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PRODUCCIÓN Y ALMACENAJE
DE HIDRÓGENO
PROPIEDADES DEL
HIDRÓGENO
El hidrógeno (en griego, 'creador de agua') es un elemento
químico de número atómico 1, representado por el símbolo H.
Con una masa atómica del 1,00794 (7) u, es el más ligero de la
tabla de los elementos. Por lo general, se presenta en su
forma molecular, formando el gas diatómico (H2) encondiciones
normales. Este gas es inflamable, incoloro, inodoro, no
metálico e insoluble en agua.
Es el elemento más abundante en el universo, pero en la tierra
es difícil de encontrar por separado ya que al ser tan ligero es
muy volátil y se concentra en las capas altas de la atmósfera.
PROPIEDADES DEL
HIDRÓGENO
El almacenamiento del hidrógeno es clave para su utilización.
Técnicamente no ofrece dificultades pero tiene un costo caro.
Por otro lado el hidrógeno tiene la ventaja de una gran
densidad energética por unidad de masa:
1kg de hidrógeno equivale a 2,78 kg de gasolina.
Sin embargo tiene el inconveniente de ocupar una gran
volumen:
1 m3 de hidrógeno (en condiciones normales), equivale a 0,34
litros de gasolina.
Para reducir volumen se almacena a presiones elevadas
llegando a una equivalencia aproximada de
1 litro de gasolina equivale a 6,5 litros de hidrógeno. Esto se
consigue con presiones del orden de 700 bares.
El hidrógeno en condiciones normales de presión es líquido a
casi -273 ºC
PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A
PARTIR DE COMBUSTIBLES
1. A partir combustibles fósiles
2. A partir de combustibles renovables
PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A
PARTIR DE COMBUSTIBLES
PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A
PARTIR DE COMBUSTIBLES
PRODUCCIÓN A PARTIR DE
COMBUSTIBLES FÓSILES
1.1 A partir de gas natural (la más desarrollada):
1.1.1Reformado de vapor
Conversión endotérmica (absorbiendo calor) demetano y vapor de agua. 700-850 ºC, 3-25 bares.
Este proceso consiste en exponer al gas natural, dealto contenido de metano, con vapor de agua aalta temperatura y moderada presión.
1.1.2 Oxidación parcial de gas natural
Producción de H2 por combustión parcial de CH4
con O2.
calorHCOOHCO
HCOcalorOHCH
222
224 3
calorHCOOCH 224 22
1
PRODUCCIÓN A PARTIR DE
COMBUSTIBLES FÓSILES
1.1.3 Reformado autotérmico
Combinación de anteriores.
950-1100 ºC
Presiones superiores a 100 bares
PRODUCCIÓN A PARTIR DE
COMBUSTIBLES FÓSILES
1.2 A Partir de carbón
Por varios procesos de gasificación
Conversión favorecida a altas temperaturas
22 HCOcalorOHsC
GASIFICACIÓN DEL CARBÓN O DE
BIOMASA.
La gasificación es un proceso termoquímico en el que un
sustrato carbonoso (residuo orgánico) es transformado en un
gas combustible de bajo poder calorífico, mediante una serie de
reacciones que ocurren a una temperatura determinada en
presencia de un agente gasificante ( aire, oxígeno y/o vapor de
agua ).
PRODUCCIÓN A PARTIR DE
BIOMASA
Hidrógeno se produce de manera similar que a partir de carbón.
No existen plantas comerciales
Se produce H2 y biocombustibles
Gasificación y la pirólisis: medio tecnológico más prometedor
Reservas de biomasa: Productos no refinados
Calidad inconsistente
Pobre control de calidad
PRODUCCIÓN A PARTIR DE
BIOMASA
Reformado de fluidos bioderivados(principalmente bioetanol).
Este proceso es similar a la producción de hidrógeno a partir de carbón ya que tiene las mismas etapas.
Una etapa de gasificación de la biomasa y otra etapa de reformado de vapor.
PRODUCCIÓN A PARTIR DE
BIOMASA
REFORMADO DE FLUIDOS BIODERIVADOS (PRINCIPALMENTE BIOETANOL CH3-CH2-OH).
Este proceso es similar a la producción de hidrógeno a partir de carbón ya que tiene las mismas etapas.
