ANEXO III: EL HIDRÓGENO. Una de las respuestas a esta crisis que se avecina es el uso de hidrógeno como fuente de energía y su transformación en electricidad por medio de las llamadas pilas de combustible. Así, el término economía del hidrógeno responde a una visión de futuro donde este gas, generado de forma limpia y económica, serviría para alimentar el grueso de las necesidades energéticas de la sociedad. Esta propuesta reduciría la dependencia actual sobre los combustibles fósiles, ya que el hidrógeno podría ser generado a partir de otras fuentes primarias como las renovables o la nuclear. Igualmente se disminuiría la contaminación atmosférica y la emisión de gases de efecto invernadero, puesto que el único residuo generado por una pila de combustible es agua. Introducción. El hidrógeno fue descubierto por el científico británico Henry Cavendish, en 1.776, quién informo de un experimento en el que había obtenido agua a partir de la combinación de oxígeno e hidrógeno, con la ayuda de una chispa eléctrica. Como estos elementos, no eran conocidos los denominó aire sustentador de la vida y aire inflamable respectivamente. El químico francés Antoine Lauren Lavoisier consiguió repetir con éxito el experimento en 1.785 y dio el nombre de oxígeno al aire sustentador de la vida y el de hidrógeno al aire inflamable. Aunque se están realizado importantes avances tecnológicos, la implantación de la economía del hidrógeno no es inmediata y requiere aún dar respuesta a importantes retos tecnológicos, económicos y sociales que se describen a continuación. Desde el punto de vista de la producción del hidrógeno, hay que considerar que los métodos actuales resultan costosos y se basan principalmente en la gasificación de combustibles fósiles a altas presiones y temperaturas. Los procesos basados en energías renovables o energía nuclear no se encuentran suficientemente desarrollados y a nivel industrial su coste es aún mayor. Por otro lado, para dar respuesta a una demanda global de este tipo de energía, se necesitaría el desarrollo de un sistema de distribución de hidrógeno similar al que existe hoy en día para la gasolina. El almacenamiento supone otro reto aún por resolver ya que, debido a su baja densidad energética, se necesitan enormes volúmenes de hidrógeno para alimentar procesos con alta demanda energética. En la actualidad se investiga en el desarrollo de tanques de alta presión, adsorbentes porosos e hidruros ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS 153 de 197
metálicos que permitan almacenar cantidades suficientes de este compuesto en espacios reducidos. El precio actual de las pilas de combustible y su fiabilidad supone otra barrera a la aplicación masiva de esta tecnología. El uso de electrodos con catalizadores de metales nobles como el paladio y el platino, con un elevado precio de mercado, y los problemas de envenenamiento, sobre todo en procesos que utilizan hidrógeno de menor pureza, también son objeto de investigación. Otro de los aspectos a superar es el de la seguridad ya que el hidrógeno es un compuesto altamente inflamable y potencialmente explosivo en contacto con el oxígeno de la atmósfera. Por ello se deben adoptar normativas de seguridad específicas que son diferentes a las que hoy se aplican con éxito para otros compuestos como la gasolina, el butano o el gas natural. Características del hidrógeno. El hidrógeno es el elemento más ligero, más básico y más ubicuo del universo. Cuando se utiliza como fuente de energía, se convierte en el combustible eterno. Nunca se termina y, como no contiene un solo átomo de carbono, no emite dióxido de carbono. El hidrógeno se encuentra repartido por todo el planeta: en el agua, en los combustibles fósiles y en los seres vivos. Sin embargo, raramente aparece en estado libre en la naturaleza, sino que tiene que ser extraído de fuentes naturales. El hidrógeno no es fuente primaria de energía, no es un combustible que podamos extraer directamente de la tierra como el gas natural. La fuente más común de hidrógeno es el agua. Se obtiene por la descomposición química del agua en oxígeno e hidrógeno partir de la acción de una corriente eléctrica (electrólisis) generada por fuentes de energía renovable (solar fotovoltaica, eólica, etc.). Este proceso divide el agua, produciendo oxígeno puro e hidrógeno. El hidrógeno obtenido puede ser comprimido y almacenado en celdas por varios meses hasta que se lo necesite. El hidrógeno representa energía almacenada, se puede quemar combustible para producir calor, impulsar un motor, o producir electricidad en una turbina. Las principales características del hidrógeno son las que en la siguiente tabla detallamos: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS 154 de 197
