Energía del Hidrógeno - Contenido El Hidrógeno Métodos de producción Almacenamiento de Hidrógeno Celdas de Combustible Funcionamiento Tipos de celdas Hidrógeno Solar Conclusiones El Hidrógeno ¾ 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 . ¾ 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. ¾ 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. Combustible Energía [kJ/g] Energía [kJ/l] Carbón 29.3 - Madera 8.1 - Gasolina 43.5 30590 ¾ 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. Diesel 42.7 29890 Metanol 19.6 15630 Gas natural 50.02 31.7 ¾ El hidrógeno tiene una densidad energética en masa 3 veces superior a la de la gasolina. Hidrógeno 119.9 10 ¾ 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. Contenido energético de diversos carburantes El Hidrógeno 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 frente aa los los combustibles combustibles fósiles fósiles :: Desventajas Baja densidad densidad energética energética en en base base volumétrica. volumétrica. Se Se requieren requieren tanques tanques contenedores contenedores Baja grandes yy pesados. pesados. grandes Transporte yy almacenamiento almacenamiento costosos costosos yy de de implementación implementación compleja. compleja. Transporte Combustible secundario: secundario: se se debe debe consumir consumir energía energía para para conseguirlo conseguirlo aa partir partir de de las las Combustible distintas materias materias primas primas (agua, (agua, biomasa, biomasa, combustibles combustibles fósiles), fósiles), ya ya que que no no existe existe en en estado estado distintas elemental. elemental. El Hidrógeno – Producción Actual partirde dehidrocarburos: hidrocarburos: AApartir •• Reformadocon convapor: vapor: elelhidrocarburo hidrocarburoes estratado tratadocon convapor vaporde deagua aguaaatemperaturas temperaturas Reformado entre700 700yy1100 1100ºC. ºC.ElElproceso procesose serealiza realizaen endos dosfases: fases: entre 1ªfase: fase: CH CH4++HH2OO⇒ ⇒CO CO++3H 3H2 1ª 4 2 2 2ª fase: CO + H O ⇒ CO + H 2 2 2ª fase: CO + H2O ⇒ CO2 + H •• Oxidación parcial:reacción reacciónde decombustión combustiónentre entre1300 1300yy1500 1500ºC ºC Oxidaci ón parcial: 0,4O2 O2 ⇒ ⇒ 0,9 0,9CO CO++0,1 0,1CO CO2++HH.2. CH1,4++0,3 0,3HH2OO++0,4 CH1,4 2 2 2 partirdel delagua: agua: AApartir Carbón 18% electrólisis 4% •• petróleo 30% Gas natural 48% Electrólisis: procesomucho muchomás máscaro caroque queelel Electr ólisis: proceso reformadocon convapor. vapor.Produce Producehidrógeno hidrógenode degran gran reformado pureza,que quese seutiliza utilizaen enlalaindustria industriaelectrónica, electrónica, pureza, farmacéuticaooalimentaria. alimentaria. farmacéutica Hoyen endía díaaproximadamente aproximadamenteelel96% 96%del delhidrógeno hidrógeno Hoy seobtiene obtieneaapartir partirde decombustibles combustiblesfósiles. fósiles. se El Hidrógeno – Almacenamiento •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• Almacenamientoen enforma formagaseosa: gaseosa: Almacenamiento hidrógenose sealmacena almacenaaaalta altapresión presión(P (P>>20 20Mpa). Mpa). ElElhidrógeno Requieredepósitos depósitospesados pesadosyyvoluminosos. voluminosos. Requiere Planteaproblemas problemasde deseguridad. seguridad. Plantea Noresulta resultacompetitivo competitivodebido debidoaasu suelevado elevadocoste. coste. No Almacenamientoen enforma formalílíquida: Almacenamiento quida: El hidrógeno se almacena enestado estadolíquido líquidoen enrecipientes recipientescriogénicos. criogénicos. El hidrógeno se almacena en Requierealcanzar alcanzartemperaturas temperaturasde dealmacenamiento almacenamientomuy muybajas bajas(21,2 (21,2K). K). Requiere costees eselevado. elevado.Indicado Indicadosólo sólopara paraaplicaciones aplicacionesdonde dondeelelcoste costedel delhidrógeno hidrógenono nosea seaun unfactor factor ElElcoste críticoyyéste éstesea seaconsumido consumidoen encortos cortosperiodos periodosde detiempo tiempo(por (porejemplo, ejemplo,en enaplicaciones aplicaciones crítico aeroespaciales). aeroespaciales). Combinación