El futuro de la energía: Hidrógeno y Pilas de Combustible Leire Romero Elu Responsable I+D Fundación para el Desarrollo de las Nuevas Tecnologías del Hidrógeno en Aragón

Hidrógeno: materia prima y vector energético Indice Introducción Hidrógeno: materia prima y vector energético La oportunidad del hidrógeno y las pilas Producción de hidrógeno Hidrógeno y energías renovables Almacenamiento y distribución E Pila de combustible Automoción y motores La iniciativa de Aragón 2

Introducción JAVIER

Agotamiento de combustibles fósiles Paradigmas energéticos

Source: BP Statistical Review of World Energy 2005 Agotamiento de combustibles fósiles Petróleo Reservas probadas de petróleo (2005)‏ 61.7 % 11.7 % 9.4 % 8.5 % 5.1 % 3.5 % Source: BP Statistical Review of World Energy 2005

Source: BP Statistical Review of World Energy 2005 Agotamiento de combustibles fósiles Gas natural Reservas probadas de gas natural (2005)‏ 40.8 % 35.7 % 7.9 % 7.8 % 4.8 % 4.0 % Source: BP Statistical Review of World Energy 2005

Source: BP Statistical Review of World Energy 2005 Agotamiento de combustibles fósiles Carbón Reservas probadas de carbón (2005)‏ Source: BP Statistical Review of World Energy 2005 32.6 % 31.6 % 28.0 % 5.5 % 2.1 %

Cambio de paradigma, ¿urgente?

Hidrógeno: materia prima y vector energético JAVIER

Hidrógeno: elemento y molécula Elemento más ligero y más abundante del UNIVERSO 75% de la masa 90% de sus átomos Corteza terrestre 10º elemento en peso, y 1º en número de átomos. 80% combinado en forma de agua. En la atmósfera, sólo 1 pmm Fusión Estelar: Dos átomos de Hidrógeno (H•) forman uno de Helio y proporcionan ingentes cantidades de energía 1 electrón Átomo Hidrógeno 1 protón Deuterio 3.2 MeV Tritio

Producción anual de hidrógeno ~ 5 EJ  41 Mt , 470 bcm Producción y almacenamiento de hidrógeno Producción actual de hidrógeno Producción anual de hidrógeno ~ 5 EJ  41 Mt , 470 bcm 95% de la producción es "cautiva", se consume in situ. 96% se produce por fuentes fósiles.

Producción y almacenamiento de hidrógeno Consumo actual de hidrógeno El hidrógeno se utiliza actualmente en la industria como materia prima, no como uso energético.

El H2 es un gas inflamable, que se suele almacenar a presión. La cuestión de la seguridad El H2 es un gas inflamable, que se suele almacenar a presión. Se maneja a nivel industrial con muy altos índices de seguridad. Seguridad con Hidrógeno Gran difusividad Características propias de llama e ignición

El concepto de vector energético

La oportunidad del Hidrógeno y Pilas de Combustible

Hidrógeno: ¿tercera revolución industrial? El hidrógeno es un “vector” energético que puede obtenerse a partir de cualquier fuente de energía y agua. Como gas combustible, puede emplearse en automoción o en la producción de electricidad, generando agua como residuo. Las pilas de combustible son dispositivos que convierten la energía química de un combustible, preferentemente hidrógeno, directamente en electricidad, sin generar contaminantes, con mucho menos ruido que un motor convencional y mayor eficiencia. La combinación de hidrógeno y pilas de combustible responde a la tendencia hacia sistemas energéticos sostenibles, autosuficientes y no contaminantes. Por la magnitud del cambio tecnológico, se ha llegado a afirmar que representan la tercera revolución industrial.

