articulo hidrogeno

El hidrgeno:un vector energticono contaminante

Alumna: Lara Delgado Carolina

Resumen

Hidrgeno - Transporte - Energa

El hidrgeno es visto por muchos expertos como uno de los medios ms importantes de transformacin de energa del prximo siglo. Proporcionando un ciclo de energa cerrado, el hidrgeno, como una fuente de energa renovable, potencia un desarrollo sostenible en el sector del transporte. Los vehculos que usan como

carburante el hidrgeno ofrecen la posibilidad de reducir tanto las emisiones locales como las emisiones globales (efecto invernadero) lo que consolida su potencial como combustible en los sistemas de transporte futuros, que inevitablemente tienen que estar basados en las fuentes de energa renovables.

Abstract

The hydrogen is seen by many experts as one of the most important means in transformation of energy of next century. Providing a closed energy cycle, the hydrogen, like a source of renewable energy, power a sustainable development in the sector of the transport. The vehicles

that use as fuel the hydrogen offer the possibility to reduce as much the local emissions as the global emissions (of effect hothouse) what consolidates their potential as fuel in the systems of transport futures that inevitably have to be based on the renewable energy sources.

Revista Transporte, Desarrollo y Medio AmbienteVol 25 No.1 2005(54) 26

IntroduccinLa disminucin progresiva de las reservas de combustibles fsiles y los problemas de contaminacin ambiental asociados a su combustin, han atrado la atencin de los investigadores hacia la bsqueda de vectores energticos alternativos para la automocin. El hidrgeno es uno de estos vectores, con grandes ventajas ambientales. Es un combustible limpio cuando se quema con aire y produce emisiones no contaminantes, excepto para algunas relaciones H2/aire, donde la temperatura elevada de la llama produce con- centraciones significativas de NOx en la combustin. Adems de la combustin directa, recientemente se ha empezado a desarrollar una tecnologa basada en pilas de combustibles en las que se transforma la energa qumica, almacenada en el enlace H-H de la molcula H2, en energa elctrica y vapor de agua[1].Para tener una idea de la magnitud del problema,basta examinar el crecimiento experimentado por el parque automovilstico mundial. As, mientras la poblacin humana se ha duplicado desde 1950, el nmero de automviles se ha multiplicado por siete. En los pases ms desarrollados la velocidad de crecimiento del parque

automovilstico se espera que se estabilice alrededor del1% por ao, aunque la distancia media a recorrer aumente con mayor velocidad (en Estados Unidos puede alcan- zar un 4% por ao).A ello se debe aadir el crecimiento explosivo que est experimentando el trfico rodado en algunos pases. Por ejemplo, para el ao 2010 en China este crecimiento se estima que aumente noventa veces con respecto al de1990, mientras que en la India el crecimiento estimado en el mismo perodo es de 35 veces. Como promedio, el parque de automviles se duplicar en los prximos 20 aos[2].La cuestin inmediata que se plantea es cmo se pue- den mitigar los efectos contaminantes del incremento progresivo del trfico rodado. Las emisiones en los gases de escape de los motores, tales como hidrocarburos no quemados (HC), monxido de carbono (CO) y xido de nitrgeno (NOx) son las responsables de problemas de contaminacin localizados. En los ltimos aos los cons- tructores de automviles han ido incorporando converti- dores catalticos poscombustin, con el objetivo de reducir las emisiones contaminantes localizadas. Estos dispositivos catalticos, denominados de tres vas (TWC,Dr. F. Arvelo Valencia

