Esta presentación tiene como propósito brindar un panorama acerca

de la tecnología asociada al hidrógeno, que es un transportador de

energía y al mismo tiempo una opción viable para sustituir a los

hidrocarburos fósiles.

Tecnología del Hidrógeno

Toluca, México; Noviembre 6, 2008

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Fuentes Energéticas

En el presente se utilizan los combustibles fósiles para proveer el 97% de la energía que se consume en el mundo

Petróleo 40%,

Carbón 38%,

Gas Natural 19%

Otras fuentes 3%.

Son fuentes no renovables que generan contaminación.

Estimaciones establecen un agotamiento de reservas de petróleo a 45 años más, de gas natural en 65 y de carbón en 230.

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Petróleo Carbón Gas Natural Otras fuentes

¿Qué es el hidrógeno?

• Gas altamente flamable, incoloro, inodoro, no metálico, univalente

• Elemento químico más simple y abundante en el universo

• En condiciones ambientales normales se presenta en forma de molécula H2 (hidrógeno diatómico)

• Su isótopo más abundante está compuesto por un par protón-electrón (protio), además existe el deuterio y el tritio.

• Se presenta en estado de plasma (estrellas, planetas gigantes de gas)

• En medios interestelares existe en estado atómico neutral H

• ¿Qué otra característica importante tiene este elemento químico?

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Propiedades físicas del hidrógeno

Masa atómica 1.0079 g/mol

Temperatura de solidificación 14 K

Temp. de ebullición 20.3 K

Temp. de autoinflamación en el aire 858 K

Temp. de la flama en el aire 2318 K

Energía de licuefacción 14112 kJ/kg K

Límites de inflamabilidad en aire 4 a 75 (% vol)

Límite de detonación en el aire 13 a 65 (% vol)

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Antecedentes del hidrógenoInicio del siglo XVI: descripción y reformación artificial de un nuevo gas por Theophrastus Bombastus von Hohenheim (Paracelso),

1766: determinación por Henry Cavendish del gas de Paracelso como sustancia discreta a partir de reacciones metal-ácido, formando un gas flamable generador de agua al quemarse en un ambiente de aire.

1783: establecimiento del nombre del gas por Antoine Laurent Lavoisier a partir de las raíces griegas hydro: agua y genes: formador.

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Regeneración de hidrógeno

Disociación de átomos de hidrógeno a partir de moléculas y compuestos más complejos: agua, alcoholes, hidrocarburos, etc.

Indispensable aplicar energía, en función de la manera de generación de la energía se establecen tres métodos de regeneración a partir de:

1. Combustibles fósiles

2. Combustibles nucleares

3. Fuentes alternas

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Regeneración de hidrógeno

Energía a partir de combustibles fósiles:

Reformado de hidrógeno a partir de metano (SMR) proceso más utilizado a nivel mundial:

Reacción de reformación: CH4 + H2O = CO + 3H2 -206kJ/mol

Reacción de desplazamiento: CO + H2O = CO2 + H2 +41kJ/mol

CH4 + 2 H2O = CO2 + 4 H2 -165kJ/mol

El calor necesario es aplicado mediante combustión de metano.

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Desulfurizador

Reformador

Metano

Agotamiento de CO

Vapor de agua

CO2 Separador de Hidrógeno

H2

Regeneración de hidrógenoHH

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Energía a partir de combustibles nucleares:

El proceso consiste en sustituir la fuente de calor del proceso anterior mediante el producido a partir de las reacciones de fisión nuclear.

Reformación

3.3 mol H2 .83 mol

CH4

.17 mol CH4

Combustión

803 kJ

1 mol CH4

165 kJ calor

4 mol H2

968 kJ

Nuclear

Reformación de hidrógeno mediante combustión de metano

Reformación de hidrógeno mediante calentamiento nuclear

Energía a partir de biomasa:El proceso de gasificación también se puede realizar mediante otras técnicas:digestión anaeróbica proceso no térmico realizado en tanques de fermentación mediante acción de bacterias descomponiendo materia orgánica en CH4 + CO2 (biogas). Baja eficiencia de conversión.

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HHRegeneración de hidrógeno

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Fermentación rompimiento de moléculas complejas de celulosa o almidón para formar sacarosa y su posterior fermentación hasta obtener etanol C2H6O.

Conversión térmica oxidación parcial de la biomasa para obtener un gas de síntesis (CO + H2), a partir del cual se construyen nuevas moléculas, tales como metanol, hidrocarburos ligeros formados mediante la síntesis de Fischer-Trops (hidrogenación) y dimetil éter (DME).

