Energía del Hidrógeno - Contenido

Energía del Hidrógeno - Contenido El Hidrógeno Métodos de producción Almacenamiento de Hidrógeno Celdas de Combustible Funcionamiento Tipos de celdas Hidrógeno Solar Conclusiones

La combustión de combustibles fósiles constituye el principal causante de la emisión de gases de efecto invernadero, responsables del efecto de calentamiento global que sufre nuestro planeta. Esta situación no resulta sostenible a medio plazo, y es necesario preparar una transición controlada hacia una nueva forma de producción y consumo energético que sea limpia, segura y fiable. Una de las alternativas es el uso de hidrógeno como fuente de energía, y su transformación en electricidad por medio de las llamadas pilas de combustible. El hidrógeno no es una fuente primaria de energía, ya que no se encuentra libre en la naturaleza y no es directamente aprovechable. Es un vector energético, es decir, un portador de energía. Hay que producir el hidrógeno a partir de energías primarias. Hoy en día aproximadamente el 95% del hidrógeno se obtiene a partir de combustibles fósiles. El hidrógeno tiene una densidad energética en masa 3 veces superior a la de la gasolina. Combustible Energía [kj/g] Carbón 29.3 - Madera 8.1 - Energía [kj/l] Gasolina 43.5 30590 Diesel 42.7 29890 Metanol 19.6 15630 Gas natural 50.02 31.7 Hidrógeno 119.9 10 Contenido energético de diversos carburantes

Ventajas frente a los combustibles fósiles : Alta densidad energética en base másica. Bajo peso de combustible en los tanques de almacenamiento. Alta disponibilidad. Se puede producir a partir de distintas materias primas. Elemento estable y no corrosivo. Combustible "limpio". La combustión del hidrógeno con oxígeno sólo produce agua. Desventajas frente a los combustibles fósiles : Baja densidad energética en base volumétrica. Se requieren tanques contenedores grandes y pesados. Transporte y almacenamiento costosos y de implementación compleja. Combustible secundario: se debe consumir energía para conseguirlo a partir de las distintas materias primas (agua, biomasa, combustibles fósiles), ya que no existe en estado elemental.

Producción Actual A partir partir de de hidrocarburos: hidrocarburos: Reformado Reformado con con vapor: vapor: el el hidrocarburo hidrocarburo es es tratado tratado con con vapor vapor de de agua agua a a temperaturas temperaturas entre entre 700 700 y y 1100 1100 ºC. ºC. El El proceso proceso se se realiza realiza en en dos dos fases: fases: 1ª 1ª fase: fase: CH CH 4 2 CO 3H 2 4 + H 2 O CO + 3H 2 2ª 2ª fase: fase: CO CO + H 2 CO 2 2 O CO 2 + H Oxidación Oxidación n parcial: parcial: reacción reacción de de combustión combustión entre entre 1300 1300 y y 1500 1500 ºC ºC CH1,4 CH1,4 + 0,3 0,3 H 2 0,4 O2 0,9 CO 0,1 CO 2 2. 2 O + 0,4 O2 0,9 CO + 0,1 CO 2 + H 2. Carbón 18% electrólisis 4% petróleo 30% A partir del del agua: Electrólisis: lisis: proceso mucho más caro que el el reformado con vapor. Produce hidrógeno de de gran pureza, que se se utiliza en en la la industria electrónica, farmacéutica o alimentaria. Gas natural 48% Hoy Hoy en en día día aproximadamente aproximadamente el el 96% 96% del del hidrógeno hidrógeno se se obtiene obtiene a a partir partir de de combustibles combustibles fósiles. fósiles.

