Clase 1: Propiedades y Características del Hidrógeno Profesor: Danilo Jara Quinteros Curso: Especialización en Hidrógeno Verde Martes: 14:30-16:30 del 16/04 al 25/06 Universidad Adolfo Ibáñez 16-04-2024 Introducción al módulo Estructura del programa- Especialización Hidrógeno Verde M1 M2 M3 Gestión de Diseño de Hidrógeno Verde Gestión de Proyectos Hidrógeno Verde y las Aplicaciones Operación y mantenimiento experimental Hidrógeno Verde 20 horas 15 horas 15 horas ✓ Programa con 50 horas ✓ Formato Blended, con 2 visitas a plantas en fechas a programar. Idealmente al finalizar el curso 3 Modulo 1: Gestion de Diseño de Hidrógeno Verde • Propiedades y características del hidrógeno • Métodos tradicionales para producir hidrógeno • Definición de hidrógeno verde y rol de Chile • Implementación de una planta de hidrógeno verde • Tipos, selección y dimensionamiento de electrolizadores • Almacenamiento y transmisión de hidrógeno • Usos del hidrógeno verde (combustible y materia prima) • Infraestructura de una planta de producción de hidrógeno verde Modulo 1: Programación Clase Fecha Tópico de la clase 1 16 de abril Propiedades y características del hidrógeno 2 23 de abril Métodos tradicionales para producir hidrógeno 3 7 de mayo Definición de hidrógeno verde y rol de Chile 4 14 de mayo Implementación de una planta de hidrógeno verde Evaluación Prueba 1 21 de mayo FERIADO 5 28 de mayo Tipos, selección y dimensionamiento de electrolizadores 6 4 de junio Tipos, selección y dimensionamiento de electrolizadores 7 11 de junio Almacenamiento y transmisión de hidrógeno 8 18 de junio Usos del hidrógeno verde (combustible y materia prima) 9 25 de junio Infraestructura de una planta de producción de hidrógeno verde Prueba 2 Prueba 3 CLASE 1: Propiedades y Características del Hidrógeno Modulo 1: ¿Dónde se utilizó por primera vez el H2? 4,5 billones de años atrás 91% H2 Modulo 1: Algunos hechos históricos importantes sobre el hidrógeno Sol Antoine Lavoisier Nombre de Hidrógeno Christian Schoenbein Descubrimiento de la celda o pila de combustible Rudolf Erren Convirtió motor de combustión interna para uso con H2 1838 1920 1788 4,5 Bill 1766 1800 Henry Cavendish Descubrimiento William Nicholson y Anthony Carlisle Descubrimiento del proceso de electrólisis del agua 1845 William Grove 1er prototipo de celda combustible, “batería a gas”. Padre de las celdas combustibles Modulo 1: Algunos hechos históricos importantes sobre el hidrógeno Daimler Benz 1er auto con celdas combustibles NECAR I 1994 Chile Plan de acción de H2V 2023 1990 Solar-Wasserstoff-Bayern 1° planta de H2V utilizando energía solar 2020 Chile Plan estratégico de H2V Modulo 1: Era del Hidrógeno Modulo 1: Propiedades generales del H2 Elemento más simple de todos Elemento más abundante en la naturaleza (75%) Pto fusión a 1 atm -259 °C H2 Pto ebullición a 1 atm -253 °C (-240°C a 13 bar) No es tóxico, pero puede causar asfixia Incoloro, insípido e inodoro Modulo 1: Densidad Cantidad de masa contenida por unidad de volumen Modulo 1: Densidad energética gravimétrica (DEG) ❑ Cantidad de energía que puede liberar un combustible por masa. ❑ Existen dos formas de representarlo: Reacción general de combustión Poder calorífico superior (Higher heating value, HHV): En el cálculo se asume que toda el agua del producto está en fase líquida (H2O(l)) Poder calorífico inferior (Lower heating value, LHV): En el cálculo se asume que toda el agua del producto está en fase gaseosa (H2O(g)) Modulo 1: Cálculo densidad energética gravimétrica 𝑎𝐴 + 𝑏𝐵 → 𝑐𝐶 + 𝑑𝐷 Estándar (°) = presión 1 bar o 1 atm 𝑜 𝑜 𝑜 𝑜 𝑜 Δ𝐻𝑚,𝑇 ≡ 𝑐Δ𝑓 𝐻𝑚,𝑇,(𝐶) + 𝑑Δ𝑓 𝐻𝑚,𝑇,(𝐷) − 𝑎Δ𝑓 𝐻𝑚,𝑇,(𝐴) − 𝑏Δ𝑓 𝐻𝑚,𝑇,(𝐵) H°T y H°f se denominan entalpía estándar de la reacción y de formación, respectivamente. Son valores determinados experimentalmente para un mol de compuesto a una T dada. Estos datos se reportan en tablas 𝑜 Δ𝐻𝑇𝑜 = 𝑣𝑖 Δ𝑓 𝐻𝑇,𝑖 𝑖 𝑜 − 𝑣𝑖 Δ𝑓 𝐻𝑇,𝑖 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 𝑖 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜𝑠 Modulo 1: Cálculo densidad energética gravimétrica ¿Quién posee mayor contenido energético la gasolina o el hidrógeno? C8H18 (l) + H2 (l) + 25 O2 (g) 2 1 O2 (g) 2 8 CO2 (g) + 9 H2O (g) H2O (g) Sustancia H°f (298K) C8H18 (l) - 249 kJ/mol H2 (g) 0 O2 (g) 0 CO2 (g) - 394 kJ/mol H2O (g) - 242 kJ/mol H2O (l) - 286 kJ/mol Modulo 1: Cálculo densidad energética