Energía del Hidrógeno - Contenido

El Hidrógeno

Métodos de producciónAlmacenamiento de Hidrógeno

Celdas de Combustible

FuncionamientoTipos de celdas

Hidrógeno Solar

Conclusiones

El Hidrógeno

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 .

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.

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

Diesel 42.7 29890

Metanol 19.6 15630

Gas natural 50.02 31.7

Hidrógeno 119.9 10

Contenido energético dediversos carburantes

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.

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.

El hidrógeno tiene una densidad energética en masa 3 veces superior a la de la gasolina.

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.

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 a los combustibles fósiles :

Baja densidad energética en base volumétrica. Se requieren tanques contenedores grandes y pesados.

Transporte y almacenamiento costosos y de implementación compleja.Combustible secundario: se debe consumir energía para conseguirlo a partir de las

distintas materias primas (agua, biomasa, combustibles fósiles), ya que no existe en estado elemental.

Desventajas frente a los combustibles fósiles :

Baja densidad energética en base volumétrica. Se requieren tanques contenedores grandes y pesados.

Transporte y almacenamiento costosos y de implementación compleja.Combustible secundario: se debe consumir energía para conseguirlo a partir de las

distintas materias primas (agua, biomasa, combustibles fósiles), ya que no existe en estado elemental.

El Hidrógeno – Producción Actual

A partir de hidrocarburos:

• Reformado con vapor: el hidrocarburo es tratado con vapor de agua a temperaturas entre 700 y 1100 ºC. El proceso se realiza en dos fases:1ª fase: CH4 + H2O ⇒ CO + 3H22ª fase: CO + H2O ⇒ CO2 + H

• Oxidación parcial: reacción de combustión entre 1300 y 1500 ºCCH1,4 + 0,3 H2O + 0,4 O2 ⇒ 0,9 CO + 0,1 CO2 + H2.

A partir de hidrocarburos:A partir de hidrocarburos:

•• Reformado con vapor:Reformado con vapor: el hidrocarburo es tratado con vapor de agua a temperaturas entre 700 y 1100 ºC. El proceso se realiza en dos fases:1ª fase: CH4 + H2O ⇒ CO + 3H22ª fase: CO + H2O ⇒ CO2 + H

•• OxidaciOxidacióón parcial:n parcial: reacción de combustión entre 1300 y 1500 ºCCH1,4 + 0,3 H2O + 0,4 O2 ⇒ 0,9 CO + 0,1 CO2 + H2.

A partir del agua:

• Electrólisis: proceso mucho más caro que el reformado con vapor. Produce hidrógeno de gran pureza, que se utiliza en la industria electrónica, farmacéutica o alimentaria.

A partir del agua:A partir del agua:

•• ElectrElectróólisis: lisis: proceso mucho más caro que el reformado con vapor. Produce hidrógeno de gran pureza, que se utiliza en la industria electrónica, farmacéutica o alimentaria.

Hoy en día aproximadamente el 96% del hidrógenose obtiene a partir de combustibles fósiles.Hoy en día aproximadamente el 96% del hidrógenose obtiene a partir de combustibles fósiles.

Gas natural48%

Carbón18%

petróleo30%

electrólisis4%

El Hidrógeno – AlmacenamientoAlmacenamiento en forma gaseosa:

• El hidrógeno se almacena a alta presión (P > 20 Mpa).• Requiere depósitos pesados y voluminosos.• Plantea problemas de seguridad. • No resulta competitivo debido a su elevado coste.

Almacenamiento en forma gaseosa:Almacenamiento en forma gaseosa:• El hidrógeno se almacena a alta presión (P > 20 Mpa).• Requiere depósitos pesados y voluminosos.• Plantea problemas de seguridad. • No resulta competitivo debido a su elevado coste.

Almacenamiento en forma líquida:• El hidrógeno se almacena en estado líquido en recipientes criogénicos.• Requiere alcanzar temperaturas de almacenamiento muy bajas (21,2 K).• El coste es elevado. Indicado sólo para aplicaciones donde el coste del hidrógeno no sea un factor

crítico y éste sea consumido en cortos periodos de tiempo (por ejemplo, en aplicaciones aeroespaciales).

