El futuro de_la_energia.hidrogeno_y_pilas_de_combustible
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El futuro de la energía: Hidrógeno y Pilas de Combustible
Leire Romero EluResponsable I+DFundación para el Desarrollo de lasNuevas Tecnologías del Hidrógeno en Aragón
Indice
Introducción
Hidrógeno: materia prima y vector energético
Producción de hidrógeno
Hidrógeno y energías renovables
Pila de combustible
Automoción y motores
La iniciativa de Aragón
Almacenamiento y distribución
La oportunidad del hidrógeno y las pilas
61.761.7 % %
11.711.7 % %9.49.4 % %8.58.5 % %5.15.1 % %3.53.5 % %
Source: BP Statistical Review of World Energy 2005
Agotamiento de combustibles fósiles
Reservas probadas de petróleoReservas probadas de petróleo (2005)(2005)
Petróleo
Agotamiento de combustibles fósiles
40.840.8 % %
35.735.7 % %
7.97.9 % %7.87.8 % %4.84.8 % %4.04.0 % %
Source: BP Statistical Review of World Energy 2005
Gas natural
Reservas probadas de gas naturalReservas probadas de gas natural (2005)(2005)
Agotamiento de combustibles fósiles
Source: BP Statistical Review of World Energy 2005
32.632.6 % %
31.631.6 % %
28.028.0 % %
5.55.5 % %2.12.1 % %
Carbón
Reservas probadas de carbónReservas probadas de carbón (2005)(2005)
Fusión Estelar:Fusión Estelar:
Dos átomos de Hidrógeno (H•) Dos átomos de Hidrógeno (H•)
forman uno de Helio yforman uno de Helio y
proporcionan proporcionan ingentes ingentes
cantidades de energíacantidades de energía
3.2 MeV3.2 MeV
Hidrógeno:Hidrógeno:
Elemento Elemento más ligeromás ligero y y más más
abundanteabundante del UNIVERSO del UNIVERSO
75% de la masa75% de la masa
90% de sus átomos90% de sus átomos
Corteza terrestre 10º elemento en Corteza terrestre 10º elemento en
peso, y peso, y 1º en número de átomos1º en número de átomos. .
80% combinado en forma de agua.80% combinado en forma de agua.
En la atmósferaEn la atmósfera, sólo 1 pmm, sólo 1 pmm
Deuterio
Tritio
1 electrón
Átomo Hidrógeno 1 protón
Hidrógeno: elemento y molécula
Producción y almacenamiento de hidrógeno
• 95% de la producción es "cautiva", se consume in situ.
• 96% se produce por fuentes fósiles.
Producción anual de hidrógeno ~ 5 EJ ≅ 41 Mt , 470 bcm
Producción actual de hidrógeno
Producción y almacenamiento de hidrógeno
El hidrógeno se utiliza actualmente en la industria como materia prima, no como uso energético.
Consumo actual de hidrógeno
Seguridad con Hidrógeno
Gran difusividad
Características propias de llama e ignición
El H2 es un gas inflamable, que se suele El H2 es un gas inflamable, que se suele almacenar a presión.almacenar a presión.
Se maneja a nivel industrial con muy altos Se maneja a nivel industrial con muy altos índices de seguridad.índices de seguridad.
La cuestión de la seguridad
E l hidrógeno e s u n “v e c t o r ” e n e r g t ic o q u e p u e d e éo b t e n e r s e a p a r t ir d e c u a l q u ie r f u e n t e d e
e n e r g a y a g u a . C o m o g a s c o m b u s t ib l e , p u e d e íe m p l e a r s e e n a u t o m o c i n o e n l a p r o d u c c i n d e ó óe l e c t r ic id a d , g e n e r a n d o a g u a c o m o r e s id u o .
Hidrógeno: ¿tercera revolución industrial?
La s pilas de combustible s o n d is p o s it iv o s q u e
c o n v ie r t e n l a e n e r g a q u m ic a d e u n c o m b u s t ib l e , í íp r e f e r e n t e m e n t e h id r g e n o , d ir e c t a m e n t e e n óe l e c t r ic id a d , s in g e n e r a r c o n t a m in a n t e s , c o n
m u c h o m e n o s r u id o q u e u n m o t o r c o n v e n c io n a l y
m a y o r e f ic ie n c ia .
