Hidrogeno Parte2

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Hidrogeno Parte2

  1. 1. <ul><li>El problema de los “gases invernadero” </li></ul><ul><li>El hidrógeno como combustible </li></ul><ul><li>Vehículos menos contaminantes </li></ul><ul><li>Células de combustible y motor de hidrógeno </li></ul><ul><li>¿Es el hidrógeno la solución? </li></ul>El hidrógeno como vector energético Segunda parte
  2. 2. OBTENCIÓN DEL HIDRÓGENO <ul><li>Tratamiento de metano con vapor de agua a elevada temperatura. [El 95% del hidrógeno que se produce se hace a partir de combustibles fósiles] </li></ul><ul><ul><li>CH 4 + H 2 O (vapor)  CO + 3H 2 </li></ul></ul><ul><ul><li>CO + H 2 O (vapor)  CO 2 + H 2 </li></ul></ul><ul><li>Electrólisis del agua. [Proceso mucho más caro que el reformado con vapor, pero produce hidrógeno de gran pureza] </li></ul><ul><ul><li>H 2 O + energía  H 2 + O 2 </li></ul></ul><ul><li>Gasificación de la biomasa. [Combustión incompleta entre 700 y 1200 ºC]. </li></ul><ul><ul><li>Produce un gas combustible compuesto fundamentalmente por hidrógeno, metano y monóxido de carbono. </li></ul></ul><ul><li>A partir de metanol. [Producción de hidrógeno in situ, a bordo del vehículo] </li></ul><ul><ul><li>Oxidación parcial con oxígeno o aire: CH 3 OH + 1/2 O 2  CO 2 + 2 H 2 </li></ul></ul><ul><ul><li>Reformado con vapor de agua: CH 3 OH + H 2 O  CO 2 + 3 H 2 </li></ul></ul><ul><ul><li>Descomposición: CH 3 OH  CO + 2 H 2 </li></ul></ul><ul><li>[El CO es un veneno de la membrana de intercambio de protones de las pilas de combustible] </li></ul>
  3. 3. EL HIDRÓGENO COMO COMBUSTIBLE <ul><li>Diversas reacciones de combustión (todas exotérmicas) </li></ul><ul><li>El hidrógeno como combustible </li></ul>Combustible Reacción Hidrógeno H 2 +0,5 O 2  H 2 O Metano CH 4 + 2 O 2  2H 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 2  12 CO 2 + 14 H 2 O
  4. 4. USO DEL HIDRÓGENO EN MOTORES TÉRMICOS <ul><li>Se trata de motores de combustión interna “normales”, adaptados para consumir hidrógeno. </li></ul><ul><li>La adaptación del combustible a los actuales motores es relativamente fácil. </li></ul><ul><li>La tecnología de estos motores está muy desarrollada. </li></ul><ul><li>Diversas marcas de coches ya han desarrollado prototipos de vehículos con motor térmico que consume hidrógeno. </li></ul>
  5. 5. USO DEL HIDRÓGENO EN MOTORES TÉRMICOS <ul><li>Ejemplo: motor Ford H2 ICE (motor de combustión interna de hidrógeno): cuatro cilindros de 2,3 litros que desarrolla 110 CV. </li></ul><ul><ul><li>Hidrógeno gaseoso almacenado a 350 bares en tanques de119 L (equivales a 2,75 kg de hidrógeno. Autonomía de unos 200 km). </li></ul></ul><ul><ul><li>El hidrógeno entra a 5,5 bares en el interior del motor. Un turbocompresor comprime el aire de admisión e incrementa la masa de la mezcla de combustible (el hidrógeno el muy poco denso). </li></ul></ul><ul><ul><li>Durante la compresión, 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 hidrógeno en los cilindros. </li></ul></ul>
  6. 6. USO DEL HIDRÓGENO EN MOTORES TÉRMICOS
  7. 7. LÍMITES TERMODINÁMICOS DE LOS MOTORES TÉRMICOS <ul><li>El límite entrópico en el rendimiento del combustible </li></ul><ul><ul><li>La energía aprovechable es la energía libre de Gibbs: </li></ul></ul><ul><ul><li>La pequeña entropía de formación del H 2 O y del CO 2 hace que el factor entrópico sea negativo y, por tanto, el aumento de la temperatura disminuye el rendimiento del combustible. </li></ul></ul><ul><ul><li>Suponiendo que el motor funciona a 600 ºC (873 K), el rendimiento de la reacción de combustión del hidrógeno a esa temperatura es: </li></ul></ul>
