Hidrogeno pilas

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Celda de Hidrogeno

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  • 1. Hidrógeno yPilas de combustible Víctor M. Orera Zaragoza, 14 de mayo de 2007
  • 2. Hidrógeno y Pilas de Combustible - El problema energético - Hidrógeno. ¿La solución?. - Pilas de combustible. Victor M. Orera Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón C.S.I.C.-Universidad de Zaragoza E-mail: orera@unizar.es Ibercaja 2007
  • 3. Desde que el Hombre descubre el fuego la utilizaciónde energía ha estado íntimamente asociadaal desarrollo socioeconómico Ibercaja 2007
  • 4. Energía y Desarrollo 40000 35000 EEUU Japón, Alemania, GB, Francia 30000 Italia Suecia PIB ($)/habitante 25000 20000 España 15000 10000 Brasil 5000 China India 0 0 2 4 6 8 Energía (Toe)/habitante.año www.nationmaster.com¡Hay una correlación directa entre bienestar y consumo de energía Ibercaja 2007
  • 5. Pero ¡Obtenemos el 87.5% del petróleo, carbón y gas natural! El problema de los combustibles fósiles:a) Escasez de recursos y alta concentración geopolítica de los yacimientosb) Emisión de contaminantes: Efecto invernadero +Muy baja eficiencia energética de los sistemas actuales Ibercaja 2007
  • 6. Fósiles: Reservas vs. producción Año 2004 Petróleo Gas Carbón Producción 3.868 2.422 2.732 Reservas 161.900 179.530 910.000 Años** 40.5 67 165 Reservas probadas de recursos energéticos minerales con su contenido energético aproximado en millones de Tep* en el 2004 calculado a partir de los datos de la referencia . Estimación en años de la duración de estos recursos.Con Uranio y fisión para 300 años con tecnología actual y 3000 con nueva generación de reactores Statistical Review of World Energy, 2005 Ibercaja 2007
  • 7. La quema masiva de combustibles fósiles produceenormes emisiones de gases a la atmósfera.Estos gases tardan mucho tiempo en reabsorbersey producen cambios en el clima Ibercaja 2007
  • 8. Atomic Energy Agency U.K.Efecto invernadero y cambio climático Calentamiento global 55% CO2 Otros gasesT.P. 100 años 5% 20% 20%Combustión CarbónPetróleo, Gas, Deforest. NOx CH4, HC Clorofluoroc. T.P. 150 años T.P. 10 años T.P. 75 años Fertilizantes Pantanos Aerosoles Comb. Fos. Ganadería Espumas Minería Refrigerantes Ibercaja 2007
  • 9. ¿Hay cambio climático?Resultados de los estudios paleo-climáticos en los que se observa el efecto del polvo y CO2atmosférico en la temperatura de la tierra desde hace 400.000 años http://www.ngdc.noaa.gov/paleo/antarctica/vostok Ibercaja 2007
  • 10. Si, hay cambio climáticoIncremento de la concentración de gases invernadero a partir de la revolución industrial en comparacióncon las variaciones históricas incluidos los periodos de las glaciaciones Petit JR et al., Nature,1999;399:429 Ibercaja 2007
  • 11. Hacia el año 2020 • La producción de petróleo barato tendrá un máximo • Gas natural durará unos 62 años • Fin de vida util de centrales nucleares • Hacia fin de siglo ΔT ≈ 2.5 - 6 ºC¡Tenemos que asimilar que los recursos energéticosson finitos y que que buscar alternativas sostenibles! Ibercaja 2007
  • 12. ¿Soluciones?Soluciones sociopolíticas:Medidas de ahorro energético, modelo de sociedad,....Soluciones tecnológicas:Sustituir los combustibles fósiles por otras fuentes deenergía RenovablesUn LDV EURO4 arroja 12.8 kg de CO2/100km. Gas natural-hidrógenocomprimido-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 petróleo diarios que se consumen solo se aprovechan 3 engenerar movimiento Ibercaja 2007
