generacion de hidrogeno.pdf
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Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE – 0502 Proyecto Eléctrico
Usos de la electricidad para la obtención de hidrógeno a través de la electrólisis de agua
Por: Natalia López Podestá
Ciudad Universitaria Rodrigo Facio Julio del 2006
ii
Usos de la electricidad para la obtención de hidrógeno a través de la electrólisis de agua
Por: Natalia López Podestá
Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica
de la Facultad de Ingeniería
de la Universidad de Costa Rica
como requisito parcial para optar por el grado de:
BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA
Aprobado por el Tribunal:
_________________________________ M.Sc. José Joaquín Chacón Leandro
Profesor Guía
_____________________________ ______________________________ M.Sc. Jorge Badilla Pérez Dr. Franklin Chinchilla Hidalgo Profesor Lector Profesor Lector
iii
A mis padres, por todo lo que me han dado en la vida.
iv
RECONOCIMIENTOS
Al Ing. José Joaquín Chacón por su colaboración y el interés mostrado en el
desarrollo de esta investigación. Al Ing. Carlos Roldán por la ayuda brindada y su
respaldo en la realización de este trabajo.
A David por su motivación de todos los días y a Betsy por su apoyo
incondicional.
v
ÍNDICE GENERAL
RECONOCIMIENTOS ........................................................................ iv
ÍNDICE GENERAL............................................................................... v
ÍNDICE DE FIGURAS........................................................................ vii ÍNDICE DE TABLAS......................................................................... viii NOMENCLATURA.............................................................................. ix
RESUMEN.............................................................................................. x
CAPÍTULO 1: Introducción ................................................................. 1
1.1 Objetivos............................................................................................................2 1.1.1 Objetivo general..............................................................................................2 1.1.2 Objetivos específicos ......................................................................................3
1.2 Metodología .......................................................................................................3 CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico......................................................... 4
2.1 Situación Energética Mundial............................................................................4 2.2 Caracterización del Hidrógeno ..........................................................................5 2.3 Métodos de producción de hidrógeno..............................................................10
2.3.1 Reformado a vapor de agua ..........................................................................10 2.3.2 Gasificación ..................................................................................................12 2.3.3 Electrólisis ....................................................................................................14 2.3.4 Energía termal...............................................................................................15 2.3.5 Electrólisis a alta temperatura.......................................................................15 2.3.6 Biofotólisis....................................................................................................15
2.4 Fuentes para la obtención de hidrógeno ..........................................................16 2.4.1 Producción de hidrógeno a partir de la generación hidroeléctrica en Costa Rica 17
2.5 Almacenamiento y distribución del hidrógeno................................................22 2.5.1 Hidrógeno en estado gaseoso........................................................................22 2.5.2 Hidrógeno en estado líquido .........................................................................24 2.5.3 Hidrógeno en estado sólido...........................................................................24
2.6 Celdas de Combustible ....................................................................................26 2.6.1 Celda de Combustible de Membrana de Intercambio Protónico (PEMFC) .27 2.6.2 Celda de Combustible Alcalinas (AFC) .......................................................28 2.6.3 Celda de Combustible de Ácido Fosfórico (PAFC) .....................................29
vi
2.6.4 Celda de Combustible de Carbonato Fundido (MCFC) ...............................30 2.6.5 Celda de Combustible de Óxido Sólido (SOFC) ..........................................32 2.6.6 Celda de Combustible de Metanol (DMFC).................................................33
2.7 Aplicaciones del hidrógeno .............................................................................34 CAPÍTULO 3: Generación de hidrógeno a partir de electrólisis ..... 36
3.1 Generalidades de la electrólisis........................................................................36 3.2 Tipos de electrolizadores .................................................................................37
3.2.1 Polymer Electrolyte Membrane (PEM) ........................................................37 3.2.2 Alcalinos .......................................................................................................38 3.2.3 Óxido Sólido .................................................................................................38
3.3 Costo del hidrógeno producido a partir de electrólisis ....................................39 CAPÍTULO 4: El hidrógeno como combustible ................................ 48
4.1 Costo del hidrógeno como combustible para el transporte..............................49 4.2 Contribución del costo de la electricidad en el precio del hidrógeno..............50 4.3 Contribución de la inversión en el precio del hidrógeno .................................52
CAPÍTULO 5: Conclusiones y recomendaciones .............................. 54
5.1 Conclusiones....................................................................................................54 5.2 Recomendaciones ............................................................................................56
BIBLIOGRAFÍA.................................................................................. 57
APÉNDICES......................................................................................... 60
ANEXOS............................................................................................... 62
vii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 Relación Carbono-Hidrógeno en combustibles………………………...…5
Figura 2.2 Densidad de varios gases a TPN…………….……………………………7
Figura 2.3 Densidad de líquidos a presión atmosférica……….…………………...…8
Figura 2.4 Calor de combustión de varios combustibles……………………...……...9
Figura 2.5 Calor de combustión por unidad volumétrica..…………………...……..10
Figura 2.6 Proceso de reformado a vapor de agua…………………………...……...11
Figura 2.7 Proceso de gasificación…………….……………………………...…….13
Figura 2.8 Proceso de electrólisis……………….…………………………...……...14
Figura 2.9 Tecnologías de generación de hidrógeno….……………………...……..16
Figura 2.10 Potencial hidroeléctrico de Costa Rica……………………………...….18
Figura 2.11 Curva de demanda diaria de energía eléctrica………………...………..19
Figura 2.12 Curva de demanda anual de energía eléctrica………………...………..20
Figura 2.13 Celda de combustible tipo PEM……………………...………………...28
Figura 2.14 Celda de combustible tipo PAFC……..……………...………………...30
Figura 2.15 Celda de combustible tipo MCFC con reformado interno……………..31
Figura 2.16 Celda de combustible tipo DMFC………………………...……………33
Figura 4.1 Contribución del costo de la electricidad en el precio del hidrógeno…...51
Figura 4.2 Contribución de la inversión en el precio del hidrógeno……..…………53
viii
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1 Propiedades Físicas………………………………………………………...6
Tabla 2.2 Características de los diferentes tipos de celdas de combustible…………34
Tabla 3.1 Costo promedio de la electricidad……………………………………..…40
Tabla 3.2 Evaluación de la producción de hidrógeno en horario continuo…………42
Tabla 3.3 Evaluación de la producción de hidrógeno fuera de horas punta………...44
Tabla 3.4 Evaluación de la producción de hidrógeno en horario nocturno…………46
Tabla 4.1 Contribución del costo de la electricidad en el precio del hidrógeno….....51
Tabla 4.2 Contribución de la inversión en el precio del hidrógeno……..………..…52
Tabla A.1 Electrolizadores producidos por la empresa Avalence…………………..62
Tabla A.2 Especificaciones de algunos electrolizadores………………………...….63
ix
NOMENCLATURA
AFC Alkaline Fuel Cell
atm Atmósfera de presión
DMFC Direct Methanol Fuel Cell
FRP Fiberglass Reinforced Plastics
H Átomo de hidrógeno
H2 Molécula de hidrógeno
HHV Calor superior de combustión
K Grados Kelvin
Kg/m³ Kilogramo por metro cúbico
MCFC Molten Carbonate Fuel Cell
TPN Temperatura y presión normal
Pa Pascales
PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell
PEM Proton Exchange Membrane
PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell
SOFC Solid Oxid Fuel Cell
US$/kW Dólares por kilowatt
ºC Grados Celsius
x
RESUMEN
En el presente trabajo se estudia la producción y el uso del hidrógeno
generado a partir de la electrólisis del agua, con el propósito de analizar la viabilidad
de utilizarlo como combustible en Costa Rica.
En primera instancia, se realiza una revisión bibliográfica de las propiedades
del hidrógeno, de las principales fuentes y métodos para su obtención y de las
tecnologías disponibles de almacenamiento y distribución del gas. Además, se
investiga sobre el desarrollo de celdas de combustible y electrolizadores.
Seguidamente, se realiza un análisis sobre los costos para la producción y
almacenamiento del hidrógeno a partir de la electrólisis del agua. Asimismo, se
analizan las ventajas, desventajas y viabilidad de utilizar el hidrógeno como
combustible para el transporte.
Finalmente, los resultados muestran que sería factible sustituir la gasolina por
el hidrógeno en el sector transporte, en el momento en que el precio de la gasolina
aumente hasta superar el precio del hidrógeno.
En general, se prueba que es posible utilizar el hidrógeno como combustible
en motores de combustión interna, y obtener mejor rendimiento que utilizando
hidrocarburos.
1
CAPÍTULO 1: Introducción
El presente trabajo tiene como propósito el estudio de la producción y el uso del
hidrógeno generado a partir de la electrólisis del agua como una forma de buscar nuevos
usos para la electricidad en el país.
La razón del proyecto se debe principalmente a que buena parte de la energía que
se consume a nivel mundial es del tipo fósil, que incluye el carbón mineral, el gas natural y
derivados del petróleo.
