EL HIDR HIDRÓGENO ÓGENO Y EL TRANSPORTE SOSTENIBLE Prof. Prof. Dr. Dr. José José Mª Mª López López Martínez Martínez Subdirector Subdirector del del INSIA INSIA 1 ÍNDICE Â Â Â Â Â Â Â Â Â INTRODUCCIÓN INTRODUCCI ÓN PROPIEDADES BREVE RESUMEN HIST HISTÓRICO ÓRICO PRODUCCIÓN PRODUCCI ÓN UTILIZACIÓN UTILIZACI ÓN ALMACENAMIENTO ANÁLISIS AN ÁLISIS WELL TO WHEEL SEGURIDAD ECONOMÍA HIDRÓGENO ECONOM ÍA DEL HIDR ÓGENO 2 INTRODUCCIÓN ¾ PROTOCOLO DE KYOTO KYOTO:: Limita el crecimiento de las emisiones netas de di óxido de carbono dióxido xido nitroso (N2O), (CO2), metano (CH4), ó óxido hexafloruro de azufre (SF6), y carburos hidrofluorados(HFC) y perfluorados(PFC). ño Año ¾A base: 1990 para los gases no fluorados, y 1995 para los fluorados. ¾ Primer 2012. per íodo de compromiso: quinquenio 2008 período 2008-3 EVOLUCIÓN POBLACIÓN-PARQUE Fuente: GM EN 10 AÑOS SE PASARÁ DE 775 MILLONES DE VEHÍCULOS A 1.100 MILLONES CIRCULANDO POR NUESTRO PLANETA (∆ 2,4% DEMANDA ENERGÍA PRIMARIA HASTA EL 2020) 4 CONSUMO MUNDIAL DE ENERGÍA PRIMARIA A: ALTO CRECIMIENTO ECONÓMICO Y DISPONIBILIDAD TECNOLÓGICA Y DE RECURSOS FUENTE: WORLD ENERGY COUNCIL(WEA) & B: REFERENCIA INTERNATIONAL INSTITUTE FOR APPLIED SYSTEM C: ECOLÓGICAMENTE CONDUCIDO ANALYSIS (IIASA) 5 EMISIONES GLOBALES DE CARBONO PARA LOS DIFERENTES ESCENARIOS HASTA EL 2100 A1: USO EXTENDIDO DE PETRÓLEO Y GN A2: REGRESO AL CARBÓN A3: COMBUSTIBLES NO-FÓSILES B: EVOLUCIÓN MEDIA (REFERENCIA) C: ENERGÍA RENOVABLE Y NUEVOS Y PEQUEÑOS REACTORES NUCLEARES 6 DISPONIBILIDAD Y SEGURIDAD DEL SUMINISTRO I LAS RESERVAS MUNDIALES PROBADAS (2,20 BILLONES DE BARRILES) GARANTIZAN LA PRODUCCIÓN AL RITMO ACTUAL DURANTE 41 AÑOS No significa el agotamiento del crudo en ese periodo FUENTE: BP 2004 7 DISPONIBILIDAD Y SEGURIDAD DEL SUMINISTRO ENERGÉTICO II RESERVAS 2004 MUNDIALES Miles millones Barriles % 61 5,1 CENTRO Y SURAMÉRICA 101,2 8,5 EUROPA Y EUROASIA 139,2 11,7 ESTE MEDIO 733,9 61,8 AFRICA 112,2 9,4 ASIA Y PACÍFICO 41,1 3,5 2.198,4 100 NORTEAMÉRICA TOTAL Fuente: BP Statistical World Energy 2004 SI CHINA E INDIA QUIEREN CONSEGUIR EL NIVEL DE CONSUMO DE PETRÓLEO PER CÁPITA QUE TIENE COREA DEL SUR SE NECESITARÍA 45.000 MILLONES DE BARRILES ANUALES. LA DEMANDA MUNDIAL DE PETRÓLEO ES ACTUALMENTE DE 29.500 MILLONES DE BARRILES AL AÑO ES DECIR CASI UN 50% MÁS DE LA DEMANDA MUNDIAL DEL AÑO 2.000 CONSUMO 2004 MUNDIAL