1 USOS ACTUALS DE L‘HIDROGEN - xtec.cat · Transf ormador Interruptors Emmagatzematge...
Transcript of 1 USOS ACTUALS DE L‘HIDROGEN - xtec.cat · Transf ormador Interruptors Emmagatzematge...
USOS ACTUALS DE L‘HIDROGEN
En l’actualitat, les principals aplicacions de l’hidrogen són industrials,
concretament el refinat de combustibles fòssils i la producció d’amoníac.
Però una petita part (aproximadament el 3% de la producció total
de 45 milions de Tn/any) s’utilitza com a combustible de coets.
USOS DE L'HIDROGEN
Electrònica9%
Metal·lúrgica8%
Aeroespacial3%
Química i petroquímica
72%
Altres8%
ÚS QUÍMIC I PETROQUÍMIC
Amoníac50%
Refineries37%
Metanol8%
Altres5%
Des dels anys 60 l’hidrogen s’utilitza
en la indústria aeroespacial com a
combustible per a transbordadors.
1
Aplicacions de l’hidrogen. Font: UNICAMP 2004
COETS ACCELERADORS
Contenen combustible sòlid que es crema per l’enlairament. A una certa alçada es desprenen. Són reutilitzables
TANC EXTERN
Conté l’hidrogen i l’oxigen que es cremen en els motors del transbordador. Quan s’ha gastat tot l’oxigen i hidrogen es desprèn
TRANSBORDADOR
L’hidrogen i l’oxigen passen a ser l'únic combustible i font d'alimentació de la nau, a través d'un sistema de cèl·lula de combustible alcalina (AFC)
REFORMAT D’HIDROCARBURS Actualment l’hidrogen és utilitzat en indústries com la química i petroquímica,
l’electrònica, l’aeroespacial... però, d’on s’obté aquest hidrogen? Sabem que
és l’element químic més abundant a l’Univers, però a la Terra és difícil trobar-
lo sol i per tant, l’hem d’obtenir a partir de compostos que continguin hidrogen.
La major producció es fa amb gas natural , compost majoritàriament de metà
(CH4). Per obtenir hidrogen a partir del gas natural hi afegim aigua i té lloc una
reacció que produeix CO i hidrogen: CH4 + H2O → CO + 3H2
Al CO se li pot tornar a afegir vapor d’aigua per obtenir més hidrogen:
CO + H2O→ CO2 + H2
2
1 2
3
4
5
6
1 C
2
3
4
5
6
C
O
O
O
O
O
O
C C
+
+
7
8
7
8
Els àtoms d’hidrogen es combinen per formar hidrogen
També hem obtingut CO 2; que contribueix a l’efecte hivernacle si l’alliberem a
l’atmosfera. Per tant, caldrà pensar en alguna
solució per resoldre aquest inconvenient
Afegim vapor d’ aigua (H2O) al metà (CH 4)
Agafem el monòxid de carboni i tornem a afegir
vapor d’aigua (H 2O)
SEGREST GEOLÒGIC DEL CO 2
Com en el sistema d’obtenció d’hidrogen a
partir del metà obtenim com a producte
secundari CO2, cal trobar maneres per no
emetre’l a l’atmosfera. Una d’aquestes
maneres és la captura i emmagatzematge
del CO2, injectant-lo en el subsòl porós;
principalment en camps petrolífers, jaciments de gas esgotats, mines de carbó no
explotables o en aqüífers salins profunds.
Opció Capacitat emmagatzematge (Gt de CO2)
Aqüífers salins profunds
400 - 10.000
Jaciments explotats de petroli i gas 930
Mines de carbó 30
Font: IEA-GHG, 2006
3
La pressió que fa aquest
CO2 sota terra, es pot
utilitzar per fer que el
petroli que hi pugui haver
pugi de nivell, permetent
així la seva extracció CO2
CO2
Aqüífer salí
Extracció de petroli
Pou de petroli
ELECTRÒLISI L’electròlisi consisteix en la separació de l’aigua (H2O) en oxigen i hidrogen
mitjançant l’aplicació d’un corrent elèctric. El bicarbonat sòdic (NaHCO3) afegit a
l’aigua servirà per potenciar el procés de separació de l'hidrogen i l'oxigen.