En general, el consumo y precio de los derivados del petróleo ha aumentado
considerablemente, y el aumento en la demanda ha hecho que las reservas probadas de
petróleo hayan disminuido considerablemente en los últimos años.
Por otra parte, las emisiones causadas por la combustión de los combustibles fósiles
son nocivas para la salud y el medio ambiente, y el dióxido de carbono que producen, es el
mayor responsable del efecto de invernadero.
De ahí surge la necesidad de reimpulsar el uso de fuentes alternativas de energía y
de estrategias de ahorro energético, que además permitan un desarrollo sostenible y
amigable con el medio ambiente.
La obtención de hidrógeno a partir de electricidad es una opción importante a
explorar en el país, con el objeto de buscar nuevos usos para la hidroelectricidad en el
hogar, el comercio o la industria.
La combustión del hidrógeno prácticamente no produce gases de invernadero, y
además su obtención de dicho gas a partir de la electrólisis del agua lo convierten en un
2
recurso que puede ser importante con el fin de buscar nuevos usos para la electricidad a
generar con fuentes renovables de energía.
Costa Rica es el único país de Centroamérica y Panamá que al año 2004 generó toda
la energía eléctrica consumida con recursos renovables (hidroelectricidad, geotermia,
energía eólica o termoeléctricas con bagazo de caña de azúcar), existiendo además un
importante potencial disponible que puede ser desarrollado no solamente para satisfacer la
demanda creciente de electricidad sino para utilizar la electricidad buscando nuevos usos a
ese importante recurso.
La posibilidad de utilizar parte de la electricidad disponible en el país para producir
hidrógeno y utilizarlo por ejemplo en el transporte o el hogar es un asunto de gran interés
para el país.
Por su parte, dadas las importantes ventajas ambientales del hidrógeno como
combustible frente a los derivados del petróleo, sus posibilidades, beneficios y restricciones
tecnológicas y económicas existentes al uso del hidrógeno en Costa Rica son aspectos que
pretende analizar el presente trabajo.
1.1 Objetivos
1.1.1 Objetivo general
El objetivo general del presente trabajo es la búsqueda de nuevos usos para el
hidrógeno producido a partir de la electrólisis del agua.
3
1.1.2 Objetivos específicos
Los siguientes son los objetivos específicos del presente trabajo:
• Describir las principales tecnologías disponibles y evaluar costos de producción y
almacenamiento del hidrógeno a partir de la electrólisis del agua.
• Analizar alternativas disponibles para el almacenamiento y utilización del
hidrógeno en particular en el transporte y el hogar.
• Identificar una aplicación particular para el uso del hidrógeno y analizar
preliminarmente ventajas, desventajas y viabilidad técnica y económico-financiera.
1.2 Metodología
La metodología abarca la realización de una revisión bibliográfica sobre el tema con
el objeto de caracterizar el hidrógeno como fuente potencial de energía, estudiar las
principales dificultades tecnológicas que enfrenta el uso del hidrógeno e identificar una
aplicación específica del uso de electricidad para la producción de hidrógeno y su
utilización en pequeña escala.
4
CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico
2.1 Situación Energética Mundial
La demanda global energética de origen fósil ha venido aumentando hasta alcanzar
más de un 2% por año y se pronostica que aumentará en un 60% antes del 2020 [1]. Por
esta razón, es posible esperar que restricciones en la oferta de petróleo junto a incrementos
importantes de la demanda provoquen que los precios del petróleo sigan aumentando.
Aunque las reservas de combustibles fósiles son en la actualidad importantes pero a
la vez finitas, es de esperar que se presenten crisis mundiales de suministro de petróleo
derivadas de situaciones geopolíticas impredecibles a la fecha.
Por otra parte, el uso de combustibles fósiles produce emisiones de gases de
invernadero que producen calentamiento en la atmósfera y un aumento en la concentración
de dióxido de carbono y otros gases como el metano y los óxidos de nitrógeno.
Si las tendencias de consumo de combustibles fósiles continúan como hasta ahora,
la atmósfera puede llegar a contener el doble de gases de invernadero que los que tenía a
mediados del siglo pasado y provocar un calentamiento global.
Al ser el hidrógeno uno de los elementos que forman el agua, sería una fuente de
energía inagotable, de modo que no provocaría crisis económicas como las del petróleo, y
además sería una energía no contaminante ya que en la combustión no produce emisiones
de gases de invernadero.
5
Muchos combustibles convencionales son compuestos de hidrógeno y carbono. En
la siguiente figura se puede observar la transición desde combustibles con alto contenido de
carbono, hacia combustibles con mayor contenido de hidrógeno.
Figura 2.1 Relación Carbono-Hidrógeno en combustibles [1]
2.2 Caracterización del Hidrógeno
El hidrógeno es un gas incoloro, inodoro, insípido, no presenta toxicidad y es
altamente flamable y reactivo; es el elemento de menor masa atómica y es más liviano que
el aire. Además es el elemento químico más abundante en el universo [2]. El hidrógeno
puro se presentan en forma de moléculas diatómicas (H2); sin embargo, en la naturaleza se
encuentra principalmente en forma combinada debido a su gran reactividad, formando una
gran cantidad de compuestos que incluyen el agua, hidrocarburos, proteínas, ácidos, etc.
En la Tabla 2.1 se muestra las principales propiedades físicas del hidrógeno.
6
Tabla 2.1 Propiedades Físicas
Símbolo Químico H2 Peso Molecular 2,016 T. Ebullición (1atm) -252,8 ºC T. Crítica -239,9 ºC Presión Crítica 12,98 atm Densidad en estado Gaseoso (20ºC, 1atm) 0,08342 Kg/m³ Densidad en estado Líquido (p.e. 1atm) 70,96 Kg/m³ Peso Específico (aire=1) 0,0696
La temperatura crítica corresponde a la máxima temperatura a la cual es posible
mantener una sustancia en forma líquida, en el caso del hidrógeno, la temperatura crítica
corresponde a -239,9 ºC, apenas 33,1 ºC por encima del cero absoluto (0 K). El punto de
ebullición a presión atmosférica es el segundo más bajo en la naturaleza y solo el helio
posee un punto de ebullición menor.
Como se puede observar en la Figura 2.2, la densidad del hidrógeno a condiciones
ambientales es tan baja que equivale apenas a un 7% de la densidad del aire [3]. Esta
característica presenta una desventaja, ya que implica que se almacene menos energía por
unidad de volumen que con otros gases comprimidos. Por esa razón, el almacenamiento del
hidrógeno requiere de grandes volúmenes y altas presiones.
7
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
1,60
1,80
2,00
Den
sida
d (k
g/m
3 )
Aire Oxígeno Helio Hidrógeno Gas natural Propano
Figura 2.2 Densidad de varios gases a TPN (25ºC y 101,3 kPa) [4]
Por su parte, aunque el hidrógeno líquido es otra alternativa de almacenamiento,
pues en ese estado su densidad aumenta considerablemente, se requiere de una gran
cantidad de energía para mantener el hidrógeno a temperatura y presiones muy bajas con el
fin de mantener el hidrógeno en forma líquida.
En la siguiente figura se muestra la densidad de algunos líquidos a presión
atmosférica.
8
0
200
400
600
800
1000
1200
Den
sida
d (k
g/m
3 )
Aire Oxígeno Helio Hidrógeno Gas Natural Propano Gasolina Diesel Fuel Oil Etanol
Figura 2.3 Densidad de varios líquidos a presión atmosférica [4]
El calor de combustión de una sustancia es la cantidad de calor que se libera en la
combustión completa de un gramo o de una mole de la sustancia, comenzando y
terminando la combustión a temperatura y presión normal (TPN). El calor superior de
combustión o HHV1 corresponde al valor cuando se aprovecha la energía de vaporización
del agua producida durante dicho proceso.
Tal y como se observa en la Figura 2.4, el hidrógeno posee un HHV mucho mayor
que los combustibles convencionales.
1 HHV del inglés High Heating Value
9
-
20.000
40.000
60.000
80.000
100.000
120.000
140.000
160.000
HH
V (k
J/kg
)
Hidrógeno Gas Natural Propano Gasolina Diesel Fuel oil Etanol
Figura 2.4 Calor de combustión de varios combustibles [4]
Sin embargo, es necesario tomar en cuenta el calor de combustión por unidad
volumétrica para comparar los combustibles en el caso de almacenamiento. Tal y como se
observa en la Figura 2.5, el hidrógeno (tanto líquido como gaseoso) continúa teniendo una
gran desventaja con respecto a los combustibles convencionales.
Al ser mayor la densidad del hidrógeno líquido en comparación con el hidrógeno
gaseoso, es de esperar que el calor de combustión por unidad volumétrica sea mayor
cuando se utiliza hidrógeno en estado líquido.
