Hidrogeno Parte2

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  • Septiembre de 2006 1Nicols Romo

    El problema de los gases invernadero

    o El hidrgeno como combustible

    o Vehculos menos contaminantes

    c Clulas de combustible y motor de hidrgeno

    s Es el hidrgeno la solucin?

    El hidrgeno como vector energtico

    Segunda parte

  • Septiembre de 2006 2Nicols Romo

    OBTENCIN DEL HIDRGENO

    Tratamiento de metano con vapor de agua a elevada temperatura. [El 95% del hidrgeno que se produce se hace a partir de combustibles fsiles] CH4 + H2O (vapor) CO + 3H2 CO + H2O (vapor) CO2 + H2

    Electrlisis del agua. [Proceso mucho ms caro que el reformado con vapor, pero produce hidrgeno de gran pureza] H2O + energa H2 + O2

    Gasificacin de la biomasa. [Combustin incompleta entre 700 y 1200 C]. Produce un gas combustible compuesto fundamentalmente por hidrgeno,

    metano y monxido de carbono. A partir de metanol. [Produccin de hidrgeno in situ, a bordo del vehculo]

    Oxidacin parcial con oxgeno o aire: CH3OH + 1/2 O2 CO2 + 2 H2

    Reformado con vapor de agua: CH3OH + H2O CO2 + 3 H2

    Descomposicin: CH3OH CO + 2 H2 [El CO es un veneno de la membrana de intercambio de protones de las

    pilas de combustible]

  • Septiembre de 2006 3Nicols Romo

    EL HIDRGENO COMO COMBUSTIBLE

    Diversas reacciones de combustin (todas exotrmicas)

    El hidrgeno como combustible

    Combustible Reaccin

    Hidrgeno H2+0,5 O2 H2O

    Metano CH4 + 2 O2 2H2O + CO2Metanol 2CH3OH + 3 O2 4H2O + 2CO2Etanol CH3CH2OH + 3 O2 3H2O + 2CO2

    Hexano 2 C6H14 + 19 O2 12 CO2 + 14 H2O

    kJ/mol286 H =+ )l(OH)g(O)g(H 222 21

  • Septiembre de 2006 4Nicols Romo

    USO DEL HIDRGENO EN MOTORES TRMICOS

    Se trata de motores de combustin interna normales, adaptados para consumir hidrgeno.

    La adaptacin del combustible a los actuales motores es relativamente fcil.

    La tecnologa de estos motores est muy desarrollada.

    Diversas marcas de coches ya han desarrollado prototipos de vehculos con motor trmico que consume hidrgeno.

  • Septiembre de 2006 5Nicols Romo

    USO DEL HIDRGENO EN MOTORES TRMICOS

    Ejemplo: motor Ford H2 ICE (motor de combustin interna de hidrgeno): cuatro cilindros de 2,3 litros que desarrolla 110 CV.

    Hidrgeno gaseoso almacenado a 350 bares en tanques de119 L (equivales a 2,75 kg de hidrgeno. Autonoma de unos 200 km).

    El hidrgeno entra a 5,5 bares en el interior del motor. Un turbocompresor comprime el aire de admisin e incrementa la masa de la mezcla de combustible (el hidrgeno el muy poco denso).

    Durante la compresin, el aire se calienta y es necesario enfriarlo mediante intercambiadores. El aire comprimido y enfriado se introduce en el motor y se combina con el hidrgeno en los cilindros.

  • Septiembre de 2006 6Nicols Romo

    USO DEL HIDRGENO EN MOTORES TRMICOS

  • Septiembre de 2006 7Nicols Romo

    LMITES TERMODINMICOS DE LOS MOTORES TRMICOS

    1. El lmite entrpico en el rendimiento del combustible La energa aprovechable es la energa libre de Gibbs:

    La pequea entropa de formacin del H2O y del CO2 hace que el factor entrpico sea negativo y, por tanto, el aumento de la temperatura disminuye el rendimiento del combustible.

    Suponiendo que el motor funciona a 600 C (873 K), el rendimiento de la reaccin de combustin del hidrgeno a esa temperatura es:

    S = THG

    H) de 31% (el kJ/mol -75166-241G166kJ/molST kJ/mol

    =+=== 2412HH

  • Septiembre de 2006 8Nicols Romo

    LMITES TERMODINMICOS DE LOS MOTORES TRMICOS

    Temperatura H2O (g) (C)

    Energa trmicaH (kJ/mol)

    Factor entrpicoTS (kJ/mol)

    Energa eficazG (kJ/mol)

    Rendimiento mximo (%)

    100 -241 70,9 -170 70,4

    200 -241 90 -152 63

    300 -241 109 -133 54,88

    500 -241 147 -96 40

    600 -241 166 -75 31

  • Septiembre de 2006 9Nicols Romo

    LMITES TERMODINMICOS DE LOS MOTORES TRMICOS

    1. El rendimiento de los motores trmicos depende del gradiente trmico:

    Si consideramos la temperatura de trabajo unos 600 C (mucho ms no soportaran los materiales), la eficacia mxima terica ser:

    Es decir el rendimiento mximo por este concepto sera del 65%. La combinacin de ambos factores limitantes para un motor de

    explosin que funcionase con hidrgeno determina su rendimiento:

    Rendimiento = 0,31 0,65 = 0,20 Es decir, el 20%.

    El rendimiento mximo de los mejores motores trmicos rara vezalcanza el 25%.

