áreas tecnológicas que se deben desarrollar. 5. Establecer una línea y dirección de investigación, para resolver un problema específico.
2.3 Importancia y Justificación La presente investigación es de gran importancia y tiene su justificación en lo siguiente: 1. Se obtendrá información sobre el estado de las aplicaciones y usos del Hidrogeno, para generación eléctrica. 2. Determinar la mejor opción tecnológica actual del uso del hidrogeno como combustible. 3. La formas de uso y sus aplicaciones podrían ser una alternativa energética y llegar a ser parte de la matriz energética nacional. 4. Establecer una línea y dirección de Investigación, para resolver el problemas de relacionados con la demanda de energía. 5. Contribuir a resolver problemas relacionados con la demanda de energía y una posibilidad de seguridad energética nacional.
III. Antecedentes La primera celda de combustible fue construida en 1839 por Sir William Grove, un juez y científico galés que demostró que la combinación de hidrógeno y oxígeno generaba electricidad además de agua y calor. El verdadero interés en celdas de combustible como un generador práctico vino hacia comienzos de los años sesenta de nuestro siglo, cuando el programa espacial de los Estados Unidos seleccionó las celdas de combustible para proporcionar electricidad y agua a las naves espaciales Gemini y Apollo. Hoy en día, la aplicación espacial ya no es la única de tipo práctico, puesto que las celdas de combustible están atravesando por un gran momento, al haber alcanzado una etapa tecnológica que les permite estar en posición de competir cada día más con las tecnologías convencionales de generación eléctrica, ofreciendo enormes ventajas sobre ellas (Hirschenhofer, J.H. et al., 1998).
IV. DE LOS RESULTADOS 10
4.1 Aplicaciones del Hidrogeno: 1. Por ejemplo si se convierte gas natural se obtiene un 80% de rendimiento. El hidrógeno tiene aplicaciones principalmente industriales, para la producción de amoniaco, hidrogenación de aceites orgánicos comestibles y mantecas, síntesis de sorbitol, alcoholes, fibras sintéticas, etc. 2. En la Industria llantera y electrónica, en la elaboración de cosméticos y en el Hidrotratamiento de crudos pesados. 3. Su utilización es importante en la fabricación de vidrio y acero, como gas en la elevación de globos Meteorológicos, así como para la elaboración de herramientas de corte a alta velocidad y en el transporte terrestre, aéreo y marítimo. 4. El Hidrógeno es utilizado, por sus propiedades reductoras, en combustión, crackeo de hidrocarburos, como componente de atmósferas reductoras en la industria metalúrgica, industria química y en la industria alimenticia.
5. El hidrógeno de alta pureza se emplea como combustible en detectores de ionización de llama para cromatografía de gases. 6. El hidrógeno es un compuesto de gran interés para la industria química, participando en reacciones de adición en procesos de hidrogenación o como agente reductor en procesos de reducción. Algunos Procesos son: Síntesis de amoniaco, procesos de refinería, tratamiento de carbón, aprovechamiento del gas de síntesis, procesos de síntesis de metanol, procesos de hidroformilación de olefinas, síntesis orgánica e inorgánica. 7. En la industria siderúrgica, el mineral de hierro puede ser reducido empleando coque o un gas que contenga hidrógeno, monóxido de carbono, o mezclas de éstos. Se emplea como agente reductor y en procesos de producción de otros metales no-férricos (como por ejemplo cobre, níquel, cobalto, molibdeno, uranio, etc.) 8. El hidrógeno se utiliza también para transformar diferentes óxidos metálicos en metales (como los de plata, cobre, plomo, bismuto, mercurio, molibdeno y wolframio)
4.2 Otras Aplicaciones: Combustible aeroespacial: Además de servir como suministro de energía para los ordenadores y sistemas de soporte en el espacio, obteniendo agua como subproducto. Lamas de alta temperatura: La combustión de una mezcla estequiométrica de hidrógeno y oxígeno conduce a temperaturas de llama comprendidas entre 3000 y 3500 K, las cuales pueden ser usadas para corte y soldadura en la industria del metal, crecimiento de cristales sintéticos, producción de cuarzo, etc. Plasma de hidrógeno: El elevado contenido calorífico de un plasma de hidrógeno puede ser utilizado en algunos procesos de producción. Producción de semiconductores: Para producir semiconductores dopados se depositan en una matriz de silicio cantidades traza de elementos (Si, As, Ge, etc.), en forma de hidruros, mezclados con una corriente de hidrógeno de elevada pureza.
