Daniel RiveraMiguel Marchant

La combustin de combustibles fsiles constituye el principal causante de la emisin de gases de efecto invernadero, responsables del efecto de calentamiento global que sufre nuestro planeta .

Esta situacin no resulta sostenible a medio plazo, y es necesario preparar una transicin controlada hacia una nueva forma de produccin y consumo energtico que sea limpia, segura y fiable.

Una de las alternativas es el uso de hidrgeno como fuente de energa, y su transformacin en electricidad por medio de las llamadas pilas de combustible. Contenido energtico de diversos carburantes El hidrgeno no es una fuente primaria de energa, ya que no no se encuentra libre en la naturaleza y no es directamente aprovechable. Es un vector energtico, es decir, un portador de energa.

Hay que producir el hidrgeno a partir de energas primarias. Hoy en da aproximadamente el 95% del hidrgeno se obtiene a partir de combustibles fsiles.

El hidrgeno tiene una densidad energtica en masa 3 veces superior a la de la gasolina.

CombustibleEnerga[kJ/g]Energa[kJ/l]Carbn29.3-Madera8.1-Gasolina43.530590Diesel42.729890Metanol19.615630Gas natural50.0231.7Hidrgeno119.910

Ventajas frente a los combustibles fsiles :

Alta densidad energtica en base msica. Bajo peso de combustible en los tanques de almacenamiento. Alta disponibilidad. Se puede producir a partir de distintas materias primas. Elemento estable y no corrosivo. Combustible "limpio". La combustin del hidrgeno con oxgeno slo produce agua.

Desventajas frente a los combustibles fsiles :

Baja densidad energtica en base volumtrica. Se requieren tanques contenedores grandes y pesados. Transporte y almacenamiento costosos y de implementacin compleja. Combustible secundario: se debe consumir energa para conseguirlo a partir de las distintas materias primas (agua, biomasa, combustibles fsiles), ya que no existe en estado elemental.

A partir de hidrocarburos:

Reformado con vapor: el hidrocarburo es tratado con vapor de agua a temperaturas entre 700 y 1100 C. El proceso se realiza en dos fases: 1 fase: CH4 + H2O CO + 3H2 2 fase: CO + H2O CO2 + H

Oxidacin parcial: reaccin de combustin entre 1300 y 1500 C CH1,4 + 0,3 H2O + 0,4 O2 0,9 CO + 0,1 CO2 + H2. A partir del agua:

Electrlisis: proceso mucho ms caro que el reformado con vapor. Produce hidrgeno de gran pureza, que se utiliza en la industria electrnica, farmacutica o alimentaria. Hoy en da aproximadamente el 96% del hidrgeno se obtiene a partir de combustibles fsiles.

Almacenamiento en forma gaseosa:El hidrgeno se almacena a alta presin (P > 20 Mpa).Requiere depsitos pesados y voluminosos.Plantea problemas de seguridad. No resulta competitivo debido a su elevado coste. Almacenamiento en forma lquida:El hidrgeno se almacena en estado lquido en recipientes criognicos.Requiere alcanzar temperaturas de almacenamiento muy bajas (21,2 K).El coste es elevado. Indicado slo para aplicaciones donde el coste del hidrgeno no sea un factor crtico y ste sea consumido en cortos periodos de tiempo (por ejemplo, en aplicaciones aeroespaciales). Combinacin qumica (hidruros metlicos):Diversos metales de transicin y sus aleaciones pueden ser utilizados para almacenar hidrgeno en forma de hidruros metlicos.El principal inconveniente es el elevado peso del sistema de almacenamiento, como consecuencia de los bajos niveles de retencin de hidrgeno que se consiguen (< 2% a temperaturas inferiores a 423 K). Adsorcin en slidos porosos (nanoestructuras de carbono):Se est estudiando la utilizacin de nanoestructuras de carbono con elevada superficie especfica como medio de almacenamiento. Sera una forma segura y sencilla de almacenar el hidrgeno sin usar altas presiones.

Fotoelectrlisis: Indirecta: Paneles fotovoltaicos + radiacin solar.Directa: Celdas fotoelectroqumicas (material semiconductor) + radiacin solar.