"three way catalysts"), son muy eficientes puesto que eli- minan entre el 90-95 % ce las emisiones CO, NOx, y HC[3].La emisin ms importante es el dixido de carbono (CO2), an no regulada, pero se espera influir sobre ella a medio plazo, debido a su implicacin en el efecto invernadero global de la atmsfera, relacionado con el cambio climtico.La forma ms simple de reducir las emisiones de CO2 producidas por el trfico rodado, es aumentar la eficiencia de los motores desde sus niveles actuales de 12-15 %, mediante la mejora de los diseos de los motores de combustin y la estructura del propio vehculo. Adems, est surgiendo con fuerza una tecnologa alternativa, basada en un motor elctrico alimentado por una pila de combustible. Este concepto nuevo ofrece ventajas sustanciales sobre la tecnologa clsica de combustin, no solamente por el aumento de la eficiencia hasta niveles de30-40 %, sino tambin porque la nica emisin produci- da es vapor de agua.La eficiencia intrnseca elevada de las pilas de combustible radica en que, como en un reactor electroqumi- co, produce esencialmente energa elctrica cuando convierte el hidrgeno y el oxgeno en vapor de agua a temperatura baja. Por el contrario, en un motor de combustin interna, la mayor parte de la energa generada en la combustin se pierde como calor, que se cede al medio ambiente, y una fraccin muy pequea de esa energa se convierte en energa mecnica til.Conscientes del impacto de esta tecnologa emergente en el sector de la automocin, los fabricantes de automviles (Mercedes, Toyota, Volswagen, Volvo, Fiat, etc) vie- nen concentrando esfuerzos, desde 1996, con el objetivo de desarrollar automviles elctricos o hbridos basados en pilas de combustible. En 1997 Daimler-Benz y Toyota han presentado sus primeros modelos experimentales de automviles elctricos, en los que la energa elctrica se produce en un pila de polmero slido (SPFC, "solid- polymer fuel cell). El prototipo de Daimler-Benz (Mer- cedes Class A) est alimentado completamente por una pila SPFC, mientras que el de Toyota (Rav 4) usa un sis- tema hbrido pila de combustible/bateria. En ambos casos, se utiliza metanol lquido, como fuente de hidrgeno, que debe procesar por va cataltica a bordo del propio automvil para generar el hidrgeno gaseoso que consume la pila de combustible.El concepto de generar hidrgeno a bordo del propio automvil durante la conduccin, parece la res- puesta idnea al problema de disponer hidrgeno gaseoso de forma cmoda, econmica y segura. Sin embargo, la eleccin del combustible generador de hidrgeno an est sujeta a debate. Algunas compaas, como las mencionadas Daimler-Benz y Toyota, han optado por el metanol. Ello se debe a que el metanol es el tercer producto qumico de partida, despus del etileno y el amonaco, con una produccin superior a los 25 MTm, bastante superior a la demanda actual[4]. Otras compaas consideran la propia gasolina o el Diesel como fuentes idneas de hidrgeno. As, Arthur D. Little ha construido recientemente una pila de combustible compacta, alimentada por el hidrgeno gene- rado en el proceso de oxidacin parcial de la gasolina con aire. Varias tecnologas de procesamiento de com-

bustible estn diseadas y basadas en la oxidacin parcial y en el reformado de metanol con vapor de agua.