El ciclo del Hidrógeno, vector energético

Hacia la Economía del Hidrógeno La Plataforma Tecnológica Europea del Hidrógeno y Pilas de Combustible ha cifrado la magnitud de los mercados incipientes en este sector para el año 2020 en varios cientos de miles de pilas para los sectores de automoción y generación estacionaria, y de cientos de millones de unidades para aplicaciones de electrónica portátil. Fuente: Strategic Overview, European Hydrogen and Fuel Cell Technology Platform (www.hfpeurope.org)

Pilas de combustible: sector en crecimiento Las pilas de combustible entraron en una fase comercial el año pasado, según un estudio de la consultora Fuel Cell Today, especialista en el sector. El sector de las pilas creció un 75% en 2007, llegando a las 12.000 unidades nuevas, mientras que la capacidad de atender una demanda creciente está asegurada. El sector tiene características de alta tecnología: un cuarto de las empresas activas se dedican en exclusiva a esta tecnología. “The commercialisation of fuel cells started in 2007, according to Fuel Cell Today in its 2008 Industry Review, released today. The Review, titled "Fuel Cells: Commercialisation", reports that in the last year the fuel cell industry has seen a growth of 75% in new units delivered, with some 12,000 new fuel cell units shipped during 2007. Fuel Cell Today believes that the current global manufacturing capability for fuel cells is around 100,000 units per annum, with a quarter of this coming from companies whose business activity is exclusively the development of hydrogen and fuel cell technologies” (Fuente: Fuel Cell Today, 30 de enero de 2008)

Sector estratégico para Europa La Comisión Europea junto con el sector empresarial están poniendo en marcha una iniciativa, la Iniciativa Tecnológica Conjunta o JTI, para impulsar el desarrollo tecnológico y acercar la creación de mercados incipientes en hidrógeno y pilas de combustible. El compromiso firme de la Comisión Europea y la agrupación industrial New Energy World es de aportar conjuntamente 940 millones de euros de aquí a 2013 a través de la JTI. Varias empresas españolas (5 a la fecha) han confirmado su adhesión a la agrupación industrial (www.fchindustry-jti.eu ).

Impulso a nivel nacional La participación española en proyectos de hidrógeno y pilas de combustible en el Sexto Programa Marco de la Comisión Europea fue muy escaso, con un retorno incluso menor que el promedio del Programa Marco. En la propia constitución de la agrupación industrial de la JTI se aprecia una escasa participación nacional. El Plan Nacional de I+D 2008-2011 reconoce la importancia del hidrógeno y las pilas de combustible en su contribución a los objetivos en Energía y Cambio Climático. Se espera un aumento sustancial en los proyectos de I+D en este ámbito. El programa CENIT ha concedido ayuda a dos proyectos en la temática: SPHERA para producción y almacenamiento de hidrógeno, y DEIMOS para pilas de combustible, en el que participan más de 30 empresas. En definitiva, es el momento de lograr posiciones de liderazgo y vocación emprendedora a nivel internacional.

Producción de hidrógeno

Producción de hidrógeno Vías de producción de hidrógeno Vías de producción de hidrógeno

Producción de hidrógeno Un poco de química... Reformado de metano e hidrocarburos Reacción shift Disociación del agua: electrólisis y termólisis Ciclos Termoquímicos

Reformado de hidrocarburos Gas de síntesis y gas rico en hidrógeno

Economía del hidrógeno Hidrógeno "fósil": captura y secuestro de CO2

Electrólisis 285 kJ/mol 2H2O + Electricidad 2H2 + O2

Electrólisis alcalina Electrolito: potasa

Electrólisis ácida (PEM) Electrolizador PEM (Proton Exchange Membrane)

2H2O + Energía Térmica  2H2 + O2 Termólisis 2H2O + Energía Térmica  2H2 + O2 Problema: 2500 K y separar H2 et O2 Solución: Ciclos termoquímicos H2SO4 → SO3 + H2O (a 880-930 K). SO3 → SO2 + ½O2 (a 1000-1300 K).