Almacenamiento en forma lAlmacenamiento en forma lííquida:quida:• El hidrógeno se almacena en estado líquido en recipientes criogénicos.• Requiere alcanzar temperaturas de almacenamiento muy bajas (21,2 K).• El coste es elevado. Indicado sólo para aplicaciones donde el coste del hidrógeno no sea un factor

crítico y éste sea consumido en cortos periodos de tiempo (por ejemplo, en aplicaciones aeroespaciales). Combinación química (hidruros metálicos):

• Diversos metales de transición y sus aleaciones pueden ser utilizados para almacenar hidrógeno en forma de hidruros metálicos.

• El principal inconveniente es el elevado peso del sistema de almacenamiento, como consecuencia de los bajos niveles de retención de hidrógeno que se consiguen (< 2% a temperaturas inferiores a 423 K).

CombinaciCombinacióón qun quíímica (hidruros metmica (hidruros metáálicos):licos):• Diversos metales de transición y sus aleaciones pueden ser utilizados para almacenar hidrógeno en

forma de hidruros metálicos.• El principal inconveniente es el elevado peso del sistema de almacenamiento, como consecuencia de

los bajos niveles de retención de hidrógeno que se consiguen (< 2% a temperaturas inferiores a 423 K).

Adsorción en sólidos porosos (nanoestructuras de carbono):• Se está estudiando la utilización de nanoestructuras de carbono con elevada superficie específica como

medio de almacenamiento. • Sería una forma segura y sencilla de almacenar el hidrógeno sin usar altas presiones.

AdsorciAdsorcióón en sn en sóólidos porosos (lidos porosos (nanoestructurasnanoestructuras de carbono)de carbono)::• Se está estudiando la utilización de nanoestructuras de carbono con elevada superficie específica como

medio de almacenamiento. • Sería una forma segura y sencilla de almacenar el hidrógeno sin usar altas presiones.

El Hidrógeno Métodos futuros de producción

Fotoelectrólisis:Indirecta: Paneles fotovoltaicos + radiación solar.Directa: Celdas foto electroquímicas (material semiconductor) + radiación solar.

FotoelectrFotoelectróólisislisis::Indirecta:Indirecta: Paneles fotovoltaicos + radiación solar.Directa:Directa: Celdas foto electroquímicas (material semiconductor) + radiación solar.

Producción fotobiológica:Ciertas bacterias y algas verdes pueden producir hidrógeno, utilizando únicamente luz solar, agua y una enzima llamada hidrogenasa.

ProducciProduccióón n fotobiolfotobiolóógicagica::Ciertas bacterias y algas verdes pueden producir hidrógeno, utilizando únicamente luz solar, agua y una enzima llamada hidrogenasa.

A partir de biomasa:Gasificación: Combustión incompleta de la biomasa entre 700 y 1200ºC.

Productos: H2, CH4, CO.Pirólisis: Combustión incompleta en ausencia de oxígeno, a unos 500 ºC

Productos: H2, CO, CO2 e hidrocarburos ligeros.

A partir de biomasa:A partir de biomasa:GasificaciGasificacióón:n: Combustión incompleta de la biomasa entre 700 y 1200ºC.

Productos: H2, CH4, CO.PirPiróólisis:lisis: Combustión incompleta en ausencia de oxígeno, a unos 500 ºC

Productos: H2, CO, CO2 e hidrocarburos ligeros.

Ciclos termoquímicos:Consisten en una combinación de reacciones químicas a alta temperatura que producen la

disociación de la molécula de agua. Se han alcanzado eficiencias del 40%.Para realizar los ciclos termoquímicos se puede emplear energía nuclear o solar.

Ciclos termoquCiclos termoquíímicosmicos::Consisten en una combinación de reacciones químicas a alta temperatura que producen la

disociación de la molécula de agua. Se han alcanzado eficiencias del 40%.Para realizar los ciclos termoquímicos se puede emplear energía nuclear o solar.

El Hidrógeno Métodos futuros de producción

HidrHidróógenogeno

Combustibles fósiles:Hidrocarburos:

- Reformado- Oxidación parcial

Carbón:- Gasificación

Combustibles fCombustibles fóósiles:siles:Hidrocarburos:Hidrocarburos:

-- ReformadoReformado-- OxidaciOxidacióón parcialn parcial

CarbCarbóón:n:-- GasificaciGasificacióónn

Biomasa:- Gasificación.- Pirólisis.

Biomasa:Biomasa:-- GasificaciGasificacióón.n.-- PirPiróólisis.lisis.