10
-
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
40.000
45.000
HH
V (k
J/lt)
Hidrógeno líquido Hidrógeno Gas a 20 Mpa y 25°C Gas NaturalPropano Gasolina DieselFuel oil Etanol
Figura 2.5 Calor de combustión por unidad volumétrica [4]
2.3 Métodos de producción de hidrógeno
La obtención del hidrógeno puede realizarse de varias formas y todos los procesos
utilizados industrialmente son del tipo endotérmicos (requieren energía). Dado que se
necesita consumir una considerable cantidad de energía en el proceso de extracción, el
hidrógeno debería ser considerado como un transmisor de energía más que como una fuente
de energía. Los siguientes son los principales métodos de obtención del hidrógeno.
2.3.1 Reformado a vapor de agua
Actualmente, el 5% de la producción mundial de hidrógeno se realiza a partir de gas
natural y agua mediante un proceso conocido como reformado a vapor de agua [5]. El
11
proceso químico se realiza con la combinación de agua y una base de hidrocarburo,
normalmente el gas natural, que está constituido principalmente de metano.
Figura 2.6 Proceso de reformado a vapor de agua [3]
Tal y como se observa en la Figura 2.6, el proceso incluye tres etapas, primero se
combina el vapor y el metano a alta presión (3MPa) y temperatura (entre 550 y 900°C),
para producir una mezcla de hidrógeno, dióxido de carbono y otras impurezas, conocida
como gas sintético.
COHOHCH +→+ 224 3 (2.3-1)
Seguido a esto, se debe extraer el dióxido de carbono del gas sintético, y por último
purificar el hidrógeno obtenido.
12
El rendimiento neto de conversión es típicamente de un 83%; el hidrógeno
producido con éste procedimiento puede costar unos 75 centavos de dólar por kilogramo
[3].
Una alternativa en el reformado a vapor es utilizar como materia prima un bio-
aceite que se obtiene a partir de biomasa por medio de pirólisis. Existen algunos procesos
alternativos al proceso de reformado con vapor que están siendo desarrollados actualmente,
entre ellos cabe mencionar la oxidación parcial, donde el gas natural es oxidado
parcialmente con el fin de obtener directamente gas sintético y el reformado auto térmico,
en el cual se combina el proceso de reformado a vapor con el de oxidación parcial. Sin
embargo, ambos procesos tienen el inconveniente de que son menos eficientes que el de
reformado a vapor.
2.3.2 Gasificación
Otras bases de hidrocarburo se pueden transformar con vapor, no obstante, hay
sustancias que por sus características, no pueden ser reformadas con vapor debido al daño
que provocarían a los catalizadores. El método de gasificación, no requiere el uso de
catalizadores, por lo tanto, es posible utilizar una amplia variedad de materia primas que
van desde líquidos de alta viscosidad como el fuel oil, hasta sólidos como el carbón mineral
y la biomasa. El proceso se puede se observar en la Figura 2.7.
13
Figura 2.7 Proceso de gasificación [3]
La gasificación se lleva a cabo a temperaturas superiores a los 1300°C para que el
carbón mineral o la biomasa reaccionen con el agua y se forme gas sintético.
222 COHOHC +→+ (2.3-2)
Al igual que el método de reformado a vapor de agua, se extrae el dióxido de
carbono de la mezcla y se eliminan las impurezas.
El rendimiento neto de conversión es típicamente de un 63%; el hidrógeno
producido con éste procedimiento puede costar unos 92 centavos de dólar por kilogramo
[6].
14
2.3.3 Electrólisis
El tercer método más utilizado es la electrólisis, proceso mediante el cual se hace
pasar una corriente eléctrica entre electrodos inertes sumergidos en agua, y así separar sus
moléculas en sus elementos constitutivos: hidrógeno y oxígeno. El proceso se puede
observar en la Figura 2.8.
Figura 2.8 Proceso de electrólisis
Dado que el agua es virtualmente un aislante eléctrico, se le agrega un electrolito
para hacerla un medio conductor; el hidrógeno se libera en el cátodo y una cantidad
equivalente de oxígeno se libera en el ánodo. El líquido mismo y los separadores porosos
usados en la celda electrolítica evitan que se mezclen los gases liberados, que pueden
recogerse a presiones convenientes.
222 22 OHOH +→ (2.3-3)
15
El rendimiento promedio durante la electrólisis viene siendo de un 65%, sin
embargo, los dispositivos más modernos para la electrólisis pueden alcanzar un
rendimiento entre el 80 y el 85%. En la actualidad, ésta técnica se utiliza solamente en
plantas relativamente pequeñas, a un costo de entre 2,40 y 3,60 dólares por kilogramo de
hidrógeno producido [7].
2.3.4 Energía termal
La energía termal es una tecnología que produce hidrógeno convirtiendo energía
térmica en energía eléctrica para realizar la separación de las moléculas del agua en
hidrógeno y oxígeno. Las altas temperaturas se pueden obtener en plantas nucleares,
paneles solares o alguna fuente de energía fósil.
2.3.5 Electrólisis a alta temperatura
El proceso de la electrólisis a alta temperatura es una variación de la electrólisis
convencional. Al proceso de descomposición del agua se le agrega calor para así utilizar
menos energía eléctrica, y por ende mejorar la eficiencia del proceso. Sin embargo, desde el
punto de vista térmico, el proceso es menos eficiente, es por esto que se aprovecha cuando
se tienen excedentes de energía térmica.
2.3.6 Biofotólisis
La captura de la energía solar basada en fotosíntesis puede realizarse por medio de
la biofotólisis, que consiste en la capacidad que algunas algas verdes tienen de poder captar
energía luminosa y usarla a través de una cadena de transporte de electrones y unas
16
singulares enzimas (hidrogenasas), para producir hidrógeno por descomposición del agua.
La investigación del proceso de biofotólisis ha conocido grandes progresos en la última
década, pero falta un largo camino que recorrer para hacer éstas producciones sostenibles y
encontrar nuevos organismos.
En la Figura 2.9, se presenta un resumen de las tecnologías de generación de
hidrógeno.
Figura 2.9 Tecnologías de generación de hidrógeno. [8]
2.4 Fuentes para la obtención de hidrógeno
Al contrario de la mayoría de los combustibles, el hidrógeno debe ser extraído
químicamente de materiales que son ricos en contenido de hidrógeno, tales como las
fuentes fósiles, la biomasa y fuentes de energía alternativas (solar, hidroeléctrica, eólica y
17
nuclear). Dado que se necesita consumir energía considerable en el proceso de extracción,
es importante resaltar que el hidrógeno debería ser considerado como un transmisor de
energía, más que como una fuente de energía.
Las fuentes fósiles tales como el petróleo y sus derivados, el gas natural y el carbón
mineral, pueden utilizarse para liberar la energía requerida para producir hidrógeno. El
hidrógeno puede obtenerse de la misma fuente fósil, o se puede separar del agua utilizando
la energía almacenada en la fuente.
Costa Rica cuenta con una importante producción agrícola, entre los que sobresalen
la producción de arroz, azúcar, piña, aceite de palma africana, naranja, banano y café. La
obtención de estos productos genera una cantidad de desechos biomásicos importantes que
podrían utilizarse como fuente para la producción de hidrógeno.
Las fuentes de energía alternativas para producir hidrógeno se utilizan para procesos
endotérmicos que dividen las moléculas del agua en hidrógeno y oxígeno. Los sistemas
biológicos utilizan la energía solar para la obtención del hidrógeno, y la electrólisis utiliza
la energía proveniente de alguna fuente suplidora de electricidad.
2.4.1 Producción de hidrógeno a partir de la generación hidroeléctrica en Costa Rica
Costa Rica goza de un gran potencial en recursos renovables de energía
(hidroelectricidad, geotermia, energía eólica y termoeléctrica con bagazo de caña de
azúcar), suficiente para satisfacer la demanda creciente de electricidad. Tal y como se
18
observa en la Figura No. 2.10, existe un gran potencial sin explotar, en el caso de la
generación hidroeléctrica.
Potencial Hidroeléctrico de Costa Rica
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Potencial Total Plantas existentes Proyectos por desarrollar
Pote
ncia
(MW
)
Figura No. 2.10 Potencial Hidroeléctrico de Costa Rica [9]
De lograrse la satisfacción creciente de la demanda con recursos renovables, es
posible esperar que existan excedentes de energía eléctrica, especialmente en horas
nocturnas y en los meses en que hay mayor precipitación. En las Figuras No. 2.11 y 2.12 se
observa que existen períodos en las que la demanda de energía eléctrica es mayor; como es
de suponer, la menor demanda se da en horas de la noche.
19
Demanda Máxima Diaria
0,00
200,00
400,00
600,00
800,00
1000,00
1200,00
1400,00
1600,00
00:00
01:00
02:00
03:00
04:00
05:00
06:00
07:00
08:00
09:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
19:00
20:00
21:00
22:00
23:00
Hora
MW
Figura No. 2.11 Curva de demanda diaria de energía eléctrica2
2 Fuente: Centro Nacional Control de Energía CENCE, ICE.
20
Demanda máxima anual 2005
1240,00
1260,00
1280,00
1300,00
1320,00
1340,00
1360,00
1380,00
1400,00
Enero
Febrer
oMarz
oAbri
lMay
oJu
nio Julio
Agosto
Septie
mbre
Octubre
Noviem
bre
Diciem
bre
MW
Figura No. 2.12 Curva de demanda anual de energía eléctrica3
De esta forma, el precio de la electricidad depende del horario en que se consuma la
energía eléctrica. En Costa Rica se han definido horarios diario y anual a partir de las
curvas de demanda, con el fin de establecer las tarifas de energía eléctrica.