MILES BARRILES DIARIOS % NORTEAMÉRICA 24.619 29,8 CENTRO Y SURAMÉRICA 4.739 5,9 EUROPA Y EUROASIA 20.017 25,4 ESTE MEDIO 5.289 6,7 AFRICA 2.647 3,3 ASIA Y PACÍFICO 23.446 28,9 TOTAL 80.757 100 INSIA CENTRO SUPERIOR DE INVESTIGACIÓ INVESTIGACIÓN DEL AUTOMÓ AUTOMÓVIL DE LA COMUNIDAD DE MADRID 8 CUOTA DE LOS COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS LIBRO VERDE UE 2010 2020 CONVENCIONAL 6 92 8 GAS NATURAL 2 BIOCOMBUSTIBLE CONVENCIONAL 8 77 23 5 10 GAS NATURAL BIOCOMBUSTIBLE HIDRÓGENO INSIA CENTRO SUPERIOR DE INVESTIGACIÓ INVESTIGACIÓN DEL AUTOMÓ AUTOMÓVIL DE LA COMUNIDAD DE MADRID 9 PROPIEDADES DEL HIDRÓGENO COMBUSTIBLE ρ(kg/m3) HC (kJ/kg) Gasolina 720/785 43.000 Gasóleo 840 42.500 870/890 39.000 Metanol CH3OH 796 20.050 Etanol C2H5OH 794 26.950 Metano CH4 195 49.770 Propano C3H8 510 46.190 Hidrógeno H2 27 120.000 MTBE C5H12O 745 35.250 Éster Metílico INCOLORO, INODORO, INSÍPIDO Y NO TÓXICO ES EL ELMENTO MÁS LIGERO (14,5 VECES MÁS QUE EL AIRE) Y ABUNDANTE DEL UNIVERSO INSIA CENTRO SUPERIOR DE INVESTIGACIÓ INVESTIGACIÓN DEL AUTOMÓ AUTOMÓVIL DE LA COMUNIDAD DE MADRID 10 HISTORIA DEL HIDRÓGENO I 1500 PARACELSUS Paracelsus es el primero en producir hidrógeno mezclando metales con ácidos. No era consciente que el gas explosivo producido por la reacción química era hidrógeno 1671 ROBERT BOYLE Robert Boyle, fue el primero en considerar el “aire” que se desprendía de las reacciones producidas entre ácidos y determinados metales como un elemento distinto del aire que respiramos INSIA CENTRO SUPERIOR DE INVESTIGACIÓ INVESTIGACIÓN DEL AUTOMÓ AUTOMÓVIL DE LA COMUNIDAD DE MADRID 11 HISTORIA DEL HIDRÓGENO II 1766 HENRY CAVENDISH Demostró que era aire inflamable, ya que tenía la propiedad de arder en la atmósfera produciendo agua. Cavendish tropezó con el hidrógeno cuando experimentaba con ácidos y mercurio. Aunque erróneamente asumió que se trataba de un compuesto del mercurio, y no del ácido, describió con exactitud varias propiedades del hidrógeno: “es ¼ más pesado que el aire” 1777 ANTOINE LAVOISIER Dio a este elemento su nombre y probó que el agua estaba compuesta de oxígeno e hidrógeno, primero separó el oxígeno del hidrógeno del agua y a continuación los combinó para producir 45 g de agua. Denominó al oxígeno “el aire que sustenta la vida” y al hidrógeno “el aire inflamable”. INSIA CENTRO SUPERIOR DE INVESTIGACIÓ INVESTIGACIÓN DEL AUTOMÓ AUTOMÓVIL DE LA COMUNIDAD DE MADRID 12 HISTORIA DEL HIDRÓGENO III 1820 George W. Cecil El primer motor de hidrógeno, descrito por el reverendo W. Cecil en 1820, se movía por la presión atmosférica sobre el vacío causado por la explosión de una mezcla de hidrógeno y aire. 1839 William R. Grove La primera pila tenía electrodos de platino y utilizaba ácido sulfúrico como electrolito, con hidrógeno y oxígeno como combustible, para producir electricidad y agua. INSIA CENTRO SUPERIOR DE INVESTIGACIÓ INVESTIGACIÓN DEL AUTOMÓ AUTOMÓVIL DE LA COMUNIDAD DE MADRID 13 HISTORIA DEL HIDRÓGENO IV 1900 Ferdinand von Zeppelin El Luftschiff Zeppelin One (LZ1)de 128 metros de largo y dos motores de 16 caballos, despegó el 2 de julio de 1900 volando sobre el lago Constanza, y pilotado por el propio Zeppelin. El vuelo duró 18 minutos debiendo realizar un aterrizaje de emergencia sobre el agua. 1930 Rudolf Erren Fabricó camiones, autobuses y submarinos que utilizaban el hidrógeno y otros combustibles en motores de combustión interna. 1953 Thomas Bacon Construyó un prototipo de pilas utilizando hidrógeno y oxígeno con un electrolito alcalino, en lugar de electrolitos ácidos, y electrodos de níquel, más baratos que los de platino. INSIA CENTRO SUPERIOR DE INVESTIGACIÓ INVESTIGACIÓN DEL AUTOMÓ AUTOMÓVIL DE LA COMUNIDAD DE MADRID 14 PRODUCCIÓN DEL HIDRÓGENO I ACTUALMENTE SE PRODUCEN EN EL MUNDO 50 MILLONES DE TONELADAS DE HIDR HIDRÓGENO, ÓGENO, LA MAYORÍA SÓLO MAYOR ÍA A PARTIR DEL GN, Y S ÓLO UN 5% A PARTIR DE LA DISOCIACIÓN DEL AGUA MEDIANTE DISOCIACI ÓN ELECTROLISIS LA MITAD SE EMPLEA EN PRODUCIR AMONIACO QUE SE EMPLEA EN FABRICAR FERTILIZANTES Y EXPLOSIVOS. UN 37% SE PRODUCE Y UTILIZA EN LA INDUSTRIA DEL PETRÓLEO (DESULFURACIÓN PETR ÓLEO (DESULFURACI ÓN E HIDROCRAQUING), UN 8% EN PRODUCIR METANOL Y EN RESTO EN LA METALÚRGICA INDUSTRIA METAL ÚRGICA Y AEROESPACIAL. INSIA CENTRO SUPERIOR DE INVESTIGACIÓ INVESTIGACIÓN DEL AUTOMÓ AUTOMÓVIL DE LA COMUNIDAD DE MADRID 15 PRODUCCIÓN DEL HIDRÓGENO II REFORMADO CON VAPOR CH44 + H22O + 206 kJ /mol → CO + H22 kJ/mol OXIDACI ÓN PARCIAL DE DERIVADOS DEL OXIDACIÓN PETR ÓLEO PETRÓLEO C88H18 18 + 4 O22 + 16 N22 → 8 CO + 9 H22 + 16 N22 + 659 kJ /mol kJ/mol ELECTROLISIS DEL AGUA H22O + electricidad → 1/2 O22 + H22 INSIA CENTRO SUPERIOR DE INVESTIGACIÓ INVESTIGACIÓN DEL AUTOMÓ AUTOMÓVIL