Tecnologas emergentesLa posibilidad de alimentar hidrgeno gaseoso como combustible en automocin ha focalizado la atencin, debido a que reduce la formacin de contaminantes durante la combustin: solamente se forma H2O y cantidades mnimas de NOx cuando se utiliza aire como oxi-dante, pero no se forman xidos de carbono. Los ensayosrealizados con un motor provisto de un solo cilindro y utilizando bien isooctano puro o H2 gaseoso, revelaron dife- rencias sustanciales[5].La operacin con H2 gaseoso se estudi en regiones muy amplias de la relacin H2/aire. Se observ que, en condiciones de alimentacin correspondientes a relaciones de equivalencia inferiores a 0.55, las emisiones de NOx resultaron extraordinariamente bajas. A ello hay queaadir la mayor eficiencia trmica del hidrgeno que delisooctano o la gasolina, debido a que la combustin delH2 es ms fcil en exceso de aire y tambin permite el uso de relaciones de compresin ms elevadas. Es decir,los automviles que utilizan H2 como combustible son22% ms eficientes que los movidos por gasolina[6].Tal como se ha indicado en el aparato anterior, la produccin de hidrgeno a bordo del automvil, a partir de metanol para su consumo in situ, es la alternativa ms idnea. El hidrgeno puede obtenerse por tres vas catalticas diferentes, a partir del metanol: (i) oxidacin parcial con oxgeno o aire (Ec. 1); (ii), reformado con vapor de agua (Ec. 2); y (iii), descomposicin (Ec. 3):De estas tres alternativas, la oxidacin parcial (Ec. 1) ofrece algunas ventajas claras con respecto al reformado con vapor, por cuanto utiliza aire en vez de vapor y es una reaccin exotrmica, por lo que no requiere un aporte de energa externa durante la operacin. Estas ventajas se contrarrestan con la produccin de una cantidad de hidrgeno menor (la relacin molar estequiomtrica H2/CO de la reaccin de oxidacin parcial es 2, mientras que en el reformado con vapor es 3). Los productos gaseosos resul- tantes de la reaccin de reformado con vapor (Ec. 2) tienen un 8% ms de poder calorfico que el metanol puro, lo que significa que la eficiencia trmica del reactor es108%. Adems, cuando se compara este poder calorfico con el de metanol lquido esta eficiencia alcanza114%[7].Esto slo es posible mediante la recuperacin de una parte del calor de los gases de escape que se utiliza para vencer la endotermicidad de la reaccin de reformado. Estos valores representan una situacin idealizada ya que la composicin de los gases a la salida del reformador depende del tiempo de permanencia, de la temperatura, de la presin, de la relacin O2/CH3OH en la alimentacin y del tipo de catalizador.Para tener una idea del estado y del alcance de estas tecnologas, en la Figura 1 se representa la selectividad a H2 alcanzada sobre diferentes catalizadores que operan con una relacin O2/CH3OH = 0.3 en la alimentacin[8]. Se observa que la selectividad a H2 aumenta conforme lo hace la conversin de metanol, alcanzando selectividad prcticamente total para conversiones prximas al 80 %. Adems, para un determinado catalizador la selectividad a CO disminuye conforme aumenta la conversin. Resul-


Hidrgeno - Transporte - Energa

Fig.1. Selectividad de H2 en funcin de la conversin de CH30H sobre varios catalizadores: () 1% Pd/ZnO; (z) 1% Pd/ZrO. Para comparacin se incluye un catalizador comercial Cu/ZnO de sntesis de metanol ( )

elctrica para accionar el motor del automvil. El metanol se transforma en una mezcla de hidrgeno y dixido de carbono, en un primer reactor, mediante un proceso catal- tico. La mezcla resultante contiene pequeas cantidades de monxido de carbono, producto no slo de la contribucin de la reaccin de descomposicin (Ec. 3), sino tambin de la reaccin inversa del gas de agua: H2 + CO2 = H2O + CO (4)El CO producido, an en cantidades muy pequeas, se debe reducir hasta niveles de mg/litro en la corriente gaseosa que alimenta la pila, puesto que el CO es un veneno de la funcin metlica que acta como electrocatalizador en el nodo de la pila. Las alternativas propuestas para reducir o eliminar, el CO de esta corriente se basan tanto en procesos qumicos como fsicos. Dentro de estas alternativas, la oxidacin cataltica selectiva de CO parece muy atractiva. Sin embargo se debe resaltar el hecho de que la oxidacin del CO se debe


ta evidente que la incidencia de la catlisis debe estar en la direccin del desarrollo de sistemas y configura- cin del reactor que mejoren la conversin, al tiempo que rebajen los niveles de CO [9,10].La oxidacin parcial de metanol (Ec. 1) tiene una eficiencia trmica prxima a 82,5 % debido a que se trata de un proceso exotrmico. Esta desventaja puede salvarse mediante la combinacin de los procesos de reformado con vapor (endotrmico) y oxidacin parcial (exotrmico), con un balance energtico prcticamente nulo y ptima eficiencia. Este proceso puede llevarse a cabo tanto en ausencia, como en presencia, de catalizadores. El proceso no catalti-

co requiere de temperaturas muy elevadas para conseguir las conversiones y distribuciones de productos que predice el equilibrio termodin- mico. En cambio los catalizadores realizan la reaccin a temperaturas mucho ms bajas. Los metales del Grupo 8, tales como Cu, Ni, Pd y Pt, han resultado activos en la formacin del metanol, aunque el Pt y el Pd son menos selectivos en el reformado con vapor, y producen princi- palmente los productos de descomposicin H2 y CO (Ec. 3).En la Figura 2 se ilustra,mediante un esquema sencillo, el ensamblaje de los procesos indivi- duales, que integran dispositivos completo de produccin de energa

producir sin que el agente oxidante (aire) logre la oxidacin del H2, principal componente de la corriente gaseosa que alimenta la pila.