  8. 8. LÍMITES TERMODINÁMICOS DE LOS MOTORES TÉRMICOS Temperatura H 2 O (g) (ºC) Energía térmica  H (kJ/mol) Factor entrópico T  S (kJ/mol) Energía eficaz  G (kJ/mol) Rendimiento máximo (%) 100º -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. 9. LÍMITES TERMODINÁMICOS DE LOS MOTORES TÉRMICOS <ul><li>El rendimiento de los motores térmicos depende del gradiente térmico: </li></ul><ul><ul><li>Si consideramos la temperatura de trabajo unos 600 ºC (mucho más no soportarían los materiales), la eficacia máxima teórica será: </li></ul></ul><ul><ul><li>Es decir el rendimiento máximo por este concepto sería del 65% .   </li></ul></ul><ul><ul><li>La combinación de ambos factores limitantes para un motor de explosión que funcionase con hidrógeno determina su rendimiento: </li></ul></ul><ul><li>Rendimiento = 0,31 · 0,65 = 0,20 Es decir, el 20% . </li></ul><ul><li>El rendimiento máximo de los mejores motores térmicos rara vez </li></ul><ul><li>alcanza el 25% . </li></ul>
  10. 10. LOS MOTORES ELÉCTRICOS <ul><li>El motor eléctrico tiene un amplio uso en la tracción mecánica desde hace mucho: trenes, tranvías, submarinos y muchos barcos se mueven con motores eléctricos. </li></ul><ul><li>Los factores termodinámicos que limitan el rendimiento del motor de explosión no existen en el motor eléctrico: el rendimiento de la transformación de energía eléctrica en mecánica llega al 90%. Es un motor magnífico . </li></ul><ul><li>La energía eléctrica se suministra desde el exterior o se produce en el propio vehículo (en los coches obviamente debe ser así). </li></ul><ul><li>Hay que advertir que la conversión de la energía química en energía eléctrica en las centrales térmicas está afectada por idénticos problemas limitantes que los motores térmicos. </li></ul>
  11. 11. LAS BATERÍAS ELÉCTRICAS <ul><li>Las pilas se clasifican en: </li></ul><ul><ul><li>Primarias. Las masas de los electrodos y del electrolito están determinadas de antemano (de este tipo son las pilas secas que utilizamos habitualmente). </li></ul></ul><ul><ul><li>Secundarias o acumuladores . Es posible regenerar los electrodos y el electrolito invirtiendo el sentido de la reacción. Para ello se suministra energía eléctrica (de este tipo son las actuales baterías de coches y pilas recargables) </li></ul></ul><ul><ul><li>De combustible . Funcionan como una pila primaria, pero la masa de los electrodos se renueva desde el exterior, de forma que su funcionamiento se alarga indefinidamente. </li></ul></ul>
  12. 12. LAS BATERÍAS ELÉCTRICAS <ul><li>Las baterías son dispositivos poco eficaces de acumulación de energía: una batería de Pb / Pb 2+ de 70 A h y 12 V tiene unas dimensiones aproximadas de 27 x14 x 17 cm (unos 6 litros) y pesa cerca de 20 kg. La máxima energía que acumula es: </li></ul><ul><li>Energía = I · V · t = 70 · 12 · 3600 = 3024 kJ </li></ul><ul><li>En el mismo volumen ocupado por la batería, un depósito de un 1,5 kg de masa se podría acumular hidrógeno a 25º y 150 atm: </li></ul><ul><li>que equivales a 37 (mol) · 2 (g/mol) = 74 g de H 2 que producirían unos 10500 kJ de energía (veremos una forma mejor de aprovechar este hidrógeno). </li></ul>
  13. 13. LAS PILAS DE COMBUSTIBLE <ul><li>Son pilas donde la masa de los electrodos no está determinada de antemano y puede ser renovada de forma continua. Una de las más estudiadas es la de hidrógeno/oxígeno. Su unidad se denomina célula : </li></ul>
