Hidrogeno Parte2

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  • 1.
    • El problema de los gases invernadero
    • El hidrgeno como combustible
    • Vehculos menos contaminantes
    • Clulas de combustible y motor de hidrgeno
    • Es el hidrgeno la solucin?
    El hidrgeno como vector energtico Segunda parte

2. 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]
    • CH 4+ H 2 O (vapor)CO + 3H 2
    • CO + H 2 O (vapor)CO 2+ H 2
  • Electrlisis del agua.[Proceso mucho ms caro que el reformado con vapor, pero produce hidrgeno de gran pureza]
    • H 2 O + energaH 2+ O 2
  • 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: CH 3 OH + 1/2 O 2 CO 2+ 2 H 2
    • Reformado con vapor de agua: CH 3 OH + H 2 OCO 2+ 3 H 2
    • Descomposicin: CH 3 OHCO + 2 H 2
  • [El CO es un veneno de la membrana de intercambio de protones de las pilas de combustible]

3. EL HIDRGENO COMO COMBUSTIBLE

  • Diversas reacciones de combustin (todas exotrmicas)
  • El hidrgeno como combustible

Combustible Reaccin Hidrgeno H 2 +0,5 O 2 H 2 O Metano CH 4+ 2 O 22H 2 O + CO 2 Metanol 2CH 3 OH + 3 O 2 4H 2 O + 2CO 2 Etanol CH 3 CH 2 OH + 3 O 2 3H 2 O + 2CO 2 Hexano 2 C 6 H 14+ 19 O 212 CO 2+ 14 H 2 O 4. 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.

5. 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.

6. USO DEL HIDRGENO EN MOTORES TRMICOS 7. LMITES TERMODINMICOS DE LOS MOTORES TRMICOS

  • El lmite entrpico en el rendimiento del combustible
    • La energa aprovechable es la energa libre de Gibbs:
    • La pequea entropa de formacin del H 2 O y del CO 2 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:

8. LMITES TERMODINMICOS DE LOS MOTORES TRMICOS TemperaturaH 2 O (g)(C) Energa trmica H(kJ/mol) Factor entrpico T S (kJ/mol) Energa eficaz G (kJ/mol) Rendimientomximo (%) 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 9. LMITES TERMODINMICOS DE LOS MOTORES TRMICOS

  • 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 del65% .
    • La combinacin de ambosfactores limitantespara un motor de explosin que funcionase con hidrgeno determina su rendimiento:
  • Rendimiento = 0,31 0,65 = 0,20Es decir, el20% .
  • El rendimiento mximo de los mejores motores trmicos rara vez
  • alcanza el25% .

10. LOS MOTORES ELCTRICOS

  • El motor elctrico tiene unamplio usoen 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%. Esun 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.

11. LAS BATERAS ELCTRICAS

  • Las pilas se clasifican en:
    • Primarias.Las masas de los electrodos y del electrolito estndeterminadas 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 lamasa de los electrodos se renueva desde el exterior, deforma que su funcionamiento se alarga indefinidamente.

12. LAS BATERAS ELCTRICAS

  • Las bateras son dispositivospoco eficacesde acumulacin de energa: una batera de Pb / Pb 2+de 70 A h y 12 Vtiene 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 H 2que produciran unos 10500 kJ de energa (veremos una forma mejor de aprovechar este hidrgeno).

13. 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 denominaclula :

14. LAS PILAS DE COMBUSTIBLE Las clulas se organizan enpanelespara obtener ms voltaje: 15. 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 H 2 : (no evaluado)
      • Proceso de electrlisis del agua: (no evaluado)
    • Proceso en la clula de combustible:
    • H 2+ O 2 H 2 O + energa elctrica (80%)
    • Proceso en el motor elctrico (transformacin de energa elctrica en mecnica): 90%
    • Rendimiento total=0,8 0,9 = 0,72
  • (un72% del contenido energticodel H 2)

16. PILAS DE COMBUSTIBLE

  • Elrendimiento globalde 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.

17. LAS PILAS DE COMBUSTIBLE 18. LAS PILAS DE COMBUSTIBLE

  • Existenprototiposcomo 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).

19. PILAS DE COMBUSTIBLE

  • Elfactor econmicoms 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 dePd = 200 $.
  • (aunque sujetos a fuertes variaciones)
  • La poltica de catalizadores obligatorios para escapes ha bajado el precio de estos metalesya 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.

20. LAS PILAS DE COMBUSTIBLE

  • Ventajas :rendimiento, emisiones contaminantes nulas.
  • Inconvenientes actuales :
    • Coste de la pila de combustible.
    • Su peso.