ElectrólisisElectrElectróólisislisis

Producción fotobiológicaProducciProduccióón n fotobiolfotobiolóógicagica

Ciclos termoquímicosCiclos termoquCiclos termoquíímicosmicos

¿ Otros ?¿¿ Otros ?Otros ?

Fotoelectrólisis:- Directa.- Indirecta.

FotoelectrFotoelectróólisislisis::-- Directa.Directa.-- Indirecta.Indirecta.

El Hidrógeno Celdas de Combustible

Elementos bElementos báásicossicos de una celda de combustiblecelda de combustible:

Dos electrodosDos electrodos (ánodo y cátodo).ElectrolitoElectrolito: sustancia encargada de transportar los iones producidos en lasreacciones redox.El electrolito a veces se utiliza acompañado de un catalizadorcatalizador.HH22 y Oy O22, utilizados como combustible y oxidante respectivamente.

Pila de combustibleHidrógeno + Oxígeno → Electricidad + agua

ElectrólisisElectricidad + agua → Hidrógeno + Oxígeno

La celda de combustiblecelda de combustible es un dispositivo que produce electricidad y agua mediante un proceso inverso a la electrólisis.

Estructura típica de una celda de combustible

El Hidrógeno Funcionamiento de Celdas de Combustible

1) En el ánodo tiene lugar la oxidación del combustible: las moléculas de hidrógenose disocian en protones y electrones.

2) El electrolito permite el paso de los protones,e impide el paso de los electrones.

3) Los electrones generan corriente eléctrica asu paso por un circuito externo.

4) En el cátodo se produce una reacción dereducción: electrones y protones se combinancon el oxígeno para formar agua.

Celda de combustible

Pila de combustible PEM

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.

OH2e2HO21

22 →++ −+

−+ +→ 2e2HH2

El Hidrógeno Características de las Celdas de Combustible

Diferencias entre celdas de combustible y baterDiferencias entre celdas de combustible y bateríías:as:

Las Las baterbaterííasas son dispositivos de almacenamiento de energson dispositivos de almacenamiento de energíía. La produccia. La produccióón de n de energenergíía cesa cuando se consumen los reactivos qua cesa cuando se consumen los reactivos quíímicos almacenados dentro micos almacenados dentro de la baterde la bateríía. No pueden proporcionar un flujo continuo de energa. No pueden proporcionar un flujo continuo de energíía ela elééctrica.ctrica.

En En las las celdas de combustibleceldas de combustible, tanto el combustible como el oxidante proceden, tanto el combustible como el oxidante procedende una fuente externa, y permiten generar corriente elde una fuente externa, y permiten generar corriente elééctrica de manera casictrica de manera casiindefinida, en la medida en que pueda suministrarse combustible indefinida, en la medida en que pueda suministrarse combustible de forma de forma continuada.continuada.

Diferencias entre celdas de combustible y dispositivos de combusDiferencias entre celdas de combustible y dispositivos de combustitióón interna.:n interna.:

•• Los Los dispositivos de combustidispositivos de combustióón internan interna se basan en la conversise basan en la conversióón de energn de energíía a ttéérmica en energrmica en energíía meca mecáánica. La eficiencia de este proceso estnica. La eficiencia de este proceso estáá limitado por limitado por el Ciclo de el Ciclo de CarnotCarnot..

•• Las Las celdas de combustibleceldas de combustible convierten directamente la energconvierten directamente la energíía qua quíímica en energmica en energíía a elelééctrica. Desde el punto de vista termodinctrica. Desde el punto de vista termodináámico este proceso es mucho mmico este proceso es mucho máás s eficienteeficiente.

El Hidrógeno Rendimiento de las Celdas de Combustible

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡ ⋅+=][

][][ln2 2

2/122

0 OHCOCHC

FRTEE

El potencial elEl potencial elééctrico idealctrico ideal generado por una celda de combustible viene dado por la ecuación de Nernst:

E: Potencial eléctrico de la pila (volts.)Eo: Potencial redox estándar( T=25º C , 1 Molar)R: Cte. de los gases (8.31 J/Kmol)T: Temperatura absoluta (K)F: Cte. de Faraday (96.6 kJ/mol)C[ ]: Concentraciones molares de reactivos y productos

E: Potencial eléctrico de la pila (volts.)Eo: Potencial redox estándar( T=25º C , 1 Molar)R: Cte. de los gases (8.31 J/Kmol)T: Temperatura absoluta (K)F: Cte. de Faraday (96.6 kJ/mol)C[ ]: Concentraciones molares de reactivos y productos

La ecuaciLa ecuacióón de n de NerstNerst permite calcular el potencial ideal de una celda de combustiblepermite calcular el potencial ideal de una celda de combustibleen funcien funcióón de la temperatura y de las concentraciones de reactantes y pron de la temperatura y de las concentraciones de reactantes y productos.ductos.

