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PRODUCCIÓN Y ALMACENAJEDE HIDRÓGENO

UNIDAD 8

PROPIEDADES DELHIDRÓGENO

El hidrógeno (en griego, 'creador de agua') es un elementoquímico de número atómico 1, representado por el símbolo H.Con una masa atómica del 1,00794 (7) u, es el más ligero de latabla de los elementos. Por lo general, se presenta en suforma molecular, formando el gas diatómico (H2) encondicionesnormales. Este gas es inflamable, incoloro, inodoro, nometálico e insoluble en agua.Es el elemento más abundante en el universo, pero en la tierraes difícil de encontrar por separado ya que al ser tan ligero esmuy volátil y se concentra en las capas altas de la atmósfera.

PROPIEDADES DELHIDRÓGENO

El almacenamiento del hidrógeno es clave para su utilización.Técnicamente no ofrece dificultades pero tiene un costo caro.Por otro lado el hidrógeno tiene la ventaja de una grandensidad energética por unidad de masa:1kg de hidrógeno equivale a 2,78 kg de gasolina.Sin embargo tiene el inconveniente de ocupar una granvolumen:1 m3 de hidrógeno (en condiciones normales), equivale a 0,34litros de gasolina.Para reducir volumen se almacena a presiones elevadasllegando a una equivalencia aproximada de1 litro de gasolina equivale a 6,5 litros de hidrógeno. Esto seconsigue con presiones del orden de 700 bares.El hidrógeno en condiciones normales de presión es líquido acasi -273 ºC

HIDRÓGENO VECTORENERGÉTICO

Cuando hablamos de hidrógeno decimos que es un vectorenergético y no una fuente de energía.El motivo de tal distinción es que el hidrógeno no lo podemosobtener directamente, como el carbón, energía solar, eólica etc.El hidrógeno lo tenemos que producir a partir de tras fuentes deenergía.

PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO APARTIR DE COMBUSTIBLES

1. A partir combustibles fósiles

2. A partir de combustiblesrenovables

PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO APARTIR DE COMBUSTIBLES

PRODUCCIÓN A PARTIR DECOMBUSTIBLES FÓSILES

1.1 A partir de gas natural (la más desarrollada): 1.1.1Reformado de vapor

Conversión endotérmica (absorbiendo calor) demetano y vapor de agua. 700-850 ºC, 3-25 bares.Este proceso consiste en exponer al gas natural, dealto contenido de metano, con vapor de agua aalta temperatura y moderada presión.

1.1.2 Oxidación parcial de gas natural Producción de H2 por combustión parcial de CH4

con O2.

calorHCOOHCO

HCOcalorOHCH

222

224 3

calorHCOOCH 224 221


1.1.3 Reformado autotérmico Combinación de anteriores. 950-1100 ºC Presiones superiores a 100 bares


1.2 A Partir de carbón Por varios procesos de gasificación Conversión favorecida a altas temperaturas

22 HCOcalorOHsC


1.2 A Partir de carbón

GASIFICACIÓN DEL CARBÓN O DEBIOMASA.

La gasificación es un proceso termoquímico en el que unsustrato carbonoso (residuo orgánico) es transformado en ungas combustible de bajo poder calorífico, mediante una serie dereacciones que ocurren a una temperatura determinada enpresencia de un agente gasificante ( aire, oxígeno y/o vapor deagua ).

PRODUCCIÓN A PARTIR DEBIOMASA

Hidrógeno se produce de manera similarque a partir de carbón.

No existen plantas comerciales Se produce H2 y biocombustibles Gasificación y la pirólisis: medio

tecnológico más prometedor Reservas de biomasa:

Productos no refinados Calidad inconsistente Pobre control de calidad


REFORMADO DE FLUIDOS BIODERIVADOS(PRINCIPALMENTE BIOETANOL CH3-CH2-OH).

Este proceso es similar a la producciónde hidrógeno a partir de carbón ya quetiene las mismas etapas.Una etapa de gasificación de la biomasa yotra etapa de reformado de vapor.


PIRÓLISISLa pirólisis se puede definir como la descomposición térmica de un

material en ausencia de oxígeno o cualquier otro reactante. Estadescomposición se produce a través de una serie compleja dereacciones químicas y de procesos de transferencia de materia y calor.La pirólisis también aparece como paso previo a la gasificación y lacombustión.

Se puede considerar que la pirólisis comienza en torno a los 250 °C,llegando a ser prácticamente completa en torno a los 500°C.