Produccin fotobiolgica: Ciertas bacterias y algas verdes pueden producir hidrgeno, utilizando nicamente luz solar, agua y una enzima llamada hidrogenasa.

A partir de biomasa:Gasificacin: Combustin incompleta de la biomasa entre 700 y 1200C. Productos: H2, CH4, CO.Pirlisis: Combustin incompleta en ausencia de oxgeno, a unos 500 C Productos: H2, CO, CO2 e hidrocarburos ligeros.

Ciclos termoqumicos: Consisten en una combinacin de reacciones qumicas a alta temperatura que producen la disociacin de la molcula de agua. Se han alcanzado eficiencias del 40%.Para realizar los ciclos termoqumicos se puede emplear energa nuclear o solar.

HidrgenoCombustibles fsiles: Hidrocarburos: - Reformado - Oxidacin parcial Carbn: - GasificacinBiomasa: - Gasificacin. - Pirlisis.ElectrlisisProduccin fotobiolgicaCiclos termoqumicos Otros ?Fotoelectrlisis: - Directa. - Indirecta.

Elementos bsicos de una celda de combustible:

Dos electrodos (nodo y ctodo). Electrolito: sustancia encargada de transportar los iones producidos en las reacciones redox. El electrolito a veces se utiliza acompaado de un catalizador. H2 y O2, utilizados como combustible y oxidante respectivamente. Pila de combustibleHidrgeno + Oxgeno Electricidad + agua ElectrlisisElectricidad + agua Hidrgeno + Oxgeno La celda de combustible es un dispositivo que produce electricidad y agua mediante un proceso inverso a la electrlisis. Estructura tpica de una celda de combustible

1) En el nodo tiene lugar la oxidacin del combustible: las molculas de hidrgeno se disocian en protones y electrones.

2) El electrolito permite el paso de los protones, e impide el paso de los electrones.

3) Los electrones generan corriente elctrica a su paso por un circuito externo. 4) En el ctodo se produce una reaccin de reduccin: electrones y protones se combinan con el oxgeno para formar agua.

Celda de combustiblePila de combustible PEMUna celda individual genera un voltaje cercano a un voltio.Para las aplicaciones que requieren mayor voltaje y alta potencia se apilan en serie el nmero necesario de estas celdas, para formar una pila de combustible.

Diferencias entre celdas de combustible y bateras:

Las bateras son dispositivos de almacenamiento de energa. La produccin de energa cesa cuando se consumen los reactivos qumicos almacenados dentro de la batera. No pueden proporcionar un flujo continuo de energa elctrica.

En las celdas de combustible, tanto el combustible como el oxidante procedende una fuente externa, y permiten generar corriente elctrica de manera casiindefinida, en la medida en que pueda suministrarse combustible de forma continuada.Diferencias entre celdas de combustible y dispositivos de combustin interna.:

Los dispositivos de combustin interna se basan en la conversin de energa trmica en energa mecnica. La eficiencia de este proceso est limitado por el Ciclo de Carnot.

Las celdas de combustible convierten directamente la energa qumica en energa elctrica. Desde el punto de vista termodinmico este proceso es mucho ms eficiente.

El hidrgeno es un recurso energtico limpio, y constituye una alternativa prometedora al panorama energtico actual

La utilizacin de las pilas de combustible de hidrgeno ofrece varias ventajas sobre otros tipos de fuentes de energa, con una alta eficiencia y sin emisin de contaminantes.

La pilas de combustible de hidrgeno tiene un amplio rango de aplicacin: desde equipos porttiles hasta grandes centrales de produccin de energa estacionaria. La produccin hidrgeno a partir de energas renovables permitira desarrollar un sistema de energa sostenible y reducir la dependencia actual respecto de los combustibles fsiles.

Existen varios problemas tcnicos por resolver: el almacenamiento del hidrgeno, la produccin de hidrgeno a partir fuentes distintas de los combustibles fsiles. Se est realizando un gran esfuerzo para implantar esta tecnologa en el sector de transportes y automocin.

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