ANÁLISIS BIBLIOMÉTRICO DE LAS ESTRATEGIAS DE ALMACENAMIENTO DE HIDROGENO

DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO:

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Dificultades en el almacenamiento de hidrogeno

HIPÓTESIS

El uso de hidruros complejos que absorban químicamente el hidrogeno podría ser la forma de almacenamiento más eficiente desde el punto de vista energético.

OBJETIVOS:General

Evaluar las características y los rendimientos de los sistemas de almacenamiento de hidrógeno para determinar cuál es la mejor tecnología para la cadena de producción-almacenamiento y consumo. [4]

Específicos:

Comparar cualitativamente las distintas soluciones de almacenamiento basados en parámetros como la capacidad de almacenamiento, costos energéticos en el proceso de captación y liberación, seguridad, facilidad de transporte.

Demostrar que una tecnología basada en hidruros clatratos de hidrógeno aunque lejos de estar optimizada puede llegar a ser competitiva con las demás.

ANTECEDENTES

NECESIDADES Convertir al hidrógeno en un vector energético Además de querer utilizarse en la industria automotriz, el hidrógeno

tiene potencial uso en plantas de energía solar y energía eólica ya que se podría almacenar la energía excedente que se produce durante las horas pico de generación, para luego utilizarla en horas pico de consumo.

Son dos las tecnologías que pueden usar el hidrógeno como combustible: sistemas que utilizan motores de combustión y motores electroquímicos con pilas de combustible.

poder almacenar a bordo de un automóvil de pilas de combustible la cantidad suficiente de hidrogeno para proporcionar una autonomía de 500 Km.

El hidrógeno presenta una densidad muy baja (0.089 Kg/m3) sin embargo tiene un alto contenido energético por peso y esto lo convierte en un combustible de

interés o en un portador de energía. De esta manera se requiere transformar el hidrógeno en una forma fácilmente manejable por compresión o licuefacción o atrapándolo, a través de la interacción con otros compuestos mediante uniones fuertes o débiles, como enlaces covalentes o fuerzas de Van der waals [4]

El objetivo de las tecnologías para el almacenamiento del hidrógeno es reducir el volumen que el hidrógeno ocupa naturalmente en su estado termodinámico estable bajo condiciones ambientales, es decir, como gas.

con la demanda actual de sistemas energéticos mas eficeintes, las tecnologías de alamcenamiento que desperdician una alta cantidad de la energía que transportan deben ser reeplazadas o al menos confinadas a aplicaciones donde no se pueda usar otra tecnología.

desperdiciar hidrogeno no es simplimente desperdiciera su contenido energetico. el hidroegeno eno es un recurso natural sino que la mayor parte de este se debe producir agotando otros recursos por ejemplo mediante la gasificación de combustibles fosiles cuya eficiencia es alrededor del 40 al 60 %. Esto significa que por cada 1 kg de hidrogeno desperdiciado se están hecahndo a perder 2 kg de combstible fosil.[4]

La eventual escacez de combustibles fósiles nos obliga a buscar otra alterantivas energéticas que puedan basarse en recursos renovables y que generen un menor impacto ambiental.

Generalidades

Con el desarrollo de la economía del hidrógeno y los VCC (vehículos de celdas de combustible), la manera de almacenar y liberar grandes cantidades de hidrógeno se convierte en un mayor problema, y los esfuerzos en investigación están apuntando a resolver este problema tecnológico.[4]

El hidrógeno es el combustible más limpio y tiene un poder calorífico 3 veces superior al del petróleo sin embargo no es un recurso natural sino un combustible hecho por el hombre. Por eso el hidrógeno tiene implícito un costo de manufactura que lo hace tres veces más costoso que los productos derivados del petróleo. Por lo anterior cualquier método de almacenamiento debe evitar un incremento en el costo del hidrógeno como combustible. Hay un solo problema para el desarrollo del programa del vehículo de hidrógeno y es su almacenamiento. Si pensamos en los 49 m3 que ocupan 4 Kg de hidrógeno, que es lo requerido para una distancia de manejo práctica, uno puede imaginarse en lo difícil que es el trabajo de almacenar hidrógeno. El almacenamiento básicamente implica reducir el enorme volumen de este gas. Los métodos de interés incluyen compresión, licuefacción, fisisorción, hidratos metálicos e hidratos complejos. [3]

baja densidad del hidrógeno pérdida de energía en su almacenamiento/ gastos extras(compresión ,

criogenización, asilamiento térmico) mayores gastos monetarios el costo por unidad de energía es muy alto no es competitivo almacenarlo en recipientes a presión