DesarrolloEl proceso de oxidacin parcial de metanol con oxgeno o aire se viene estudiando con intensidad en los ltimos aos, con el objetivo de implantar esta tecnologa en los automviles elctricos, aunque todava se requieren esfuerzos importantes. En primer lugar, se deben desarrollar sistemas catalticos que operen a temperaturas sufi- cientemente bajas, al mismo tiempo que sean altamente selectivos hacia H2 y CO2. El trabajo reciente realizado con catalizadores Cu/ZnO [9, 10] y Pd/ZnO [8] ha mostrado que se alcanzan concen- traciones elevadas de H2 a la salida del reactor, aunque siempre estn presentes cantidades pequeas de H2O y CO.Resulta obvio que la informa- cin de CO, en proporciones variables, depende de las variables de operacin y de la composicin qumica y estructura de las fases acti- vas de los sistemas cataltcos. Puesto que el CO es un veneno de los electrocatalizadores de la pilaFigura 2. Esquema simplificado del generador de H2-purificador y la pila de combustible

SPFC, cuando se encuentra en con-Dr. F. Arvelo Valencia

centraciones superiores a 40 ppm, los gases de salida del reactor de oxidacin parcial de metanol deben purificarse. Las opciones de eliminacin de CO inclu- yen la metanacin, oxidacin y la separacin con membranas, aunque ninguna de ellas resulta plena- mente satisfactoria. La reaccin de metanacin del CO consume cantidades importantes de H2 (se necesitan al menos 3 moles de H2 por cada mol de CO). Obvia- mente, la proporcin de H2 consumido en la metanacin del CO impureza, aumenta drsticamente cuando lo hace la concentracin de CO en la corriente de H2, y en el caso extremo, el hidrgeno puede consumirse en su totalidad si tambin se metana el CO2 de la corriente.Otra opcin que debe explorarse es la utilizacin de etanol en lugar de metanol como fuente de hidrgeno. No hay duda que la molcula C2H5OH introdu- ce una complejidad mayor que la de metanol en el proceso de reformado. La reaccin de oxidacin parcial viene complicada por la posibilidad de que se formen productos intermedios oxidados, tales como acetaldehdo, cido actico, formaldehdo, cido fr- mico y dimetilter, compuesto que, por otra parte, raramente se detectan en la oxidacin parcial de

metanol. Es en este punto donde la contribucin de la catlisis e ingeniera deben aportar respuestas efecti- vas. La optimizacin de la relacin O2/etanol y presencia de vapor de agua deben desempear un papel esencial en la eliminacin de los compuestos de oxidacin parcial.

Revista Transporte, Desarrollo y Medio AmbienteVol 25 No.1 2005(54)Se estn alcanzando resultados satisfactorios con el uso de aleaciones de metales de transicin (Pd-Pt, Pd- Ni), capaces de catalizar la oxidacin selectiva de CO a CO2, pero al mismo tiempo, no oxidan de forma sig- nificativa el H2 a H2O. No hay duda que los desarrollos con mayor incidencia sobre esta tecnologa deben venir con la incorporacin de membranas porosas. La separacin del H2 de la corriente gaseosa que llega del reformador de metanol mediante una membrana, dise- ada de forma especfica con un tamao de poro tan ajustado como para dejar pasar a travs de la red poro- sa solamente las molculas de H2 pero no las de CO2 y CO, parece una alternativa simple y elegante. No obstante, la fabricacin de membranas inorgnicas y poli- mricas con una porosidad muy bien definida, con dimensiones de poro de unas dcimas de nm y distri- bucin de tamaos de poro muy estrecha, es uno de los retos planteados.