química (hidrurosmet metálicos): Combinaci ón qu ímica (hidruros álicos): Diversos metales de transición y sus aleacionespueden puedenser serutilizados utilizadospara paraalmacenar almacenarhidrógeno hidrógenoen en Diversos metales de transición y sus aleaciones formade dehidruros hidrurosmetálicos. metálicos. forma principalinconveniente inconvenientees eselelelevado elevadopeso pesodel delsistema sistemade dealmacenamiento, almacenamiento,como comoconsecuencia consecuenciade de ElElprincipal losbajos bajosniveles nivelesde deretención retenciónde dehidrógeno hidrógenoque quese seconsiguen consiguen(< (<2% 2%aatemperaturas temperaturasinferiores inferioresaa423 423 los K). K). Adsorción enssólidos porosos((nanoestructuras decarbono) carbono): Adsorci ón en ólidos porosos nanoestructuras de : Se está estudiando la utilización de nanoestructuras de carbono conelevada elevadasuperficie superficieespecífica específicacomo como Se está estudiando la utilización de nanoestructuras de carbono con mediode dealmacenamiento. almacenamiento. medio Seríauna unaforma formasegura segurayysencilla sencillade dealmacenar almacenarelelhidrógeno hidrógenosin sinusar usaraltas altaspresiones. presiones. Sería El Hidrógeno Métodos futuros de producción partirde debiomasa: biomasa: AApartir Gasificación: Combustiónincompleta incompletade delalabiomasa biomasaentre entre700 700yy1200ºC. 1200ºC. Gasificaci ón: Combustión Productos:HH2,,CH CH4,,CO. CO. Productos: 2 4 Pirólisis: Combustiónincompleta incompletaen enausencia ausenciade deoxígeno, oxígeno,aaunos unos500 500ºC ºC Pir ólisis: Combustión Productos:HH2,,CO, CO,CO CO2eehidrocarburos hidrocarburosligeros. ligeros. Productos: 2 2 Fotoelectrólisis: Fotoelectr ólisis: Indirecta: Panelesfotovoltaicos fotovoltaicos++radiación radiaciónsolar. solar. Indirecta: Paneles Directa:Celdas Celdasfoto fotoelectroquímicas electroquímicas(material (materialsemiconductor) semiconductor)++radiación radiaciónsolar. solar. Directa: Ciclostermoqu termoquímicos: Ciclos ímicos: Consisten en una combinaciónde dereacciones reaccionesquímicas químicasaaalta altatemperatura temperaturaque queproducen producenlala Consisten en una combinación disociaciónde delalamolécula moléculade deagua. agua.Se Sehan hanalcanzado alcanzadoeficiencias eficienciasdel del40%. 40%. disociación Pararealizar realizarlos losciclos ciclostermoquímicos termoquímicosse sepuede puedeemplear emplearenergía energíanuclear nuclearoosolar. solar. Para Producción fotobiológica: Producci ón fotobiol ógica: Ciertasbacterias bacteriasyyalgas algasverdes verdespueden puedenproducir producirhidrógeno, hidrógeno,utilizando utilizandoúnicamente únicamenteluz luz Ciertas solar,agua aguayyuna unaenzima enzimallamada llamadahidrogenasa. hidrogenasa. solar, El Hidrógeno Métodos futuros de producción Electrólisis Electr ólisis Biomasa: Biomasa: Gasificación. --Gasificaci ón. Pirólisis. - Pirólisis. Fotoelectrólisis: Fotoelectr ólisis: Directa. --Directa. Indirecta. --Indirecta. Producción fotobiológica Producci ón fotobiol ógica Ciclostermoqu termoquímicos Ciclos ímicos Hidrógeno Combustiblesfófósiles: Combustibles siles: Hidrocarburos: Hidrocarburos: Reformado --Reformado Oxidación parcial --Oxidaci ón parcial Carbón: Carb ón: Gasificación - Gasificación Otros?? ¿¿Otros El Hidrógeno 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 básicos de una celda de combustible: combustible Estructura típica de una celda de combustible Dos electrodos (ánodo y cátodo). Electrolito: Electrolito sustancia encargada de transportar los iones producidos en las reacciones redox. El electrolito a veces se utiliza acompañado de un catalizador. catalizador H2 y O2, utilizados como combustible y oxidante respectivamente. El Hidrógeno 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. H 2 → 2H + + 2e − 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. Celda de combustible 1 O2 + 2H + + 2e − → H 2 O 2 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 El Hidrógeno Características de las Celdas de Combustible