El Hidrógeno como Fuente de Energía Alternativa

INTRODUCCION

El Hidrógeno es el elemento más abundante y liviano del universo.

En su forma molecular es muy estable y particularmente poco reactivo en condiciones normales; sin embargo a temperaturas elevadas o con el agregado de catalizadores se convierte en un elemento muy reactivo.

El H2 es relativamente escaso en la tierra, con procesos de obtención que determinan su costo; paralelamente, requiere sistemas de almacenamiento, de manipulación y de seguridad de cierta complejidad.

Cumple un importante papel como materia prima, preferentemente en la industria química y está llamado a cumplirlo como fuente de energía alternativa

Ejemplos de uso actuales como materia prima y como combustible: producción de amoníaco para fertilizantes, desulfuración de productos derivados del petróleo, hidrogenación de aceites y grasas, reducción de óxidos metálicos en metalurgia, propulsión de cohetes espaciales, etc.

El crecimiento de su demanda industrial se estima para el quinquenio 2002/2007 en un 9.2% anual; por su parte, para el mismo período, se considera que su uso como fuente de energía aumentará a razón de casi un 5% anual, estimándose que luego del 2007 habrá operando sólo en USA cerca de un millón de automóviles a Hidrógeno como combustible primario.
Se manejan dos alternativas para utilizar el H2 como fuente de energía alternativa:

A) Combustión del gas

B) Obtención de energía eléctrica a partir de una celda de combustible.

Esta última posibilidad presenta una mayor eficiencia y requiere una mayor inversión inicial debido a que se trata de una tecnología nueva en plena evolución.

En ambos casos, el producto final resultante es agua, H2O

TERMOQUÍMICA.

Calor de Combustión: Cambio de energía calórica que acompaña la combustión (oxidación) de 1 mol de elemento o compuesto químico.

Reacción exotérmica: liberación de energía calórica (variación de entalpía < 0)

Reacción endotérmica: absorción de energía calórica (variación de entalpía > 0)

H2 (g) + ½ O2 (g) - H2O (g) ΔH = - 57.81 kcal/mol
No genera gases responsables del efecto invernadero acrecentado.

C (s) + O2 (g)  CO2 (g) Δ H = -94.9 kcal/mol
Genera un gas responsable del efecto invernadero acrecentado.

ELECTROQUIMICA.

Celda o Reactor Electroquímico: estructura básica constituída por dos electrodos impregnados con electrocatalizador (un ánodo donde se da la reacción de oxidación y un cátodo donde se da la reacción de reducción), un electrolito encerrado en una matriz y colocado entre ambos electrodos y las placas colectoras de corriente. Los electrones fluyen entre el ánodo y el cátodo a través de un circuito externo.

Reacción Anódica: catálisis de la oxidación del H2.
2 H2  4 H+ + 4 e-

Catalizador. 0.1 mg/cm2 Pt coloidal sobre soporte de carbono combinado con un 40% de teflón coloidal.

Reacción catódica, catálisis de reducción del O2.

O2 + 4H+ + 4 e-  2 H2O.

Catalizador Pt en partículas muy pequeñas con una carga de 0.5 mg/cm2 de superficie de electrodo.

El proceso global es

O2 + 4 H+ + 4 e-  2 H2O Erev = 1.229 V vs. Electrodo normal de hidrógeno (ENH).
El trabajo útil de la celda se ve disminuído por irreversibilidades (sobrepotenciales de activación, óhmico y difusión gaseosa)

LA SITUACIÓN ENERGETICA MUNDIAL y NACIONAL.

Las proyecciones energéticas mundiales indican un aumento per cápita del consumo de energía de un 50% hacia el año 2025.

Las fuentes de energía mundialmente más utilizadas al presente son el petróleo (40%), gas natural y carbón ( 20% para cada uno) y las energías renovables y nuclear (10% para cada una).

Las tres primeras son fuentes de energía no renovables que al quemarse generan CO2, gas responsable del efecto invernadero acrecentado.

Por su parte, la matriz energética en Uruguay está compuesta por petróleo en primer lugar (52.7%), seguido por la hidroelectricidad (32.2%), leña (12.4%) y otras fuentes menos importantes entre lasque se encuentra el gas natural.

Existen en el país otras fuentes potenciales de energías alternativas tales como solar, biodiesel, eólica, etc. que es imperioso desarrollar

El empleo de recursos energéticos no renovables origina dos preocupaciones, a saber:

Necesidad de reducir las emisiones de CO2 a la atmósfera
Desarrollar fuentes de energía alternativas preferentemente renovables que las sustituyan cuando sus reservas en el planeta se agoten.