  • 13. ¿Renovables?Sistemas Estacionarios:Eólica: + de 12 GW instalados, hasta el 40% de laelectricidad. Fuente discontínua y dispersaSolar: Potencial ilimitado que necesita de fuertesinversiones. 260 x 106 MWh energía eléctricaProducción fotovoltaica media de unos 50 kWh/m2 año+´s de 6.000 km2 de superficie instalada. ¿Solar térmica? Planta Abengoa 50MW Ibercaja 2007
  • 14. ¿Y el transporte? Combustible actual red urbana Futuro combustible para red urbana 40%gas natural Petróleo 95% 20%hidraúlica 5%Otros 20% petróleo 10%solar 10% eólicaObjetivos del plan CUTE (Transporte urbano europeo limpio. Año 2020)PILAS DE COMBUSTIBLEFuncionando con Hidrógeno Ibercaja 2007
  • 15. ¿Por qué Hidrógeno?VENTAJAS H2 + 1/2O2 H2O + 142 MJ/kg - Energía limpia - Elevada Energía Química (HC 47 MJ/kg ) - Muy abundante pero en forma de complejos (H2O) - Producción mediante electricidad procedente de renovables o energía solar - Tecnología bastante conocida (Producción anual 0.55BNm3) Ibercaja 2007
  • 16. Propiedades del Hidrógeno Hidrógeno Gasolina Metano Poder calorífico 145 43 50 (kJ/g) Densidad (gas) 0.090 0.72 kg/Nm3Densidad (líquido) 0.071 0.73 kg/l Dens. energética 10.8 31.5 (l) 35.8 (MJ/m3) Límites 4 - 75 1-8 5 - 15inflamabilidad (%)Límites detonación 18 - 59 1-3 6 - 14 (%) Emisiones (mg 0 80 55 CO2/kJ) Ibercaja 2007
  • 17. Riesgos en la automoción Ibercaja 2007
  • 18. ¿Cómo producir el hidrógeno que necesitaríamos? Ventajas e inconvenientes de las distintas tecnologías de producción de H2. TECNOLOGÍA VENTAJAS INCONVENIENTES Tecnología conocida, H2 Caro a RT, a desarrollar Electrolisis de alta pureza, renovables para alta T Bien conocida, bajo coste Secuestro CO2 caro Reformado con gas natural Usa biomasa, H2 muy impuro y Gasificación de carbón o hidrocarburos pesados, necesidad de secuestrar el biomasa carbón, etc. CO2 Potencial producción a Termolisis usando energía Tecnología compleja y no gran escala, tecnología solar o nuclear disponible actualmente limpia Potencial uso masivo pero Biología: algas y bacterias en fase incipiente de Poca eficiencia, estudio Ibercaja 2007
  • 19. Producción de Hidrógeno directa de la energía solar A la superficie de la tierra llegan 150.000 Terawatios (0.4 kW/m2) Fotosíntesis aprovecha 100 TW. Consumo actual 10 TW. Fotocatálisis en TiO2 Fotobiológico Ibercaja 2007
  • 20. ¿Cómo almacenar el hidrógeno que necesitaríamos? TECNOLOGÍA VENTAJAS INCONVENIENTES Almacenamiento a alta Baja densidad energética Tecnología bien conocida presión > 250 bares Seguridad Aceptable autonomía y El licuado consume el 30- Hidrógeno líquido tiempo de operación 40 % de la energía Hidrocarburos + Peso comparable al de la Volumen y peso del reformado gasolina reformador -LaNi5: excelente a -Bajo almacenamiento, Hidruros metálicos temperatura ambiente sufre desproporcionación -Mg2Ni: buena capacidad -Cinética lenta, incluso de almacenamiento con activación a 400 ºC Materiales carbonosos, Bajísimos rendimientos Ligeros, huecos, porosos C activo, fulerenos Difícil escalado Ibercaja 2007