Las definiciones4 son las siguientes para el caso de la Compañía Nacional de Fuerza
y Luz (CNFL), principal distribuidora de electricidad del país:
3 Fuente: Centro Nacional Control de Energía CENCE, ICE.
21
Horario de temporadas:
Temporada alta: Se define como temporada alta al tiempo comprendido entre el 1°
de enero y el 31 de agosto del mismo año, es decir, 8 meses.
Temporada baja: Se define como temporada baja al tiempo comprendido entre el 1°
de septiembre y el 31 de diciembre del mismo año, es decir, 4 meses.
Horario de los periodos:
Período punta: Se define como período punta al comprendido entre las 10:01 y las
12:30 horas y entre las 17:31 y las 20:00 horas, es decir, 5 horas del día. Se facturará la
máxima medición de potencia registrada durante el mes, exceptuando la registrada los
sábados y domingos.
Período valle: Se define como período valle al comprendido entre las 6:01 y las
10:00 horas y entre las 12:31 y las 17:30 horas, es decir, 9 horas del día. Se facturará la
máxima medición de potencia registrada durante el mes.
Período nocturno: Se define como período nocturno al comprendido entre las 20:01
y las 6:00 horas del día siguiente, es decir, 10 horas del día. Se facturará la máxima
medición de potencia registrada durante el mes.
La CNFL brinda un tipo de tarifa residencial horaria (T-REH) en la que se toma en
cuenta este tipo de horarios con el fin de ofrecer al cliente la opción de comprar energía
eléctrica más barata en horas de menor demanda. De esta manera, es posible sacar provecho
4 Según Compañía Nacional de Fuerza y Luz (CNFL)
22
de dichas tarifas para producir hidrógeno. Además, existe la necesidad de levantar el
consumo de energía eléctrica en el período nocturno y disminuirlo en el período punta con
el fin de estabilizar la curva de demanda diaria de energía eléctrica (Figura No. 2.11).
2.5 Almacenamiento y distribución del hidrógeno
El desarrollo de una economía basada en el hidrógeno dependerá de los avances
logrados en la eficiencia del almacenamiento y distribución del mismo. Las tecnologías
existentes presentan varias desventajas debido a las propiedades físico-químicas del
hidrógeno, tal y como se detalló en la Sección 2.2.
Existen varias formas para almacenar el hidrógeno, ya sea en estado gaseoso,
líquido o sólido, dependiendo de la utilización final del mismo.
2.5.1 Hidrógeno en estado gaseoso
La desventaja principal del hidrógeno en estado gaseoso es que, debido a su baja
densidad, es poca la cantidad de hidrógeno por unidad de volumen que se puede almacenar.
Adicionalmente, para lograr un almacenamiento eficaz se requieren altas presiones para
comprimir el gas. Actualmente, el hidrógeno se puede almacenar y distribuir como gas en
contenedores y tuberías de alta presión, pero para el almacenamiento de grandes cantidades
de hidrógeno, es preferible la utilización de minas abandonadas y cavernas subterráneas.
Otra desventaja es que el material utilizado para este tipo de almacenaje es sometido
a grandes esfuerzos que pueden ocasionar fatiga, provocando grietas y volviéndolo
quebradizo, debido a que el hidrógeno se introduce en el material en el que están hechos.
23
Tuberías de alta presión
Cuando se tiene un sistema centralizado, el hidrógeno se debe distribuir por medio
de gasoductos. El gas se envía por tuberías de acero hacia los sitios de consumo, con un
método similar al usado con el gas natural. Actualmente, se están investigando nuevos tipos
de tuberías no metálicas como las fabricadas con polímeros reforzados por fibras de vidrio
o de carbono (FRP) que han demostrado su factibilidad tanto desde el punto de vista
técnico como desde el punto de vista económico [3].
Cilindros de alta presión
El transporte de hidrógeno se puede realizar con cilindros de alta presión, ya sea en
vehículos convencionales o en camiones para su distribución, dependiendo del material
utilizado. Actualmente, existen cilindros de acero, aluminio y plástico. Los cilindros de
acero son los más resistentes y pesados por lo que se utilizan para el transporte en
camiones. El aluminio y el plástico son más livianos que el acero por lo que se consideran
adecuados para el almacenaje en vehículos, pero a pesar de estar recubiertos con fibra de
vidrio, no son tan resistentes como el acero.
Camiones de tubos de alta presión
Una manera más eficiente de transportar hidrógeno gaseoso es en un tube trailer,
que consiste en un trailer de tubos en el que se puede almacenar más hidrógeno en
comparación con los cilindros de alta presión.
24
2.5.2 Hidrógeno en estado líquido
Contenedores criogénicos
El hidrógeno líquido se puede almacenar en depósitos criogénicos en el que las
necesidades de espacio se ven enormemente reducidas en comparación con el hidrógeno
gaseoso, debido a que en esta forma el hidrógeno requiere menos volumen que el requerido
para almacenar la misma cantidad de hidrógeno en estado gaseoso. Sin embargo, su
principal inconveniente es que, debido a la baja temperatura necesaria para mantener el
hidrógeno en estado líquido (menor a -240ºC), el proceso de licuefacción es muy intensivo
energéticamente hablando, que supone el 30-40% de la energía que se utiliza en la
producción [8].
2.5.3 Hidrógeno en estado sólido
Actualmente, se están investigando nuevas tecnologías para optimizar la capacidad
de almacenamiento de hidrógeno en vehículos [3]. El almacenaje en estado sólido se refiere
a la capacidad del hidrógeno de absorberse en un material, ya sea en hidruros metálicos, en
materiales de acumulación química, o en nanoestructuras.
La liberación del hidrógeno se puede realizar tanto reversible como
irreversiblemente. En el proceso reversible se controla la temperatura y la presión para
almacenar o liberar el hidrógeno. En el proceso irreversible, el hidrógeno se libera por
reacción química con otro elemento, como el agua [10].
25
El principal inconveniente de este tipo de almacenaje es su elevado peso, sin
embargo, permite almacenar más hidrógeno por unidad de volumen que en forma líquida.
Hidruros Metálicos
Los hidruros metálicos son combinaciones de aleaciones metálicas con capacidad
de almacenar y liberar hidrógeno con gran seguridad [8]; trabajan a temperatura ambiente y
a presión atmosférica.
Tiene la ventaja de ser almacenadores muy seguros, pues en caso de producirse una
pérdida de presión en caso de ruptura, se enfría el hidruro metálico y se inhibe la liberación
adicional de hidrógeno.
Este tipo de almacenamiento es del tipo atómico, ya que la molécula de hidrógeno
(H2) se descompone en sus dos átomos (H-H) para enlazarse con la red atómica del medio
sólido formando precisamente, el hidruro metálico.
Un inconveniente que posee este tipo de materiales es que pueden deteriorarse
debido al cambio de volumen que produce la emisión y absorción de calor asociadas al
almacenamiento y liberación del hidrógeno.
Materiales Nanoestructurados
La abundancia del carbono, su peso molecular relativamente bajo y su afinidad
química con el hidrógeno le convierten en un absorbedor de hidrógeno muy conveniente
[10]. El hidrógeno interactúa con los materiales a base de carbono de una manera más
efectiva que con los hidruros metálicos.
26
Este tipo de almacenamiento es del tipo molecular, ya que la molécula de hidrógeno
(H2) queda almacenada por medio de enlaces débiles con la estructura del medio sólido.
Los nanotubos de carbono son estructuras moleculares más resistentes que el acero
(de 10 a 100 veces), y están constituidos por cilindros compuestos de estructuras
hexagonales de átomos de carbono. Las moléculas de hidrógeno son absorbidas en los
poros de los nanotubos, ya sea dentro de de la estructura del tubo o en su superficie.
2.6 Celdas de Combustible
Una celda de combustible es un dispositivo electroquímico de conversión de energía
química en energía eléctrica, es decir, produce electricidad a partir de un combustible y de
oxígeno.
Análogamente a las baterías y acumuladores, las celdas de combustible están
diseñadas para el relleno continuo de los reactivos consumidos, sus electrodos son
relativamente estables, por lo que las celdas no se descargan.
En una celda de combustible de hidrógeno los reactivos utilizados son hidrógeno en
el lado del ánodo y oxígeno, en el lado del cátodo; existen varios tipos, tanto tecnologías
comerciales como en investigación.
27
2.6.1 Celda de Combustible de Membrana de Intercambio Protónico (PEMFC)
Actualmente, las celdas tipo PEMFC5 son las más desarrolladas y consideradas las
más apropiadas para el uso en vehículos convencionales. Este tipo de celdas utilizan una
membrana polimérica como electrolito, para separar el ánodo del cátodo. Cuando está
sumergida en agua, la membrana polimérica es conductora de protones pero no de
electrones.