Una etapa de gasificación de la biomasa y otra etapa de reformado de vapor.
PRODUCCIÓN A PARTIR DE
BIOMASA
PIRÓLISISLa pirólisis se puede definir como la descomposición térmica de un
material en ausencia de oxígeno o cualquier otro reactante. Esta
descomposición se produce a través de una serie compleja de
reacciones químicas y de procesos de transferencia de materia y calor.
La pirólisis también aparece como paso previo a la gasificación y la
combustión.
Se puede considerar que la pirólisis comienza en torno a los 250 °C,
llegando a ser prácticamente completa en torno a los 500°C.
A parte del hidrógeno, se producen otra serie de gases e hidrocarburos
que son aprovechables para la producción de energía (por ejemplo
metano).
PRODUCCIÓN A PARTIR DE
BIOMASA
FERMENTACIÓNDos tipo:
-Fermentación alcohólica: Se trata de conseguir alcohol puro al
96% y después se lleva a cabo un reformado con vapor.
- Fermentación anaeróbica. Se trata de producir biogás y
posteriormente llevar a cabo un reformado con vapor.
PRODUCCIÓN A PARTIR DE LA
RUPTURA DE AGUA
Electrólisis del agua El agua se separa en H2 y O2 por aplicación
de energía
La energía total aumenta lentamente conla temperatura
La energía eléctrica disminuye con T.
222 21 OHadelectricidOHGlobal
eOOánodo
OHeOHcátodo
42:
2242:
22
222
PRODUCCIÓN A PARTIR DE LA
RUPTURA DE AGUA
Electrólisis alcalina
Disolución alcalina de KOH (Hidróxido potásico) como electrolito
A presiones de 25 bares
PRODUCCIÓN A PARTIR DE LA
RUPTURA DE AGUA
Electrolisis por membrana de electrolito polimérico (PEM)
El electrolito es una resina polimérica.
Aplicaciones estáticas y móviles
Ventajas:
Mayor seguridad
Más compacto
Operar a presiones mayores
Inconveniente
Limitado tiempo de vida de las membranas
2
22
22:
222
1:
HeHcátodo
eHOOHánodo
PRODUCCIÓN A PARTIR DE LA
RUPTURA DE AGUA
o Electrolisis a altas temperaturas
Tecnología de células de combustible a altastemperaturas
Necesita menos energía que los sistemasanteriores.
De aplicación en centrales solares térmicas.
Tiene el inconveniente de un aumento notablede la corrosión al trabajar a altastemperaturas.
PRODUCCIÓN A PARTIR DE LA
RUPTURA DE AGUA
oFotoelectrolisis
Sistema fotovoltaico unido a electrolizadoresLa energía eléctrica necesaria se obtiene de célulasfotovoltaicasEl Hidrógeno se obtiene desde electrolizador
PRODUCCIÓN A PARTIR DE LA
RUPTURA DE AGUA
Producción fotobiológica Fotosíntesis
Producción catalizada de H2 por hidrogenasas
2
22
244:Pr
442:
HeHHidrógenodeoducción
OeHOHisFotosíntes
La hidrogenasa es una enzima que cataliza la oxidación reversible de Hidrógeno molecular (H2)
PRODUCCIÓN A PARTIR DE LA
RUPTURA DE AGUA
PRODUCCIÓN A PARTIR DE LA
RUPTURA DE AGUA
Descomposición a alta temperatura se produce a unos 3000ºC
un 10% del agua se descompone y el 90%
se recicla
Presenta muchas complicaciones por las elevadas temperaturas.
PRODUCCIÓN A PARTIR DE LA
RUPTURA DE AGUA
Ruptura termoquímica del agua Se trata de descomponer el agua a temperaturas
inferior mediante reacción químicas de agua con ciertos aditivos.