Conclusiones

La nueva tecnologa esbozada aqu, que utiliza el hidrgeno como nuevo vector energtico, abre unas posi- bilidades enormes en automocin. La produccin a bordo del propio vehculo durante la conduccin, utilizando procesos catalticos de oxidacin de metanol, tiene unas ventajas claras frente a la tecnologa establecida de los motores de combustin interna.Por una parte, la eficiencia del motor elctrico es sus- tancialmente ms elevada que la de un motor trmico, estimada entre 2-3 veces superior. Por otra parte, la operacin del proceso global, esbozada esquemticamente en la Figura 2, se realiza a temperaturas bajas, tpicamente120-240 oC, muy inferiores a las temperaturas y a las

condiciones de trabajo de los motores de combustin interna, en los que se producen cantidades sustanciales de NOx y CO. La particularidad de esta nueva tecnologa de oxidacin de hidrgeno a baja temperatura en una pila de combustible, de incrementar la eficiencia y de disminuir las emisiones gaseosas, la perfila como una opcin extraordinariamente atractiva con ventajas energticas y medioambientales evidentes. No obstante, por tratarse de una tecnologa emergente, cabe esperar, y se deben producir, desarrollos importantes, tanto en la integracin energtica de los diferentes procesos implicados, como en la implementacin de las tecnologas catalticas y elec- trocatalticas existentes.

Bibliografa

[1] Pea, M. A.; J.P. Gmez; J.L.G. Fierro. Appl. Catal. A: General 144 (1996).[6]Veziroglu, T.N.; F. Barbir. Int. J. HydrogenEnergy 17 (1992) 391.

29

[2] Riley, R.Q. Alternative cars in the 21st Century,[7]Jamal, Y; M.L. Wyszynski. Int. J. Hydrogen

SAE. Warrendale, USA, 1994.Energy 19 (1994) 557.

[3] Gulati, S.T., "Advanced Three-Way Converter for[8]Cubeiro, M.L.; J.L.G. Fierro; J. Catal (1998), en

High Temperature Exhaust Aftertreatment", SAEprensa; Cubeiro, M.L.; Fierro, J.L.G., Appl. Catal. A:

970265, 1997.General 168 (1998) 307.

[4]Cheng, W.; H.H. Kung. Methanol Production and[9]Alejo, L.; M.A. Pea; J.L.G. Fierro. Appl. Catal. A:

Use. Marcel Dekker, New York, 1994.General 162 (1992) 281

[5]Stebar, R.F.; F.B. Parks. SAE Transaction Paper[10]Alejo, L.; R. Lago; M.A. Pea; J.L.G. Fierro. en Proc.

740187. Vol. 83, Section 1, GM Research Laborato-3rd World Congress on Oxidation Catlisis, R.K. Grasse-

ries. Artculo presentado en SAE Automotive Engine-lli, S.T. Oyama, A.M. Gaffney; J.E. Lyons, Eds, Elsevier

ering Congress, Detroit (M), 25 febrero-1 marzo,Science Publisher, msterdam, 1997, Vol. 110, p.623.

1974

Cd. 04/857

Funcin de la conversinCombustible en los sistemas de transporte futuros, que inevitablemente tienen que estar basados en las fuentes de energa renovablesEs un Estecnologa de oxidacin de hidrgeno a baja temperatura , incrementar la eficiencia y disminuye las emisiones gaseosas.La APLICACIONES Tiene diversos usos en las reacciones nuclearesLa obtencin de amoniaco (NH 3 ) como producto de limpieza y fertilizanteComo combustible espacial.Para la obtencin de metales con cidosCombustibleUSOS ACTUALESGeneracin de electricidadSe obtiene por Ventajas Su produccin requiere de calor de temperatura elevada o de electricidad producidos por otra fuente de energaLa produccin de hidrgeno mediante cualquier mtodo requiere ms energa de la que se libera cuando arde o se quemasolo existen cantidades mnimas o trazas del gas en la naturaleza.La combustin del hidrgeno con el aire es limpia, evitando as la contaminacin del medio ambiente.No libera dixido de carbonoEl hidrgeno es un combustible extrado del agua, la cual es un recurso muy abundanteEL hidrogeno vector energtico no contamnate

Desventajas un vector energtico que puede obtenerse a partir de cualquier fuente de energa y aguaesun gas muy poco denso a temperatura ambienteAlmacenamientoElectrlisisBiomasa Reformacin de Gas NaturalENERGAS RENOVABLESBioetanol

articulo hidrogeno

Documents