Tecnología del Hidrógeno

Presentación del tema: "Tecnología del Hidrógeno"— Transcripción de la presentación:

1 Tecnología del Hidrógeno
Esta presentación tiene como propósito brindar un panorama acerca de la tecnología asociada al hidrógeno, que es un transportador de energía y al mismo tiempo una opción viable para sustituir a los hidrocarburos fósiles. Toluca, México; Noviembre 6, 2008

2 H Fuentes Energéticas H En el presente se utilizan los combustibles fósiles para proveer el 97% de la energía que se consume en el mundo Petróleo 40%, Carbón 38%, Gas Natural 19% Otras fuentes 3%. Son fuentes no renovables que generan contaminación. Estimaciones establecen un agotamiento de reservas de petróleo a 45 años más, de gas natural en 65 y de carbón en 230.

3 H ¿Qué es el hidrógeno? H Gas altamente flamable, incoloro, inodoro, no metálico, univalente Elemento químico más simple y abundante en el universo En condiciones ambientales normales se presenta en forma de molécula H2 (hidrógeno diatómico) Su isótopo más abundante está compuesto por un par protón-electrón (protio), además existe el deuterio y el tritio. Se presenta en estado de plasma (estrellas, planetas gigantes de gas) En medios interestelares existe en estado atómico neutral H ¿Qué otra característica importante tiene este elemento químico?

4 Propiedades físicas del hidrógeno
Masa atómica g/mol Temperatura de solidificación 14 K Temp. de ebullición K Temp. de autoinflamación en el aire 858 K Temp. de la flama en el aire K Energía de licuefacción kJ/kg K Límites de inflamabilidad en aire 4 a 75 (% vol) Límite de detonación en el aire 13 a 65 (% vol)

5 Antecedentes del hidrógeno
Inicio del siglo XVI: descripción y reformación artificial de un nuevo gas por Theophrastus Bombastus von Hohenheim (Paracelso), 1766: determinación por Henry Cavendish del gas de Paracelso como sustancia discreta a partir de reacciones metal-ácido, formando un gas flamable generador de agua al quemarse en un ambiente de aire. 1783: establecimiento del nombre del gas por Antoine Laurent Lavoisier a partir de las raíces griegas hydro: agua y genes: formador.

6 Regeneración de hidrógeno
Disociación de átomos de hidrógeno a partir de moléculas y compuestos más complejos: agua, alcoholes, hidrocarburos, etc. Indispensable aplicar energía, en función de la manera de generación de la energía se establecen tres métodos de regeneración a partir de: Combustibles fósiles Combustibles nucleares Fuentes alternas

7 Regeneración de hidrógeno
Energía a partir de combustibles fósiles: Reformado de hidrógeno a partir de metano (SMR) proceso más utilizado a nivel mundial: Reacción de reformación: CH4 + H2O = CO + 3H kJ/mol Reacción de desplazamiento: CO + H2O = CO2 + H kJ/mol CH4 + 2 H2O = CO2 + 4 H kJ/mol El calor necesario es aplicado mediante combustión de metano.

8 Regeneración de hidrógeno
Energía a partir de combustibles nucleares: El proceso consiste en sustituir la fuente de calor del proceso anterior mediante el producido a partir de las reacciones de fisión nuclear.

9 Regeneración de hidrógeno
Energía a partir de biomasa: El proceso de gasificación también se puede realizar mediante otras técnicas: digestión anaeróbica proceso no térmico realizado en tanques de fermentación mediante acción de bacterias descomponiendo materia orgánica en CH4 + CO2 (biogas). Baja eficiencia de conversión.

10 Regeneración de hidrógeno
Fermentación rompimiento de moléculas complejas de celulosa o almidón para formar sacarosa y su posterior fermentación hasta obtener etanol C2H6O. Conversión térmica oxidación parcial de la biomasa para obtener un gas de síntesis (CO + H2), a partir del cual se construyen nuevas moléculas, tales como metanol, hidrocarburos ligeros formados mediante la síntesis de Fischer-Trops (hidrogenación) y dimetil éter (DME).

11 Regeneración de hidrógeno
A partir de metanol entre los métodos catalíticos más viables para la producción de H2 se tiene: Oxidación parcial con O2 o aire CH3OH + 1/2 O2 ↔ CO2 + 2 H2 Reformación con vapor de agua CH3OH + H2O ↔ CO2 + 3 H2 Descomposición CH3OH ↔ CO + 2 H2 El primer proceso es el más practicado ya que es una reacción de tipo exotérmico, aunque la producción de H2 es inferior en comparación con el segundo proceso que es de tipo endotérmico.

12 Regeneración de hidrógeno
Electrólisis aplicando energía eléctrica entre dos electrodos sumergidos en agua se establece una corriente eléctrica que fluye del cátodo al ánodo disociando moléculas de H2O presentes en la trayectoria de la descarga eléctrica. A partir de fuerza hidráulica, eólica, undimotriz, mareomotriz, o transformación de la energía solar.