Expertos de todo el mundo han estimado el agotamiento de todos los combustibles fósiles y otros no renovables como el U235, concluyendo que el mismo ocurrirá en aproximadamente 10*2 años (Korpela, Seppo A. Oil Depletion in the United States and the World, April 2002 lo estima en 106 años).

En este marco, puede el H2 ser una fuente de energía alternativa para el Uruguay?

LA CATEDRA PROYECTO INDUSTRIAL; INST. ING. QCA: FACULTAD DE INGENIERÍA, UdelaR.

Proyecto Industrial es una asignatura integradora de Final de Carrera de Ingeniería Química en la que los futuros egresados desarrollan en equipo un trabajo de simulación del ejercicio profesional elaborando en todos sus componentes (estudio de mercado, tamaño, localización, ingeniería, evaluación preliminar de impacto ambiental y evaluación económica financiera ) un proyecto relativo a la obtención de un producto o servicio.

A partir del año 2000, la Cátedra incorporó, entre distintos temas curriculares a estudiar, los relativos al desarrollo y utilización de fuentes de energía renovables no convencionales en nuestra país (energía solar, biomasa. etc.).

En este marco y referidos concretamente al uso del Hidrógeno como fuente de energía alternativa, se mencionan los siguientes temas:

Diseño de una Planta de Armado de Celdas de Combustible a Hidrógeno. Período 2003/2004.
Tema desarrollado con el apoyo del Laboratorio de Electroquímica de la Facultad de Ciencias, UdelaR.

Obtención de Hidrógeno a partir de Gas Natural. Proyecto del curso 2004 actualmente en proceso de culminación.

Obtención de Hidrógeno a partir de Electrolisis del Agua. Proyecto del actual curso 2005.

Seguidamente se hará mención a algunos componentes de esos proyectos que se estima oportuno compartir en este Seminario.

PROYECTO DISEÑO DE UNA PLANTA DE ARMADO DE CELDAS DE COMBUSTIBLE.
Celdas de Combustible.
Funcionan bajo el principio de intercambio de carga electrolítica entre una placa de ánodo (+) y una de cátodo (-). Cuando se utiliza H2 como combustible básico se produce una hidrólisis inversa, dando lugar a agua y calor como subproductos, sin generar gases de efecto invernadero y convirtiendo energía química en eléctrica. La siguiente figura ilustra el funcionamiento de una celda de este tipo.

PROYECTO DISEÑO DE UNA PLANTA DE ARMADO DE CELDAS DE COMBUSTIBLE.

Hay diferentes tipos de celdas de combustible caracterizadas por el material de su electrolito que sirve de puente para el intercambio de iones entre el ánodo y el cátodo.
También trabajan en diferentes rangos de temperatura.

De los distintos tipos de celda de combustible, se seleccionó la celda alimentada por H2 que utiliza como electrolito ácido fosfórico (PAFC) y opera a temperaturas entre 175 C y 200 C, porque:

a) generan electricidad con más de un 40% de eficiencia y más de un 85%, si la energía calórica producida se emplea en cogeneración.
b) La energía calórica obtenida como vapor de agua puede ser destinada a servicios tales como provisión de agua caliente, calefacción, etc.
c) Si bien la temperatura de trabajo es alta, la emisión de gases es imperceptible

Vida Util: Tiempo de operación que transcurre hasta que el voltaje de salida decae un 10% de su valor inicial (Se mide éste luego de 100 h de operación para conseguir un estado estacionario).

Las celdas de combustible PAFC pueden operar alrededor de 40.000 h en servicio continuo prácticamente sin mantenimiento..

PROYECTO DISEÑO DE UNA PLANTA DE ARMADO DE CELDAS DE COMBUSTIBLE.
Balance Energético.
La celda PAFC de 200 KW, funcionando a potencia nominal, produce una cantidad de energía igual a 620 kJ/s (620 KW). Esta energía se obtiene en forma de calor y electricidad que se distribuye según el siguiente esquema:

Precios comparativos de las Celdas de Combustible y otros Generadores de Energía Eléctrica.












(a): Celdas de H2 alimentadas con gas natural reformado: U$S 4200/KW
Celdas operando con H2 puro: U$S 15.000/KW
Al presente, el costo de fabricación de celdas de combustible es más alto que el de equipos convencionales por:

No existe actualmente una economía de escala de fabricación (se producen pocas unidades).

Los sistemas de celdas de combustible incluyendo los dispositivos requeridos para operarlas son complejos contrastando con la simplicidad propia de las celdas de combustibles. También se requiere en su fabricación el empleo de materiales costosos (metales para catalizar las reacciones internas, por ejemplo).