La c o m b in a c i n d e ó hidrógeno y pilas de combustible
r e s p o n d e a l a t e n d e n c ia h a c ia s is t e m a s
e n e r g t ic o s s o s t e n ib l e s , a u t o s u f ic ie n t e s y n o éc o n t a m in a n t e s . P o r l a m a g n it u d d e l c a m b io
t e c n o l g ic o , s e h a l l e g a d o a a f ir m a r q u e ór e p r e s e n t a n l a tercera revolución industrial.
Hacia la Economía del Hidrógeno
La Plataforma Tecnológica Europea del Hidrógeno y Pilas de Combustible h a
c if r a d o l a m a g n it u d d e l o s m e r c a d o s in c ip ie n t e s e n e s t e
s e c t o r p a r a e l a o 2 0 2 0 e n v a r io s c ie n t o s d e m il e s d e ñp il a s p a r a l o s s e c t o r e s d e a u t o m o c i n y g e n e r a c i n ó óe s t a c io n a r ia , y d e c ie n t o s d e m il l o n e s d e u n id a d e s p a r a
a p l ic a c io n e s d e e l e c t r n ic a p o r t t il .ó á
Fuente: Strategic O verview, European Hydrogen and Fuel Cell Technology Platform (www.hfpeurope.org)
Pilas de combustible: sector en crecimiento
La s p il a s d e c o m b u s t ib l e e n t r a r o n e n u n a fase comercial e l
a o p a s a d o , s e g n u n e s t u d io d e l a c o n s u l t o r a F u e l C e l l ñ úT o d a y , e s p e c ia l is t a e n e l s e c t o r .
E l s e c t o r d e l a s p il a s creció un 75% en 2007, l l e g a n d o a l a s
1 2 .0 0 0 u n id a d e s n u e v a s , m ie n t r a s q u e l a c a p a c id a d d e
a t e n d e r u n a d e m a n d a c r e c ie n t e e s t a s e g u r a d a .á
E l s e c t o r t ie n e c a r a c t e r s t ic a s d e í alta tecnología: u n c u a r t o
d e l a s e m p r e s a s a c t iv a s s e d e d ic a n e n e x c l u s iv a a e s t a
t e c n o l o g a .í
“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: F u e l C e l l
T o d a y , 3 0 d e e n e r o d e 2 0 0 8 )
Sector estratégico para Europa
La C o m is i n E u r o p e a j u n t o c o n e l s e c t o r e m p r e s a r ia l óe s t n p o n ie n d o e n m a r c h a u n a in ic ia t iv a , l a á Iniciativa Tecnológica Conjunta o JTI, p a r a im p u l s a r e l d e s a r r o l l o
t e c n o l g ic o y a c e r c a r l a c r e a c i n d e m e r c a d o s ó óin c ip ie n t e s e n h id r g e n o y p il a s d e c o m b u s t ib l e .ó
E l c o m p r o m is o f ir m e d e l a C o m is i n E u r o p e a y l a óa g r u p a c i n in d u s t r ia l N e w E n e r g y Wo r l d e s d e a p o r t a r óc o n j u n t a m e n t e 940 millones de euros d e a q u a 2 0 1 3 a t r a v s í éd e l a JT I. Va r ia s e m p r e s a s e s p a o l a s (5 a l a f e c h a ) h a n ñc o n f ir m a d o s u a d h e s i n a l a a g r u p a c i n in d u s t r ia l (ó ów w w .f c h in d u s t r y -j t i.e u ).