13 Regeneración de hidrógeno
Combustión de biomasa para la cogeneración de energía eléctrica, que es un proceso indirecto en el cual se utiliza la energía térmica del proceso de combustión de la biomasa en una caldera para producir vapor, el cual, posteriormente activa un turbogenerador para generar energía eléctrica.

14 Cadena económica del hidrógeno
electrólisis almacenamiento portátil fuentes alternas combustión eléctrico generadores de energía eléctrica celda combustible portátil almacenamiento hidrógeno nuclear reformación industrial combustible almacenamiento combustible celda de hidrógeno renovables reformación combustible in situ generación biológica celda de metano combustibles fósiles

15 Energía a partir de hidrógeno
Generación de energía eléctrica (red de suministro, sistemas autónomos, respaldo de energía) Medios de transporte (combustible o precursor de energía) Sistemas de respaldo de energía eléctrica Sustitución de pilas, baterías mediante elementos portátiles

16 Energía a partir de hidrógeno
El hidrógeno en forma líquida o formando un compuesto ha sido utilizado en sistemas de propulsión espacial desde finales de los años treinta.

17 Energía a partir de hidrógeno
ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) Cadarache, Francia; costo a 10 años 10, M€. En latín iter significa “la vía, el camino” Especificaciones 500MW durante 1000s en cámara de descarga de 840 m3 con una mezcla de 0.5 gr deuterio/tritio 21H+31H→42He+10n+17.58MeV Published with permission of ITER

18 Energía a partir de hidrógeno
ITER es el segundo proyecto internacional más costoso de la humanidad después de la Estación Espacial Internacional y significa el mayor reto planteado hasta nuestros días. Published with permission of ITER

19 Energía a partir de hidrógeno
Tore Supra es el Tokamak con el mayor tiempo de funcionamiento constante de 390 s con 1000 MJ de energía aplicados en 2003. www-fusion-magnetique.cea.fr

20 Energía a partir de hidrógeno
Tokamak Novillo desarrollado en 1983 en el ININ Especificaciones 25 kA de corriente máxima de plasma, 2.25 ms de duración con presiones de trabajo de 5X10-5 a 4.5X10-4 Torr Experiencia en sistemas de alto vacío, optimización de confinamiento de plasma, diagnóstico de plasmas, acondicionamiento de la cámara de descarga, estudios de espectroscopía, estudios de preionización de campos magnéticos espurios, sistemas electrónicos de descarga de alta potencia, instrumentación y control.

21 H Costos del hidrógeno H Producido mediante combustibles fósiles y almacenado en forma comprimida (costo US $2/kg), por electrólisis (US $6.50/kg) y almacenado en forma líquida (US $3.50/kg). 1kg de H2 proporciona una energía equivalente a 3.78L de gasolina (US $1.12/L). A 5,000 psi 1kg de H2 requiere un 1ft3, equivalente al espacio ocupado por 28L de gasolina. En forma líquida ocupa 0.5ft3, pero requiere mantenerse a –250° C. Aún el mejor tanque de almacenamiento permite evaporar hidrógeno a una razón del 3% diariamente. Academia Nacional de Ingeniería de EU

22 Riesgos y limitaciones del hidrógeno
Como es un gas muy flamable y tiene una gran entalpía la flama que produce genera temperaturas elevadas y además es casi invisible. El hidrógeno es el combustible accesible más explosivo que existe en concentraciones de 13% al 64% en ambiente de aire. Reacciona violentamente con flúor, cloro y oxígeno. Los sistemas de generación, almacenamiento, distribución y consumo de hidrógeno deben contar con medidas de seguridad extraordinarias. No es posible una explotación masiva del hidrógeno como fuente energética debido a que actúa de manera indirecta como un gas de efecto invernadero. El costo del hidrógeno es equivalente a cuatro veces el costo de la gasolina para el mismo equivalente de energía.

23 Antecedentes de la celda de combustible
1838: Christian Friedrich Schönbein descubre el principio de la celda de combustible. 1839: Sir William Grove demostró un aparato para remplazar las baterías, inventando la batería de gas, hoy conocida como celda de combustible. 1959: Francis Thomas Bacon desarrolla de manera exitosa una celda de 5kW (AFC) que alimentaba una máquina para soldar. 1960: La NASA empieza el uso de celdas para generar energía eléctrica en sus naves espaciales y proveer agua a los astronautas (Gemini, Apollo).

24 La celda de combustible
Convertidor electroquímico de energía que transforma energía química en energía eléctrica de manera directa. Es posible emplear hidrógeno contenido en otras moléculas de combustibles incluyendo diesel, metanol, gas natural e hidruros químicos, el residuo producido por este tipo de combustibles además de agua es dióxido de carbono, entre otros.