Hidrógeno y Energías Renovables JAVIER

La acumulación de la energía

La acumulación de las energías renovables

Energía eólica Infraestructuras infrautilizadas Desacople con demanda

Energía eólica Desconexión de 2.800 MW eólicos. Fallo en Alemania, bajada de frecuencia

La acumulación de la energía eólica Generar H2 en horas de máxima producción como combustible para automoción

Almacenamiento y Distribución JAVIER

Hidrógeno: mucha energía por unidad de masa Metano Propano Gasolina Diesel Metanol 1 kg 2,40 kg 2,59 kg 2,78 kg 2,80 kg 6,09 kg

Hidrógeno: baja energía por unidad de volumen

ALMACENAMIENTO Almacenamiento: el gran reto técnico

ALMACENAMIENTO Comparativa de almacenamiento

Almacenamiento gas a presión 200 bar 350 bar 700 bar 350 bar

Almacenamiento líquido Almacenamiento hidrógeno líquido Armazón: acero inoxidable o aleaciones de aluminio, por su alta resistencia a la corrosión del hidrógeno: >2mm Aislamiento térmico: hojas de aluminio o polímero de aluminio separadas por fibra de vidrio o polímeros. Vacio con P<0,01 Pa Interior es de materiales de baja conductividad térmica, fibras de plástico reforzadas con carbón o vidrio.

Reacción química de electrolisis Almacenamiento en estado sólido Hidrógeno adsorbido Nanoestructuras carbonosas, zeolitas, MOFs Hidrógeno absorbido Hidruros metálicos (LaNi5, TiFe,…)‏ o (Mg)‏ Hidrógeno absorbido Hidruros complejos (Alanatos: NaAlH4, boratos, etc.)‏ Reacción química de electrolisis

Capacidad máxima kg/día Distribución de hidrógeno: posibilidades Tipo de suministro Capacidad máxima kg/día Comentarios Semirremolque hidrógeno gas 250 Capacidad del semirremolque Semirremolque hidrógeno líquido 3.000 La viabilidad de esta opción depende la distancia a la planta de LH2 Producción in-situ por electrolisis 100 Se espera una reducción de costes Producción mediante reformadores >10.000 Alternativa más desarrollada para grandes cantidades Hidrógeno canalizado Zonas industriales

Distribución por tubería

Problemática: ¿el huevo o la gallina?

Concepto básico de una hidrogenera CASCADA: almacenamiento en zonas separadas

Concepto básico de una hidrogenera Recarga en cascada

Ejemplo de una hidrogenera

Ejemplo de una hidrogenera

Pila de combustible JAVIER

Pilas de Combustible De energía química a energía eléctrica Pilas de combustible: la ventaja de la Termodinámica H= -286 kJ/mol Energía Química (Combustible+Oxidante) Energía Eléctrica Energía Térmica Energía Mecánica Máquinas Térmicas Límite de Carnot Pilas de Combustible Rendimiento motor térmico combustión interna ≤ 25% Rendimiento motor eléctrico (80%) movido por pila de combustible (90%) Rto. Total= 72% del contenido energético H2

Pilas de combustible: concepto 2 H2 + O2 ⇄ 2 H2O Reacción Ánodo Cátodo

Pilas de combustible: tipos de pila

Pilas de combustible: tipos de pila

Pilas de combustible: aplicaciones Móviles Portátiles Estacionarias

Pilas de combustible Pilas de combustible: ventajas y desventajas Ventajas/Inconvenientes Pilas de combustible: ventajas y desventajas  Alta eficiencia  Respuesta Rápida  Sin emisiones  Carácter modular  Silenciosas  Coste elevado

La pila PEM. El Stack Membrana + Electrodos (MEA) Capa difusora de gases (GDL) Placas bipolares Estanqueidad periférica Placas finales Placas de refrigeración

La pila PEM. El sistema 5kVA PEM FCS BoP NUVERA 5 kW Fuel Cell Stack Recycle Tank H2 Anode Blower Fan Air Cathode Rad H2O Deio Pump Fill-Overflow

Automoción y motores JAVIER

Hibridación de vehículos BATERIA MOTOR ELECTRICO TRANSMISION RUEDAS PILA COMBUSTIBLE MOTOR COMBUSTION Convencional Eléctrico a Batería Eléctrico a Pila de Combustible Eléctrico a Pila Combustible Híbrido serie H2 MCI a Hidrógeno