El Hidrógeno Rendimiento de las Celdas de Combustible

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 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 los contactos.

• Polarización de concentración: se producen gradientes de concentración (por difusión o convección) que disminuyen la actividad del electrodo.

El potencial realEl potencial real de la celdade la celda es inferior al ideal, debido a las pérdidas por polarización:

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• PolarizaciPolarizacióón de concentracin de concentracióónn: se producen gradientes de concentración (por difusión o convección) que disminuyen la actividad del electrodo.

Curva de polarización típica de una celda de combustible

Para densidades de corriente bajas,dominan las pérdidas por polarizaciónde activación.

En un rango intermedio de densidadesde corriente prevalece polarizaciónóhmica, y la variación de V es lineal(región de Tafel).

Para densidades de corriente altas, aumentan las pérdidas por polarizaciónde concentración.

El Hidrógeno Tipos de Celdas de Combustible

El Hidrógeno Celdas de Combustible PEM

Las pilas PEM usan como electrolito un polímerosólido.

Utilizan un catalizador de platino.

Las pilas PEM usan como electrolito un polímerosólido.

Utilizan un catalizador de platino.

Características:Temperatura: 80 ºCEficiencia (%): 32-45Potencia: 5-250 kW

Características:Temperatura: 80 ºCEficiencia (%): 32-45Potencia: 5-250 kW

Aplicaciones: Generación de energía estacionaria.Transporte (coches, autobuses).

Aplicaciones: Generación de energía estacionaria.Transporte (coches, autobuses).

Ventajas:Rapidez de arranque. Operan a relativamente bajas temperaturas (80ºC).

Desventajas:Extremadamente sensible a la contaminación por CO.

Ventajas:Rapidez de arranque. Operan a relativamente bajas temperaturas (80ºC).

Desventajas:Extremadamente sensible a la contaminación por CO.

El Hidrógeno Celdas de Combustible PAFC

Las pilas PAFC utilizan ácido fosfórico como electrolito.

Requieren un catalizador de platino.

Las pilas PAFC utilizan ácido fosfórico como electrolito.

Requieren un catalizador de platino.

Características:Temperatura: 205 ºCEficiencia (%): 36-45Potencia: 50 kW - 11 MW

Características:Temperatura: 205 ºCEficiencia (%): 36-45Potencia: 50 kW - 11 MW

Ventajas:Son menos sensibles a la contaminación por CO que las pilas PEM.

Desventajas:Gran peso y tamaño. Son caras (3500-4000 €por kilovatio)

Ventajas:Son menos sensibles a la contaminación por CO que las pilas PEM.

Desventajas:Gran peso y tamaño. Son caras (3500-4000 €por kilovatio)

Aplicaciones: Generación de energía estacionaria.Transporte (vehículos pesados).

Aplicaciones: Generación de energía estacionaria.Transporte (vehículos pesados).

El Hidrógeno Celdas de Combustible AFC

Las pilas alcalinas utilizan una solución de hidróxido de potasio en agua como electrolito.Como catalizador se pueden emplear diversos metales no preciosos.

Las pilas alcalinas utilizan una solución de hidróxido de potasio en agua como electrolito.Como catalizador se pueden emplear diversos metales no preciosos.

Características:Temperatura: 65-220 ºCEficiencia (%): > 50Potencia: 5-150 kW

Características:Temperatura: 65-220 ºCEficiencia (%): > 50Potencia: 5-150 kW

Ventajas:Alto rendimiento y eficiencia.

Desventajas:Son muy sensibles a la contaminación por CO2. Menor duración debido a su susceptibilidad a esetipo de contaminación.

Ventajas:Alto rendimiento y eficiencia.

Desventajas:Son muy sensibles a la contaminación por CO2. Menor duración debido a su susceptibilidad a esetipo de contaminación.

Aplicaciones: Aplicaciones: ambientes donde hay contaminaciónpor CO2 (espacio, fondo del mar).