4.2 Otras Aplicaciones: Tratamiento de agua: Los contenidos demasiado elevados de nitratos en aguas potables pueden ser reducidos por desnitrificación en reactores, en los que las bacterias emplean el hidrógeno como fuente de energía. El hidrógeno se emplea también para aumentar la temperatura de transición de aleaciones superconductoras, así como gas portador y combustible en cromatografía gaseosa. El hidrógeno líquido se usa como refrigerante, por ejemplo para enfriar metales superconductores a temperaturas inferiores a las de transición.
4.3 El Hidrogeno como Combustible: La principal característica del hidrógeno es su capacidad para acumular la energía primaria producida por otros métodos, para su posterior utilización en aplicaciones tan diversas como las mencionadas anteriormente. Su mayor ventaja es que no contamina el medio ambiente, porque como resultado de su combustión sólo emite vapor de agua. 4.3.1 Las propiedades y ventajas del hidrógeno, que permiten considerarlo como un combustible alternativo son : Más eficiente que los otros combustibles Es inagotable y seguro Es fácilmente almacenable y transportable No produce: contaminación ni consume recursos naturales, el hidrógeno se toma del agua y luego se oxida y se devuelve al agua. No hay productos secundarios ni tóxicos de ningún tipo que puedan producirse en este proceso.
Seguridad: los sistemas de hidrógeno tienen una historia de seguridad muy impresionante. En muchos casos, el hidrógeno es más seguro que el combustible que está siendo reemplazado. Además de disiparse rápidamente en la atmósfera si se fuga, el hidrógeno, en contraste con los otros combustibles, no es tóxico en absoluto. Alta eficiencia: las celdas de combustible convierten la energía química directamente a electricidad con mayor eficiencia que ningún otro sistema de energía. Larga vida y poco mantenimiento: aunque las celdas de combustible todavía no han comprobado la extensión de su vida útil, probablemente tendrán una vida significativamente más larga que las máquinas que reemplacen. Modularidad: se puede elaborar las celdas de combustible en cualquier tamaño, tan pequeñas como para impulsar una carretilla de golf o tan como para generar energía para una comunidad entera. Esta modularidad permite aumentar la energía de los sistemas según los crecimientos de la demanda energética, reduciendo drásticamente los costos iniciales.
4.3.2 Desventajas del hidrógeno como combustible : El hecho de que el hidrógeno sea tan ligero, que a temperatura ambiente se encuentre en estado gaseoso y que no se encuentre disponible de forma natural en la tierra condiciona completamente su utilización como combustible y hace que aún no se haya consolidado como una alternativa viable al petróleo. Por qué? El gran problema es cómo obtenerlo y almacenarlo de forma eficiente. Como no es un combustible primario entonces se incurre en un gasto para su obtención. Requiere de sistemas de almacenamiento costoso y aun poco desarrollados. Elevado gasto de energía en la licuefacción del hidrógeno. Elevado precio del hidrógeno puro.
4.4 Generación Eléctrica con Hidrogeno: Dentro de la aplicación del hidrógeno a la producción de energía eléctrica, se consideran la utilización de : los ciclos de generación energética avanzados como los de Rankine y Graz Los motores de Combustión Interna y las pilas de combustible El hidrógeno puede quemarse directamente para la generación de electricidad en centrales mediante turbinas de gas y ciclos combinados o directamente como combustible de motores. Las principales ventajas de este compuesto se centran en las elevadas eficacias que pueden alcanzarse y que el único producto de su combustión es vapor de agua, estando exento de NO X, si se controla la temperatura para inhibir la reacción entre el nitrógeno y el oxígeno atmosféricos, y de CO 2, evitando la contribución al calentamiento global.
4.4 Generación Eléctrica con Hidrogeno: La combustión del hidrógeno con oxígeno puro conduce a la formación de vapor de agua puro: 2H 2 + O 2 --- 2H 2 El principal inconveniente de esta reacción es la alta temperatura desarrollada en la zona de la llama, superior a 3.000ºC, lo que acarrea problemas con los materiales de los equipos y por la generación de NOx, como se comentó previamente. Para solventarlos puede recurrirse a la inyección de agua adicional, lo que permite ajustar la temperatura del vapor al valor deseado, pudiendo obtenerse vapor saturado o sobrecalentado. Otra alternativa es recurrir al empleo de catalizadores basados en platino (combustión catalítica), consiguiendo que la reacción tenga lugar a menores temperaturas, desde ambiente hasta 500 ºC. Los gases de combustión producidos pueden llevarse directamente a una turbina de gas o a un ciclo combinado de turbina de vapor/turbina de gas para la generación de electricidad.