DE LA COMUNIDAD DE MADRID 16 PRODUCCIÓN DEL HIDRÓGENO III INSIA CENTRO SUPERIOR DE INVESTIGACIÓ INVESTIGACIÓN DEL AUTOMÓ AUTOMÓVIL DE LA COMUNIDAD DE MADRID 17 PRODUCCIÓN DEL HIDRÓGENO IV LA PRODUCCI ÓN ACTUAL DE PRODUCCIÓN HIDR ÓGENO SUPONE UN 1,5% DEL HIDRÓGENO CONSUMO ENERG ÉTICO MUNDIAL. ENERGÉTICO PARA ABASTECER EL CONSUMO DEL SECTOR TRANSPORTE SE REQUIERE UN INCREMENTO SUPERIOR A 20 VECES. INSIA CENTRO SUPERIOR DE INVESTIGACIÓ INVESTIGACIÓN DEL AUTOMÓ AUTOMÓVIL DE LA COMUNIDAD DE MADRID 18 UTILIZACIÓN CONVENCIONAL DEL HIDRÓGENO INDUSTRIA QU ÍMICA: QUÍMICA: S ÍNTESIS DEL AMONIACO, SÍNTESIS PROCESOS DE REFINER ÍA, S ÍNTESIS INORG ÁNICA, REFINERÍA, SÍNTESIS INORGÁNICA, S ÍNTESIS DEL METANOL, S ÍNTESIS FISHER -TROPSCH, … SÍNTESIS SÍNTESIS FISHER-TROPSCH, INDUSTRIA METAL ÚRGICA: METALÚRGICA: PRODUCCI ÓN DE PRODUCCIÓN METALES NO F ÉRRICOS (Cu, Ni, Co FÉRRICOS Co,, Mo Mo,, … …)) OTROS USOS: COMBUSTIBLE EN COHETES Y AERONAVES, PROCESOS DE CORTE, PRODUCCI ÓN DE PRODUCCIÓN SEMICONDUCTORES, SOLDADURA, TRATAMIENTO DEL AGUA, … INSIA CENTRO SUPERIOR DE INVESTIGACIÓ INVESTIGACIÓN DEL AUTOMÓ AUTOMÓVIL DE LA COMUNIDAD DE MADRID 19 UTILIZACIÓN DEL HIDRÓGENO EN VEHÍCULOS: MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA I 20% M ÁS EFICACES QUE LOS MEP DE GASOLINA MÁS ELEVADA DIFUSIVIDAD: MAYOR HOMOGENEIZACI ÓN DE LA HOMOGENEIZACIÓN MEZCLA. AMPLIO INTERVALO DE INFLAMABILIDAD (4 -75%): MEZCLAS (4-75%): POBRES MENOR TEMPERATURA DE LLAMA ((↓ ↓ NOx). ALTA TEMPERATURA DE AUTOENCENDIDO PERMITE MAYORES RELACIONES DE COMPRESI ÓN. COMPRESIÓN. INCONVENIENTES: BAJA DENSIDAD DE ENERG ÍA ENERGÍA PEOR RENDIEMINTO VOLUM ÉTRICO VOLUMÉTRICO BAJA RELACI ÓN ESTEQUIOM ÉTRICA RELACIÓN ESTEQUIOMÉTRICA INSIA CENTRO SUPERIOR DE INVESTIGACIÓ INVESTIGACIÓN DEL AUTOMÓ AUTOMÓVIL DE LA COMUNIDAD DE MADRID 20 UTILIZACIÓN DEL HIDRÓGENO EN VEHÍCULOS: MOTOR DE COMBUSTIÓN INERNA II BMW Valvetronic V8, 135 kW MAZDA RX-8 FORD Model U INSIA CENTRO SUPERIOR DE INVESTIGACIÓ INVESTIGACIÓN DEL AUTOMÓ AUTOMÓVIL DE LA COMUNIDAD DE MADRID 21 UTILIZACIÓN DEL HIDRÓGENO EN VEHÍCULOS: PILA DE COMBUSTIBLE I LASPILAS PILASDE DECOMBUSTIBLE COMBUSTIBLESON SONDISPOSITIVOS DISPOSITIVOS LAS ELECTROQUÍMICOS QUE,(EN (ENPRESENCIA PRESENCIADE DEUN UN ELECTROQU ÍMICOS QUE, CATALIZADOR)TRANSFORMAN TRANSFORMANLA LAENERG ENERGÍA QUÍMICA DE CATALIZADOR) ÍA QU ÍMICA DE UNCOMBUSTIBLE