Se reduce el coste y tiene un alto rendimiento
PRODUCCIÓN A PARTIR DE LA
RUPTURA DE AGUA
MODALIDEDES DE PRODUCCIÓN
DE HIDRÓGENO
PRODUCCIÓN CENTRALIZADA
PRODUCCIÓN DISTRIBUIDA
PRODUCCIÓN CENTRALIZADA DE
HIDRÓGENO
PRODUCCIÓN DISTRIBUIDA DE
HIDRÓGENO
Beneficio: Se reduce necesidad de transportar H2
combustible
No es necesario construcción de nuevas infraestructuras
Coste de producción mayor para pequeña capacidad
Eficacia menor que para las plantas centralizadas
Desventaja: Espacio requerido por la producción del hidrógeno
ALMACENAMIENTO
oTres formas principales de almacenar H2
•Gas
•Líquido
•Sólido
ALMACENAMIENTO
HIDRÓGENO GASEOSO
Tanque compuesto Ventajas
Bajo peso
Comercialmente disponible, diseñado y probado
Soportan altas presiones
No requiere de intercambiadores de calor internos
Desventajas
Gran volumen
Alto coste y energía
Cuestiones de seguridad
HIDRÓGENO GASEOSO
HIDRÓGENO GASEOSO
Microesferas de cristal Se llenan las esferas de H2 a alta presión y
temperatura
Se enfrían a temperatura ambiente
Se transfieren al tanque de baja presión
Se calientan a 300 ºC
HIDRÓGENO GASEOSO
HIDRÓGENO LÍQUIDO
Hidrógeno líquido criogénico (LH2)
temperaturas criogénicas (-253 ºC)
mayor densidad energética
principal ventaja: conseguir una altadensidad de almacenamiento apresiones relativamente bajas
Aplicaciones:combustible en vehículos,combustible de aviones.
HIDRÓGENO LÍQUIDO
Soluciones de NaBH4 (borohidruro de sodio )
NaBH4 (l) + 2H2O (l) 4H2 (g) + NaBO2 (s)
El borohidruro de sodio es usado en pilas de
combustible experimentales como un medio de
almacenar hidrógeno. Como pila, es menos inflamable y
menos volátil que la gasolina, pero más corrosivo. Es
relativamente respetuoso con el medio ambiente ya que
de producirse un vertido se degradará rápidamente a
sales inertes. El hidrógeno es generado en la pila de
combustible a través de la descomposición catalítica de
una solución acuosa del borohidruro:
HIDRÓGENO SÓLIDO
Está en desarrollo pero ofrece muchas posibilidades: gran capacidad de almacenamiento a bajas presiones. Cómo inconveniente es el elevado peso.
Se trata de utilizar materiales que tengan la capacidad de combinarse fácilmente con el hidrógeno y en una reacciones que sean reversibles, es decir, que en primer lugar reacciona el hidrógeno con la sustancia. El resultado de esta reacción es la que almacena el hidrógeno y es transportable. Finalmente se realiza la reacción inversa obteniendo de nuevo el hidrógeno.
COMPARACIÓN
Ventajas del hidrógeno en estado sólido:
Menor volumen
Menor presión
Mayor pureza de H2
APLICACIONES DEL
HIDRÓGENO
Pilas de Combustible
Las pilas de combustible o celdas de combustibleson unos dispositivos electroquímicos, capaces deconvertir directamente la energía química contenidaen un combustible en energía eléctrica. Estatransformación electroquímica (sin combustión) noestá limitada por el rendimiento de Carnot, lo quepermite conseguir rendimientos relativamente altos(en la práctica en el entorno del 40 o 50%, aunqueen teoría podrían ser bastante superiores). Sepresentan como unos dispositivos con enormepotencial de aplicación.
APLICACIONES DEL
HIDRÓGENO
Pilas de Combustible
Fundamentalmente una pila de combustible es unapilamiento (con conexiones internas en serie) de célulaso celdas individuales. Estas celdas están formadas por doselectrodos (ánodo y cátodo) donde se producenrespectivamente la oxidación del hidrógeno y la reduccióndel oxígeno, y por un electrolito (que puede ser un mediotanto ácido como básico) que permite el intercambio delos iones que generan ambas reacciones. Uniendo cadados celdas existe un elemento de unión, denominadonormalmente placa bipolar (que además facilita lacanalización de los gases) que permite la circulación delos electrones, que pasando por el circuito externo,completan las reacciones.
APLICACIONES DEL
HIDRÓGENO
Pilas de Combustible Entre las ventajas generales de las pilas de combustible, cabe destacar:
Su buen rendimiento, en torno al 40 o 50% y con posibilidades de mejora.
Este rendimiento, a diferencia de otros sistemas, es relativamente alto para distintaspotencias en un mismo sistema (es decir funcionando tanto a plena potencia como a cargasparciales), lo que permite ajustar la producción a la demanda sin sacrificar la eficiencia.
