Hidrogeno pilas

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Celda de Hidrogeno

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  • 1. HidrgenoyPilas de combustible Vctor M. Orera Zaragoza, 14 de mayo de 2007

2. Hidrgeno y Pilas de Combustible- El problema energtico- Hidrgeno. La solucin?.- Pilas de combustible.Victor M. OreraInstituto de Ciencia de Materiales de AragnC.S.I.C.-Universidad de ZaragozaE-mail: orera@unizar.es Ibercaja 2007 3. Desde que el Hombre descubre el fuego la utilizacinde energa ha estado ntimamente asociadaal desarrollo socioeconmico Ibercaja 2007 4. Energa y Desarrollo4000035000EEUUJapn, Alemania, GB, Francia30000Italia SueciaPIB ($)/habitante2500020000Espaa1500010000Brasil 5000ChinaIndia00 2468Energa (Toe)/habitante.aowww.nationmaster.comHay una correlacin directa entre bienestar y consumo de energaIbercaja 2007 5. Pero Obtenemos el 87.5% del petrleo, carbn y gas natural! El problema de los combustibles fsiles:a) Escasez de recursos y alta concentracin geopoltica de los yacimientosb) Emisin de contaminantes: Efecto invernadero +Muy baja eficiencia energtica de los sistemas actuales Ibercaja 2007 6. Fsiles: Reservas vs. produccin Ao 2004 PetrleoGasCarbnProduccin3.868 2.422 2.732 Reservas 161.900 179.530910.000Aos**40.5 67165 Reservas probadas de recursos energticos minerales con su contenido energtico aproximado en millones de Tep* en el 2004 calculado a partir de los datos de la referencia . Estimacin en aos de la duracin de estos recursos.Con Uranio y fisin para 300 aos con tecnologa actual y 3000 con nueva generacin de reactoresStatistical Review of World Energy, 2005 Ibercaja 2007 7. La quema masiva de combustibles fsiles produceenormes emisiones de gases a la atmsfera.Estos gases tardan mucho tiempo en reabsorbersey producen cambios en el climaIbercaja 2007 8. Atomic Energy Agency U.K.Efecto invernadero y cambio climtico Calentamiento global 55% CO2 Otros gasesT.P. 100 aos5% 20% 20%Combustin CarbnPetrleo, Gas, Deforest. NOx CH4, HCClorofluoroc. T.P. 150 aos T.P. 10 aosT.P. 75 aos Fertilizantes PantanosAerosoles Comb. Fos.Ganadera Espumas Minera RefrigerantesIbercaja 2007 9. Hay cambio climtico?Resultados de los estudios paleo-climticos en los que se observa el efecto del polvo y CO2atmosfrico en la temperatura de la tierra desde hace 400.000 aos http://www.ngdc.noaa.gov/paleo/antarctica/vostokIbercaja 2007 10. Si, hay cambio climticoIncremento de la concentracin de gases invernadero a partir de la revolucin industrial en comparacincon las variaciones histricas incluidos los periodos de las glaciaciones Petit JR et al., Nature,1999;399:429Ibercaja 2007 11. Hacia el ao 2020 La produccin de petrleo barato tendr un mximo Gas natural durar unos 62 aos Fin de vida util de centrales nucleares Hacia fin de siglo T 2.5 - 6 CTenemos que asimilar que los recursos energticosson finitos y que que buscar alternativas sostenibles!Ibercaja 2007 12. Soluciones?Soluciones sociopolticas:Medidas de ahorro energtico, modelo de sociedad,....Soluciones tecnolgicas:Sustituir los combustibles fsiles por otras fuentes deenerga RenovablesUn LDV EURO4 arroja 12.8 kg de CO2/100km. Gas natural-hidrgenocomprimido-PEMFC 8.3g/100km. (Zero Emission Vehicles)Incrementar el rendimiento de los motoresEn transporte de superficie la eficiencia < 25%. En USA de los 12 Mbarriles de petrleo diarios que se consumen solo se aprovechan 3 engenerar movimiento Ibercaja 2007 13. Renovables?Sistemas Estacionarios:Elica: + de 12 GW instalados, hasta el 40% de laelectricidad. Fuente discontnua y dispersaSolar: Potencial ilimitado que necesita de fuertesinversiones. 260 x 106 MWh energa elctricaProduccin fotovoltaica media de unos 50 kWh/m2 ao+s de 6.000 km2 de superficie instalada. Solar trmica? Planta Abengoa 50MWIbercaja 2007 14. Y el transporte?Combustible actual red urbana Futuro combustible para red urbana 40%gas naturalPetrleo95% 20%hidralica5%Otros 20%petrleo10%solar10% elicaObjetivos del plan CUTE (Transporte urbano europeo limpio. Ao 2020)PILAS DE COMBUSTIBLEFuncionando con Hidrgeno Ibercaja 2007 15. Por qu Hidrgeno?VENTAJAS H2 + 1/2O2H2O + 142 MJ/kg - Energa limpia - Elevada Energa Qumica (HC 47 MJ/kg ) - Muy abundante pero en forma de complejos (H2O) - Produccin mediante electricidad procedente