L’hidrogen obtingut en l’electròlisi de l’aigua és molt pur, però també és molt car a
causa de la l’important despesa elèctrica que comporta (4,9-5,6 kWh per m3 de H2).
4
El volum de l’hidrogen
dipositat en l’elèctrode és
aproximadament el doble
que el volum d’oxigen.
En connectar la font
d’alimentació,
l’electricitat fa que
l’aigua se separi en
oxigen i hidrogen que
acumulem a les
xeringues.
FOTOBIÒLOSI
Existeixen organismes, com les algues verdes, que són capaços d’utilitzar
part de l’energia solar captada en el procés de fotosíntesi per produir
hidrogen. Aquest sistema rep el nom de fotobiòlosi. Això és a causa de l'enzim
hydrogenase, que s'activa en l'absència de l'oxigen i s'encarrega de la
producció de l'hidrogen. En l’actualitat, s’ha assolit fins a 2 o 2,5 ml d'H2 per
litre de cultiu per hora, però després de 100 hores, les algues han de tornar al
seu metabolisme normal
HIDROGEN
5
Alga verda Chlamydomonas
reinhardtii EXTRACCIÓ DEL SOFRE AFEGIR COURE ABSÈNCIA D’OXIGEN MODIFICACIÓ GENÈTICA
ENERGIA SOLAR
CÈL·LULA DE COMBUSTIBLE
Una cèl·lula de combustible produeix hidrogen si hi injectem aigua, i li donem
energia elèctrica. També n’obtenim oxigen.
La cèl·lula de combustible trenca l’enllaç de la molècula d’aigua gràcies a
l’energia elèctrica i així obtenim oxigen i hidrogen.
2H2O + energia 2H 2 + O2
6
3. Veiem com es va produint l’hidrogen i l’oxigen, que s’acumula en xeringues
2. Injectem aigua destil·lada
1. Connectem la cèl·lula a 2,5 V
PILA DE COMBUSTIBLE (I) Les piles de combustible
converteixen directament l’energia
química d’un combustible en
electricitat. Hi ha diferents tipus de
piles de combustible, típicament es
classifiquen pel tipus d’electròlit
que tenen ja que determina les
seves característiques. Nosaltres
ens basarem en una cèl·lula PEM.
1. Fem entrar dues molècules d’hidrogen.
2. Al catalitzador se separen els ions d’hidrogen dels electrons.
3. Els ions d’hidrogen creuen la membrana PEM, mentrestant els electrons passen pel cable produint energia elèctrica. Entra la molècula d’oxigen.
4. L’oxigen se separa en dos àtoms als quals se li uneixen els ions d’hidrogen i els electrons, formant així aigua.
5. Fem el mateix amb l’altra molècula d’aigua.
6. Fem sortir les dues molècules d’aigua finalitzant el recorregut.
7
PILA DE COMBUSTIBLE (II)
Una cel·la de combustible típica produeix
aproximadament 0,8 volts. Per crear més
voltatge i intensitat, les cel·les s'agrupen
combinant-les en sèrie i en paral·lel en un
sistema que es diu Fuel Cell Stack (apilat de cel·les
de combustible). El nombre de cel·les usades és
generalment superior a 45 i varia segons el disseny.
