Técnicas Energéticas - 67.56

Hidrógeno

Facultad de Ingeniería - UBA

Hidrógeno

• Es el elemento más abundante en el planeta

• Siempre unido a otros átomos => se necesita energía para obtener H2

• Condensa a –253ºC => difícil licuar, manipular y almacenar

• Su combustión con aire solo genera H2O y NOx en pequeñas cantidades

Hidrógeno• Densidades energéticas:

Combustible kWh/kg kWh/l Tanque

Nafta 12.7 8.8 1.0 Metano (gas, 170 atm) 13.8 1.7 5.2Metanol 6.3 4.4 2.0H2(liq) 33.3 2.4 3.7H2(gas, 170 atm) 33.3 0.6 14.6Hidruro(FeTi) 0.6 3.2 2.8Hidruro(LaNi5) 0.4 3.3 2.7

1 l nafta ≡ 2.86 m3 H2 (g) CNPT ≡ 3.58 l H2(l)

0.333 m3 H2 (g) CNPT ≡ 1 kWh (ε = 100 %)

Hidrógeno

• Tipos de almacenamiento:

– Como gas• Altas presiones

– Como líquido criogénico• Muy bajas temperaturas

– En forma sólida como hidruros metálicos• Bajas temperaturas

Producción de H2

• Tecnologías tradicionales

Producción según materia prima

Producción de H2

• Tecnologías tradicionales

1) Reformado con vapor:– Materia prima de bajo peso molecular:

• Metano, Etano, GLP, Naftas– Tecnología dominante actualmente– Proceso endotérmico

2) Oxidación parcial (Gasificación):– Materia prima de mayor peso molecular:

• Fuel-oil, asfaltos, carbón y biomasa– Proceso exotérmico

Gas de síntesis

1a etapa

Producción de H2

• Tecnologías tradicionales

Tren de purificación con reactores catalíticos:

a) Reformador secundariob) Reactores adiabáticos (convertidores de CO)

– Reactor de alta temperatura– Reactor de baja temperatura

c) Reactor de metanación (adiabático)

Resultado: H2 de elevada pureza (99.7%)contenido de CO de hasta 0.3%

2a etapa

Producción de H2

• Otras Tecnologías

– Proceso autotérmico• Combinación de reformado con vapor y oxidación parcial

– Reformado con CO2 (Reformado seco)• Reemplazo del vapor• Relación CO/H2 mayor a la del reformado con vapor• Disponibilidad de grandes cantidades de CO2 de calidad

apropiada

Producción de H2

• Otras Tecnologías

– Pirólisis• Descomposicón de hidrocarburos a altas temp. => C + H2

(subproducto)• El proceso en si mismo no produce óxidos de carbono

– Pequeños reformadores• Materia prima: alcoholes

– Tecnologías basadas en biomasa• Producen H2 directamente• Impureza de la materia prima• Limitada disponibilidad de recursos

Producción de H2

• Otras Tecnologías– Electrólisis del agua

• Energía fósil• Energía nuclear• Energías renovables:

– Eólica– Solar– Hidráulica– Geotérmica– Mareomotriz– Biomasa

– Termólisis del agua– Métodos fotoquímicos

Producción de H2

• Pequeños reformadores

– Se utilizan principalmente para alimentar pilas de tipo PEM

– Pueden alimentarse con • Metanol• Etanol

Producción de H2

• Pequeños reformadores

– Con Metanol:• Temp. de operación del reformado: 300ºC

• Actualmente se genera utilizando gas natural

• Ventajas: bajo costo, facilidad de transporte y almacenamiento

• Desventajas: tóxico, proviene del gas => genera CO2

Producción de H2

• Pequeños reformadores

– Con Etanol:• Temp. de operación del reformado: 500ºC a

700ºC• Ventajas: no es tóxico, se obtiene con recursos

renovables, facilidad de transporte y almacenamiento

• Desventajas: Proceso más complejo que el reformado con metanol, pudiendo generar metano y subproductos no deseados

Celda tipo PEM• Reacciones químicas:

Ánodo: 2H2 → 4H+ + 4e-

Cátodo: 4e- + 4H+ + O2 → 2H2OReacción completa: 2H2 + O2 → 2H2O

• Ventajas:– No produce contaminación– Solo se desecha agua y calor– Es silenciosa– Alto rendimiento (~50%)

• Desventajas: – Precisa H2 de alta pureza

(hasta 30 ppm de CO)