25 Construcción de celdas tipo PEM
Es un desarrollo donde intervienen diversas disciplinas del conocimiento: ingeniería química, mecánica, eléctrica, materiales, química… Inconveniente: costo de Platino puro US $3800/100g a considerar el costo del Oro puro US $ 2084/100g (Oct. 21, 2006; New York Spot Price)

26 Tipos de celdas de combustible
Existen diferentes tipos o clases de celdas de combustible entre las principales se pueden citar las siguientes: PEMFC (Proton Exchange Membrane FC) Membrana de intercambio de protones, AFC (Alkaline FC) Electrolito alcalino, DMFC (Direct Methanol FC) Metanol directo, PAFC (Phosphoric Acid FC) Acido fosfórico, MCFC (Molten Carbonate FC) Carbonato fundido, SOFC (Solid Oxide FC) Oxido sólido.

27 Principales características de las celdas
PEMFC DMFC AFC PAFC MCFC SOFC Temp. operación 60-100°C 80-100°C 90-100°C °C °C Aplicación Sistemas portátiles, transporte Máquinas autoservicio transporte Espacial, militar, naval Generación energía, transporte Generación energía Ventajas Fácil manejo, rápido encendido Combustible sin reformar, sistemas pequeños Elevado desempeño, reacción catódica Hasta 85% eficiencia, soporta H2 impuro Alta eficiencia, bajo costo catalizador Alta eficiencia, maneja más combustibles Desventajas Catalizador costoso, muy sensible Producción de CO2, catalizador sensible Alto costo eliminar CO2 combustible baja potencia Alta temp. aumenta la corrosión, baja utilidad Alta temp. aumenta el desgaste de componentes Electrolito Polímero orgánico sólido NAFION NAFION Líquido NaOH, KOH (35-50% peso) Líquido H3PO4 ácido fosfórico concentrado Líquido carbonatos (Na, Li, K) Óxido de metal no poroso Y2O3

28 Aplicación automotriz
H Aplicación automotriz H

29 Retos científicos y tecnológicos
H Retos científicos y tecnológicos H Creación de membranas inmunes o más resistentes a la presencia de CO2; incremento de su durabilidad, más allá de 1,000h y reducción de su costo actual en un factor de 100. Desarrollo de sistemas de almacenamiento de hidrógeno seguros, minimizando riesgos de manejo y consumo del gas; con mayor capacidad de almacenamiento, reducción de volumen y costos. Implementación de sistemas de conversión eléctrica conmutados para aumentar la eficiencia, reducir la generación de armónicos e interferencia electromagnética. Construcción de convertidores no lineales y de sistemas resonantes para mejor aprovechamiento de la energía eléctrica. Desarrollo de sistemas electrónicos de control no lineales para acoplarse en procesos de la misma índole.

30 Habilidades requeridas
Decisión Trabajo Saberse valorar Actitud crítica Innovación e inventiva Capacidad para asimilar y poner en práctica nuevas ideas Capacidad de trabajo en equipo y de afrontamiento de nuevos retos Dominio de más de un idioma Formación académica adecuada a las habilidades y gustos Facilidad para comunicarse y establecer relaciones humanas

31 Desarrollos innovadores
H Desarrollos innovadores H To vacuum pump Anode electrode Grounded cathode electrode (vessel wall) High voltage electrode Main access

32 Desarrollos innovadores
H Desarrollos innovadores H

33 Desarrollos innovadores
H Desarrollos innovadores H (a) 2 l/min and 2mm (b) 3 l/min and 2mm, (c) 4 l/min and 2mm, (d) 2 l/min and 4mm, (e) 3 l/min and 4mm (f) 4 l/min and 4mm, (g) 2 l/min and 6mm, (h) 3 l/min and 6mm, (i) 4 l/min and 6mm

34 Desarrollos innovadores
H Desarrollos innovadores H VPulse one commutation device HF & HV resonant operating condition reduced power loss if ZVS

35 Desarrollos innovadores
H Desarrollos innovadores H Lf LR CR RL E CT RL= 1Ω, 6Ω, 12Ω Low resistance load Current amplifier Low output voltage Reduced load range Well known CT RL LR CR Lf E RL= 1kΩ, 10kΩ, 100kΩ High resistance load Voltage amplifier High output voltage Extended load range Innovation

36 Desarrollos innovadores
H Desarrollos innovadores H

37 GRACIAS Por su atención
H Por su atención GRACIAS “Even the smallest person can change the course of the future” J.R.R.Tolkien H

38 H “Electrical Model of an Atmospheric Pressure Dielectric Barrier Discharge Cell” por publicarse en IEEE Transactions on Plasma Science (2008). “Enhancement of wear and corrosion resistance of nitrogen implanted dental tools”, Vacuum 82 (2008) “Power Supply for Plasma Torches Based on a Class-E Amplifier Configuration”, Plasma Processes and Polymers 5 (2008) “V-I curves and plasma parameters in a high density DC glow discharge generated by a current-source”, Journal of Physics: Conferences Series 100, (2008) “Surface modification of stainless steel drills using plasma-immersion nitrogen ion implantation”, Vacuum 81, 10 (2007) “Modelling and Optimization of a Low-pressure DC Glow Discharge in Stable Regime”, Surface and Coatings Technology 201, 9-11 (2007) “An RF microplasma facility development for medical applications”, Surface and Coatings Technology 201, 9-11 (2007) H