4.4 Generación Eléctrica con Hidrogeno: Las investigaciones actuales se están centrando tanto en motores de combustión externa (motores Stirling) o interna para vehículos de transporte terrestre, aéreo y marítimo. Según describe la American Stirling Company (ASC), en los motores Stirling, el hidrógeno se utiliza como el gas de trabajo que se mueve de la parte fría a la caliente del cilindro sellado. El hidrógeno es un excelente combustible, haciendo que los motores basados en este gas sean un 20 % más eficaces que los que emplean gasolina. Su alta temperatura de auto-ignición permite mayores relaciones de compresión en los pistones, proporcionando mayores eficacias térmicas. Tabla N 01 Octanaje de Combustible
4.4 Generación Eléctrica con Hidrogeno: Las Células de Combustible son dispositivos electroquímicos que convierten directamente energía química en eléctrica, con un alta eficiencia. Sin partes móviles internas, las Células de Combustible operan de forma similar a las pilas secas, excepto que para la producción continua de electricidad requieren el suministro continuo de combustible, normalmente hidrógeno. Funcionan bajo el principio de intercambio de carga electrolítica entre una placa de ánodo positiva y una placa de cátodo negativa. Cuando se utiliza hidrógeno como combustible básico se produce hidrólisis inversa, produciendo agua y calor como subproductos, sin producir contaminantes.
4.4 Generación Eléctrica con Hidrogeno: Las Células de Combustible pueden ser : 1. Acido fosfórico-pafcs.- La más desarrollado a nivel comercial y ya se encuentra en uso en clínicas y hospitales, hoteles, edificios de oficinas, escuelas, plantas eléctricas y una terminal aeroportuaria. Las Celdas de Combustible de ácido fosfórico usan líquidos de este ácido como medio electrolítico, generan electricidad a más del 40% de eficiencia y cerca del 85% si el vapor que ésta produce es empleado en cogeneración, comparado con el 30% de la más eficiente máquina de combustión interna. Las temperaturas de operación se encuentran en el rango de los 175-200 ºC. Sus rangos de capacidad varían entre 200 KW y 100 MW. L. 2. Polímero Sólido ó Membrana de Intercambio Protónico-PEMFCs.- Estas celdas operan a bajas temperaturas (entre 60-100 ºC), tienen una densidad de potencia alta, pueden variar su salida rápidamente para satisfacer cambios en la demanda de potencia y son adecuadas para aplicaciones donde se requiere una demanda inicial rápida, tal como en el caso de automóviles.
4.4 Generación Eléctrica con Hidrogeno: Las Células de Combustible pueden ser : 3. Carbonato Fundido- MCFCs.- La primera MCFC fue demostrada por Broers y Ketelaar en la década de los `50 (Selman 1993). Las Celdas de Combustible de Carbonato Fundido prometen altas eficiencias combustible-electricidad y la habilidad para consumir combustibles base carbón. Esta celda opera a temperaturas del orden de los 600-1000 ºC. La primera pila de carbonato fundido a gran escala ha sido ya probada y algunas unidades para demostración fueron terminadas en California en 1996. Las plantas de Carbono Fundido pueden alcanzar eficiencias eléctricas de 50%. 4. Óxido Sólido-SOFCs.- Estas Celdas, podrían ser usadas en aplicaciones de alta potencia incluyendo estaciones de generación de energía eléctrica a gran escala e industrial. Algunas organizaciones que desarrollan este tipo de celdas de combustible también prevén el uso de éstas en vehículos. Un sistema de Óxido Sólido normalmente utiliza un material duro cerámico en lugar de un electrolito líquido permitiendo que la temperatura de operación alcance los 1000ºC. Las eficiencias de generación de potencia pueden alcanzar un 60%.
4.4 Generación Eléctrica con Hidrogeno: Las Células de Combustible pueden ser : 5. Alcalina- AFCs.- Utilizadas desde hace mucho tiempo por la NASA en misiones espaciales, este tipo de celdas pueden alcanzar eficiencias de generación eléctrica de hasta 70%. Estas celdas utilizan hidróxido de potasio como electrolito. El cual es un elemento alcalino y operan en los mismos rangos que las celdas PEM (50-100ºC). 4. DMFCs.- Usa metanol como combustible en este tipo de celdas. El metanol líquido se oxida directamente en el ánodo. Esta celda no utiliza hidrógeno, trabaja a bajas temperaturas, es relativamente nueva en comparación a las otras celdas. Recientes adelantos en investigación y desarrollo en las celdas de combustible de metanol directo han sido sustanciales. Sin embargo, existen obstáculos críticos en relación a la producción de corriente alta, la cantidad necesaria del catalizador de platino es todavía muy costosa en comparación a las del tipo PEM.