El proceso para generar energía eléctrica es el inverso al de un electrolizador. El
hidrógeno en el ánodo catalizador se descompone en protones y electrones que fluyen hacia
el cátodo, los protones través del electrolito, y los electrones por un circuito externo. El
único residuo de éste proceso es agua, que se forma una vez que el oxígeno reacciona con
los protones y electrones que llegan al cátodo. El flujo de electrones por el circuito externo
es precisamente la producción de energía.
En la siguiente figura se muestra los componentes de una celda tipo PEM:
5 PEMFC del inglés Proton Exchange Membrane Fuel Cell
28
Figura 2.13 Celda de Combustible tipo PEM
El rango de temperatura de operación en este tipo de celdas es de 70 a 200ºC, y el
de eficiencia de 50 a 70%. Tiene un costo cercano a los US$ 3000/kW [3], debido al platino
que se utiliza en el catalizador.
2.6.2 Celda de Combustible Alcalinas (AFC)
Las celdas AFC6 tienen un electrolito de tipo alcalino, generalmente de hidróxido de
potasio (KHO). El potasio puede estar circulando en el electrolito o ser inmóvil (membrana
impregnada de potasio). El catalizador en el ánodo es de níquel, pero el del cátodo es a base
de carbón activado.
La reacción en el ánodo con un catalizador de níquel, es de la forma:
−− +→+ eOHOHH 4442 22 (2.5-1)
6 AFC del inglés Alkaline Fuel Cell
29
Y en el cátodo con un catalizador a base de carbón activado:
−− →++ OHOeOH 442 22 (2.5-2)
En este tipo de celdas, la temperatura de funcionamiento es inferior a 80ºC, y la
eficiencia varía de 60 a 70%.
Su principal inconveniente es que los iones de hidrógeno en el electrolito son
susceptibles al dióxido de carbono, lo que implica que se debe purificar el hidrógeno y el
oxígeno antes de utilizarlos, para no reducir la conductividad de iones. Además, al ser el
electrolito líquido, existe riesgo de derrames.
2.6.3 Celda de Combustible de Ácido Fosfórico (PAFC)
El electrolito de las celdas tipo PAFC 7 es de ácido fosfórico (PO4H3), y los
electrodos son películas delgadas a base carbón activado cubierto con platino.
El hidrógeno en el ánodo se disocia en protones y electrones bajo influencia del
platino según la ecuación:
−+ +→ eHH 442 2 (2.5-3)
Y en el lado del cátodo, el oxígeno se oxida según:
OHeHO 22 244 →++ −+ (2.5-4)
Finalmente, el agua se evacua en forma de vapor.
7 PAFC del inglés Phosphoric Acid Fuel Cell
30
Para que el hidrógeno y el oxígeno reaccionen en los electrodos, se utilizan unas
placas de interconexión porosas o con ranuras para introducir los gases, tal y como se
muestra en la siguiente figura:
Figura 2.14 Celda de Combustible tipo PAFC
Este tipo de celdas opera a temperaturas desde 180 a 210ºC, y poseen eficiencia de
36 a 55%. Sin embargo, la eficiencia disminuye con el tiempo, debido a la evaporación del
electrolito y la corrosión de los electrodos. Tiene un costo cercano a los US$ 4500/kW [3].
2.6.4 Celda de Combustible de Carbonato Fundido (MCFC)
Las celdas tipo MCFC8 utilizan como electrolito una mezcla de carbonato de litio y
carbonato de potasio. Estos compuestos tienen características muy interesantes, buena
conductividad iónica entre 600 y 700°C, un punto de fusión bajo y no son tóxicos.
8 MCFC del inglés Molten Carbonate Fuel Cell
31
Los iones que cruzan el electrolito son los carbonatos CO32-. En el ánodo, la
reacción de la oxidación es:
222
32 22422 COOHeCOH ++→+ −−
(2.5-5)
Y en el cátodo:
−− →++ 2
322 242 COeCOO (2.5-6)
Este tipo de celda se puede alimentar con combustibles como metano, biogas, e
incluso carbón gasificado. El proceso de reformado que permite obtener la mezcla de
hidrógeno y monóxido de carbono puede realizarse en la misma celda, tal y como se puede
observar a continuación:
Figura 2.15 Celda de Combustible tipo MCFC con reformado interno
La temperatura de operación en este tipo de celdas es de 650ºC, y el rango de
eficiencia es de 48 a 56%. Debido al nivel de la temperatura, no es necesario utilizar platino
32
u otros metales nobles. Generalmente se utiliza níquel mezclado con cromo en el ánodo, y
con iones de litio en el cátodo, reduciendo los costos de la celda.
Uno de los inconvenientes que no se han podido resolver en las celdas de carbonato
fundido reside en los problemas de estabilidad de los materiales utilizados, como lo es la
corrosión en los electrolitos.
2.6.5 Celda de Combustible de Óxido Sólido (SOFC)
Las celdas tipo SOFC9 utilizan como electrolito un material cerámico (de itria y
óxido de zirconio sólido) que transmite los iones de oxígeno cargados negativamente a
elevadas temperaturas (entre 800 y 1000ºC).
Los iones de oxígeno (O2-) son los que cruzan el electrolito. En el ánodo, la
reacción de la oxidación es:
−− +→+ eOHOH 422
2 (2.5-7)
Y en el cátodo:
−− →+ 22 24 OeO (2.5-8)
Al igual que las celdas de carbonato fundido, este tipo de celdas se pueden
alimentar con combustibles como metano y carbón gasificado, y además, el proceso de
reformado puede ser interno.
9 SOFC del inglés Solid Oxid Fuel Cell
33
El rango de temperatura de operación en este tipo de celdas es de 800 a 1000ºC, y el
de eficiencia desde 50 a 70%.
2.6.6 Celda de Combustible de Metanol (DMFC)
A diferencia de las otras celdas de combustible donde el hidrógeno se oxida con el
ánodo, las celdas tipo DMFC10 se alimentan de metanol. El electrolito que se utiliza es una
membrana polimérica.
La ventaja de estas celdas es su funcionamiento a temperatura baja o media, debido
a que el metanol es un combustible líquido a temperatura normal. Sin embargo, se debe
tomar en cuenta que el metanol es producto del gas natural, y no se estaría evitando el uso
de combustibles fósiles para la disminución de las emisiones de gases de invernadero.
Figura 2.16 Celda de Combustible tipo DMFC
10 DMFC del inglés Direct Methanol Fuel Cell
34
El rango de temperatura de operación en este tipo de celdas es de 60 a 120ºC, y el
de eficiencia desde 20 a 30%.
En la siguiente tabla se presentan características importantes de los diferentes tipos
de celdas:
Tabla 2.2 Características de los diferentes tipos de celdas de combustible
Tipo Celda T [ºC] Electrolito Combustible Eficiencia [%] Utilización
AFC Alcalina <80 Solución Alcalina Hidrógeno 60-70 Transporte, espacial
PEMFC Membrana de Intercambio Protónico
70-200 Polímero Sólido Hidrógeno 50-70 Transporte, generación,
doméstico, portátil
PAFC Ácido Fosfórico
180-210
Ácido Fosfórico
Hidrógeno, Gas Natural 36-55 Generación: Ciclo
combinado y residencial
MCFC Carbonato Fundido 650
Carbonato de Litio + Potasio
Hidrógeno, Gas Natural 48-56 Generación: Ciclo
combinado y residencial
SOFC Oxido Sólido 800-1000
Oxido de Zirconio
Sólido + Itria
Hidrógeno, Gas Natural 50-70
Transporte, cogeneración, producción, centralizada
de electricidad, doméstico
DMFC Metanol Directo 60-120 Polímero
Sólido Metanol 20-30 Portátil, transporte
2.7 Aplicaciones del hidrógeno
El hidrógeno se utiliza en la industria para la obtención de amoníaco, peróxido de
hidrógeno, ácido clorhídrico, alcohol metílico, y otros. Si se combina con metales, forma
hidruros metálicos. Además, el hidrógeno reacciona con azufre, cloro, oxígeno y con
35
compuestos orgánicos insaturados para formar los correspondientes compuestos saturados.
Se puede emplear en la hidrogenación catalítica de grasas, margarinas y aceites, y también
como agente reductor con el fin de extraer el contenido de oxígeno en gases o en óxidos
metálicos, debido a que, como es más fácil extraer el agua que el oxígeno, el gas o el óxido
metálico se combina con hidrógeno para que al reaccionar con el oxígeno se forme el agua
y así obtener el metal o el gas en estado puro.
Por otra parte, el hidrógeno se puede utilizar en sopletes para corte, fusión y
soldadura de metales, quemando el hidrógeno con oxígeno en una llama concentrada de
alta temperatura. Además se emplea en la combustión catalítica del hidrógeno para
quemadores y calentadores.