A parte del hidrógeno, se producen otra serie de gases e hidrocarburosque son aprovechables para la producción de energía (por ejemplometano).


FERMENTACIÓNDos tipo:

-Fermentación alcohólica: Se trata de conseguir alcohol puro al96% y después se lleva a cabo un reformado con vapor.

- Fermentación anaeróbica. Se trata de producir biogás yposteriormente llevar a cabo un reformado con vapor.

PRODUCCIÓN A PARTIR DE LARUPTURA DE AGUA

Electrólisis del agua El agua se separa en H2 y O2 por aplicación

de energía

La energía total aumenta lentamente conla temperatura

La energía eléctrica disminuye con T.

222 21 OHadelectricidOHGlobal

eOOánodo

OHeOHcátodo

42:

2242:

22

222


Electrólisis del agua

Instalación comercial de producción de H2 (150 m3/h) mediante electrolisis de agua.


Electrólisis alcalina Disolución alcalina de KOH (Hidróxido

potásico) como electrolito A presiones de 25 bares


Electrolisis por membrana de electrolitopolimérico (PEM) (una de las más usadas)

El electrolito es una resina polimérica. Aplicaciones estáticas y móviles

Ventajas: Mayor seguridad Más compacto Operar a presiones mayores

Inconveniente Limitado tiempo de vida de las membranas

2

22

22:

2221:

HeHcátodo

eHOOHánodo


oFotoelectrolisis

Sistema fotovoltaico unido a electrolizadoresLa energía eléctrica necesaria se obtiene de célulasfotovoltaicasEl Hidrógeno se obtiene desde electrolizador


Producción fotobiológica Fotosíntesis Producción catalizada de H2 por

hidrogenasas

2

22

244:Pr

442:

HeHHidrógenodeoducción

OeHOHisFotosíntes

La hidrogenasa es una enzima que cataliza la oxidaciónreversible de Hidrógeno molecular (H2)


Producción fotobiológica


o Electrolisis a altas temperaturas Tecnología de células de combustible a altas

temperaturas Necesita menos energía que los sistemas

anteriores. De aplicación en centrales solares térmicas. Tiene el inconveniente de un aumento notable

de la corrosión al trabajar a altastemperaturas.


Descomposición a alta temperatura se produce a unos 3000ºC un 10% del agua se descompone y el 90%

se recicla

Presenta muchas complicaciones por las elevadas temperaturas.


Ruptura termoquímica del agua Se trata de descomponer el agua a temperaturas

inferior mediante reacción químicas de agua conciertos aditivos. Se reduce el coste y tiene un alto

rendimiento

MODALIDEDES DE PRODUCCIÓNDE HIDRÓGENO

PRODUCCIÓN CENTRALIZADA

PRODUCCIÓN DISTRIBUIDA

PRODUCCIÓN CENTRALIZADA DEHIDRÓGENO

PRODUCCIÓN DISTRIBUIDA DEHIDRÓGENO

Beneficio: Se reduce necesidad de transportar H2

combustible No es necesario construcción de nuevas

infraestructuras Coste de producción mayor para pequeña

capacidad Eficacia menor que para las plantas

centralizadas Desventaja: Espacio requerido por la

producción del hidrógeno

ALMACENAMIENTO

oTres formas principales de almacenar H2

•Gas

•Líquido

•Sólido

ALMACENAMIENTO

HIDRÓGENO GASEOSO

La manera más habitual para almacenar hidrógeno es endepósitos a alta presión. Las presiones típicas de almacenamientoson 200 bares, 350 bares (estándar hace años para los depósitosque se montaban en vehículos) y 700 bares que actualmente esel estándar empleado en automoción. En los laboratorios, losgases a presión como el nitrógeno o el oxígeno acostumbran aalmacenarse en balas o bombonas de acero, sin embargo, estetipo de depósitos no es práctico para la mayor parte de lasaplicaciones del hidrógeno debido a que son muy pesadas. Porello, se han desarrollado tanques ligeros a base de materialescompuestos como por ejemplo los montados en los Toyota Miraique cuentan con tres capas. Una capa interna hecha de unpolímero plástico a base de nylon con una baja permeabilidad alhidrógeno. Una capa intermedia de resina epoxy con fibra decarbono que da la rigidez estructural al depósito. Y por último unacoraza externa fabricada con un material compuesto a base defibra de vidrio para proteger al depósito de posibles abrasiones.De esta forma, mediante el uso de materiales compuestos, selogra reducir notablemente el peso de los depósitos que hay queembarcar.