CARACTERÍSTICAS DEL HIDRÓGENO Densidad Gas: 0,0899 kg/nm 3 Poder calorífico Líquido: 0,0708 kg/l Inferior: 120,00 MJ/kg Superior: 141,86 MJ/kg Límites de explosión Concentración H 2 en aire 4 % 75% Límites de detonación Concentración H 2 en aire 18,3 % 59,0 % Capacidad calorífica específica C p = 14,199 J/(kg*K) C v = 10,074 J/(kg*K) Coeficiente de difusión 0,61 cm 2 /s Figura 121: Principales propiedades físicas del Hidrógeno. Fuente: La Economía del Hidrógeno. El factor de compresibilidad dependerá de la presión expresada en bar., como se observa en la siguiente tabla: Presión 1 50 100 150 200 250 300 350 F. Compre. 1,000 1,032 1,065 1,089 1,132 1,166 1,201 1,236 Presión 400 500 600 700 800 900 1000 F. Compre. 1,272 1,344 1,416 1,489 1,560 1,632 1,702 Figura 122: Tablas de Presión y Factor de Compresión del Hidrógeno. Fuente: La Economía del Hidrógeno. Un ejemplo del factor de compresibilidad: 1 botella (las convencionales) de 50 litros a 200 bar de hidrógeno contiene a 0ºC: (0,050 m 3 * 200 bar.)/ 1,132 = 8,834 Nm 3 Las equivalencias entre el caudal de hidrógeno y potencia eléctrica son las que a continuación se muestran en la siguiente tabla: Kg./h de H 2 Nm 3 /h de H 2 gas l/h de H 2 líquido Potencia (kw) 1,0 11,12 14,12 33,33 0,0899 1,0 1,270 3,00 0,0708 0,788 1,0 2,359 0,0300 0,333 0,424 1,0 Figura 123: Equivalencias del Hidrógeno en distintas unidades. Fuente: La Economía del Hidrógeno. ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS 155 de 197
Donde tenemos que el hidrogeno es líquido a presión atmosférica por debajo de los 20,39 K; y la equivalencia en potencia esta basada en el poder calorífico inferior. Masa H 2 (Kg.) H 2 gas (Nm 3 ) H 2 líquido (l) Energía (MJ) Energía (Kw.*h) 1,0 11,12 14,12 120 33,33 0,0899 1,0 1,270 10,8 3,0 0,0708 0,788 1,0 8,495 2,359 0,00833 0,0926 0,1177 1,0 0,278 0,0300 0,333 0,424 3,6 1,0 Figura 124: Equivalencias del Hidrógeno en distintas unidades (II). Fuente: La Economía del Hidrógeno. Ejemplos de cálculo utilizando estas tablas son los siguientes: Un electrolizador con un rendimiento del 85% que produzca 10 Nm 3 /h, tiene un consumo eléctrico de 35,29 Kw. (10*3,0/0,85), y consume 8,091 Kg. de agua por hora (10*0,0899*(18/2)). Una pila de combustible de 10 Kw. que tenga un rendimiento global del 45%, consume 7,40 Nm 3 /h de H 2 (10*0,333/0,45), o 0,667 Kg/h de H 2 (10*0,03/0,45), y produce 6,0 Kg. H 2 O/h (0,667*(18/2)) A continuación podemos ver una comparativa del valor energético basado en el poder calorífico inferior: 1 Kg. de H 2 2,78 Kg. de gasolina 2,80 Kg. de gasóleo 2,40 Kg. de metano entre 2,54 y 3,14 Kg. de gas natural (dependiendo de la composición del GN) 2,59 Kg. de propano 2,62 Kg. de butano 6,09 Kg. de metanol. 1 l de H 2 0,268 l de gasolina 0,236 l de gasóleo 0,431 l de metanol. 1 l de H 2 (a 350 bar) 0,0965 l de gasolina 0,085 l de gasóleo 0,24 l de metano (a 350 bar) entre 0,3 y 0,35 l de gás natural (a 350 bar) 0,117 l de propano (a 350 bar) 0,127 l de butano (a 350 bar) 0,191 l de metanol. Las principales ventajas de utilizar el hidrógeno como energía son: No produce: contaminación ni consume recursos naturales, el hidrógeno se toma del agua y luego se oxida y se devuelve al agua. No ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS 156 de 197
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. Funcionamiento silencioso: en funcionamiento normal, la celda de combustible es casi absolutamente silenciosa. 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 grande 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. ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS 157 de 197