Hidrogeno pilas

Hidrógeno yPilas de combustible Víctor M. Orera Zaragoza, 14 de mayo de 2007

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

Desde que el Hombre descubre el fuego la utilizaciónde energía ha estado íntimamente asociadaal desarrollo socioeconómico Ibercaja 2007

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

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

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

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

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

¿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

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

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

¿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

¿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

¿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

¿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

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

Riesgos en la automoción Ibercaja 2007

¿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

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

¿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

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

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

¿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

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

¿Cómo funcionan las FC? Ibercaja 2007

Algunas aplicaciones- Transporte- Plantas de energía estacionarias- Sistemas portátiles- Todos aquellos sistemas que utilizanbaterías eléctricas Ibercaja 2007

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

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

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

PEM: Utilización en transporte Ibercaja 2007

PEMFC: Automoción Ibercaja 2007

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

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

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

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

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

SOFC: Siemens Westinghouse- 100 kW SOFC system de cogeneración en Westervoort (17000 horas) yen Essen (3700 horas) (Holanda) - Eficiencia: 46% Ibercaja 2007

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

Ánodos texturados por fusión láser: Nanoeutecticos (Colaboración con Ikerlan S. Coop.) Gran densidad de TPB´s Estructura acanalada orientada Alta estabilidad microestructural Ibercaja 2007

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

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

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

Hidrogeno pilas

by Aldo Naranjo on Jun 17, 2012

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