8
Connectem els elèctrodes de la pila al motor elèctric
L’hidrogen i l’oxigen es combinen
generant electricitat
Veiem com la roda es mou
HIDROGEN AMB ENERGIES
RENOVABLES Els aerogeneradors poden provocar distorsions a la xarxa elèctrica ja que la
producció no és constant; una manera de solventar-ho és emmagatzemar
aquesta energia i poder-la subministrar de manera molt més controlada. Si es
continuen implantant més parcs eòlics, es pot donar el cas que la xarxa
elèctrica no sigui capaç d’absorbir tota l’energia que es produeixi. Els sistemes
d’emmagatzematge d’energia actuals tenen poca capacitat d’acumulació. Amb
hidrogen es pot emmagatzemar gran quantitat d’energia que després es pot
recuperar fàcilment quan cal utilitzar-la.
Per passar de l’energia eòlica a l’hidrogen el que farem serà emmagatzemar
energia, i posar-la a l’electrolitzador. Per poder emmagatzemar aquest
hidrogen necessitarem un compressor, per reduir-ne el volum. Quan el
tinguem emmagatzemat ens servirà per assolir el nostre objectiu i aconseguir
tenir energia quan la necessitem. Podem utilitzar el mateix sistema per
emmagatzemar energia produïda per plaques solars.
9
Pila d’hidrogen / Inversor
Aerogenerador Centre de
control
Placa solar Transf ormador
Interruptors
Emmagatzematge d’hidrogen
Condensador
Electròlisi / compressor
HIDROGEN AMB ENERGIES
RENOVABLES (II)
100
4. Fem servir l’energia acumulada en l’hidrogen (condensadors) per
encendre el led quan no funciona ni la placa solar ni l’aerogenerador
2. En el primer cas és l’energia solar que carrega els condensadors que simulen l’hidrogen acumulat, i en el
segon l’aerogenerador
1. Connecta la bombeta i/o el
ventilador. Puja els seus respectius interruptors per
carregar els condensadors
3. Apaga la bombeta i/o el ventilador, per representar que no disposem d’energia
solar ni eòlica
1
1
4
2
3
EMMAGATZEMATGE
Comparació del volum de 4 kg d’hidrogen en un vehicle
Un dels principals problemes de
l’hidrogen és que es tracta d’un
element molt lleuger però que ocupa
molt espai, és a dir, la seva densitat
és molt baixa. Per tant, necessitem
buscar maneres de reduir el seu
volum per poder-lo emmagatzemar o
tenir dipòsits de dimensions útils.
• Una manera d’emmagatzemar hidrogen és mitjançant pressions elevades .
• El Cryo-comprimit es basa en les característiques dels gasos, en què la
capacitat d’un recipient augmenta quan la temperatura baixa. l’emmagatzematge
d’hidrogen a baixes temperatures es fa en contenidors criogènics, normalment
mitjançant el procés de liqüefacció, que consisteix a comprimir l’hidrogen gas i
després refredar-lo mitjançant un intercanviador de calor. Aquest procés permet
que l’hidrogen pugui ser emmagatzemat més fàcilment, ja que d’aquesta manera
ocupa menys volum. Aquest procés, però, té un inconvenient, per refredar-lo i
després escalfar-lo hi ha una gran despesa energètica.
110
HIDROGEN AIRE
MATEIXA MASSA
• Els nanotubs són estructures tubulars de diàmetre de
l'ordre del nanòmetre.
1. Posem una mica d’aigua dintre de la llauna
2. Posem la llauna a escalfar fins veure que surt vapor
3. Posem la llauna cap per avall dintre de l’aigua freda
4. La ll auna s’ai xafa. Això és a causa de la pressió atmosf èrica.
L’aigua que hi ha a la llauna es converteix en vapor en escalfar-la i, per tant, ocupa tot el volum possible
Quan la posem a l’aigua es refreda ràpidament i , per tant, ocupa molt menys volum i deixa de fer pressió sobre les parets de la llauna i la pressió atmosfèr ica de fora l’aixafa
Quan el carboni s’uneix per formar l’estructura nanomètrica hexagonal utilitza 3 enllaços dels 4 que té, per tant li’n queda un de lliure
L’hidrogen queda atrapat fàcilment pels enllaços lliures
Si volguéssim recuperar aquest hidrogen emmagatzemat, com que l’enllaç és molt feble, només se li hauria de reduir la pressió
NANÒMETRE Si dividim un metre en mil parts, tenim un mil·límetre; si aquest el dividim en mil parts tenim un micròmetre, i si aquest el dividim en mil parts tenim un nanòmetre.