Impulso a nivel nacional
La p a r t ic ip a c i n e s p a o l a e n p r o y e c t o s d e h id r g e n o y ó ñ óp il a s d e c o m b u s t ib l e e n e l Sexto Programa Marco d e l a C o m is i n óE u r o p e a f u e m u y e s c a s o , c o n u n r e t o r n o in c l u s o m e n o r q u e
e l p r o m e d io d e l P r o g r a m a M a r c o . E n l a p r o p ia c o n s t it u c i n ód e l a a g r u p a c i n in d u s t r ia l d e l a JT I s e a p r e c ia u n a e s c a s a óp a r t ic ip a c i n n a c io n a l .ó
E l Plan Nacional de I+D 2008-2011 r e c o n o c e l a im p o r t a n c ia d e l
h id r g e n o y l a s p il a s d e c o m b u s t ib l e e n s u c o n t r ib u c i n a ó ól o s o b j e t iv o s e n E n e r g a y C a m b io C l im t ic o . S e e s p e r a u n í áa u m e n t o s u s t a n c ia l e n l o s p r o y e c t o s d e I+ D e n e s t e m b it o .á
E l programa CENIT h a c o n c e d id o a y u d a a d o s p r o y e c t o s e n l a
t e m t ic a : S P H E R A p a r a p r o d u c c i n y a l m a c e n a m ie n t o d e á óh id r g e n o , y D E IM O S p a r a p il a s d e c o m b u s t ib l e , e n e l q u e óp a r t ic ip a n m s d e 3 0 e m p r e s a s .á
E n d e f in it iv a , e s e l m o m e n t o d e lograr posiciones de liderazgo y vocación emprendedora a nivel internacional.
P r o d u c c i n d e h id r g e n oó óV a s d e p r o d u c c i n d e h id r g e n oí ó ó
Vías de producción de hidrógeno
R e f o r m a d o d e m e t a n o e h id r o c a r b u r o s
R e a c c i n s h if t ó
D is o c ia c i n d e l a g u a : e l e c t r l is is y t e r m l is isó ó ó
C ic l o s T e r m o q u m ic o sí
P r o d u c c i n d e h id r g e n oó ó
224 3HCOOHCH +⇔+
222 HCOOHCO +⇔+
222 2
1HOOH +⇔
206)/( =∆ molkJH
41)/( −=∆ molkJH
)1200(165)/(
)298(405)/(
KmolkJH
KmolkJH
=∆=∆
22
42222
2
22
IHHI
SOHHIOHSOI
+⇔+⇔++
Un poco de química...
Reformado de hidrocarburos
Gas de síntesis y gas rico en hidrógeno
REFORMING(ATR)
HEAT INTEGRATION
(STEAM GENERATION & PREHEAT)
PSA
PURE H2
WASTE GAS
EXHAUST
AIR WATER
SULFUR
REMOVAL
FEED
1. H2SO4 SO3 + H2O (a 880-930 K). →
2. SO3 SO2 + ½O2 (a 1000-1300 K). →
Termólisis
2H2O + Energía Térmica → 2H2 + O2
Problema: 2500 K y separar H2 et O2
Solución: Ciclos termoquímicos
La acumulación de la energía
****
****
****
**
***
***
*
***
*
Cost/kW
40
90
90
70
70
70
70
70
75
Efficiency
10 kW – 1 MW
Seconds -days
**************Hydrogen
10 kW – 1 MW
Seconds************Supercondensers
1 – 100 MWSeconds*************SMES
50 kW – 10 MW
Hours –days
************Na – S battery
1 kW – 40 MW
Seconds –hours
*************Ni – Cdbattery
1 kW – 40 MW
Minutes –hours
************Lead acid battery
100 – 1000 MW
Hours –days
****************Compressed air
10 – 100 KwSeconds –minutes
***************Flywheels
100 – 1000 MW
Hours –days
******************Water pumping
Power bandDischarge time
Environmentally friendly
Cost/kWhLife in cycles
Energy density
State of the art
Technology
****
****
****
**
***
***
*
***
*
Cost/kW
40
90
90
70
70
70
70
70
75
Efficiency
10 kW – 1 MW
Seconds -days
**************Hydrogen
10 kW – 1 MW
Seconds************Supercondensers
1 – 100 MWSeconds*************SMES
50 kW – 10 MW
Hours –days
************Na – S battery
1 kW – 40 MW
Seconds –hours