se usa muchas veces la misma tecnología actual y disponible del gas natural para aplicarla al hidrógeno por ejemplo en las redes de tuberías para el transporte o los compresores de pistones o turbocompresores pues es necesario modificar su diseño

el transporte –diseño de tuberías especiales

MARCO TEORICO

Actualmente…….. pag 84

Aunque el hidrógeno posea todas las ventajas para convertirse en un vector energético determinante, tiene que superar dos obstáculos que podrían frenar su utilización. Si bien es el más ligero de los átomos existentes, es también el más voluminoso en su estado gaseoso a temperatura y presión corrientes. Además, su capacidad de liberación de energía hace que sea un gas especialmente inflamable. Por lo tanto, antes de utilizarlo, habrá que resolver la compleja problemática de su almacenamiento y su distribución en las condiciones requeridas de volumen y de seguridad.[2]

ALMACENAMIENTO EN FORMA SÓLIDAAlmacenamiento de hidrógeno como gas absorbido en sólidos porosos.Por ejemplo en nanotubos de carbón activado.

Los científicos llevan años experimentando diferentes métodos de almacenar el hidrógeno, lodos de hidrógeno, nanotubos de carbono, nanofibras de grafito, fulerenos, zeolitas, microesferas de vidrio, hidruros metálicos etc. Los depósitos de hidruros metálicos contienen compuestos metálicos (fundamentalmente metales de transición y tierras raras), que forman redes cristalinas con intersticios en los que bajo ciertas condiciones pueden quedar absorbidos átomos de hidrógeno. La capacidad de almacenamiento del metal viene determinada por sus curvas PCT (presión, concentración y temperatura) características. En condiciones catalíticas apropiadas y a través de una ligera calefacción (del orden de los 80ºC, que podría ser obtenida por el propio calor emitido por la pila de combustible) un fenómeno de desorción libera después el hidrógeno haciendo posible su utilización como combustible. [2]

MÉTODOS QUÍMICOSEn forma de amoníacohidruros metálicos(forma sólida)

los clatratos

Los clatratos son compuestos en los que las moléculas de un gas están encapsuladas en una red cristalina de moléculas de otro compuesto, usualmente agua. Se sabe que los clatratos de agua están presentes en cantidades abundantes en el fondo oceánico, donde dominan presiones suficientemente elevadas para estabilizarlos.

¿CÓMO ALMACENAR EL HIDRÓGENO? [1]

PROBLEMASEN FORMA GASEOSA Altas presiones

Pesos elevados de los tanques si se comprime

mucho espacio si no se comprime-tanques muy grandes

COMPRESION=PÉRDIDA DE ENERGÍA(metodología clásica)

EN FORMA LÍQUIDA Baja densidad por unidad de volumen comparado con otros combustibles

LICUEFACCIÓN= PÉRDIDA DE ENERGÍA(metodología clásica)

ASILAMIENTO TÉRMICO Recipientes especiales muy

costosos MANTENIMIENTO COSTOSO baja temperatura de ebullición minimizar pérdidas de fluido

criogénico(N2) Pérdidas por ebullición(por

ejemplo del 0.25%/día en depósitos Dewar en camiones)

TRANSPORTE por tuberías: peligro de

explosión por condensación del vapor de agua.

no se pueden usar aislamientos porosos

Fragilización de los materialesPoco práctico en instalaciones no industriales

EN FORMA SÓLIDA(más reciente)Los hidruros metálicosModo compactoIntermedio en pesoSegún el tipo de enlace:Iónicos metálicosCovalentes(descartados como almacenadores pues solo liberan el H2 a temperaturas superiores a 800 °C, ej. hidrocarburos)

transferencia de calor el deterioro del lecho metálico la seguridad la Fragilización la baja densidad de

almacenamiento, la baja densidad de energía la necesidad de desarrollar

compresores de hidrógeno fiables.

REFERENCIAS

[1] http://www.energiasostenible.net/almacenamiento_y_transporte_de_hidrog.htm

[2] http://www.madrimasd.org/blogs/energiasalternativas/2007/04/27/64520

[3] Progress and problems in hydrogen storage methods. Li Zhou. High Pressure Adsorption Laboratory, School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China. Renewable and sustainable energy reviews.