Motores de combustión interna con hidrógeno

La apuesta en Aragón JAVIER

La oportunidad del hidrógeno ALGUNAS FORTALEZAS DE ARAGÓN La oportunidad del hidrógeno Almacenar la energía renovable … … para los coches de hidrógeno Autoabastecimiento energético Competitividad industrial

Misión de la Fundación del Hidrógeno Apoyar al desarrollo de proyectos estratégicos y de futuro que creen empleo, generen riqueza y diversifiquen el tejido industrial a la vez que lo hacen más competitivo. Desarrollar una agenda estratégica que contenga líneas maestras de los pasos a realizar y de un horizonte temporal para los mismos. Favorecer la creación de una red de empresas industriales que cooperen y generen futuras oportunidades de negocio basado en las tecnologías del hidrógeno Las PYMEs son la base del empleo Las Energías Renovables son clave en la sostenibilidad

Patronato de la Fundación del Hidrógeno JAVIER

Plan Director del Hidrógeno en Aragón Objetivos: - Cuáles son las oportunidades y líneas estratégicas. De dónde partimos (estado de la tecnología) Plantear proyectos para las empresas aragonesas, principalmente las PYMEs. Identificar aspectos transversales: formación, sensibilización, financiación. Detectar socios estratégicos. Análisis Interno Análisis Externo JAVIER (Resumen de introducción) Objetivos generales del plan Disponer de una herramienta para la identificación de las oportunidades de las Nuevas Tecnologías del Hidrógeno detectadas en Aragón, que permita tomar las decisiones a nivel institucional, empresarial y académico respecto éstas.Identificar las líneas estratégicas para la región y establecer unos planes de actuación, con asignación de recursos y horizonte temporal, para el despliegue de estas líneas. Objetivos específicos del plan Revisar el estado de la tecnología: estudio del estado del arte incluyendo identificación de tecnologías clave y competencia, su estado de desarrollo actual, principales empresas y centros de investigación, extensión del mercado existente y tendencias del mercado actual. Definir las posibilidades, expectativas y mejores alternativas en el futuro para Aragón. Identificar líneas estratégicas y proyectos generales y específicos para las empresas Aragonesas, principalmente las Pequeñas y Medianas Empresas, que son la base del empleo en Aragón. Identificar aspectos transversales o de soporte general: formación, sensibilización, financiación, políticas, que es necesario gestionar para asegurar el éxito del despliegue de líneas estratégicas Identificar socios/apoyos estratégicos para el desarrollo en la Comunidad Autónoma. Hacer una proyección a horizontes temporales más largos 2020-2050, definiendo la continuidad de las líneas estratégicas trazadas y poniendo las bases para los pasos a dar en esos horizontes. La metodología de trabajo utilizada para la elaboración del Plan se ha basado en un análisis externo del estado de las tecnologías del hidrogeno y de tendencias y políticas para su despliegue, así como en un análisis interno de la situación de Aragón en referencia a estas tecnologías y tendencias. Para el análisis externo se han revisado diferentes documentos y proyectos de manera que aporten una visión global del estado del arte en hidrógeno y pilas de combustible. El análisis se ha completado con entrevistas personales con expertos, así como con la asistencia a foros, congresos y reuniones. La metodología de trabajo para el análisis interno de Aragón ha consistido en detectar cuales son las principales fortalezas y debilidades de la región y establecer unas líneas estratégicas de actuación según la visión de diferentes expertos. Para ello se convocaron una serie de grupos de trabajo con expertos en cada una de las temáticas tratadas. Así mismo, para el análisis interno, se ha realizado una encuesta a 100 empresas aragonesas potencialmente vinculadas al sector de las nuevas tecnologías del Hidrógeno, de distintos sectores de actividad, tamaños y ubicación geográfica. Se han seleccionado pequeñas y medianas empresas puesto que estas suponen el 90 % del tejido empresarial aragonés, están claramente arraigadas al territorio y pueden dinamizar y consolidar la economía del hidrógeno. El objetivo de estas encuestas ha sido hacer una caracterización cualitativa de los intereses y potencialidades de las pymes en las actividades incluidas en la cadena de valor de las nuevas tecnologías del hidrógeno, así como de su capacidad de respuesta y éxito ante este reto. Participación de 60 expertos Encuesta a 100 empresas ¡ Vigilancia Tecnológica !