Almacenamiento Almacenamiento en en forma gaseosa: El El hidrógeno se se almacena a alta alta presión (P (P > 20 20 Mpa). Requiere depósitos pesados y voluminosos. Plantea problemas de de seguridad. No No resulta competitivo debido a su su elevado coste. Almacenamiento en en forma líquida: l El El hidrógeno se se almacena en en estado líquido en en recipientes criogénicos. Requiere alcanzar temperaturas de de almacenamiento muy muy bajas (21,2 K). K). El El coste es es elevado. Indicado sólo sólo para para aplicaciones donde el el coste del del hidrógeno no no sea sea un un factor crítico y éste éste sea sea consumido en en cortos periodos de de tiempo (por (por ejemplo, en en aplicaciones aeroespaciales). Combinación n química (hidruros metálicos): Diversos metales de de transición y sus sus aleaciones pueden ser ser utilizados para para almacenar hidrógeno en en forma de de hidruros metálicos. El El principal inconveniente es es el el elevado peso peso del del sistema de de almacenamiento, como consecuencia de de los los bajos niveles de de retención de de hidrógeno que que se se consiguen (< (< 2% 2% a temperaturas inferiores a 423 423 K). K). Adsorción n en en sólidos s porosos (nanoestructuras( de de carbono): Se Se está estáestudiando la la utilización de de nanoestructuras de de carbono con con elevada superficie específica como medio de de almacenamiento. Sería Sería una una forma segura y sencilla de de almacenar el el hidrógeno sin sin usar usar altas altas presiones.

Métodos futuros de producción A partir de de biomasa: Gasificación: Combustión incompleta de de la la biomasa entre 700 y 1200ºC. Productos: H 2, CH 4, 2, CH 4, CO. Pirólisis: Combustión incompleta en en ausencia de de oxígeno, a unos 500 ºC ºC Productos: H 2, CO 2 2, CO, CO 2 e hidrocarburos ligeros. Fotoelectrólisis: lisis: Indirecta: Paneles fotovoltaicos + radiación solar. Directa: Celdas foto electroquímicas (material semiconductor) + radiación solar. Ciclos termoquímicos: micos: Consisten en en una combinación de de reacciones químicas a alta temperatura que producen la la disociación de de la la molécula de de agua. Se Se han alcanzado eficiencias del del 40%. Para realizar los los ciclos termoquímicos se se puede emplear energía nuclear o solar. Producción fotobiológica: Ciertas bacterias y algas verdes pueden producir hidrógeno, utilizando únicamente luz luz solar, agua y una enzima llamada hidrogenasa.

Métodos futuros de producción Electrólisis lisis Biomasa: --Gasificación. --Pirólisis. Ciclos Ciclos termoquímicos micos Fotoelectrólisis: lisis: --Directa. Directa. --Indirecta. Hidrógeno Combustibles fósiles: ffósiles: Hidrocarburos: --Reformado --Oxidación n parcial parcial Carbón: --Gasificación Producción fotobiológica Otros Otros??

Celdas de Combustible La celda de combustible es un dispositivo que produce electricidad y agua mediante un proceso inverso a la electrólisis. Electrólisis Electricidad + agua Hidrógeno + Oxígeno Pila de combustible Hidrógeno + Oxígeno Electricidad + agua Elementos básicosb de una celda de combustible: Estructura típica de una celda de combustible Dos electrodos (ánodo y cátodo). Electrolito: sustancia encargada de transportar los iones producidos en las reacciones redox. El electrolito a veces se utiliza acompañado de un catalizador. H 2 y O 2, utilizados como combustible y oxidante respectivamente.

Funcionamiento de Celdas de Combustible 1) En el ánodo tiene lugar la oxidación del combustible: las moléculas de hidrógeno se disocian en protones y electrones. H2 2H + + 2) El electrolito permite el paso de los protones, e impide el paso de los electrones. 3) Los electrones generan corriente eléctrica a su paso por un circuito externo. 4) En el cátodo se produce una reacción de reducción: electrones y protones se combinan con el oxígeno para formar agua. 2e Celda de combustible 1 + O2 + 2H + 2e 2 H 2 O Una celda individual genera un voltaje cercano a un voltio. Para las aplicaciones que requieren mayor voltaje y alta potencia se apilan en serie el número necesario de estas celdas, para formar una pila de combustible. Pila de combustible PEM

Características de las Celdas de Combustible Diferencias entre celdas de combustible y dispositivos de combusti tión n interna.: Los dispositivos de combustión n interna se basan en la conversión n de energía térmica en energía a mecánica. La eficiencia de este proceso está limitado por el Ciclo de Carnot. Las celdas de combustible convierten directamente la energía a química en energía eléctrica. Desde el punto de vista termodinámico mico este proceso es mucho más m eficiente. Diferencias entre celdas de combustible y baterías: as: Las baterías as son dispositivos de almacenamiento de energía. La producción n de energía a cesa cuando se consumen los reactivos químicos almacenados dentro de la batería. a. No pueden proporcionar un flujo continuo de energía a eléctrica. En las celdas de combustible,, tanto el combustible como el oxidante proceden de una fuente externa, y permiten generar corriente eléctrica de manera casi indefinida, en la medida en que pueda suministrarse combustible de forma continuada.