COMBUSTIBLE(GENERALMENTE (GENERALMENTEH2) H2)EN ENELECTRICIDAD ELECTRICIDAD UN AGUA,CON CONUN UNELEVADO ELEVADORENDIMIENTO RENDIMIENTO(>50%), (>50%),SIN SIN YYAGUA, RECURRIRAACOMPONENTES COMPONENTESM MÓVILES Y, RECURRIR ÓVILES Y, PRÁCTICAMENTE, SINEMISI EMISIÓN DECONTAMINANTES CONTAMINANTES PR ÁCTICAMENTE, SIN ÓN DE OXÍGENO CÁTODO CÁTODO ELECTROLITO ÁNODO ÁNODO HIDRÓGENO INSIA CENTRO SUPERIOR DE INVESTIGACIÓ INVESTIGACIÓN DEL AUTOMÓ AUTOMÓVIL DE LA COMUNIDAD DE MADRID 22 UTILIZACIÓN DEL HIDRÓGENO EN VEHÍCULOS: PILA DE COMBUSTIBLE II VENTAJAS: ¾ BAJO IMPACTO MEDIOAMBIENTAL: EMISIONES CERO EN EL PUNTO DE USO. ¾ RUIDO MUY REDUCIDO ¾ NO ESTÁ SUJETA A CARNOT ELEVADO RENDIMIENTO ¾ BAJO MANTENIMIENTO: NO PARTES MÓVILES ¾ ¾ ¾ ¾ INCOVENIENTES: PRODUCCIÓN Y ALMACENAMIENTO DEL HIDRÓGENO ELEVADO COSTE DE OPERACIÓN Y FABRICACIÓN (4.000 €/kW) PUESTA EN MARCHA MUY LENTA TECNOLOGÍA EN FASE DE DESARROLLO INSIA CENTRO SUPERIOR DE INVESTIGACIÓ INVESTIGACIÓN DEL AUTOMÓ AUTOMÓVIL DE LA COMUNIDAD DE MADRID 23 UTILIZACIÓN DEL HIDRÓGENO EN VEHÍCULOS: PILA DE COMBUSTIBLE III Pila de Combustible Alcalina (AFC) Poliméricas (PEMFC) Conversión Directa de Metanol (DMFC) Ácido Fosfórico (PAFC) Carbonato Fundido (MCFC) Óxido Sólido (SOFC) TEMPERATURA, ºC ELECTROLITO 70-100 KOH 60-100 Polímero perfluorosulfonado 60-100 170-200 Polímero H3PO4 600-1000 Li2CO3 / K2CO3 700-1000 YSZ (ZrO2 estabilizada con itria) Ión Conducción OH⎯ + H (Hidratado) H+ (H2O, CH3OH) + H CO32⎯ O 2⎯ EFICACIA, % APLICACIONES 35-40 De 10 a 100 KWe, militar, espacial, transporte, alta densidad de potencia, no tolera el CO2 40-50 De algunos mWe a 500kWe, calor y electricidad (residencial, industria), transporte, portátiles, alta densidad de potencia, se contamina con CO 40-50 De mWe a menos de 10kWe, pequeña potencia portátil, militar, transporte, baja eficiencia, densidad de potencia media, alto contenido en Pt 40-50 Electricidad, calor y electricidad (hasta el 85% de eficacia), hasta 10 MW, densidad de potencia media, sensible al CO 50-60 Electricidad, calor y electricidad (hasta el 85% de eficacia), hasta 100 MW, baja densidad de potencia, necesita reciclar CO2 45-55 Electricidad, calor y electricidad (hasta el 85% de eficacia), hasta 100 MW, media-alta densidad de potencia, acepta el CO como combustible INSIA CENTRO SUPERIOR DE INVESTIGACIÓ INVESTIGACIÓN DEL AUTOMÓ AUTOMÓVIL DE LA