Regeneración de hidrógeno

A partir de metanol entre los métodos catalíticos más viables para la producción de H2 se tiene:

Oxidación parcial con O2 o aire

CH3OH + 1/2 O2 ↔ CO2 + 2 H2

Reformación con vapor de agua

CH3OH + H2O ↔ CO2 + 3 H2

Descomposición

CH3OH ↔ CO + 2 H2

El primer proceso es el más practicado ya que es una reacción de tipo exotérmico, aunque la producción de H2 es inferior en comparación con el segundo proceso que es de tipo endotérmico.

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HHRegeneración de hidrógeno

Electrólisis aplicando energía eléctrica entre dos electrodos sumergidos en agua se establece una corriente eléctrica que fluye del cátodo al ánodo disociando moléculas de H2O presentes en la trayectoria de la descarga eléctrica. A partir de fuerza hidráulica, eólica, undimotriz, mareomotriz, o transformación de la energía solar.

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HHRegeneración de hidrógeno

Combustión de biomasa para la cogeneración de energía eléctrica, que es un proceso indirecto en el cual se utiliza la energía térmica del proceso de combustión de la biomasa en una caldera para producir vapor, el cual, posteriormente activa un turbogenerador para generar energía eléctrica.

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HHRegeneración de hidrógeno

Cadena económica del hidrógeno

combustibles fósiles

fuentes alternas electrólisis

almacenamiento hidrógeno

celda de metano

generadores de energía eléctrica

generación biológica

nuclear

renovables

reformación industrial

combustible

combustión eléctricoalmacenamiento portátil

celda de hidrógeno

reformación combustible

in situ

almacenamiento combustible

celda combustible portátil

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Energía a partir de hidrógeno• Generación de energía eléctrica (red de suministro, sistemas

autónomos, respaldo de energía)

• Medios de transporte (combustible o precursor de energía)

• Sistemas de respaldo de energía eléctrica

• Sustitución de pilas, baterías mediante elementos portátiles

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Energía a partir de hidrógeno• El hidrógeno en forma líquida o formando un compuesto ha sido

utilizado en sistemas de propulsión espacial desde finales de los años treinta.

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Energía a partir de hidrógeno• ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)

Cadarache, Francia; costo a 10 años 10,300.00 M€.

• En latín iter significa “la vía, el camino”

• Especificaciones 500MW durante 1000s en cámara de descarga de 840 m3 con una mezcla de 0.5 gr deuterio/tritio

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21H+3

1H→42He+1

0n+17.58MeV

Published with permission of ITER

Energía a partir de hidrógeno• ITER es el segundo proyecto internacional más costoso de la

humanidad después de la Estación Espacial Internacional y significa el mayor reto planteado hasta nuestros días.

• www.iter.com

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Published with permission of ITER

Energía a partir de hidrógeno• Tore Supra es el Tokamak con el mayor tiempo de

funcionamiento constante de 390 s con 1000 MJ de energía aplicados en 2003.

• www-fusion-magnetique.cea.fr

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Energía a partir de hidrógeno• Tokamak Novillo desarrollado en 1983 en el ININ

• Especificaciones 25 kA de corriente máxima de plasma, 2.25 ms de duración con presiones de trabajo de 5X10-5 a 4.5X10-4 Torr

• Experiencia en sistemas de alto vacío, optimización de confinamiento de plasma, diagnóstico de plasmas, acondicionamiento de la cámara de descarga, estudios de espectroscopía, estudios de preionización de campos magnéticos espurios, sistemas electrónicos de descarga de alta potencia, instrumentación y control.

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Costos del hidrógeno

Producido mediante combustibles fósiles y almacenado en forma comprimida (costo US $2/kg), por electrólisis (US $6.50/kg) y almacenado en forma líquida (US $3.50/kg).

1kg de H2 proporciona una energía equivalente a 3.78L de gasolina (US $1.12/L).

A 5,000 psi 1kg de H2 requiere un 1ft3, equivalente al espacio ocupado por 28L de gasolina. En forma líquida ocupa 0.5ft3, pero requiere mantenerse a –250° C. Aún el mejor tanque de almacenamiento permite evaporar hidrógeno a una razón del 3% diariamente.

Academia Nacional de Ingeniería de EU

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Riesgos y limitaciones del hidrógeno

Como es un gas muy flamable y tiene una gran entalpía la flama que produce genera temperaturas elevadas y además es casi invisible.

El hidrógeno es el combustible accesible más explosivo que existe en concentraciones de 13% al 64% en ambiente de aire. Reacciona violentamente con flúor, cloro y oxígeno.

Los sistemas de generación, almacenamiento, distribución y consumo de hidrógeno deben contar con medidas de seguridad extraordinarias.