Otra aplicación es el uso del hidrógeno como reductor del contenido de azufre en
combustibles con el fin de disminuir los efectos contaminantes. También se utiliza en el
enfriamiento de rodamientos y generadores eléctricos, en la producción de metanol y de
vidrio flotado, como combustible de cohetes espaciales, y como gas de relleno en globos y
dirigibles.
El hidrógeno serviría como almacenador de energía para la generación
electroquímica de la electricidad mediante celdas de combustible, ya sea para el transporte
o para contrarrestar el carácter intermitente de otras fuentes de energía renovable, como la
solar y la eólica [11]. En el caso del transporte, el hidrógeno se emplea en motores de
combustión interna obteniendo mejor eficiencia de la conversión de energía que la gasolina.
36
CAPÍTULO 3: Generación de hidrógeno a partir de electrólisis
3.1 Generalidades de la electrólisis
Tal como se señaló en la sección 2.3.2, la electrólisis es un proceso que permite la
obtención de hidrógeno por medio de la descomposición del agua en sus elementos
constitutivos cuando se aplica corriente directa al agua. El proceso es más limpio que el de
reformado a vapor y el de gasificación, debido a que, por medio de la electrólisis es posible
obtener hidrógeno sin generar emisiones de gases de invernadero, dependiendo de las
fuentes utilizadas para producir la electricidad.
El proceso de electrólisis incluye múltiples componentes para cada etapa. En la
etapa inicial, es necesario un rectificador y un destilador debido a que los electrolizadores
operan con corriente directa y requieren agua purificada. Seguido a esto, se requiere de un
generador de hidrógeno para realizar la electrólisis. Finalmente, cuando ya se obtiene el
hidrógeno es necesario un compresor y cilindros para su almacenamiento. Sin embargo,
existen electrolizadores que producen el gas a alta presión y por lo tanto no requieren de
compresor adicional.
Existen múltiples electrolizadores para diferentes fines dependiendo de la capacidad
de producción de hidrógeno que se requiera. Los electrolizadores de menor capacidad se
utilizan para fines domésticos y son capaces de producir de 0.9 a 2kg de hidrógeno por día;
todos sus componentes se incluyen dentro de la misma unidad, lo que los hace compactos, a
diferencia de las plantas electrolíticas más grandes en las que la capacidad y tamaño de
cada uno de los componentes es mucho mayor.
37
La descomposición del agua en gases por medio de electrólisis del agua es conocida
desde la Primera Revolución Industrial. En 1800, Nicholson y Carlisle descubrieron éste
proceso en electrolitos ácidos [12], y ya hacia 1902 se contaba con cerca de 400
electrolizadores industriales en todo el mundo. Los primeros electrolizadores PEM fueron
construidos en 1966, y los electrolizadores de óxido sólido y los alcalinos, a principios de la
década de los ’70 [13].
3.2 Tipos de electrolizadores
Los componentes básicos de un electrolizador se muestran en la Figura 2.7. Sin
embargo, dependiendo del electrolito usado, existen diferentes tipos de electrolizadores.
3.2.1 Polymer Electrolyte Membrane (PEM)
En un electrolizador tipo PEM se utiliza un polímero como electrolito. Cuando se
hace pasar la corriente eléctrica entre los electrodos, el agua reacciona en el ánodo
liberando oxígeno e iones de hidrógeno cargados positivamente. Los electrones a través del
circuito externo, y los iones a través de la membrana, fluyen hasta el cátodo, donde se
combinan para formar el hidrógeno.
La reacción el ánodo sería
−+ ++→ eHOOH 442 22 (3.1-1)
Y en el cátodo
2244 HeH →+ −+ (3.1-2)
38
La temperatura del proceso es entre 80 y 100ºC.
3.2.2 Alcalinos
Los electrolizadores alcalinos son similares a los PEM pero como electrolito usan
una solución alcalina, sea hidróxido de sodio ó hidróxido de potasio. El proceso es el
mismo que en un PEM pero a una temperatura más alta (entre 100 y 150ºC), y las
reacciones en los electrodos difieren. En el ánodo la reacción es la siguiente
−− ++→ eOHOOH 444 22 (3.1-3)
Y en el cátodo
−− +→+ OHHeOH 4244 22 (3.1-4)
Este tipo de electrolizadores pueden ser monopolares o bipolares. Un electrolizador
monopolar tiene los electrodos conectados en paralelo, mientras que uno bipolar en serie,
con los electrodos separados por una fina membrana. El costo de un electrolizador
monopolar es menor al de uno bipolar ya que, como los electrodos se encuentran separados,
el diseño y el mantenimiento resulta más sencillo. Sin embargo, las ventajas de un
electrolizador bipolar es la de ser más compacto y poseer mayor capacidad de corriente,
densidad y temperatura.
3.2.3 Óxido Sólido
En los electrolizadores de óxido sólido se utiliza un material cerámico como
electrolito, el cual transmite los iones de oxígeno cargados negativamente a elevadas
39
temperaturas (entre 500 y 800ºC) para disminuir la cantidad de energía eléctrica requerida.
El proceso se diferencia al anterior en que es en el cátodo en que el agua reacciona
liberando hidrógeno e iones de oxígeno cargados negativamente, y en el ánodo donde se
forma el oxígeno.
3.3 Costo del hidrógeno producido a partir de electrólisis
Sólo el 4% de la producción mundial de hidrógeno se obtiene por electrólisis de
agua [14], ya que el costo de producción de hidrógeno es normalmente mayor al obtenido
con los procesos que utilizan fuentes fósiles. Esto porque cerca del 68% de la electricidad
producida mundialmente es obtenida a partir de fuentes como gas natural, derivados del
petróleo y carbón mineral [15], lo que provoca que el costo de la energía eléctrica sea
mayor que el de la energía fósil empleada es los procesos de reformado y gasificación.
Sin embargo, es posible utilizar fuentes energéticas no fósiles para la generación de
la energía eléctrica con el fin de que el costo de la electricidad sea más bajo, así como en el
caso de las horas nocturnas [3].
Tal y como se ha comentado anteriormente, en nuestro país se dan períodos con
menor demanda de energía eléctrica, dependiendo de la temporada (baja o alta) y del
horario en que se produzca (punta, valle o nocturno).
Con el fin de determinar el costo de producción de hidrógeno, se debe contemplar el
horario en que opere el electrolizador, sea en operación continua, fuera de horas punta o
solamente en horario nocturno. Los datos para establecer los costos de la electricidad en
40
estos casos, se obtuvieron de la Tarifa Residencial Horaria (T-REH) de la CNFL, y se
resumen en la siguiente tabla.
Tabla 3.1 Costo promedio de la electricidad
Período horario Completo Sin punta Nocturno Cargo por energía (¢/kWh) 39,65 26,21 16,97
Los costos de operación fijos se estiman a partir de la inversión inicial,
considerando un 1% de la inversión total para el mantenimiento de la unidad, y 0.5% para
extras. Por otra parte, se considera una tasa de descuento del 10% para el cálculo del valor
presente neto (VAN) y se espera una tasa interna de retorno del 12%.
Para analizar la factibilidad de producir hidrógeno a partir de la electrólisis, se
considera un electrolizador con una capacidad de producción de 3kg de hidrógeno al día
con una eficiencia mayor al 70% y un costo estimado de US$20000. Además, se considera
que el electrolizador comprime el hidrógeno a una presión de 10000 psig (680.5 atm).
En el costo de la inversión se debe tomar en cuenta que para almacenar el hidrógeno
se requiere de al menos seis cilindros, cada uno con capacidad de almacenamiento de 0.5kg
de hidrógeno.
En el caso de la producción en horario continuo se debe considerar que para efectos
de mantenimiento, el factor de planta debe rondar el 99%. Esto porque se debe considerar
que la unidad debe salir de operación cuando requiera mantenimiento A partir de las
41
anteriores consideraciones, en la Tabla 3.2 muestra la información para determinar el costo
de producción de hidrógeno en operación continua.
42
Tabla 3.2 Evaluación de la producción de hidrógeno en horario continuo11
11 Con base en: Instituto Costarricense de Electricidad, “Análisis Actual y Tendencias Futuras de la Producción de Electricidad a partir del uso del Hidrógeno”. Costa Rica, 2006.
43
De igual forma, se obtuvo el costo de producción en operación fuera del período
punta, tal y como se observa en la siguiente tabla.
44
Tabla 3.3 Evaluación de la producción de hidrógeno fuera de horas punta12
12 Con base en: Instituto Costarricense de Electricidad, “Análisis Actual y Tendencias Futuras de la Producción de Electricidad a partir del uso del Hidrógeno”. Costa Rica, 2006.
45
Nótese que el costo de producción de hidrógeno es menor en este caso, debido a que
el costo de la electricidad es mayor en el período punta por lo que se debe evitar operar en
dicho horario. Por último, el costo de producción en horario nocturno se muestra a
continuación.