Rendimiento de las Celdas de Combustible El potencial eléctrico ideal generado por una celda de combustible viene dado por la ecuación de Nernst: E = E 0 + RT F C[ H ] [ ] ln 2 C O2 C[ H O] 2 2 1/ 2 E: Potencial eléctrico de la pila (volts.) E: Potencial eléctrico de la pila (volts.) E o : Potencial redox estándar( T=25º C, 1 Molar) E o : Potencial redox estándar( T=25º C, 1 Molar) R: Cte. de los gases (8.31 J/Kmol) R: Cte. de los gases (8.31 J/Kmol) T: Temperatura absoluta (K) T: Temperatura absoluta (K) F: Cte. de Faraday (96.6 kj/mol) F: Cte. de Faraday (96.6 kj/mol) C[ ]: Concentraciones molares de reactivos y productos C[ ]: Concentraciones molares de reactivos y productos La ecuación n de Nerst permite calcular el potencial ideal de una celda de combustible en función n de la temperatura y de las concentraciones de reactantes y productos.

Rendimiento de las Celdas de Combustible El potencial real de la celda es inferior al ideal, debido a las pérdidas por polarización: El potencial real de la celda es inferior al ideal, debido a las pérdidas por polarización: Polarización de activación: algunas reacciones electroquímicas son muy lentas, y re-quieren una Polarización n de cierta energía de activación: activación algunas reacciones electroquímicas son muy lentas, y re-quieren una (> 50-100 mv) para que se produzcan. cierta energía de activación (> 50-100 mv) para que se produzcan. Polarización óhmica: debido a resistencias eléctricas asociadas a los electrodos, el elec-trolito y Polarización los contactos. óhmica: debido a resistencias eléctricas asociadas a los electrodos, el elec-trolito y los contactos. Polarización de concentración: se producen gradientes de concentración (por difusión o Polarización n de convección) que concentración: disminuyen se producen gradientes de concentración (por difusión o la actividad del electrodo. convección) que disminuyen la actividad del electrodo. Para densidades de corriente bajas, dominan las pérdidas por polarización de activación. En un rango intermedio de densidades de corriente prevalece polarización óhmica, y la variación de V es lineal (región de Tafel). Curva de polarización típica de una celda de combustible Para densidades de corriente altas, aumentan las pérdidas por polarización de concentración.

Tipos de Celdas de Combustible

Celdas de Combustible PEM Las Las pilas PEM usan como electrolito un un polímero sólido. Utilizan un un catalizador de de platino. Ventajas: Rapidez Rapidez de de arranque. Operan Operan a a relativamente bajas bajas temperaturas (80ºC). (80ºC). Desventajas: Extremadamente sensible sensible a a la la contaminación por por CO. CO. Aplicaciones: Generación de de energía estacionaria. Transporte (coches, autobuses). Características: Temperatura: 80 80 ºC ºC Eficiencia (%): 32-45 Potencia: 5-250 kw kw

Celdas de Combustible PAFC Las Las pilas PAFC utilizan ácido fosfórico como electrolito. Requieren un un catalizador de de platino. Ventajas: Son Son menos menos sensibles a la la contaminación por por CO CO que que las las pilas pilas PEM. PEM. Desventajas: Gran Gran peso peso y tamaño. Son Son caras caras (3500-4000 por por kilovatio) Aplicaciones: Generación de de energía estacionaria. Transporte (vehículos pesados). Características: Temperatura: 205 205 ºC ºC Eficiencia (%): (%): 36-45 36-45 Potencia: 50 50 kw kw--11 11 MW MW