Diferencias entre celdas de combustible y dispositivos de combustión interna.: • Los dispositivos de combustión interna se basan en la conversión de energía térmica en energía mecánica. La eficiencia de este proceso está limitado por el Ciclo de Carnot. • Las celdas de combustible convierten directamente la energía química en energía eléctrica. Desde el punto de vista termodinámico este proceso es mucho más eficiente. eficiente Diferencias entre celdas de combustible y baterías: Las baterías son dispositivos de almacenamiento de energía. La producción de energía cesa cuando se consumen los reactivos químicos almacenados dentro de la batería. No pueden proporcionar un flujo continuo de energía 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. El Hidrógeno Rendimiento de las Celdas de Combustible El potencial eléctrico ideal generado por una celda de combustible viene dado por la ecuación de Nernst: ⎡ C [ H 2 ] ⋅ C [O2 ]1 / 2 ⎤ RT E = E0 + ln ⎢ ⎥ C [ H 2O ] 2F ⎥⎦ ⎢⎣ E: Potencial eléctrico de la pila (volts.) E: Potencial eléctrico de la pila (volts.) E : Potencial redox estándar( T=25º C , 1 Molar) Eo: oPotencial 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 ¾ La ecuación de Nerst permite calcular el potencial ideal de una celda de combustible en función de la temperatura y de las concentraciones de reactantes y productos. El Hidrógeno 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 de activación: algunas reacciones electroquímicas son muy lentas, y re-quieren una cierta energía de activación (> 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 óhmica: debido a resistencias eléctricas asociadas a los electrodos, el elec-trolito y los contactos. hmica los contactos. • Polarización de concentración: se producen gradientes de concentración (por difusión o • Polarización de concentración: se producen gradientes de concentración (por difusión o convección) que disminuyen 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. El Hidrógeno Tipos de Celdas de Combustible El Hidrógeno Celdas de Combustible PEM Laspilas pilasPEM PEMusan usancomo comoelectrolito electrolitoun unpolímero polímero Las sólido. sólido. Utilizanun uncatalizador catalizadorde deplatino. platino. Utilizan Ventajas: Ventajas: Rapidezde dearranque. arranque.Operan Operanaarelativamente relativamentebajas bajas Rapidez temperaturas(80ºC). (80ºC). temperaturas Desventajas: Desventajas: Extremadamentesensible sensibleaalalacontaminación contaminaciónpor porCO. CO. Extremadamente Aplicaciones: Aplicaciones: Generaciónde deenergía energíaestacionaria. estacionaria. Generación Transporte(coches, (coches,autobuses). autobuses). Transporte Características: Características: Temperatura:80 80ºC ºC Temperatura: Eficiencia(%): (%):32-45 32-45 Eficiencia Potencia:5-250 5-250kW kW Potencia: El Hidrógeno Celdas de Combustible PAFC Laspilas pilasPAFC PAFCutilizan utilizanácido ácidofosfórico fosfóricocomo comoelectrolito. electrolito. Las Requierenun uncatalizador catalizadorde deplatino. platino. Requieren Ventajas: Ventajas: Sonmenos menossensibles sensiblesaalalacontaminación contaminaciónpor porCO COque quelas las Son pilasPEM. PEM. pilas Desventajas: Desventajas: Granpeso pesoyytamaño. tamaño.Son Soncaras caras(3500-4000 (3500-4000€€ Gran porkilovatio) kilovatio) por Aplicaciones: Aplicaciones: Generaciónde deenergía energíaestacionaria. estacionaria. Generación Transporte(vehículos (vehículospesados). pesados). Transporte Características: Características: Temperatura:205 205ºC ºC Temperatura: Eficiencia(%): (%):36-45 36-45 Eficiencia Potencia:50 50kW kW- -11 11MW MW Potencia: El Hidrógeno Celdas de Combustible AFC Laspilas pilasalcalinas alcalinasutilizan utilizanuna unasolución soluciónde dehidróxido hidróxidode de Las potasioen enagua aguacomo comoelectrolito. electrolito. potasio Comocatalizador catalizadorse sepueden puedenemplear empleardiversos diversosmetales metales Como nopreciosos. preciosos. no Ventajas: Ventajas: Altorendimiento rendimientoyyeficiencia. eficiencia. Alto Desventajas: Desventajas: Sonmuy muysensibles sensiblesaalalacontaminación contaminaciónpor porCO CO2.. Son 2 Menor duración debido a su susceptibilidad a ese Menor duración debido a su susceptibilidad a ese tipode decontaminación. contaminación. tipo Aplicaciones: Aplicaciones: Aplicaciones:ambientes ambientesdonde dondehay haycontaminación contaminación Aplicaciones: porCO CO2(espacio, (espacio,fondo fondodel delmar). mar). por 2 Características: Características: Temperatura:65-220 65-220ºC ºC Temperatura: Eficiencia(%): (%): >>50 50 Eficiencia Potencia:5-150 5-150kW kW Potencia: El Hidrógeno Celdas de Combustible SOFC Laspilas pilasde deóxido óxidosólido sólidoemplean empleancomo comoelectrolito electrolitoun un Las componentede decerámica cerámicaduro duroyyno noporoso poroso.. componente Nonecesitan necesitancatalizador. catalizador. No Ventajas: Ventajas: Menorcoste coste(no (nonecesitan necesitancatalizador). catalizador). Menor Altorendimiento rendimientoen ensistemas sistemasde de cogeneración cogeneración Alto (electricidad++calor) calor) (electricidad Muyresistentes resistentesaalalacorrosión corrosiónyyaalalacontaminación contaminaciónpor por Muy CO. CO. Desventajas: Desventajas: Arranquelento. lento. Arranque Lasaltas altastemperaturas temperaturasafectan afectan aalaladuración duraciónde delos los Las materialesde delalapila. pila. materiales Aplicaciones: Aplicaciones: Sistemasestacionarios. estacionarios.No Noes esadecuada adecuadapara para Sistemas transportesoosistemas sistemasportátiles. portátiles. transportes Características: Características: Temperatura:600-1000 600-1000ºC ºC Temperatura: Eficiencia(%): (%): 43-55 43-55 Eficiencia Potencia:100-250 100-250kW kW Potencia: El Hidrógeno Celdas de Combustible MCFC Laspilas pilasde decarbonato carbonatofundido fundidoutilizan utilizanun unelectrolito electrolito Las compuestode deuna unamezcla mezclade desales salesde decarbonato carbonatofundidas fundidas compuesto dispersasen enuna unamatriz matrizcerámica cerámicaporosa. porosa. dispersas Comocatalizador catalizadoremplean empleanmetales metalesno nonobles. nobles. Como Ventajas: Ventajas: Resistentesaalalacontaminación contaminaciónpor porCO COyyCO CO2 Resistentes 2 No necesitan reformador externo: debido a las No necesitan reformador externo: debido a las altastemperaturas temperaturaslos loscombustibles combustiblesse seconvierten conviertenen en altas hidrógenodentro dentrode delalapropia propiapila, pila,mediante medianteun unproceso procesode de hidrógeno conversióninterna. interna. conversión Desventajas: Desventajas: Arranquelento. lento. Arranque Cortaduración: duración:Las Lasaltas altastemperaturas temperaturasyyelelelectro-lito electro-lito Corta corrosivodeterioran deterioranlos loscomponentes componentesde delalapila. pila. corrosivo Aplicaciones: Aplicaciones: Generaciónde deenergía energíaestacionaria. estacionaria. Generación Características: Características: Temperatura:600-650 600-650ºC ºC Temperatura: Eficiencia(%): (%): 43-55 43-55 Eficiencia Potencia:100 100kW kW--22MW MW Potencia: El Hidrógeno Para Reflexionar… El Hidrógeno Ciclo del Hidrógeno Solar Ciclo del H2 1) La electricidad generada en los paneles fotovoltaicos se emplea para alimentar un electrolizador. 2) El oxígeno producido en la electrólisis se libera en el aire, y el hidrógeno es almacenado en tanques. 3) Cuando la energía solar no está disponible, el hidrógeno se recombina con el oxígeno del aire en una pila de combustible, la cual convierte directamente la energía química en electricidad. El único producto secundario de este proceso es agua pura. El Hidrógeno 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. El Hidrógeno Bibliografía Libros: ¾J. Larminie, A. Dicks. “Fuel Cell Systems Explained”, Second Edition (2003). SAE Bookstore. ¾ A.J. Appleby and F.R. Foulkes. “Fuel Cell Handbook”, Van Norstand Reinhold, New York. Documentos y páginas web: Asociación Española de Pilas de Combustible- APPICE Tecnociencia: Especial Pilas de Combustible de Hidrógeno Red de Pilas de Combustible del CSIC