Aplicaciones: Aplicaciones: ambientes donde hay contaminaciónpor CO2 (espacio, fondo del mar).

El Hidrógeno Celdas de Combustible SOFC

Las pilas de óxido sólido emplean como electrolito un componente de cerámica duro y no poroso .No necesitan catalizador.

Las pilas de óxido sólido emplean como electrolito un componente de cerámica duro y no poroso .No necesitan catalizador.

Características:Temperatura: 600-1000 ºCEficiencia (%): 43-55Potencia: 100-250 kW

Características:Temperatura: 600-1000 ºCEficiencia (%): 43-55Potencia: 100-250 kW

Aplicaciones: Sistemas estacionarios. No es adecuada para transportes o sistemas portátiles.

Aplicaciones: Sistemas estacionarios. No es adecuada para transportes o sistemas portátiles.

Ventajas:Menor coste (no necesitan catalizador).Alto rendimiento en sistemas de cogeneración (electricidad + calor)Muy resistentes a la corrosión y a la contaminación por CO.

Desventajas:Arranque lento. Las altas temperaturas afectan a la duración de los materiales de la pila.

Ventajas:Menor coste (no necesitan catalizador).Alto rendimiento en sistemas de cogeneración (electricidad + calor)Muy resistentes a la corrosión y a la contaminación por CO.

Desventajas:Arranque lento. Las altas temperaturas afectan a la duración de los materiales de la pila.

El Hidrógeno Celdas de Combustible MCFC

Las pilas de carbonato fundido utilizan un electrolito compuesto de una mezcla de sales de carbonato fundidas dispersas en una matriz cerámica porosa. Como catalizador emplean metales no nobles.

Las pilas de carbonato fundido utilizan un electrolito compuesto de una mezcla de sales de carbonato fundidas dispersas en una matriz cerámica porosa. Como catalizador emplean metales no nobles.

Características:Temperatura: 600-650 ºCEficiencia (%): 43-55Potencia: 100 kW - 2 MW

Características:Temperatura: 600-650 ºCEficiencia (%): 43-55Potencia: 100 kW - 2 MW

Ventajas:Resistentes a la contaminación por CO y CO2No necesitan reformador externo: debido a lasaltas temperaturas los combustibles se convierten en hidrógeno dentro de la propia pila, mediante un proceso de conversión interna.

Desventajas:Arranque lento. Corta duración: Las altas temperaturas y el electro-litocorrosivo deterioran los componentes de la pila.

Ventajas:Resistentes a la contaminación por CO y CO2No necesitan reformador externo: debido a lasaltas temperaturas los combustibles se convierten en hidrógeno dentro de la propia pila, mediante un proceso de conversión interna.

Desventajas:Arranque lento. Corta duración: Las altas temperaturas y el electro-litocorrosivo deterioran los componentes de la pila.

Aplicaciones: Generación de energía estacionaria.

Aplicaciones: Generación de energía estacionaria.

El Hidrógeno Para Reflexionar…

El Hidrógeno Ciclo del Hidrógeno Solar

1)1) La electricidad generada en los paneles fotovoltaicos se emplea La electricidad generada en los paneles fotovoltaicos se emplea para alimentar un para alimentar un electrolizador.electrolizador.

2)2) El oxEl oxíígeno producido en la electrgeno producido en la electróólisis se libera en el aire, y el hidrlisis se libera en el aire, y el hidróógeno es almacenado geno es almacenado en tanques.en tanques.

3)3) Cuando la energCuando la energíía solar no esta solar no estáá disponible, el hidrdisponible, el hidróógeno se recombina con el oxgeno se recombina con el oxíígeno delgeno delaire en una pila de combustible, la cual convierte directaire en una pila de combustible, la cual convierte directamente la energamente la energíía qua quíímica enmica enelectricidad. El electricidad. El úúnico producto secundario de este proceso es agua pura.nico producto secundario de este proceso es agua pura.

Ciclo del H2

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: desdeequipos 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

Documentos y pDocumentos y pááginas ginas webweb::

AsociaciAsociacióón Espan Españñola de Pilas de Combustibleola de Pilas de Combustible-- APPICEAPPICE

Tecnociencia: Especial Pilas de Combustible de HidrTecnociencia: Especial Pilas de Combustible de Hidróógenogeno

Red de Pilas de Combustible del CSICRed de Pilas de Combustible del CSIC

Libros:Libros:

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