    650893298893 ,

    TTTientodimnRe

    motor

    ambientemotor ===

  • Septiembre de 2006 10Nicols Romo

    LOS MOTORES ELCTRICOS

    El motor elctrico tiene un amplio uso en la traccin mecnica desde hace mucho: trenes, tranvas, submarinos y muchos barcos se mueven con motores elctricos.

    Los factores termodinmicos que limitan el rendimiento del motor de explosin no existen en el motor elctrico: el rendimiento de la transformacin de energa elctrica en mecnica llega al 90%. Es un motor magnfico.

    La energa elctrica se suministra desde el exterior o se produce en el propio vehculo (en los coches obviamente debe ser as).

    Hay que advertir que la conversin de la energa qumica en energa elctrica en las centrales trmicas est afectada por idnticos problemas limitantes que los motores trmicos.

  • Septiembre de 2006 11Nicols Romo

    LAS BATERAS ELCTRICAS

    Las pilas se clasifican en: Primarias. Las masas de los electrodos y del electrolito estn

    determinadas de antemano (de este tipo son las pilas secas que utilizamos habitualmente).

    Secundarias o acumuladores. Es posible regenerar los electrodos y el electrolito invirtiendo el sentido de la reaccin. Para ello se suministra energa elctrica (de este tipo son las actuales bateras de coches y pilas recargables)

    De combustible. Funcionan como una pila primaria, pero la masa de los electrodos se renueva desde el exterior, de forma que su funcionamiento se alarga indefinidamente.

  • Septiembre de 2006 12Nicols Romo

    LAS BATERAS ELCTRICAS

    Las bateras son dispositivos poco eficaces de acumulacin de energa: una batera de Pb / Pb2+ de 70 A h y 12 V tiene unas dimensiones aproximadas de 27 x14 x 17 cm (unos 6 litros) y pesa cerca de 20 kg. La mxima energa que acumula es:

    Energa = I V t = 70 12 3600 = 3024 kJ

    En el mismo volumen ocupado por la batera, un depsito de un 1,5 kg de masa se podra acumular hidrgeno a 25 y 150 atm:

    que equivales a 37 (mol) 2 (g/mol) = 74 g de H2 que produciran unos 10500 kJ de energa (veremos una forma mejor de aprovechar este hidrgeno).

    molRTpVn

    0,0822956 37100 ===

  • Septiembre de 2006 13Nicols Romo

    LAS PILAS DE COMBUSTIBLE

    Son pilas donde la masa de los electrodos no est determinada de antemano y puede ser renovada de forma continua. Una de las ms estudiadas es la de hidrgeno/oxgeno. Su unidad se denomina clula:

    H2O2

    H2O

    O-

    O-

    H+

    H+

    H+

    H+H+

    H+O-

    O-

    CARGA

    2e-2e-

    electrolito

    Pt

    Pd

    Pt

    Pd

    H2

    H2O2

    O2

  • Septiembre de 2006 14Nicols Romo

    LAS PILAS DE COMBUSTIBLE

    Las clulas se organizan en paneles para obtener ms voltaje:

  • Septiembre de 2006 15Nicols Romo

    PILAS DE COMBUSTIBLE

    Rendimiento de un motor elctrico movido por una pila de combustible de hidrgeno

    Produccin de hidrgeno: Proceso de transformacin del hidrocarburo en H2: (no

    evaluado) Proceso de electrlisis del agua: (no evaluado)

    Proceso en la clula de combustible: H2 + O2 H2O + energa elctrica (80%)

    Proceso en el motor elctrico (transformacin de energa elctrica en mecnica): 90%

    Rendimiento total = 0,8 0,9 = 0,72 (un 72% del contenido energtico del H2 )

  • Septiembre de 2006 16Nicols Romo

    PILAS DE COMBUSTIBLE

    El rendimiento global de un motor elctrico movido por pila de combustible es del orden del 72% frente al 25% de los mejores motores trmicos de combustin interna. Las causas son:

    El rendimiento de la pila de combustible no disminuye por el factor entrpico (el proceso se realiza a baja temperatura, unos 40 C).

    El rendimiento del motor elctrico no est afectado por la ecuacin de la eficiencia.

  • Septiembre de 2006 17Nicols Romo

    LAS PILAS DE COMBUSTIBLE

  • Septiembre de 2006 18Nicols Romo

    LAS PILAS DE COMBUSTIBLE

    Existen prototipos como el desarrollado por el grupo PSA todava ms modernos y compactos: Genepac, una pila de combustible compacta, modulable y que puede llegar a rendir 80 KW de potencia (unos 108 CV).

  • Septiembre de 2006 19Nicols Romo

    PILAS DE COMBUSTIBLE

    El factor econmico ms problemtico en su desarrollo es el precio del paladio y del platino, empleados como catalizadores: Una onza (25 g) de Au = 300 $ Una onza de Pt = 200 $ Una onza de Pd = 200 $.

    (aunque sujetos a fuertes variaciones)

    La poltica de catalizadores obligatorios para escapes ha bajado el precio de estos metales ya que, con el reciclado, el precio es competitivo.

    Por otro lado las actuales clulas de combustible slo necesitan la quinceava parte del catalizador que llevaban las de hace 20 aos.

  • Septiembre de 2006 20Nicols Romo

    LAS PILAS DE COMBUSTIBLE

    Ventajas: rendimiento, emisiones contaminantes nulas.

    Inconvenientes actuales: Coste de la pila de combustible. Su peso. La dificultad para suministrar energa en ambiente fro. La problemtica de la obtencin y distribucin del hidrgeno.

    Competidores:

    Motores trmicos de hidrgeno: emisiones contaminantes nulas, tecnologa disponible.

    Motores hbridos tr