  • 21. Coste de suministro del H2 $/GJ Combustible 2003 2020 Gasolina/Gasóleo 6 -8 10-15 Gas Natural 3 -5 5 -7 H2 de GN con secuestro CO2 8-10 7-11H2 de carbón con secuestro CO2 10-13 8-11 H2 de biomasa 12-18 10-18H2 de electricidad aerogenerador 15-25 17-23 H2 de electricidad fotovoltaica 25-30 47-75H2 de electricidad cogeneración 10-25 10-25 H2 de electricidad nuclear 15-20 15-20 International Energy Agency (2003) Ibercaja 2007
  • 22. Ejemplo: ¿Cuanto H2 necesitaríamos en España?Hipótesis: Eficiencia FC: 80%, motor eléctrico 80%, total 64% Electrolizador: 83% Consumo en transporte: 0.35 MTEP/día Eficiencia ICE: 20% Necesita unas 20,000 Tm H2/día y para generarlos por electrolísisunos 760 GWh/día y 400,000 Tm agua/diaEsto requeriría por ejemplo multiplicar por 10 la capacidad de generaciónde electricidad por energía eólica ( 12 GW de potencia instalada actual)o dedicar un 25% de los cultivos a crear biomasa- Algunos argumentan en favor de la energía nuclear: (P.M. Grant, Nature 424, 129) Ibercaja 2007
  • 23. ¿Que es una Pila de Combustible? Son dispositivos electroquímicos que convierten de formacontinua la energía química en eléctrica (y algo de calor) con alta eficiencia y baja emisión de contaminantes. ELECTROLIZADOR y Placa solar PILA DE COMBUSTIBLE hidrógeno oxígeno oxígeno Pila de combustible H2 O hidrógeno Electrolizador Depósito Depósitode oxígeno de hidrógeno Ibercaja 2007
  • 24. VentajasPequeñasLimpiasSilenciosasAdaptables (fácil instalación)La mayor eficiencia eléctricaDurabilidad y fiabilidad sin precedentesVersátiles en cuanto al combustible utilizadoModularesDesventajasAlto coste de entrada al mercadoTecnología nuevaCarencia estructural Ibercaja 2007
  • 25. ¿Cómo funcionan las FC? Ibercaja 2007
  • 26. Algunas aplicaciones- Transporte- Plantas de energía estacionarias- Sistemas portátiles- Todos aquellos sistemas que utilizanbaterías eléctricas Ibercaja 2007
  • 27. TIPOS DE PILAS DE COMBUSTIBLESe caracterizan por el electrolito que usan: Baja y media temperatura de trabajo < 200°C: PAFC --------- H3PO4 AFC----------- NaOH, KOH PEMFC------- Nafion Alta temperatura: SOFC----------YSZ MCFC---------Li2CO3, Na2CO3 Ibercaja 2007
  • 28. Combustibles líquidos evaporación SOFC 500-1000°C Gas natural Reformador integ Elimina S MCFC 650 °C Reformador integ - ef ici e nc ia500 a 800°C H2 + CO300 a 500°C H2 + CO2 PAFC 200 °C (CO<5%) PEMFC 80 °C oxidación CO (CO<10 ppm) Ibercaja 2007
  • 29. PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cells) T = 30 – 100 ºC- Electrolito: Nafion (membrana polimérica) ánodo: H2 → 2H+ + 2e- cátodo: ½ O2 + 2H+ + 2e- → 2H2O- Eficiencia: 40-50% / Potencia: Hasta 250 kW- PROBLEMA: Tolera CO2, pero no CO (veneno para el catalizador de Pt)- Combustible: H2, reformado de hidrocarburos (CH3OH, gas natural...)- Aplicaciones: Automoción, baterías recargables... Ibercaja 2007
  • 30. PEM: Utilización en transporte Ibercaja 2007
  • 31. PEMFC: Automoción Ibercaja 2007
  • 32. DMFC (Direct Methanol Fuel Cells)- Son PEMFC o alcalinas que usan mezcla de metanol y agua ánodo: CH3OH + H2O → 6H+ + 6e- + CO2 (PEMFC) cátodo: 3/2 O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O- PROBLEMA: Eficiencia baja, hay que optimizar la carga del Pt- Aplicaciones: Sector transporte, aplicaciones portátiles y móviles.- Hoy, 20 compañías en el mundo están desarrolando DMFCs- Smart Fuel Cell GmbH (Germany) Toshiba y- NEC: portátil PC y PDA con DMFC Ibercaja 2007
