ESTUDIO ECONÓMICO DE LA PRODUCCIÓN Y UTLIZACIÓN DEL HIDRÓGENO Autor: León Meléndez, Ignacio de. Director: Montes Ponce de León, Julio. Entidad Colaboradora: ICAI Universidad Pontificia Comillas RESUMEN DEL PROYECTO En este proyecto se plantea un análisis de la producción y utilización del hidrógeno como vector energético para paliar la escasez de combustibles fósiles y reducir las emisiones de gases contaminantes. El hidrógeno es un combustible limpio, con una alta disponibilidad y densidad energética, sin embargo, no se encuentra libre en la naturaleza y necesita ser producido, por tanto, será un combustible tan limpio como la energía que se utilice para producirlo. La economía del hidrógeno se basa en la utilización de los sistemas de pilas de combustibles. Las pilas de combustible son sistemas electroquímicos en los que la energía de una reacción química se convierte directamente en electricidad, con una alta eficiencia. Las pilas de combustible tienen unas ventajas importantes frente a otros sistemas: alta eficiencia, no contaminan, funcionamiento silencioso, fiabilidad y sencillez de operación. Existen varios tipos de pilas de combustible que se diferencian por el material que usan como electrolito. El electrolito es la sustancia que hay entre el cátodo y el ánodo y que sirve de puente para el intercambio de iones que genera la corriente eléctrica.
Tipo Membrana polimérica (PEMFC) Alcalina (AFC) Ácido fosfórico (PAFC) Carbonatos fundidos (MFCF) Óxidos sólidos (SOFC) Electrolito Polímero sólido 60-100 Solución acuosa de hidróxido de Ácido fosfórico liquido Solución líquida de litio, sodio y Oxido de Zr sólido con adiciones de Itrio Temperatura de operación ºC 90-100 175-200 Usos Ventajas Desventajas Vehículos. Espacio. Militar. Electrolito sólido reduce corrosión y mantenimiento. Baja temperatura. Arranque rápido. Reacción catódica más rápida en electrolito alcalino. Mayor eficiencia. 85 % eficiencia en cogeneración de electricidad y calor. Acepta H2 impuro. temperatura: mayor eficiencia, catalizadores más baratos. temperatura. Ventajas electrolito sólido. Catalizadores costosos. Sensible a impurezas en H2 u otro combustible. Sensible a impurezas. Catalizador de Pt. Baja corriente y potencia. Gran peso y volumen. A la espera de que desarrollen los sistemas de motores de combustión interna y las turbinas de gas adecuadas para el uso del hidrógeno, la mejor alternativa para el uso del hidrógeno son las pilas de combustible. Actualmente las pilas más desarrolladas y que alcanzan unos precios más competitivos son las pilas PEM. Sin embargo las que despiertan mejores expectativas para el futuro son las MCFC y las AFC. El hidrógeno que consumen estas pilas debe ser producido, y para ello existen varios métodos. Los principales métodos de producción de hidrógeno son los siguientes: 1. Reforma del gas natural con vapor: tecnología ampliamente conocida y fiable, con una eficiencia entre el 70 y el 90%. 2. Oxidación parcial: se utiliza para descomponer materias primas menos elaboradas como hidrocarburos pesados, carbón o biomasa con una eficiencia del 75-86%, 45-50% y 65%, respectivamente. 3. Electrólisis: descomposición del agua usando electricidad. Existen varios tipos de electrolizadores: los alcalinos que se utilizan para producción a gran escala con una eficiencia del 80%, y los de membrana polimérica para media y pequeña escala, con una eficiencia del 90%. Tanto la reforma con vapor como la oxidación parcial tienen el problema de producir CO2, al igual que la electrólisis con electricidad de fuentes tradicionales. El problema de la electrólisis con energías renovables es que el rendimiento global es muy bajo (20-25%) y no compensa su utilización con la electrólisis. Estos problemas han
llevado al desarrollo de la descomposición solar termoquímica del agua. Hay dos formas de llevar a cabo esta descomposición: 1. Termólisis: descomposición del agua con calor en un único paso. Tiene problemas por las altas temperaturas y con la separación del hidrógeno y oxígeno producidos. 2. Ciclos termoquímicos: secuencia de reacciones que producen hidrógeno a partir del agua con una eficacia del 40-50%. Aunque todavía se encuentran en fase de desarrollo, estos métodos representan la esperanza de futuro para la producción de hidrógeno de manera limpia y sostenible. A la vista de los análisis la alternativa de producción de hidrógeno más económica resulta la reforma del gas natural con vapor. Los precios de producción de hidrógeno resultan ligeramente menores que aquellos alcanzados por la gasificación del carbón y la biomasa o la oxidación parcial de otros hidrocarburos. Si se compara con la electrólisis la reforma del metano resulta aun más económica, ya que el precio del hidrógeno de la electrólisis llega a doblar al de la reforma de metano. Para el almacenamiento de hidrógeno se dispone actualmente de tres tecnologías principales: 1. Gas comprimido: método más sencillo y extendido para pequeñas cantidades de gas. Se almacena a presiones entre 200 y 300 bar. 2. Hidrógeno líquido: gas enfriado a -253ºC, se utiliza para grandes cantidades pero tiene problemas de evaporación. 3. Hidruros metálicos: son los sistemas más seguros, pero resultan caros y pesados. Las tecnologías de almacenamiento más económicas son el almacenamiento en forma de gas comprimido para corto plazo y el almacenamiento del hidrógeno en forma de líquido para largos plazos de almacenamiento.