46
Tabla 3.4 Evaluación de la producción de hidrógeno en horario nocturno13
13 Con base en: Instituto Costarricense de Electricidad, “Análisis Actual y Tendencias Futuras de la Producción de Electricidad a partir del uso del Hidrógeno”. Costa Rica, 2006.
47
La situación es desventajosa para el caso de operación en horario nocturno, ya que
al producir menos hidrógeno por día, es más difícil recuperar la inversión inicial. Sin
embargo, el costo de producción de hidrógeno sigue siendo mayor en el caso de operar en
horario completo.
A partir de los cálculos anteriores, se puede observar que la contribución del costo
de la electricidad tiene un gran peso en el costo de producción de hidrógeno. De ahí, la
importancia de aprovechar la Tarifa Residencial Horaria, que permite obtener el hidrógeno
a un mejor precio.
48
CAPÍTULO 4: El hidrógeno como combustible
Tal y como se comentó en la sección 2.7, el hidrógeno se puede utilizar como
almacenador de energía para la generación electroquímica de la electricidad mediante
celdas de combustible, ya sea para el transporte o para producir energía eléctrica. Sin
embargo, si la producción de hidrógeno se realiza por medio de electrólisis de agua, no se
obtendría ventaja alguna al utilizar energía eléctrica para producir el hidrógeno, con el fin
de volver a producir electricidad.
La única manera de justificar la producción de electricidad a partir de hidrógeno
obtenido por electrólisis es cuando se utiliza para contrarrestar el carácter intermitente de
otras fuentes de energía renovable (como la solar y la eólica), o si el hidrógeno se produce
cuando el costo de la energía eléctrica es menor y se utiliza en el período punta.
La utilización de celdas de combustible en el transporte, no se ha desarrollado
comercialmente ya que aún no se han resuelto los problemas técnicos y económicos. Sin
embargo, esta tecnología está en desarrollo y se espera que en un futuro se superen dichos
problemas.
Por otra parte, es posible utilizar el hidrógeno como combustible en motores de
combustión interna, lo que resulta ventajoso debido a que la relación de la eficiencia entre
el hidrógeno y la gasolina es de 1.42. Para convertir los vehículos actuales con el fin de que
se alimenten con hidrógeno, se requiere por lo menos de la instalación de cilindros de alta
presión, reguladores y un sistema de inyección, con lo cual la eficiencia puede aumentar
hasta en un 42% [3].
49
Tal y como se comentó en la sección 2.2, el hidrógeno tiene más alto contenido de
energía por unidad de peso que los combustibles convencionales. Sin embargo, la situación
es desventajosa cuando se considera la energía por unidad volumétrica, debido a la baja
densidad del hidrógeno.
Por otra parte, el hidrógeno permite la combustión a altas relaciones de compresión
y altas eficiencias en máquinas de combustión interna. Además, al ser el hidrógeno un
combustible que no produce emisiones de gases de invernadero, los vehículos impulsados
por este combustible pueden cumplir con los requisitos de bajas o cero emisiones.
4.1 Costo del hidrógeno como combustible para el transporte
Además de las ventajas anteriormente mencionadas que se obtienen al utilizar
hidrógeno como combustible para sustituir la gasolina, es necesario realizar una
comparación entre los costos de la gasolina con los del hidrógeno.
Para esto, es preciso calcular el costo de hidrógeno por litro equivalente de gasolina,
tomando en cuenta el calor de combustión de ambos combustibles.
En la sección 3.3 se calculó que el costo de producción de hidrógeno a partir de
electrólisis de agua, operando fuera del período punta es de 6,41US$ por kilogramo de
hidrógeno, lo que equivale a 694,5 colones por litro equivalente de gasolina.
50
El precio de la gasolina súper es de 575 colones por litro14, lo que equivale a 119,5
colones menos que el precio del hidrógeno. Por esta razón, bajo dichos escenarios no es
rentable utilizar el hidrógeno obtenido a partir de la electrólisis del agua como combustible
en motores de combustión interna.
Sin embargo, se debe tomar en cuenta que la reserva mundial del petróleo
comenzará a disminuir en los próximos años y los precios del petróleo aumentarán. Por
consiguiente, el precio de la gasolina puede aumentar hasta superar el precio del hidrógeno,
y así, sería factible sustituir la gasolina por el hidrógeno en el transporte.
4.2 Contribución del costo de la electricidad en el precio del hidrógeno
Tal y como se comentó en la sección 3.3, la contribución del costo de la electricidad
tiene un gran peso en el costo de producción del hidrógeno a partir de la electrólisis del
agua.
La Tabla 4.1 muestra que, como es de esperar, conforme aumenta el cargo por
energía eléctrica aumenta el precio del hidrógeno. Si se consigue que el precio de la
electricidad sea 20,95¢/kWh, el costo de producción del hidrógeno en horario completo
sería competitivo con el de la gasolina. En el caso de que el cargo por energía eléctrica sea
nulo, se obtiene que el costo del hidrógeno es de 303 colones por litro equivalente de
gasolina.
14 Según La Gaceta del Viernes 14 de julio del 2006.
51
Tabla 4.1 Contribución del costo de la electricidad en el precio del hidrógeno
Cargo por energía eléctrica (¢/kWh)
Precio de equilibrio del hidrogeno (US$/kg)
Precio del hidrogeno por litro equivalente de
gasolina (¢/L) 0,00 2,80 303
10,00 4,00 433 16,97 4,83 523 20,95 5,30 575 26,21 5,95 645 39,65 7,56 819
En la siguiente figura se observa la variación del costo de producción de hidrógeno
al disminuir el precio de la electricidad que consume el electrolizador.
21; 575
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00
Cargo por energía eléctrica (¢/kWh)
Prec
io d
el h
idró
geno
por
litr
o eq
uiva
lent
e de
gas
olin
a (¢
/L)
Figura 4.1 Contribución del costo de la electricidad en el precio del hidrógeno
52
4.3 Contribución de la inversión en el precio del hidrógeno
Otro factor que se debe tomar en consideración, es la contribución de la inversión
inicial en el costo de producción de hidrógeno obtenido a partir de la electrólisis del agua.
En la siguiente tabla se observa como el precio del electrolizador tiene un gran peso en el
precio del hidrógeno.
Tabla 4.2 Contribución de la inversión en el precio del hidrógeno
Costo del electrolizador (US$)
Precio de equilibrio del hidrogeno (US$/kg)
Precio del hidrogeno por litro equivalente de
gasolina (¢/L) 0 4,96 538
3000 5,30 575 10000 6,17 668 20000 7,56 819 30000 8,97 972 50000 11,78 1277 75000 15,29 1656
100000 18,66 2022
Tal y como se observa en la Tabla 4.2, es necesario rebajar al menos 17000US$ de
la inversión inicial con el fin de que el precio del hidrógeno obtenido en horario completo
sea competitivo con el de la gasolina. La Figura 4.2 muestra la variación del costo de
producción de hidrógeno al disminuir el precio del electrolizador.
53
3000; 575
0
500
1000
1500
2000
2500
0 20000 40000 60000 80000 100000 120000
Costo del electrolizador (US$)
Prec
io d
el h
idró
geno
por
litr
o eq
uiva
lent
e de
gas
olin
a (¢
/L)
Figura 4.2 Contribución de la inversión en el precio del hidrógeno
A partir de los resultados anteriores, se muestra que en la actualidad no es
conveniente sustituir la gasolina por el hidrógeno obtenido a partir de la electrólisis del
agua en motores de combustión interna.
Para que el reemplazo sea viable, es necesario el avance en el desarrollo tecnológico
de los electrolizadores con el fin de disminuir el costo de la inversión inicial.
54
CAPÍTULO 5: Conclusiones y recomendaciones
5.1 Conclusiones
1. La demanda global de energía a partir de recursos fósiles ha venido aumentando en los
últimos años, por esta razón, es posible esperar que los excedentes de la producción de
petróleo comiencen a disminuir en las próximas décadas y, por consiguiente, los precios
del petróleo aumenten.
2. Al ser el hidrógeno uno de los elementos que forman el agua, sería una fuente de
energía inagotable, de modo que no provocaría crisis económicas como las del petróleo,
y además sería una energía no contaminante ya que no produce emisiones de gases de
invernadero.
3. Es conveniente sustituir los combustibles fósiles por hidrógeno obtenido a partir de
electrólisis de agua, debido a que se puede producir con la principal fuente de energía
con que cuenta nuestro país, la hidroeléctrica. Además, mediante este proceso es
posible alcanzar rendimientos entre el 80 y el 85% y producir el gas sin generar
emisiones de gases de invernadero.
4. El costo de la producción de hidrógeno es menor en operación fuera del período punta,
debido a que la contribución del costo de la electricidad tiene un gran impacto en el
precio del hidrógeno, por lo que se debe evitar operar en el período punta.
5. El hidrógeno se puede utilizar como almacenador de energía para la generar
electricidad mediante celdas de combustible. Sin embargo, al utilizar hidrógeno
55
producido a partir de electrólisis, no se obtiene ninguna ventaja energética al realizar la
transformación.