HIDRÓGENO GASEOSO

Tanque compuesto Ventajas

Bajo peso Comercialmente disponible, diseñado y

probado Soportan altas presiones

Desventajas Gran volumen Alto coste y energía Cuestiones de seguridad

HIDRÓGENO GASEOSO

HIDRÓGENO GASEOSO

Presión(MPa) 0.101325 200 350 700

Volumen(L) 11934 68.4 42.7 25.7

Depósito de hidrógeno de alta presión del Toyota Mirai

HIDRÓGENO GASEOSO

Microesferas de cristal Se llenan las esferas de H2 a alta presión y

temperatura Se enfrían a temperatura ambiente Se transfieren al tanque de baja presión Se calientan a 300 ºC

HIDRÓGENO GASEOSO

HIDRÓGENO LÍQUIDO

Otra opción es almacenar el hidrógeno en estado líquido,sin embargo, para que el hidrógeno se encuentre enestado criogénico es necesario mantener una temperaturade -253 ºC. Por tanto, para licuar el hidrógeno se requiereuna cierta cantidad de energía para bajar la temperaturahasta 20,3 K sobre el cero absoluto, además se necesitantambién unos depósitos fuertemente aislados paraconservar tan baja temperatura. Este es un método paraalmacenar cantidades relativamente grandes dehidrógeno. Si bien, mediante este método el hidrógeno nopuede mantenerse almacenado durante largos periodos detiempo, debido a lo costoso que es mantener el hidrógenoen estado líquido y a las pérdidas que puedan producirse.BMW ha desarrollado y empleado la tecnología delhidrógeno líquido en prototipos en los que ha utilizadopequeños tanques.

HIDRÓGENO LÍQUIDO

Hidrógeno líquido criogénico (LH2) temperaturas criogénicas (-253 ºC) mayor densidad energética principal ventaja: conseguir una alta

densidad de almacenamiento apresiones relativamente bajas

Aplicaciones:combustible en vehículos,combustible de aviones.

HIDRÓGENO LÍQUIDO

Soluciones de NaBH4 (borohidruro de sodio )

NaBH4 (l) + 2H2O (l) 4H2 (g) + NaBO2 (s)

El borohidruro de sodio es usado en pilas decombustible experimentales como un medio dealmacenar hidrógeno. Como pila, es menos inflamable ymenos volátil que la gasolina, pero más corrosivo. Esrelativamente respetuoso con el medio ambiente ya quede producirse un vertido se degradará rápidamente asales inertes. El hidrógeno es generado en la pila decombustible a través de la descomposición catalítica deuna solución acuosa del borohidruro:

HIDRÓGENO SÓLIDO Está en desarrollo pero ofrece muchas

posibilidades y está siendo la más estudiada:gran capacidad de almacenamiento a bajaspresiones. Cómo inconveniente es el elevadopeso.

Se trata de utilizar materiales que tengan lacapacidad de combinarse fácilmente con elhidrógeno y en una reacciones que seanreversibles, es decir, que en primer lugarreacciona el hidrógeno con la sustancia. Elresultado de esta reacción es la que almacenael hidrógeno y es transportable. Finalmente serealiza la reacción inversa obteniendo de nuevoel hidrógeno.

COMPARACIÓN

Ventajas del hidrógeno en estadosólido: Menor volumen Menor presión Mayor pureza de H2

APLICACIONES DELHIDRÓGENO

Pilas de Combustible Las pilas de combustible o celdas de combustible son unos

dispositivos electroquímicos, capaces de convertirdirectamente la energía química contenida en uncombustible en energía eléctrica. Esta transformaciónelectroquímica (sin combustión) no está limitada por elrendimiento de Carnot, lo que permite conseguirrendimientos relativamente altos (en la práctica en elentorno del 40 o 50%, aunque en teoría podrían serbastante superiores). Se presentan como unosdispositivos con enorme potencial de aplicación.


Pilas de Combustible Fundamentalmente una pila de combustible es un

apilamiento (con conexiones internas en serie) de célulaso celdas individuales. Estas celdas están formadas por doselectrodos (ánodo y cátodo) donde se producenrespectivamente la oxidación del hidrógeno y la reduccióndel oxígeno, y por un electrolito (que puede ser un mediotanto ácido como básico) que permite el intercambio delos iones que generan ambas reacciones. Uniendo cadados celdas existe un elemento de unión, denominadonormalmente placa bipolar (que además facilita lacanalización de los gases) que permite la circulación delos electrones, que pasando por el circuito externo,completan las reacciones.