4.3 Discusión: Los mayores avances en generación de energía eléctrica a partir de tecnologías convencionales están representados por aquellos surgidos del programa ATS (Advanced Turbine Systems), sistemas modernos de turbina (del Departamento de Energía de los Estados Unidos) para sistemas de generación de ciclo combinado. Dichos avances han alcanzado límites históricos al conseguir diseños de sistemas de turbinas a gas con eficiencias que prometen mejoras de 15% en sistemas industriales, mientras que centrales de potencia utilizando sistemas de ciclo combinado (sistemas con dos o más fuentes de electricidad a partir del mismo combustible) podrán alcanzar valores alrededor de 55% de eficiencia térmica neta. Estos sistemas modernos operarán costos 10% menores que los actuales sistemas y reducirán los niveles de NOx, CO2, CO, e hidrocarburos no quemados según proyecciones del mismo ATS. A pesar de esto, dichos avances están alcanzando los límites de temperatura de operación de los materiales actuales debido a que la eficiencia del sistema a turbina depende de la temperatura de entrada de los gases, limitada por el daño potencial de las hojas de la turbina misma.
4.3 Discusión: A diferencia de estos sistemas avanzados, la eficiencia en las celdas de combustible no está limitada por la temperatura. Desde la perspectiva de gases de efecto invernadero, las celdas de combustible representan un desarrollo potencialmente revolucionario, ya que en lugar de utilizar combustión para generar electricidad utilizan la reacción electroquímica entre el hidrógeno del combustible y el oxígeno del aire para producir electricidad, agua y calor. Es también cierto que cuando una celda de combustible utiliza hidrocarburos como fuente de hidrógeno (gas natural, metanol, etcétera) generalmente requerirá una etapa de reformación para extraer el hidrógeno, lapso durante el cual producirá CO 2. No obstante, gracias a su capacidad de obtener altas eficiencias de conversión combustible/ electricidad, las celdas de combustible producen la menor cantidad de CO 2 de cualquier tecnología actual que utilice combustibles fósiles para generar electricidad, por lo que las emisiones de este gas por kwh producido son mucho menores en las celdas de combustible, que los valores prometidos, por ejemplo, por los sistemas avanzados de turbina tanto en los sistemas actuales.
CONCLUSIONES 1. Las tecnologías de generación eléctrica, por la combustión de hidrogeno, aun tienen que seguir desarrollándose, por cuanto las limitaciones metalúrgicas de la turbina impiden alcanzar mayores temperaturas. 2. El empleo del hidrógeno directamente en las celdas de combustible aún presenta retos relacionados con la generación de este gas y con su almacenamiento. 3. Los costes económicos en los procesos de obtención y almacenamiento, aun son muy costos. Para alcanzar una economía competitiva del hidrógeno con la economía basada en combustibles fósiles, los costos de una celda de combustible deben ser reducidos un factor entre 10 y 15, y los costos en la producción de hidrógeno un factor 4. 4. La forma más rápida y tecnológicamente menos complicada es la producción de hidrogeno por electrolisis a temperatura ambiente por medio de la producción de electricidad con paneles fotovoltaicos, sin embargo no son del todo eficientes, por cuanto consumirían mas electricidad de la necesaria
CONCLUSIONES 5. Hasta ahora no se puede con certeza indicar cual es la mejor forma de obtención y almacenamiento del hidrogeno, ya que todas ellas tienen ventajas pero grandes dificultades unas con otras, a esto debemos agregar que se necesitan especialistas que se dediquen a resolver los problemas relacionados con las tecnologías de almacenamiento. 6. Las proyecciones para el año 2020 indican que el consumo de energía crecerá un 30%. Este crecimiento conlleva a las preguntas siguientes: cómo se podrá satisfacer la demanda mundial? y De dónde saldrán las enormes cantidades de energía primaria para producir hidrógeno en forma masiva?
RECOMENDACIONES 1. Desarrollar en la UNS, una línea de Investigación y desarrollo del hidrogeno para su obtención, producción, almacenamiento y uso como combustible, dado que se sigue perfilando como una buena alternativa energética. 2. Continuar con los trabajos de revisión e investigación de los avances realizados a nivel mundial relacionadas con esta tecnología, a fin de enriquecer la presente información.
GRACIAS