No es posible una explotación masiva del hidrógeno como fuente energética debido a que actúa de manera indirecta como un gas de efecto invernadero.

El costo del hidrógeno es equivalente a cuatro veces el costo de la gasolina para el mismo equivalente de energía.

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Antecedentes de la celda de combustible1838: Christian Friedrich Schönbein descubre el principio de la celda de

combustible.

1839: Sir William Grove demostró un aparato para remplazar las baterías, inventando la batería de gas, hoy conocida como celda de combustible.

1959: Francis Thomas Bacon desarrolla de manera exitosa una celda de 5kW (AFC) que alimentaba una máquina para soldar.

1960: La NASA empieza el uso de celdas para generar energía eléctrica en sus naves espaciales y proveer agua a los astronautas (Gemini, Apollo).

La celda de combustibleConvertidor electroquímico de energía que transforma energía química en energía eléctrica de manera directa.

Es posible emplear hidrógeno contenido en otras moléculas de combustibles incluyendo diesel, metanol, gas natural e hidruros químicos, el residuo producido por este tipo de combustibles además de agua es dióxido de carbono, entre otros.

Construcción de celdas tipo PEM Es un desarrollo donde intervienen diversas disciplinas del conocimiento: ingeniería química, mecánica, eléctrica, materiales, química…

Inconveniente: costo de Platino puro US $3800/100g a considerar el costo del Oro puro US $ 2084/100g (Oct. 21, 2006; New York Spot Price)

Tipos de celdas de combustibleExisten diferentes tipos o clases de celdas de combustible entre las principales se pueden citar las siguientes:

• PEMFC (Proton Exchange Membrane FC) Membrana de intercambio de protones,

• AFC (Alkaline FC) Electrolito alcalino,

• DMFC (Direct Methanol FC) Metanol directo,

• PAFC (Phosphoric Acid FC) Acido fosfórico,

• MCFC (Molten Carbonate FC) Carbonato fundido,

• SOFC (Solid Oxide FC) Oxido sólido.

Principales características de las celdasPEMFC DMFC AFC PAFC MCFC SOFC

Temp. operación

60-100°C 80-100°C 90-100°C 175-200°C 600-1000°C 600-1000°C

AplicaciónSistemas portátiles, transporte

Máquinas autoservicio transporte

Espacial, militar, naval

Generación energía, transporte

Generación energía

Generación energía

Ventajas

Fácil manejo, rápido

encendido

Combustible sin reformar, sistemas pequeños

Elevado desempeño, reacción catódica

Hasta 85% eficiencia, soporta H2 impuro

Alta eficiencia, bajo costo catalizador

Alta eficiencia, maneja más combustibles

DesventajasCatalizador costoso,

muy sensible

Producción de CO2, catalizador sensible

Alto costo eliminar CO2 combustible

Catalizador costoso,

baja potencia

Alta temp. aumenta la corrosión, baja utilidad

Alta temp. aumenta el desgaste de componentes

Electrolito

Polímero orgánico sólido NAFION

NAFION

Líquido NaOH, KOH (35-50% peso)

Líquido H3PO4 ácido fosfórico concentrado

Líquido carbonatos (Na, Li, K)

Óxido de metal no poroso Y2O3

Aplicación automotrizHH

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Retos científicos y tecnológicosHH

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• Creación de membranas inmunes o más resistentes a la presencia de

CO2; incremento de su durabilidad, más allá de 1,000h y reducción de

su costo actual en un factor de 100. • Desarrollo de sistemas de almacenamiento de hidrógeno seguros,

minimizando riesgos de manejo y consumo del gas; con mayor

capacidad de almacenamiento, reducción de volumen y costos.• Implementación de sistemas de conversión eléctrica conmutados para

aumentar la eficiencia, reducir la generación de armónicos e

interferencia electromagnética.• Construcción de convertidores no lineales y de sistemas resonantes para

mejor aprovechamiento de la energía eléctrica.• Desarrollo de sistemas electrónicos de control no lineales para acoplarse

en procesos de la misma índole.