6. La única manera de justificar la producción de electricidad a partir de hidrógeno
obtenido por electrólisis es cuando se utiliza para contrarrestar el carácter intermitente
de otras fuentes de energía renovable (como la solar y la eólica), o si el hidrógeno se
produce cuando el costo de la energía eléctrica es marginal y se utiliza en el período
punta.
7. Es posible utilizar el hidrógeno como combustible en motores de combustión interna, y
obtener mejor rendimiento que utilizando hidrocarburos. Además, los vehículos
impulsados por este combustible pueden cumplir con los requisitos de bajas o cero
emisiones.
8. Actualmente, el precio del hidrógeno en el transporte es mayor al de la gasolina. Sin
embargo, el precio de la gasolina puede aumentar hasta superar el precio del hidrógeno,
y así, sería factible sustituir la gasolina por el hidrógeno en el transporte.
9. La contribución de la inversión inicial y del costo de la electricidad tiene un gran peso
en el costo de producción de hidrógeno obtenido a partir de la electrólisis del agua.
10. El desarrollo de una economía basada en el hidrógeno dependerá de los avances
logrados en la eficiencia del almacenamiento y distribución del mismo, y del desarrollo
de las celdas de combustible y electrolizadores.
56
5.2 Recomendaciones
1. Promover el uso y la investigación relacionada con fuentes de energía renovables con el
fin de reducir la dependencia de fuentes energéticas externas y el uso de combustibles
contaminantes.
2. Estudiar alternativas disponibles para la utilización del hidrógeno obtenido a partir de
electrólisis cuando se utiliza para contrarrestar el carácter intermitente de otras fuentes
de energía renovable.
3. Continuar con el estudio del empleo de fuentes no convencionales de energía para el
transporte debido a que es el sector en donde se consume la mayor cantidad de
combustibles fósiles.
4. Aumentar la efectividad del uso del hidrógeno investigando sobre el desarrollo de
electrolizadores, celdas de combustible y sistemas de producción, almacenamiento,
distribución y uso del hidrógeno.
5. Investigar los riesgos asociados a la producción, almacenamiento, distribución y uso del
hidrógeno.
57
BIBLIOGRAFÍA
Referencias:
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y la redistribución del poder en la Tierra”.España, 2002. [3] Instituto Costarricense de Electricidad, “Análisis Actual y Tendencias Futuras de
la Producción de Electricidad a partir del uso del Hidrógeno”. Costa Rica, 2006. [4] Perry, R. “Handbook del Ingeniero Químico”. 6ta edición. [5] Instituto Nacional del Medio Ambiente, “Hidrógeno: Tecnología y Política”.
Estados Unidos, 1995. [6] MPR Associates, Inc. “Hydrogen Production Methods”. 2005. [7] http://www.crisisenergetica.org/saticpages/hidro-tecno-polit.htm [8] Departamento de Industria, Comercio y Turismo. “Hidrógeno y Pilas de
Combustible: Estado de la técnica y posibilidades en Aragón”. España, 2003. [9] Tecnologías de Generación del ICE “Proyectos ICE 2005” [10] Bisquert, J. “Sistemas Electroquímicos y Nanotecnología para el
Almacenamiento de Energía Limpia”. 2005. [11] INVESTIRE Network, www.itpower.co.uk/investire/home.html (2003). [12] Kreuter, W. y Hofmann, H. “Electrolysis: The Important Energy Transformer
in a World of Sustainable Energy”. Vol 23, Nº8. Int. J. Hydrogen Energy, 1998. [13] Informe del Impacto Ambiental. “Planta Modelo de Producción de Hidrógeno”.
Municipalidad de Pico Truncado. EIA. UNCA [14] http://www.aecientificos.es/empresas/aecientificos/documentos/LAECONOMIA
DELHIDROGENO.pdf [15] BP Statistical Review of World Energy. June, 2004.
58
Libros y artículos:
Barrantes, D. “Generación de Energía a partir de Hidrógeno”. Proyecto eléctrico realizado para obtener el grado de bachiller en ingeniería eléctrica, Universidad de Costa Rica, Costa Rica, 2004. Ivy, J. “Summary of Electrolytic Hydrogen Production: Milestone Completion Report”. NREL Report No. MP-560-35948, 2004. Levene, J. I.; Mann, M. K.; Margolis, R.; Milbrandt, A. “Analysis of Hydrogen Production from Renewable Electricity Sources: Preprint”. NREL Report No. CP-560-37612, 2005. McConnell, R.; Thompson, J. “Generating Hydrogen through Water Electrolysis using Concentrator Photovoltaics”. NREL Report No. CP-520-37093, 2005. National Renewable Energy Laboratory. “Cost and Performance Comparison Of Stationary Hydrogen Fueling Appliances”. U.S. DOE Hydrogen Program Review NREL/CP-610-32405, 2002. National Renewable Energy Laboratory. “Hydrogen Production through Electrolysis”. U.S. DOE Hydrogen Program Review NREL/ CP-610-32405, 2002. National Renewable Energy Laboratory. “Technology Brief: Analysis of Current-Day Commercial Electrolyzers”. NREL Report No. FS-560-36705, 2004. Simbeck, D y Chang E. “Hydrogen Supply: Cost Estimate for Hydrogen Pathways”. NREL Report No. SR-540-32525, 2002. United States Department of Energy. “Electrolysis”. DOE Hydrogen Program, FY 2005 Progress Report. United States Department of Energy. “Increasing the Efficiency of the Water Electrolysis Cell”. DOE Hydrogen Program, FY 2005 Progress Report. Walsh, M.; Kolke, R. “Combustibles y Tecnologías Vehiculares más Limpios”. GTZ, Alemania, 2003.
59
Páginas web:
Avalence: http://www.avalence.com Efecto de Invernadero: http://www.monografias.com/trabajos12/efin/efin.shtml Fundamentos del Hidrógeno Gaseoso: http://www.energiasostenible.net/fundamentos_ hidrogeno.htm
60
APÉNDICES
El costo de producción de hidrógeno se obtuvo a partir de los siguientes datos y
cálculos:
CNFL
T-REH Tarifa Residencial Horaria
Aplicación: Esta tarifa es exclusiva para clientes residenciales servidos en baja tensión y consumo superior a 200 kWh por mes, en toda el área servida por la Compañía Nacional de Fuerza y Luz, S.A.
Vigente el 3 de mayo del 2006
Publicado en la Gaceta Número 84
Cargo por energía Periodo horario
Costo de cada kWh
Punta ₡63,80
Valle ₡25,70
Nocturno ₡12,00
Vigente el 3 de mayo
del 2006
Publicado en la Gaceta Número 84
Factor de escalamiento
Intervalo mensual de
consumo (kWh) a b
De 0 a 200 0,918 De 201 a 600 0,8008 0,00088679
De 601 a 1000 1,1832 0,00018721
De 1.001 a 2.000
1,3143 0,00005616
Más de 2.000 1,3867 0,00001872
Para determinar el monto por facturar se utiliza el coeficiente de consumo = a + (b * x); a = factor de escalamiento fijo, b = factor de escalamiento variable y x = consumo mensual (kWh total) luego se aplica costo por período = c * k * d; donde c = consumo por período horario, k = costo por kWh y d = coeficiente de consumo, al final se suman los tres costos por período y obtener el monto por facturar.
61
Completo Sin punta Nocturno
Consumo anual 8760 7436 5096 Consumo mensual (kWh) 730,00 619,67 424,67 Coeficiente de consumo 1,40 1,40 1,39 Consumo punta (kWh) 152,08 0,00 0,00 Consumo valle (kWh) 273,75 273,75 0,00 Consumo nocturno (kWh) 304,17 304,17 304,17 Costo punta (¢) 13587,63 0,00 0,00
Costo valle (¢) 9852,10 9837,57 0,00 Costo nocturno (¢) 5111,33 5103,80 5090,47 Total (¢) 28551,06 14941,36 5090,47
Hora (¢) 39,65 26,21 16,97 US$/kWh 0,07745 0,05120 0,03314
Si se tiene que el precio de un electrolizador con capacidad de producir 50Nm3 de
hidrógeno al año es de 450000US$, es posible aproximar el precio de un electrolizador con
capacidad de producir 1,5Nm3 de hidrógeno al año, utilizando un factor de 0,9
$200001917045000050
5,1 9,0
US≈=×
Para calcular el costo de hidrógeno por litro equivalente de gasolina se siguió de la
siguiente manera:
LcolUS
colL
kgGasolinakgGasolina
kJkJkJ
kJkJ
kJkgH
kgHUS bruto
bruto
útil
útil
bruto
bruto
/695$
51276,0
45980100
2550
100142915
$41,6 2
2
=××××××
62
ANEXOS
Tabla A.1 Electrolizadores producidos por Avalence15
15 Fuente: http://www.avalence.com/products/
63
Tabla A.2 Especificaciones de algunos electrolizadores16
16 Fuente: Summary of Electrolytic Hydrogen Production: Milestone Completion Report, 2004