Celdas de Combustible AFC Las Las pilas alcalinas utilizan una una solución de de hidróxido de de potasio en en agua como electrolito. Como catalizador se se pueden emplear diversos metales no no preciosos. Ventajas: Alto Alto rendimiento y eficiencia. Desventajas: Son Son muy sensibles a la la contaminación por por CO CO 2. 2. Menor duración debido a su su susceptibilidad a ese ese tipo tipo de de contaminación. Aplicaciones: Aplicaciones: ambientes donde hay hay contaminación por por CO CO 2 del 2 (espacio, fondo del mar). Características: Temperatura: 65-220 ºC ºC Eficiencia (%): > 50 50 Potencia: 5-150 kw kw

Celdas de Combustible SOFC Las Las pilas de de óxido sólido emplean como electrolito un un componente de de cerámica duro y no no poroso.. No No necesitan catalizador. Ventajas: Menor coste (no (no necesitan catalizador). Alto Alto rendimiento en en sistemas de de cogeneración (electricidad + calor) Muy Muy resistentes a la la corrosión y a la la contaminación por por CO. CO. Desventajas: Arranque lento. Las Las altas temperaturas afectan a la la duración de de los los materiales de de la la pila. pila. Aplicaciones: Sistemas estacionarios. No No es es adecuada para transportes o sistemas portátiles. Características: Temperatura: 600-1000 ºC ºC Eficiencia (%): 43-55 Potencia: 100-250 kw kw

Celdas de Combustible MCFC Las Las pilas de de carbonato fundido utilizan un un electrolito compuesto de de una una mezcla de de sales de de carbonato fundidas dispersas en en una una matriz cerámica porosa. Como catalizador emplean metales no no nobles. Ventajas: Resistentes a la la contaminación por por CO CO y CO CO 2 2 No No necesitan reformador externo: debido a las las altas temperaturas los los combustibles se se convierten en en hidrógeno dentro de de la la propia pila, pila, mediante un un proceso de de conversión interna. Desventajas: Arranque lento. Corta duración: Las Las altas temperaturas y el el electro-lito corrosivo deterioran los los componentes de de la la pila. pila. Aplicaciones: Generación de de energía estacionaria. Características: Temperatura: 600-650 ºC ºC Eficiencia (%): 43-55 Potencia: 100 100 kw kw--2 MW MW

Para Reflexionar

Ciclo del Hidrógeno Solar Ciclo del H 2 1) La electricidad generada en los paneles fotovoltaicos se emplea para alimentar un electrolizador. 2) El oxígeno producido en la electrólisis lisis se libera en el aire, y el hidrógeno es almacenado en tanques. 3) Cuando la energía a solar no está disponible, el hidrógeno se recombina con el oxígeno del aire en una pila de combustible, la cual convierte directamente la energía a química en electricidad. El único producto secundario de este proceso es agua pura.

Conclusiones El hidrógeno es un recurso energético limpio, y constituye una alternativa prometedora al panorama energético actual La utilización de las pilas de combustible de hidrógeno ofrece varias ventajas sobre otros tipos de fuentes de energía, con una alta eficiencia y sin emisión de contaminantes. La pilas de combustible de hidrógeno tiene un amplio rango de aplicación: desde equipos portátiles hasta grandes centrales de producción de energía estacionaria. La producción hidrógeno a partir de energías renovables permitiría desarrollar un sistema de energía sostenible y reducir la dependencia actual respecto de los combustibles fósiles. Existen varios problemas técnicos por resolver: el almacenamiento del hidrógeno, la producción de hidrógeno a partir fuentes distintas de los combustibles fósiles. Se está realizando un gran esfuerzo para implantar esta tecnología en el sector de transportes y automoción.

Bibliografía Libros: J. Larminie,, A. Dicks. Fuel Cell Systems Explained, Second Edition (2003). SAE Bookstore. A.J. Appleby and F.R. Foulkes. Fuel Cell Handbook,, Van Norstand Reinhold, New York. Documentos y páginas p web: Asociación n Española de Pilas de Combustible- APPICE Tecnociencia: Especial Pilas de Combustible de Hidrógeno Red de Pilas de Combustible del CSIC