Habilidades requeridasHH

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• Decisión• Trabajo• Saberse valorar• Actitud crítica• Innovación e inventiva• Capacidad para asimilar y poner en práctica nuevas ideas• Capacidad de trabajo en equipo y de afrontamiento de nuevos retos• Dominio de más de un idioma• Formación académica adecuada a las habilidades y gustos• Facilidad para comunicarse y establecer relaciones humanas

Desarrollos innovadoresHH

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Dead time (1µs)

V2

V1

Stray Inductance

M1

M2

M3

M4

L 126µH

Lf10mH

C 0.1µF

Cf 1nF

Resonant filter

Rectifier

Outputfilter0 0

Ls1 10nH Ls2 10nH

Vi(dc)180V

V 1

V 2

V 2

V 1

Plasmamodel

Dead time (1µs)

V2

V1

Dead time (1µs)

V2

V1

Stray Inductance

M1

M2

M3

M4

L 126µH

Lf10mH

C 0.1µF

Cf 1nF

Resonant filter

Rectifier

Outputfilter0 0

Ls1 10nH Ls2 10nH

Vi(dc)180V

V 1

V 2

V 2

V 1

Plasmamodel To vacuum

pump

Anode electrode

Grounded cathode electrode (vessel wall)

High voltage electrode

Main access

Desarrollos innovadoresHH

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(Vi, Ii) Coupling Network

Gas supply

Ar or He

FI

TI Termocouple

Discharge

Plasma needle

(VP, IP)

RF Generador 13.56 MHz

ENI-ACG-3B

4 8 12 16 20

300

320

340

360

380

Tem

pera

ture

[ºK

]

Power [W]

(a) (d) (g) (b) (e) (h) (c) (f) (i)

4 6 8 10 12 14 16 18 20

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Dia

met

er [

mm

]

Power [W]

He 2l (Dia) He 3l (Dia) He 4l (Dia)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Lon

gitu

de [

mm

] He 2l (Long) He 3l (Long) He 4l (Long)

(a) 2 l/min and 2mm (a) 2 l/min and 2mm (b) 3 l/min and 2mm, (b) 3 l/min and 2mm, (c) 4 l/min and 2mm, (c) 4 l/min and 2mm, (d) 2 l/min and 4mm, (d) 2 l/min and 4mm, (e) 3 l/min and 4mm (e) 3 l/min and 4mm (f) 4 l/min and 4mm, (f) 4 l/min and 4mm, (g) 2 l/min and 6mm, (g) 2 l/min and 6mm, (h) 3 l/min and 6mm, (h) 3 l/min and 6mm, (i) 4 l/min and 6mm(i) 4 l/min and 6mm

Desarrollos innovadoresHH

HH

iS

vS=0

iS=0

vS

LR

i

CR

RL

iI

Lf

E

one commutation device HF & HVresonant operating condition reduced power loss if ZVS

iS

vS

CT

iCT

RRCL

11

RT

RTR CC

CCL

1

2

VPulse

Desarrollos innovadoresHH

HH

CCTT

RL

LR

CR

Lf

E

Lf LR CR

RLECT

High output voltage

Low resistance load

High resistance load

Low output voltage Reduced load range

Extended load range

Current amplifier

Voltage amplifier

Well known

Innovation

RL= 1Ω, 6Ω, 12Ω

RL= 1kΩ, 10kΩ, 100kΩ

Desarrollos innovadoresHH

HH

8 12 16 20 24 28 32

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

Cur

rent

[A

]

Vcd Voltage in [V]

He 1.5 l He 2.0 l He 2.5 l He 3.0 l

350 400 450 500 550 600 650

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

Cur

rent

[A

]

Voltage [V]

He 1.5 l He 2.0 l He 2.5 l He 3.0 l

400 450 500 550 600 650 7004.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

Cur

rent

[A

]

Voltage [V]

Ar 1.5 l Ar 2.0 l Ar 2.5 l Ar 3.0 l

12 16 20 24 28 324.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

Ipp

Cur

rent

Vcd Voltage

Ar 1.5 l Ar 2.0 l Ar 2.5 l Ar 3.0 l

Desarrollos innovadoresHH

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Por su atención

GRACIAS

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“Even the smallest person can change the course of the future” J.R.R.Tolkien

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1. “Electrical Model of an Atmospheric Pressure Dielectric Barrier Discharge Cell” por publicarse en IEEE Transactions on Plasma Science (2008).

2. “Enhancement of wear and corrosion resistance of nitrogen implanted dental tools”, Vacuum 82 (2008) 1350-1352

3. “Power Supply for Plasma Torches Based on a Class-E Amplifier Configuration”, Plasma Processes and Polymers 5 (2008) 593-598

4. “V-I curves and plasma parameters in a high density DC glow discharge generated by a current-source”, Journal of Physics: Conferences Series 100, (2008) 062019

5. “Surface modification of stainless steel drills using plasma-immersion nitrogen ion implantation”, Vacuum 81, 10 (2007) 1385-1388

6. “Modelling and Optimization of a Low-pressure DC Glow Discharge in Stable Regime”, Surface and Coatings Technology 201, 9-11 (2007) 5454-5457

7. “An RF microplasma facility development for medical applications”, Surface and Coatings Technology 201, 9-11 (2007) 5684-5687