COMUNIDAD DE MADRID 24 UTILIZACIÓN DEL HIDRÓGENO EN VEHÍCULOS: PILA DE COMBUSTIBLE IV INSIA CENTRO SUPERIOR DE INVESTIGACIÓ INVESTIGACIÓN DEL AUTOMÓ AUTOMÓVIL DE LA COMUNIDAD DE MADRID 25 UTILIZACIÓN DEL HIDRÓGENO EN VEHÍCULOS: PILA DE COMBUSTIBLE V OPEL ZAFIRA HYDROGEN 3 Opel Fuel Cell Marathon: 10.000 km en 20 etapas PEM 94 kW, LH2 HONDA FCX PEM 86kW, CGH2 250 bar MERCEDES F 6000 HYGENIUS PEM 60 kW, CGH2 700bar INSIA CENTRO SUPERIOR DE INVESTIGACIÓ INVESTIGACIÓN DEL AUTOMÓ AUTOMÓVIL DE LA COMUNIDAD DE MADRID 26 ALMACENAMIENTO DEL HIDRÓGENO I COMPRIMIDO (350 bar) LICUADO (-253 ºC) HIDRUROS METÁLICOS NANOTUBOS INSIA CENTRO SUPERIOR DE INVESTIGACIÓ INVESTIGACIÓN DEL AUTOMÓ AUTOMÓVIL DE LA COMUNIDAD DE MADRID 27 ALMACENAMIENTO DEL HIDRÓGENO II INSIA CENTRO SUPERIOR DE INVESTIGACIÓ INVESTIGACIÓN DEL AUTOMÓ AUTOMÓVIL DE LA COMUNIDAD DE MADRID 28 ANÁLISIS WELL TO TANK INSIA CENTRO SUPERIOR DE INVESTIGACIÓ INVESTIGACIÓN DEL AUTOMÓ AUTOMÓVIL DE LA COMUNIDAD DE MADRID 29 ANÁLISIS WELL TO TANK INSIA CENTRO SUPERIOR DE INVESTIGACIÓ INVESTIGACIÓN DEL AUTOMÓ AUTOMÓVIL DE LA COMUNIDAD DE MADRID 30 ANÁLISIS TANK TO WHEEL INSIA CENTRO SUPERIOR DE INVESTIGACIÓ INVESTIGACIÓN DEL AUTOMÓ AUTOMÓVIL DE LA COMUNIDAD DE MADRID 31 ANÁLISIS WELL TO WHEEL INSIA CENTRO SUPERIOR DE INVESTIGACIÓ INVESTIGACIÓN DEL AUTOMÓ AUTOMÓVIL DE LA COMUNIDAD DE MADRID 32 SEGURIDAD DEL HIDRÓGENO I VENTAJAS: VENTAJAS: TEMPERATURA DE DE AUTOINFLAMACI AUTOINFLAMACIÓN ÓN 99TEMPERATURA ALTA ALTA DISPERSIÓN DILUCIÓN FUERADE DE 99 FFÁCIL ÁCIL DISPERSI ÓN YYDILUCI ÓN FUERA LOSLÍLÍMITES DEINFLAMABILIDAD INFLAMABILIDAD LOS MITES DE NOTOXICIDAD TOXICIDAD 99 NO INCONVENIENTES: INCONVENIENTES: ENERGÍA DEACTIVACI ACTIVACIÓN BAJA oo ENERG ÍA DE ÓN BAJA INTERVALODE DEINFLAMABILIDAD INFLAMABILIDAD oo INTERVALO ALTO ALTO LLAMANO NOVISIBLE VISIBLE oo LLAMA INSIA CENTRO SUPERIOR DE INVESTIGACIÓ INVESTIGACIÓN DEL AUTOMÓ AUTOMÓVIL DE LA COMUNIDAD DE MADRID 33 SEGURIDAD DEL HIDRÓGENO II Experimento: M. Swain y Univ. Miami 1937 HINDERBURG INSIA CENTRO SUPERIOR DE INVESTIGACIÓ INVESTIGACIÓN DEL AUTOMÓ AUTOMÓVIL DE LA COMUNIDAD DE MADRID 34 ECONOMÍA DEL HIDRÓGENO INSIA CENTRO SUPERIOR DE INVESTIGACIÓ INVESTIGACIÓN DEL AUTOMÓ AUTOMÓVIL DE LA COMUNIDAD DE MADRID 35 GRACIAS POR SU ATENCIÓN INSIA CENTRO SUPERIOR DE INVESTIGACIÓ INVESTIGACIÓN DEL AUTOMÓ AUTOMÓVIL DE LA COMUNIDAD DE MADRID 36