[4] Comparison of hydrogen hydrates with existing hydrogen storage technologies: Energetic and economic evaluations Pietro Di Profio a,1, Simone Arca a,2, Federico Rossi b,3, Mirko Filipponi b,* a CEMIN, Centro di Eccellenza Materiali Innovativi Nanostrutturati, Dip. Chimica, University of Perugia, Via Elce di Sotto, 8 - 06123 Perugia, Italy b CIRIAF, University of Perugia, Industrial Engineering Department, Via G. Duranti 67, - 06125 Perugia, Italy

ARTÍCULOS

Progress and problems in hydrogen storage methods

Hay básicamente 5 métodos candidatos que han atraído el interés de la comunidad científica: la compresión, la licuefacción, la fisisorción, los hidruros metálicos y los hidruros complejos.

Comparison of hydrogen hydrates with existing hydrogen storage technologies

Los métodos clásicos de almacenaje basados en la compresión y la licuefacción se han establecido como enfoques eficientes, pero envuelven enormes problemas de seguridad y costos asociados con el trabajo de compresión y enfriamiento que no son despreciables.

La eficeincia de uan tecnología en particular para el almacenamiento del hidrógeno no es sólo una cuestión de la capacidad máscica o volumétrica sino de la red o toda la cadena de la energía almacenada. De hecho la energía necesaria para transformar el hidrógeno desde su estado gasesoso hasta las condiciones de almacenamiento, y luego la energía requerida para recuperar la misma forma desde el medio de almacenamiento es un problema crítico y especialmente para los hidruros metalicos.

Para comprimir hidrogeno, se require energia como trabajo mecanico; para licuarlo, lo mismo, además, se necesitan energía de enfriamiento y trabjo de compresión más una cierta cantidad e energía necesaria para mantener el hidrogeno bajo las condiciones termodinámicas apropiadas de estado liquido. Cuando en vez de lo anterior, el hidrogeno se almacena en o dentro de soportes, su estabilidad será mayor mientras mas fuerte sea

la interaccion con el soporte. en ese caso, una enerome cantidad de energía será necesaria para recuperar el hidrogeno del soporte.

de esta forma nos damos cuenta que el problema del alamacenamienteo no solo recide en la capacidad sino la efeiceincia energética pues se deben descartar aquellos métodos que impliquen un balance negativo de energía ya que de lo que se trata es precismente almacenar energía.

considerando una combinacion adecuada entre estabilidad del sistema de almacenamiento y facilidad en la recuperacion del hidrogeno, es possible estimar que un valor adecuado para la energia de interaccion entre el hidrogeno y su soporte debe ser de aproximadamente 20 Kcal/mol o lo que equivale a 40 000Kj/Kg de hidrogeno. este es un valor intermedio entre la energía de interaccion típica para los enlaces covalntes y para los enlaces débiles.

como métodos clasicsos y bien estalecidos escogimos la compresión estándar a 200 bares en cilindros de acero y la compresión estándar a 300 y 750 bares en os nuevos cilindros de aluminio con chaqueta de fibra de carbono. también la licuefacción.

para la calse de sitemas basados en el principio de quimisorción, donde en enalce de la molecula de hidrogeno se rompe para formar nuevos enlaces con el soporte de almacenamiento se van a analizar los hidruros metalicos usando MgH2 como representatico de los hidruros de alta temperatura(HTH) y el LaNi5H6 coo representativo de los hidruros de abaja temperatura.(LTH). también se analiza el NaAlH4 como ejemplo de los nuevos hidruros basados en aleacones de alumnio (alanatos).

como representantes de la fisisorción se han escogido los nanotubos de paredes de carbón donde el hidrogeno interactua a un nivel muy débil con el soporte.

un interés especial se le ha puesto al amoniaco ya que además ser un medio prometedor de almacenamiento tiene una producción industrial muy bien establecida.

todos los sitemas fueron comparados con los clatratos con elfin de dererrmianr si estos últimos tiene lo necesario para compertir

primero lass condiciones termodinamicas de los sistemas de almacenamiento son el hidrogeno almacenad adentro han sido identificadas y luego las condiciones termodinamicas bajo las culaes el proceso de almacanamiento y liberacion tienen luegar han sido evaluadas. segundo, los datos fundaentales han sido recolectados tales como system gravity, capacidad teorica de almacenamiento, calor especidfico, calor latente,,, luego la energía de interaccion ente el h2 y el soporte han sido obtenidas con el fin de determinar si cumplen o no son el valor optimo de 40000Kj/kg.

se define la energía especidfica de consumo que el la porción de energía almacenada en formade h2 que es necesaria para lso procesos de almacenamiento y liberación . evaluar eficiencia y se evalua el impacto ambiental a través de las emisiones de co2 para un proceso de almacenamiento y liberación.