Pilas de Combustible Entre las ventajas generales de las pilas de combustible, cabe destacar: Su buen rendimiento, en torno al 40 o 50% y con posibilidades de mejora. Este rendimiento, a diferencia de otros sistemas, es relativamente alto para distintas

potencias en un mismo sistema (es decir funcionando tanto a plena potencia como a cargasparciales), lo que permite ajustar la producción a la demanda sin sacrificar la eficiencia.

Asimismo, el rendimiento es bueno independientemente del tamaño del sistema (adiferencia de los sistemas térmicos, en los que el rendimiento mejora con el aumento deescala).

Son sistemas con muy poca inercia, que pueden seguir casi al instante la curva dedemanda.

Tienen un carácter modular, lo que significa por un lado un aumento de la fiabilidad a la vezque una reducción de costes, y por otro que las plantas se pueden construir en poco tiempoy pueden aumentar o disminuir la potencia sin cambiar su diseño. Además se puedeconseguir una muy alta disponibilidad, ya que la parada de un módulo no supondría laparada del sistema completo.

Al carecer de partes móviles, las pilas de combustible son silenciosas, no producenvibraciones (estas afirmaciones no son válidas para algunos de los componentes auxiliares),y por ello, en teoría, requieren poco mantenimiento.


Pilas de Combustible

APLICACIONES DEL HIDRÓGENO

MOTORES DE COMBUSTIÓN DEHIDRÓGENO

-Motor Ford H2ICE (motor de combustión interna de hidrógeno):cuatrocilindros de 2,3 litros que desarrolla 110CV.>Hidrógeno gaseoso almacenado a 350 bares en tanques de 119L(equivale a 2,75kg de hidrógeno. Autonomía de unos 200 km).>El hidrógeno entra a 5,5 bares en el interior del motor. Un turbocompresor comprime el aire de admisión e incrementa la masa del lamezcla de combustible (el hidrógeno es muy poco denso).>Durante la compresión, el aire se calienta y es necesario enfriarlomediante intercambiadores. El aire comprimido y enfriado se introduceen el motor y se combina con el hidrógeno en los cilindros.

MOTORES DE COMBUSTIÓN DEHIDRÓGENO

VentajasNo contamina.El combustible es renovable.Es ecológico.Hace menos ruido.Tiene mas rendimiento.

Inconvenientes-Es muy caro.No tiene lugar para maletero.Es monoplaza.Autonomía 200km.Una menor potencia(100CV)

Ford H2ICE

COCHES CON PILA DECOMBUSIBLE DE H2

El hidrógeno se almacena en un depósito (o tanque) y gracias a lapila de combustible se obtiene energía eléctrica para hacerfuncionar el motor eléctrico que moverá las ruedas.La pila de combustible (también llamada célula o celda decombustible) recibe hidrógeno y aire (para aprovechar el oxígenode este), y mediante un proceso electroquímico genera energíaeléctrica, agua (que se evacúa en forma de vapor) y algo denitrógeno. Estas emisiones no son contaminantes y por eso sehabla de vehículo de cero emisiones locales.El rendimiento es de entre el 50% y el 60%. La pila de combustiblees pesada y muy costosa (se emplea platino o paladio para recubrirlas placas de los electrodos). En ocasiones el vehículo puede llevartambién una batería (normalmente de iones de litio) paraacumulación de electricidad (pero más pequeña que si fuera unvehículo eléctrico “puro”).


Coste del hidrógenoUn kilo de hidrógeno cuesta 12 euros(es cierto que en otros países

como Alemania es algo más barato, unos ocho euros el kilo).Un kilo de hidrógeno energéticamente equivale a unos 2,8 kg degasolina (1 kg de gasolina son aproximadamente 1,4 litros). Al precioactual de la gasolina (1,35 euros/litro) un kilo serían 1,89 euros. Elhidrógeno parece más caro. Comparémoslo con un coche de gasolinaactual muy eficiente, por ejemplo un Toyota Prius III, que tiene unconsumo mixto de 3,9 l/100 km (en kilos serían 2,81).Hacer 100 km con gasolina cuesta 5,27 euros, 100 km con hidrógenocuesta 12 euros.

Datos de diciembre 2014

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