gravimétrica Las entalpías de combustión se usan como base para comparar el valor calórico de los combustibles, ya que el combustible que produce mayor cantidad de calor a un dado costo es a menudo más económico Modulo 1: Densidad energética gravimétrica para distintos combustibles Modulo 1: Densidad energética volumétrica (DEV) Cantidad de energía que puede liberar un combustible por volumen. Es el producto de la densidad energética gravimétrica por la densidad del combustible. Modulo 1: Densidad energética volumétrica (DEV) Modulo 1: Densidad energética volumétrica Modulo 1: Comparación de DEG y DEV de varios combustibles Modulo 1: Volumen específico Inverso de la densidad, es la cantidad de volumen por unidad de masa. H2 como gas (20°C y 1 atm) H2 líquido (253°C y 1 atm) 11,9 m3/kg 0,014 m3/kg Volumen específico (m3/kg) Volumen específico del Hidrógeno 15 11,9 10 5 0,014 0 Hidrógeno Hidrógeno gaseoso líquido Modulo 1: Diagrama de fase del H2 International Journal of Hydrogen Energy, 46 (2021) 32762-32767 Modulo 1: Relación de expansión Relación entre el volumen en el cual un gas o líquido es almacenado en comparación al gas o líquido a presión y temperatura atmosférica Cuando el hidrógeno es almacenado a alta presión a 3600 psig (250 barg) su relación de expansión es de 1:240 Modulo 1: Coeficiente de difusión Difícil de almacenar, pero la ventaja es que su fuga es rápida (se diluye rápido en el aire) Modulo 1: Flotabilidad Flotabilidad alta, se eleva rápidamente. Si existe ignición llama es vertical y localizada Vapor de gasolina C3H8 CH4 H2 Modulo 1: Fugas • H2 es muy pequeño, difunde fácilmente a través de materiales considerados impermeables para otros gases. • Fugas de H2 son peligrosas por su riesgo de incendio, pero se diluye fácilmente, especialmente en lugares abiertos. • Gasolina y propano por otra parte se propaga lateralmente y se evapora lentamente, lo que da como resultado un riesgo de incendio prolongado y persistente. Modulo 1: Límite de inflamabilidad Lower flammability limit (LFL)(límite inferior de inflamabilidad): Mínima concentración de sustancia en aire que puede generar una mezcla inflamable al encenderla. Bajo este valor no hay suficiente combustible, la relación combustible/aire es demasiado pobre. Upper flammability limit (UFL) (límite superior de inflamabilidad): Mínima concentración de sustancia en aire que puede generar una mezcla inflamable al encenderla. Sobre esta no hay suficiente oxígeno, la relación combustible/aire es demasiado rica. Modulo 1: Temperatura de autoignición Temperatura mínima requerida para iniciar una combustión autosostenida en una mezcla de combustible en ausencia de una fuente de ignición. En otras palabras, el combustible se calienta hasta que estalla en llamas. Modulo 1: Energía de ignición Cantidad de energía externa que se debe aplicar para desencadenar la ignición de un combustible. Debe ser más alta que la temperatura de autoignición y tener una duración suficiente para calentar el vapor de combustible a su T de ignición El H2 es más fácil de encender Modulo 1: Características de la llama de H2 Las llamas de hidrógeno son de color azul muy pálido y son casi invisibles a la luz del día debido a la ausencia de hollín. La visibilidad se ve reforzada por la presencia de humedad o impurezas (como el azufre) en el aire. Las llamas de hidrógeno son fácilmente visibles en la oscuridad o con luz tenue. Modulo 1: Octanaje El octanaje describe las propiedades anti-knock (golpeteo) de un combustible usado en un motor de combustión interna. Knock es una detonación secundaria que ocurre después de la ignición del combustible debido a la acumulación de calor en alguna otra parte de la cámara de combustión. Modulo 1: Fragilización La fragilización por hidrógeno, también conocida como agrietamiento asistido por hidrógeno o agrietamiento inducido por hidrógeno, es una reducción en la ductilidad de un metal debido al hidrógeno absorbido. Modulo 1: Reactividad ❖ El H2 es un poderoso agente reductor H2 + CuO → Cu + H2O 3H2 + N2 → 2 NH3 H2 + PdCl2 → Pd + 2 HCl ❖ Reacciona con metales y no-metales para formar hidruros H2 + S → H2S H2 + Cl2 → 2HCl ❖ Reacciona violentamente con oxidantes 2H2 + O2 → 2 H2O H2 + Na → 2NaH uai.corporate@uai.cl +56 (2) 2331 1135 Av. Presidente Errázuriz 3485, Las Condes Santiago – Chile www.uai.cl/corporate