  14. 14. LAS PILAS DE COMBUSTIBLE Las células se organizan en paneles para obtener más voltaje:
  15. 15. PILAS DE COMBUSTIBLE <ul><li>Rendimiento de un motor eléctrico movido por una pila de combustible de hidrógeno </li></ul><ul><ul><li>Producción de hidrógeno: </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Proceso de transformación del hidrocarburo en H 2 : (no evaluado) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Proceso de electrólisis del agua: (no evaluado) </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Proceso en la célula de combustible: </li></ul></ul><ul><ul><li>H 2 + ½ O 2  H 2 O + energía eléctrica (80%) </li></ul></ul><ul><ul><li>Proceso en el motor eléctrico (transformación de energía eléctrica en mecánica): 90% </li></ul></ul><ul><ul><li>Rendimiento total = 0,8 · 0,9 = 0,72 </li></ul></ul><ul><li>(un 72% del contenido energético del H 2 ) </li></ul>
  16. 16. PILAS DE COMBUSTIBLE <ul><li>El rendimiento global de un motor eléctrico movido por pila de combustible es del orden del 72% frente al 25% de los mejores motores térmicos de combustión interna. Las causas son: </li></ul><ul><ul><li>El rendimiento de la pila de combustible no disminuye por el factor entrópico (el proceso se realiza a baja temperatura, unos 40 ºC). </li></ul></ul><ul><ul><li>El rendimiento del motor eléctrico no está afectado por la ecuación de la eficiencia. </li></ul></ul>
  17. 17. LAS PILAS DE COMBUSTIBLE
  18. 18. LAS PILAS DE COMBUSTIBLE <ul><li>Existen prototipos como el desarrollado por el grupo PSA todavía más modernos y compactos: Genepac, una pila de combustible compacta, modulable y que puede llegar a rendir 80 KW de potencia (unos 108 CV). </li></ul>
  19. 19. PILAS DE COMBUSTIBLE <ul><li>El factor económico más problemático en su desarrollo es el precio del paladio y del platino, empleados como catalizadores: </li></ul><ul><ul><li>Una onza (25 g) de Au = 300 $ </li></ul></ul><ul><ul><li>Una onza de Pt = 200 $ </li></ul></ul><ul><ul><li>Una onza de Pd = 200 $. </li></ul></ul><ul><li> (aunque sujetos a fuertes variaciones) </li></ul><ul><li>La política de catalizadores obligatorios para escapes ha bajado el precio de estos metales ya que, con el reciclado, el precio es competitivo. </li></ul><ul><li>Por otro lado las actuales células de combustible sólo necesitan la quinceava parte del catalizador que llevaban las de hace 20 años. </li></ul>
  20. 20. LAS PILAS DE COMBUSTIBLE <ul><li>Ventajas : rendimiento, emisiones contaminantes nulas. </li></ul><ul><li>Inconvenientes actuales : </li></ul><ul><ul><li>Coste de la pila de combustible. </li></ul></ul><ul><ul><li>Su peso. </li></ul></ul><ul><ul><li>La dificultad para suministrar energía en ambiente frío. </li></ul></ul><ul><ul><li>La problemática de la obtención y distribución del hidrógeno. </li></ul></ul><ul><li>  </li></ul><ul><li>Competidores : </li></ul><ul><ul><li>Motores térmicos de hidrógeno: emisiones contaminantes nulas, tecnología disponible. </li></ul></ul><ul><ul><li>Motores híbridos térmicos-eléctricos con baterías recargables (Toyota Prius, Hoda Civic…): tecnología ya disponible, menos emisiones contaminantes. </li></ul></ul><ul><li>  </li></ul><ul><li>Si se fomenta el uso del hidrógeno como vector energético , las pilas de combustible asociadas a motores eléctricos tendrán aplicación futura en automoción. </li></ul>
  21. 21. Motores (didácticos) de hidrógeno Imagen: AIP / Profes.net

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