  • 33. DMFC: Smart Fuel Cell GmbH- Suministrador energético portátil limpio, seguro, eficiente y silencioso (<40 dB)- Cubre demanda energética de 4 días con 2 Kg de combustible (baterías deplomo ácido requieren 100 Kg) / Consumo: 1.5 l de CH3OH/kW (oper. contínua)- Opera a temperatura ambiente (-20 ºC – 40 ºC)- Dimensiones (mm): 465x290x162 / Peso: 10 Kg (incluído combustible) Ibercaja 2007
  • 34. DMFC: NEC (portátil)- Peso portátil + combustible: 2Kg- Peso de la pila (combustible): 900g (300g)- Dimensiones (mm): 270x270x40- Tiempo de operación: 5h (con un cartucho de 300cc)- En el mercado: portátil con PC y 40h de operación por cartucho Ibercaja 2007
  • 35. Otros tipos de Pilas de Combustible Alkaline Fuel Cells Phosphoric Acid Fuel Cells Molten Carbonate Fuel Cells (AFC) (PAFC) (PAFC (MCFC) T = 650 ºCT = 60 – 80 ºC T = 150 – 250 ºC Electrolito: Li2CO3 y K2CO3Electrolito: NaOH / KOH Electrolito: H3PO4 (líquido) soportados en matriz cerámicaH2 y O2 purísimos H2 (tolera CO2 y 1% de CO) H2, CO, CH4,Aplicaciones Espacio y Aplicaciones estacionarias hidrocarburos reformadosmilitares Aplicaciones estacionarias US DoDProyectos Geminis & Apollo Fuel Cell Energy @ IZAR Ibercaja 2007
  • 36. SOFC (Solid Oxide Fuel Cells) T = 500 - 1000 ºC - Electrolito: YSZ (conductor de iones O2-) ánodo: H2 + O2- → H2O + 2e- cátodo: ½ O2 + 2e- → O2- - Eficiencia: 55% (75% en cogeneración) / Potencia: Hasta MW - Combustible: Mezcla de H2 / CO / CH4 - Aplicaciones: Amacenamiento eneregía y generadores estacionarios, Electrolisis del agua sin o con gas natural- Siemens Westinghouse: 15 unidades de demostración instalados- Sulzer Hexis: “HXS 1000 premiere” (sist. 1 kW residencial) (400 pre-series)- Canadian-based Fuel Cell Technologies: sistemas de 5 kW Ibercaja 2007
  • 37. SOFC: Siemens Westinghouse- 100 kW SOFC system de cogeneración en Westervoort (17000 horas) yen Essen (3700 horas) (Holanda) - Eficiencia: 46% Ibercaja 2007
  • 38. Investigación SOFC en Aragón (I.C.M.A.) Ánodos Eutécticos cerámicos texturados V.M. Orera para ánodos R.I. Merino J.I. Peña P.B. Oliete R. Campana M.A. Laguna-Bercero A. LarreaMini-Tubulares Sinterización láser Ibercaja 2007
  • 39. Ánodos texturados por fusión láser: Nanoeutecticos (Colaboración con Ikerlan S. Coop.) Gran densidad de TPB´s Estructura acanalada orientada Alta estabilidad microestructural Ibercaja 2007
  • 40. Pilas SOFC MiniTubulares (Contrato con Copreci S. Coop. - PROFIT)ASR = 0.3 Ωcm2 (T ≈ 850 ºC) Objetivo: Stack SOFC 2.5 kWe 400 $/kW 40.000 h Ánodo :400-500 µm 850ºC0.2l/min 400 850ºC0.5l/min 750ºC0.2l/min 300 Electrolito 10 - 20 µm Power (mW·cm ) 2 200 Cátodo: 8 µm (LSM + YSZ) 100 Fuel: 4% H2 0 0 100 200 300 400 500 600 700 2 Intensity (mA/cm ) Ibercaja 2007
  • 41. Sinterizado láser: SOFC Tubular soporte metálico (contrato con Fagor S. Coop. – CENIT DEIMOS) Airbus España, Ames Biogás Fuel Cell Carbogen, Cesa, Copreci Eads-Casa, Embega, Injusa Sener, Zigor, Fagor, Cegasa Soporte metálico Anodo YSZ Ibercaja 2007
  • 42. ConclusionesLas perspectivas son delicadas:- La población mundial actual es alrededor de 6.500 millones y seincrementa unos 350 millones/año.- En el mundo desarrollado una persona consume en promedio 100 kWh /día. Una reflexión: “No heredamos la Tierra de nuestros padres sino que se la tomamos prestada a nuestros hijos” Saint Exupery Una esperanza: “La luz del sol que nos llega a la Tierra en solo 24 horas contiene más energía que la de todo el petróleo que hemos consumido hasta el presente...” Ibercaja 2007