de renovables o energa solar - Tecnologa bastante conocida (Produccin anual 0.55BNm3) Ibercaja 2007 16. Propiedades del Hidrgeno Hidrgeno Gasolina Metano Poder calorfico 14543 50 (kJ/g)Densidad (gas) 0.090 0.72 kg/Nm3Densidad (lquido) 0.071 0.73kg/l Dens. energtica10.831.5 (l)35.8(MJ/m3)Lmites4 - 751-85 - 15inflamabilidad (%)Lmites detonacin18 - 591-36 - 14 (%)Emisiones (mg0 80 55CO2/kJ) Ibercaja 2007 17. Riesgos en la automocin Ibercaja 2007 18. Cmo producir el hidrgeno que necesitaramos? Ventajas e inconvenientes de las distintas tecnologas de produccin de H2. TECNOLOGAVENTAJASINCONVENIENTES Tecnologa conocida, H2Caro a RT, a desarrollarElectrolisis de alta pureza, renovables para alta T Bien conocida, bajo coste Secuestro CO2 caroReformadocon gas natural Usa biomasa, H2 muy impuro y Gasificacin de carbn ohidrocarburos pesados,necesidad de secuestrar el biomasacarbn, etc.CO2Potencial produccin a Termolisis usando energaTecnologa compleja y nogran escala, tecnologa solar o nuclear disponible actualmentelimpia Potencial uso masivo pero Biologa: algas y bacterias en fase incipiente de Poca eficiencia,estudio Ibercaja 2007 19. Produccin de Hidrgeno directa de la energa solar A la superficie de la tierra llegan 150.000 Terawatios (0.4 kW/m2) Fotosntesis aprovecha 100 TW. Consumo actual 10 TW.Fotocatlisis en TiO2Fotobiolgico Ibercaja 2007 20. Cmo almacenar el hidrgeno que necesitaramos?TECNOLOGAVENTAJAS INCONVENIENTESAlmacenamiento a alta Baja densidad energtica Tecnologa bien conocida presin > 250 bares SeguridadAceptable autonoma y El licuado consume el 30-Hidrgeno lquido tiempo de operacin40 % de la energa Hidrocarburos + Peso comparable al de la Volumen y peso del reformadogasolinareformador -LaNi5: excelente a -Bajo almacenamiento, Hidruros metlicos temperatura ambientesufre desproporcionacin -Mg2Ni: buena capacidad -Cintica lenta, incluso de almacenamiento con activacin a 400 CMateriales carbonosos, Bajsimos rendimientos Ligeros, huecos, porosos C activo, fulerenos Difcil escaladoIbercaja 2007 21. Coste de suministro del H2 $/GJ Combustible2003 2020 Gasolina/Gasleo6 -810-15Gas Natural3 -5 5 -7H2 de GN con secuestro CO2 8-107-11H2 de carbn con secuestro CO210-138-11 H2 de biomasa12-1810-18H2 de electricidad aerogenerador15-2517-23 H2 de electricidad fotovoltaica25-3047-75H2 de electricidad cogeneracin 10-2510-25 H2 de electricidad nuclear 15-2015-20 International Energy Agency (2003)Ibercaja 2007 22. Ejemplo: Cuanto H2 necesitaramos en Espaa?Hiptesis:Eficiencia FC: 80%, motor elctrico 80%, total 64%Electrolizador: 83%Consumo en transporte: 0.35 MTEP/daEficiencia ICE: 20%Necesita unas 20,000 Tm H2/da y para generarlos por electrolsisunos 760 GWh/da y 400,000 Tm agua/diaEsto requerira por ejemplo multiplicar por 10 la capacidad de generacinde electricidad por energa elica ( 12 GW de potencia instalada actual)o dedicar un 25% de los cultivos a crear biomasa- Algunos argumentan en favor de la energa nuclear: (P.M. Grant, Nature 424, 129)Ibercaja 2007 23. Que es una Pila de Combustible?Son dispositivos electroqumicos que convierten de formacontinua la energa qumica en elctrica (y algo de calor) con alta eficiencia y baja emisin de contaminantes. ELECTROLIZADOR yPlaca solarPILA DE COMBUSTIBLE hidrgeno oxgenooxgenoPila decombustibleH2 OhidrgenoElectrolizador Depsito Depsitode oxgenode hidrgeno Ibercaja 2007 24. VentajasPequeasLimpiasSilenciosasAdaptables (fcil instalacin)La mayor eficiencia elctricaDurabilidad y fiabilidad sin precedentesVerstiles en cuanto al combustible utilizadoModularesDesventajasAlto coste de entrada al mercadoTecnologa nuevaCarencia estructuralIbercaja 2007 25. Cmo funcionan las FC?Ibercaja 2007 26. Algunas aplicaciones- Transporte- Plantas de energa estacionarias- Sistemas porttiles- Todos aquellos sistemas que utilizanbateras elctricas Ibercaja 2007 27. TIPOS DE PILAS DE COMBUSTIBLESe caracterizan por el electrolito que usan:Baja y media temperatura de trabajo < 200C: PAFC --------- H3PO4 AFC----------- NaOH, KOH PEMFC------- NafionAlta temperatura: SOFC----------YSZ MCFC---------Li2CO3, Na2CO3 Ibercaja 2007 28. Combustibleslquidos evaporacinSOFC500-1000CGas naturalReformador integElimina SMCFC650 C Reformador integ - ef icie ncia500 a 800C H2 + CO300 a 500CH2 + CO2 PAFC200 C(CO