Asimismo, el rendimiento es bueno independientemente del tamaño del sistema (adiferencia de los sistemas térmicos, en los que el rendimiento mejora con el aumento deescala).
Son sistemas con muy poca inercia, que pueden seguir casi al instante la curva dedemanda.
Tienen un carácter modular, lo que significa por un lado un aumento de la fiabilidad a la vezque una reducción de costes, y por otro que las plantas se pueden construir en poco tiempoy pueden aumentar o disminuir la potencia sin cambiar su diseño. Además se puedeconseguir una muy alta disponibilidad, ya que la parada de un módulo no supondría laparada del sistema completo.
Al carecer de partes móviles, las pilas de combustible son silenciosas, no producenvibraciones (estas afirmaciones no son válidas para algunos de los componentes auxiliares),y por ello, en teoría, requieren poco mantenimiento.
APLICACIONES DEL
HIDRÓGENO
Pilas de Combustible
APLICACIONES DEL
HIDRÓGENO
Pilas de Combustible
APLICACIONES DEL HIDRÓGENO
MOTORES DE COMBUSTIÓN DE
HIDRÓGENO
-Motor Ford H2ICE (motor de combustión interna de hidrógeno):cuatro cilindros de 2,3 litros que desarrolla 110CV. >Hidrógeno gaseoso almacenado a 350 bares en tanques de 119L (equivale a 2,75kg de hidrógeno. Autonomía de unos 200 km).>El hidrógeno entra a 5,5 bares en el interior del motor. Un turbo compresor comprime el aire de admisión e incrementa la masa del la mezcla de combustible (el hidrógeno es muy poco denso).>Durante la compresión, el aire se calienta y es necesario enfriarlo mediante intercambiadores. El aire comprimido y enfriado se introduce en el motor y se combina con el hidrógeno en los cilindros.
MOTORES DE COMBUSTIÓN DE
HIDRÓGENO
VentajasNo contamina.El combustible es renovable.Es ecológico.Hace menos ruido.Tiene mas rendimiento.
Inconvenientes-Es muy caro.No tiene lugar para maletero.Es monoplaza.Autonomía 200km.Una menor potencia(100CV)
Ford H2ICE
COCHES CON PILA DE
COMBUSIBLE DE H2
El hidrógeno se almacena en un depósito (o tanque) y gracias a la pila de combustible se obtiene energía eléctrica para hacer funcionar el motor eléctrico que moverá las ruedas.La pila de combustible (también llamada célula o celda de combustible) recibe hidrógeno y aire (para aprovechar el oxígeno de este), y mediante un proceso electroquímico genera energía eléctrica, agua (que se evacúa en forma de vapor) y algo de nitrógeno. Estas emisiones no son contaminantes y por eso se habla de vehículo de cero emisiones locales.El rendimiento es de entre el 50% y el 60%. La pila de combustible es pesada y muy costosa (se emplea platino o paladio para recubrir las placas de los electrodos). En ocasiones el vehículo puede llevar también una batería (normalmente de iones de litio) para acumulación de electricidad (pero más pequeña que si fuera un vehículo eléctrico “puro”).
COCHES CON PILA DE
COMBUSIBLE DE H2
COCHES CON PILA DE
COMBUSIBLE DE H2
Coste del hidrógenoUn kilo de hidrógeno cuesta 12 euros(es cierto que en otros países
como Alemania es algo más barato, unos ocho euros el kilo).Un kilo de hidrógeno energéticamente equivale a unos 2,8 kg de gasolina (1 kg de gasolina son aproximadamente 1,4 litros). Al precio actual de la gasolina (1,35 euros/litro) un kilo serían 1,89 euros. El hidrógeno parece más caro. Comparémoslo con un coche de gasolina actual muy eficiente, por ejemplo un Toyota Prius III, que tiene un consumo mixto de 3,9 l/100 km (en kilos serían 2,81). Hacer 100 km con gasolina cuesta 5,27 euros, 100 km con hidrógeno cuesta 12 euros. Con electricidad serían 2,38 euros (y solo 1,04 euros por la noche o casi gratis si tenemos paneles solares fotovoltaicos en casa).
Datos de diciembre 2014