Plan Director del Hidrógeno en Aragón Grupos de Trabajo: Generación con energías renovables. Generación con otras energías. Almacenamiento, logística y distribución. Pilas de Combustible y aplicaciones. Aplicaciones en automoción. Impacto socioeconómico. JAVIER (Resumen de introducción) La información va a ser presentada conforme a las seis áreas diferenciadas que cubren toda la cadena del hidrógeno: Generación con energías renovables Generación con otras energías Almacenamiento, logística y distribución Pilas de Combustible Aplicaciones: estacionarias y aplicaciones portátiles Aplicaciones en automoción Impacto socioeconómico: sensibilización, formación, normativa y seguridad, financiación, transferencia de tecnología Dentro de cada una de estas áreas, que constituyen los subcapítulos, la información se encuentra estructurada según el siguiente esquema Análisis externo: introducción y análisis del sector Analisis interno: panel de expertos y pymes aragonesas Conclusiones Líneas estratégicas del sector

Plan Director: Generación con renovables JAVIER Destacar: FORTALEZAS: recursos renovables y grupos de investigación punteros OPORTUNIDADES: el proyecto ITHER DEBILIDADES: nos falta tecnología de electrolizadores (como al resto de España) AMENAZAS: régimen especial y marco legal.

Plan Director: Generación con renovables ACCIONES INDUSTRIALES PLAZO Proyecto piloto de generación de H2 con renovables En marcha Proyectos precomerciales Medio ACCIONES DE INVESTIGACIÓN Termólisis Descomposición catalítica de GN con hornos solares Gasificación de biomasa ACCIONES DE SOPORTE Potencial de producción de hidrógeno por eólica Corto Régimen Especial para hidrógeno renovable Potencial de producción de hidrógeno por biomasa LUIS Ver tabla de acciones (pag 39)

Proyecto ITHER Proyecto ITHER: Energías Renovables Fotovoltaica: 60 kW en tres marquesinas integradas en un aparcamiento del Parque Walqa, más 1,7 adicionales en el tejado del edificio

Proyecto ITHER Proyecto ITHER: Energías Renovables Fotovoltaica: 41 kW en cinco seguidores. Tres tipos de seguimiento y seis tecnologías de placas en total. DEGER 2x5 kW DOBON 10 kW ADES 20 kW

Proyecto ITHER Proyecto ITHER: Energías Renovables Eólica: 635 kW en tres aerogeneradores diferentes VESTAS V29-225 kW LAGERWAY-LW18/80 kW ENERCON-E33/330 kW

Centro de Evacuación Centro de Reparto Proyecto ITHER: Energías Renovables Infraestructura eléctrica para interconexión a red y conexión de generadores con electrolizadores (cargas) Centro de Evacuación Centro de Reparto

Proyecto ITHER Proyecto ITHER: Laboratorio de Hidrógeno GENERACIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍAS RENOVABLES Laboratorio de Generación de hidrógeno por fotovoltaica (diciembre de 2006): electrolizador, pilas, almacenamiento en hidruros

Proyecto ITHER Próximas instalaciones Edificio de 1.200 m2. Laboratorios (196 m2), talleres (276 m2), oficinas (240 m2), biblioteca, exposición, salas (160 m2).

Proyecto ITHER Próximas instalaciones

La oportunidad del hidrógeno ALGUNAS FORTALEZAS DE ARAGÓN Pasos Inmediatos Puesta en marcha del Centro Tecnológico del Hidrógeno en Walqa. Financiación del Plan Director del Hidrógeno en Aragón: 1,84 millones de euros en los próximos 4 años (Acuerdo de Consejo de Gobierno de 5 de junio de 2007) Y todos los proyectos de futuro …. … con el único límite de nuestra imaginación.

Gracias por su atención Fundación para el Desarrollo de las Nuevas Tecnologías del Hidrógeno en Aragón info@hidrogenoaragon.org www.hidrogenoaragon.org