ECONOMIC ANALYSIS OF THE PRODUCTION AND USE OF HYDROGEN In this project it s proposed an analysis of the production and use of the hydrogen as energy vector to solve the lack of fossil fuels and to reduce the emissions of pollutant gases. Hydrogen is a clean fuel, with high availability and energetic density, however, it is not free in the atmosphere and it has to be produced, so, it will be such a clean fuel as the energy used to produce it. The hydrogen economy is based on the use of the fuel cell systems. Fuel cells are electrochemical system in which the energy of a chemical reaction is converted directly into electricity, with a high efficiency. The fuel cells have several advantages over other systems: high efficiency, they are not pollutant, silent operation, reliability and simplicity of operation. There are several kinds of fuel cells which differentiate by the material used in the electrolyte. The electrolyte is the substance between the cathode and de anode and which serves as a bridge to the ion exchange that generates the electric current. Kind Electrolyte (PEMFC) Polímero sólido 60-100 (AFC) (PAFC) (MFCF) (SOFC) Solución acuosa de hidróxido de Ácido fosfórico liquido Solución líquida de litio, sodio y Oxido de Zr sólido con adiciones de Itrio Operation temperatureºc 90-100 175-200 Uses Advantages Disadvantages Vehículos. Espacio. Militar. Electrolito sólido reduce corrosión y mantenimiento. Baja temperatura. Arranque rápido. Reacción catódica más rápida en electrolito alcalino. Mayor eficiencia. 85 % eficiencia en cogeneración de electricidad y calor. Acepta H2 impuro. temperatura: mayor eficiencia, catalizadores más baratos. temperatura. Ventajas electrolito sólido. Catalizadores costosos. Sensible a impurezas en H2 u otro combustible. Sensible a impurezas. Catalizador de Pt. Baja corriente y potencia. Gran peso y volumen. Until internal combustion engines and gas turbines for hydrogen are developed, the fuel cells are the best choice for the use of hydrogen. Actually, PEM fuel cells are the ones that more developed and reach better prices than the rest. However, MCFC and AFC fuel cells are expected to be more competitive in the future.
The hydrogen consumed by fuel cells has to be produced, and there are several methods to do it. The main hydrogen production methods are the next ones: 1. Methane steam reforming: widely known and reliable technology, with efficiency between 70 and 90%. 2. Partial oxidation: used to split heavy hydrocarbons, coal or biomass with efficiency of 75-86%, 45-50% y 65%, respectively. 3. Electrolysis: Electrical water splitting. There are several electrolysers: alkaline used for the great scale production with 80% efficiency and polymer electrolyte for small and medium scale with 90% efficiency. Both, the steam reforming and the partial oxidation have the problem of CO2 production, as the electrolysis from traditional energy sources. The problem of electrolysis with renewable sources is that the global efficiency is very low (20-25%) and it does not make sense to combine it with electrolysis. These problems have promoted the development of the solar thermochemical water splitting. There are two ways to do it: 1. Thermolysis: splitting water with heat in one step. It has problems with high temperatures and separating the hydrogen and oxygen produced. 2. Thermochemical cycles: secuence of reactions that produce hydrogen from water with efficiency of 40-50%. Although they are still under development, these methods represent the future hopes of a clean and sustainable hydrogen production. From the analysis taken the methane steam reforming results the most economic way of producing hydrogen. The hydrogen production prices are lightly lower than those of the biomass gasification or partial oxidation of hydrocarbons. Compared with electrolysis, steam reforming is more economic, since the price form the electrolysis doubles the steam reforming price. For the hydrogen storing there are three main technologies available:
1. Compressed gas: the easiest and more extended way for small quantities. It is stored at pressures between 200 and 300 bar. 2. Liquid hydrogen: cooled gas at -253ºC, it is used for big quantities but it has evaporation problems. 3. Metal hydrides: they are the most safety systems, but they are expensive and heavy. The most economic storing technologies are: the compressed gas storing for short term storage and the storing of hydrogen as a liquid for long term storage.