Usos del H2

Ventajas

• Abundante

• Combustión limpia

• Alta densidad energética

• Es renovable

• No es tóxico

Desventajas• Difícil transporte y almacenamiento• No es combustible primario => se debe gastar

energía para producirlo• El saldo de energía en la producción de H2 es

negativo• Falta de desarrollo de infraestructura de producción y

distribución• Densidad de energía volumétrica muy baja• Alto índice de difusividad• Difícil de detectar fugas• Llama incolora

Aplicaciones en automóviles

Motores de combustión interna

• Fácil adaptación (similar a los sistemas de GNC)• Mejora la eficiencia del motor en un 25%• Combustión más limpia (solo emite NOx)• Difícil almacenamiento• Alto costo• Rendimiento limitado por Carnot

Aplicaciones en automóviles

Celdas de combustible

• Mínimo mantenimiento (no hay desgaste mecánico)• Alta eficiencia (no está limitada por Carnot)• Sin emisiones contaminantes• Silenciosa (ruido => ventiladores y compresores)• Puede actuar como generador eléctrico portátil• Permite una mayor libertad de diseño del automóvil

Aplicaciones en automóviles• Comparativa entre motores y celdas de combustible

Vehículo convencional con motor a CI

Vehículo con Celdas de Combustible

Ambientalmente limpio NO SI

Alto Desempeño SI SI y sobrepasarían a los vehículos convencionales

Bajo Mantenimiento NO SIConfiabilidad NO SI

ConfortSI para los estándares actuales, NO para los

futurosSI

Bajo Ruido NO SIAlta Eficiencia NO SI

Libertad de Diseño NO SI

Fuente de Potencia SI (supeditado a la energía almacenable en la batería) SI

Vehículos eléctricos alimentados con H2

TECNOLOGÍA PEM / HIDRÓGENO COMPRIMIDOTECNOLOGÍA PEM / HIDRÓGENO COMPRIMIDO1996-utilitarioPotencia: 50 kW2 stacks, 280 VAutonomía: 250 kmVmáx: 110 km/h

1999-MB clase APotencia: 70 kW2 stacks, 330 VAutonomía: 450 kmVmáx: 145 km/h

NEBUS (New ElectricBus)1997 Daimler ChryslerPotencia: 250 kWAutonomía: 250 kmVmáx: 80 km/h

Vehículos eléctricos alimentados con H2

1997Potencia: 50 kWTanque: 40 lAutonomía: 400 kmVmáx: 120 km/h 2000

Potencia: 75 kWTanque: 40 lAutonomía: 450 kmVmáx: 150 km/h

TECNOLOGÍA PEM / METANOL REFORMADOTECNOLOGÍA PEM / METANOL REFORMADO

El H2 en Argentina• Sistemas de almacenamiento de electricidad de

níquel-hidrógeno para misiones espaciales (Satélites SAC-C, SAC-D y SAOCOM).Proyecto cooperativo CONICET-CONAE-INIFTA

• Proyectos de sistemas sustentables de energía del IEDS (CNEA), CITEFA, Escuela Superior Técnica, DPE-INIFTA.

• Planta de demostración de un sistema sustentable de energía (Planta experimental eólico-hidrógeno de Pico Truncado).

FIUBA y el H2

• Laboratorio de Procesos Catalíticos (LPC):

– Estudio del proceso y purificación de hidrógeno a partir de etanol

– Propósito: montar un prototipo de producción de hidrógeno para alimentar una pila tipo PEM de 1kW y 10 kW

– Recibe cooperación del INGAR (dependiente del CONICET)

– El LPC cuenta con programas de cálculo para diseño y simulación de los reactores

– Actualmente en estudio de diferentes catalizadores

Bibliografía• Combustibles Alternativos, S. D. Romano, E. González Suárez, M.

A. Laborde, Ediciones Cooperativas, 2005• http://www.tierramerica.net• http://ingenieria.udea.edu.co/investigacion/gea/hidrogeno.htm• http://www.worldwide.fuelcells.org/• http://www.fuelcelltoday.com/• http://www.h2cars.biz/• http://www.bmwworld.com/hydrogen/• http://www.gm.com/company/gmability/adv_tech/• http://www.fordenespanol.com/environmental/whatsnext• http://www.toyota.com/about/environment/technology/fuelcell_hybr

id.html#fchv-5• Trabajo de Pablo Groglopo (alumno de TE)