ALMACENAMIENTO DE H2
Como Gas.
Debido a la baja densidad del H2 gas, requiere grandes volúmenes y altas presiones (hasta 160 bar). En consecuencia, el almacenamiento en recipientes de alta y media presión se usa en pequeña escala. La seguridad es otro aspecto limitante importantes.
Como Líquido.
Es consecuencia del bajo Punto de Ebullición del H2 (20 K). El H2 líquido se mantiene a presión atmosférica y a una temperatura de –252 C; requiere sistema de seguridad por venteo.
Permite almacenar energía con alta densidad y que el peso del contenedor sea más bajo para igual cantidad de energía almacenada que en otros métodos.
Implica problemas de seguridad y, además, la licuefacción consume una fracción importante de de la energía almacenada como H2 líquido.
Como Hidruros Metálicos.
Se basa en que el H2 reacciona con distintos metales o compuestos intermetálicos ( Li, Al, LiAl, Mg, MgNi, etc), formando hidruros, compuestos que pueden almacenar más H2 por unidad de volumen ( entre 6.5 y 12.3 l/kg de H2) que el H2 líquido (14 l/kg). Al tratarse de reacciones reversibles,, bajo adecuadas condiciones de T y P, una masa metálica puede ser cargada y descargada un número ilimitado de veces pudiendo usarse como depósito de almacenamiento sólido del H2 a presiones menores a las 101 atm. Sistema seguro porque, de producirse una fuga, el sistema reacciona inhibiendo una liberación adicional de H2.
Su desventaja radica en el elevado peso asociado al material absorbente que en el mejor de los casos representa que el H2 absorbido sea no más del 7% del peso total de este sistema.

En consecuencia, este método no puede emplearse en aplicaciones de transporte pero es adecuado para almacenamiento de H2 a sistemas que alimentan unidades estacionarias.
La vida útil de este sistema está condicionada a la pureza del H2 que se almacena y a estar expuestos a calor excesivo.

METODOS DE PRODUCCION DE HIDROGENO.

Los más comunes son:

Reformado con Vapor de Agua (Tema de Proyecto en proceso
avanzado de realización) .

Electrolisis del Agua (Tema de Proyecto en sus primeras etapas de concreción).

PRODUCCION DE HIDROGENO A PARTIR DE GAS NATURAL.
Reformado con Vapor de Agua.
Conversión catalítica endotérmica de un combustible (sólido, líquido, gaseoso) para producir un gas combustible.

Es el método mas usado para producir H2 (78% del actualmente producido a nivel mundial; 45% a partir de Gas Natural).

Se emplean dos reactores en serie y una etapa de purificación del H2 obtenido, saber:
Reformador (Catalizador de Ni).
CH4 + H20  3 H2 + CO /\ H = + 206.16 kJ/mol CH4

Reacción fuertemente endotérmica; se optimiza a 700/850 C y a 3/25 bar abs.
Relación óptima vapor /CH4 3-5
Shift ( Mejora de Conversión, catalizador de Cr-Fe).
CO + H2O  H2 + CO2 /\ H = - 41.15 kJ/mol CO

Reacción exotérmica; se optimiza a 200/600 C

Purificación PSA (Adsorción a presión con distintos adsorbentes, sílica gel, carbón activado, zeolitas).
Permite obtener H2 de 99.99% de pureza.

Este proceso de Reformado genera energía calórica en exceso que puede exportarse como vapor para ser consumido fuera de la planta de obtención de H2.

Si bien tiene el inconveniente de liberar CO2, éste puede ser absorbido para ser comercializado.

Al presente existe sólo una tecnología que no produce CO2: Pirolisis
CH4  C + 2H2 /\ H = + 17.8 kJ/mol CH4.
Permite obtener C como subproducto valioso.

Se trata de una tecnología nueva, en evolución de la que por no existe mucha información técnica disponible. Es acoplable al empleo de energía solar.

PRODUCCION DE HIDROGENO MEDIANTE ELECTROLISIS DEL AGUA.

Se requiere una fuente de energía y otra de agua.

Como fuente de energía renovable no convencional a utilizar que se presenta con mejores ventajas para este proyecto, es la energía eólica, dado su potencial en nuestro país así como el desarrollo actual de los aerogeneradores.

Se manejan dos alternativas para utilizar el H2 como fuente de energía alternativa, a saber.

a) Almacenamiento de la energía eólica con el propósito de cubrir las variaciones típicas de este tipo de generación.

Los dos posibles caminos a estudiar para obtener energía eléctrica a partir del H2, consisten en la combustión del H2 en una central térmica o a través de celdas de combustible con la posterior transformación corriente continua/alterna en un conversor.

b) Empleo como combustible para abastecimiento en el sector transporte.