EL COTXE D’HIDROGEN (I)
Una alternativa de futur és la utilització
d’hidrogen com a combustible i de piles
de combustible per generar l’energia
elèctrica necessària.
Evidentment la implementació dels
vehicles d‘hidrogen no serà possible
sinó es creen totes les estructures
necessàries com ara les hidrogeneres (és a dir, l’equivalent a les gasolineres on els
cotxes anirien a repostar l’hidrogen). Així com sistemes de transport (hidrogenoductes).
120
1. Dipòsit d’hidrogen L’hidrogen
s’emmagatzema en un dipòsit
(en aquest cas a alta pressió)
Entrada d’hidrogen al dipòsit
3. Bateria Aquesta energia
s’emmagatzema en una bateria d’ió-liti
5. Inversor Podem utilitzar el cotxe
com a generador d’energia elèctrica per
poder connectar aparells elèctrics externs
mitjançant un inversor que generi tensió alterna
a partir de la tensió contínua de la bateria
Sortida vapor
d’aigua
2. Pila de combustible L’hidrogen és injectat a la pila de combustible on es combina amb oxigen provinent de l’aire en una reacció química que produeix energia elèctrica i vapor d’aigua com a residu. 2H2 + O2 => 2H2O + energia
Entrada d’oxigen
4. Motor elèctric L’energia de la bateria es pot utilitzar per moure el
cotxe mitjançant un motor elèctric acoblat a les rodes i per activar els sistemes
elèctrics del cotxe
EL COTXE D’HIDROGEN (II)
Connectem la bateria Omplim el dipòsit d’hidrogen El marcador del nivell de combustible es posa verd
Marxa endavant Llums apagades
Posem les llums de posició
Posem les curtes
Posem les llargues
130
EL COTXE D’HIDROGEN (III)
Accionem el volant cap
endavant i veiem com canvia el velocímetre
Accionem el fre (palanca aixecada)
Posem l’intermitent esquerre
Posem l’intermitent dret
Posem marxa enrere
140
CONCLUSIONS
En la societat actual veiem un creixement desmesurat del consum energètic,
així com una forta dependència dels combustibles fòssils, que a més
provoquen el canvi climàtic. Ambdues coses provoquen una dependència
energètica d’uns països envers altres provocant inestabilitat.
Per tant, cal potenciar un canvi de model energètic.
Tan important és fer un ús responsable de l’energia com de trobar la manera
d’utilitzar els recursos renovables de cada país eficientment. Però són
inconstants i per tant no en podem disposar sempre. Una solució seria poder
emmagatzemar-los, però els sistemes d’emmagatzematge d’energia actuals tenen
poca capacitat d’acumulació. Amb hidrogen es pot emmagatzemar gran quantitat
d’energia que després es pot recuperar fàcilment quan cal utilitzar-la.
Sabem que el sistema energètic de l’hidrogen (l’economia de l’hidrogen) no
és la gran solució a tots els problemes energètics actuals, només es tracta
d’un mitjà que ens permetrà fer un ús més racional de les reserves
energètiques i que col·laborarà per poder implantar les energies renovables, i
que estem segurs que contribuirà a un sistema sostenible i a la millora del
nivell de vida de la humanitat.
Som conscients que encara falta molt ja que cal incrementar eficiència,
disminuir costos, augmentar autonomia, utilitzar energies renovables (igualar
cost i autonomia del petroli), trobar nous i millors materials i sistemes
d’emmagatzematge... Però, estem segurs, que en un futur tots nosaltres
conduirem cotxes d’hidrogen.
15