*************Ni – Cdbattery
1 kW – 40 MW
Minutes –hours
************Lead acid battery
100 – 1000 MW
Hours –days
****************Compressed air
10 – 100 KwSeconds –minutes
***************Flywheels
100 – 1000 MW
Hours –days
******************Water pumping
Power bandDischarge time
Environmentally friendly
Cost/kWhLife in cycles
Energy density
State of the art
Technology
La acumulación de la energía eólica
Generar H2 en horas de máxima
producción como combustible
para automoción
Energía por unidad de masa de diferentes combustibles
0
20
40
60
80
100
120
140
Hidrógeno Metano Propano Gasolina Diesel Metanol
En
erg
ía p
or
Un
idad
de
Mas
a (M
J/kg
)
H id r g eón o
M e t a n o P r o p a n
o
G a s o l in
a
D ie s e l M e t a n o
l1 k g 2 ,4 0 k g 2 ,5 9 k g 2 ,7 8 k g 2 ,8 0 k g 6 ,0 9 k g
Hidrógeno: mucha energía por unidad de masa
Energía por unidad de volumen de distintos combustibles en diferentes estados
0
5
10
15
20
25
30
35
Hidrógeno 200bar
Hidrógeno 350bar
Hidrógeno 700bar
Hidrógenolíquido
Metano a 200bar
Metano líquido Metanollíquido
Gasolinalíquida
Diesel líquido
En
erg
ía p
or
un
ida
d d
e v
olu
me
n (
MJ
/m3
)
Hidrógeno: baja energía por unidad de volumen
Al m a c e n a m ie n t o h id r g e n o l q u id oó í
Ar m a z nó : a c e r o
in o x id a b l e o
a l e a c io n e s d e a l u m in io ,
p o r s u a l t a
r e s is t e n c ia a l a
c o r r o s i n d e l óh id r g e n o : > 2 m mó
Ais l a m ie n t o t r m ic oé :
h o j a s d e a l u m in io o
p o l m e r o d e a l u m in io ís e p a r a d a s p o r f ib r a
d e v id r io o p o l m e r o s . íVa c io c o n P < 0 ,0 1 P a
In t e r io r e s d e
m a t e r ia l e s d e b a j a
c o n d u c t iv id a d t r m ic a , éf ib r a s d e p l s t ic o ár e f o r z a d a s c o n
c a r b n o v id r io .ó
Almacenamiento líquido
Hidrógeno adsorbido
N a n o e s t r u c t u r
a s c a r b o n o s a s ,
z e o l it a s , M O F s
Hidrógeno absorbido
H id r u r o s
m e t l ic o s á(La N i5 , T iF e ,… ) o
(M g )
Hidrógeno absorbido
H id r u r o s
c o m p l e j o s
(Al a n a t o s :
N a Al H 4 ,
b o r a t o s , e t c .)
Reacción química de electrolisis
Almacenamiento en estado sólido
Tipo de suministro
Capacidad máxima kg/día
Comentarios
S e m ir r e m o l q
u e h id r g e n o óg a s
2 5 0 C a p a c id a d d e l
s e m ir r e m o l q u e
S e m ir r e m o l q
u e h id r g e n o ól q u id oí
3 .0 0 0 La v ia b il id a d d e e s t a
o p c i n d e p e n d e l a ód is t a n c ia a l a p l a n t a d e
LH 2P r o d u c c i n óin -s it u p o r
e l e c t r o l is is
1 0 0 S e e s p e r a u n a r e d u c c i n ód e c o s t e s
P r o d u c c i n óm e d ia n t e
r e f o r m a d o r
e s
> 1 0 .0 0 0 Al t e r n a t iv a m s ád e s a r r o l l a d a p a r a
g r a n d e s c a n t id a d e s
H id r g e n o óc a n a l iz a d o
> 1 0 .0 0 0 Z o n a s in d u s t r ia l e s
Distribución de hidrógeno: posibilidades
CASCADA: almacenamiento en zonas separadas
Compresor
.
415 bar
415 bar
415 bar
Concepto básico de una hidrogenera
Pilas de CombustibleDe energía química a energía eléctrica
Rendimiento motor térmico combustión interna ≤ 25%
Rendimiento motor eléctrico (80%) movido por pila de combustible (90%)
Rto. Total= 72% del contenido energético H2
adelectricidOHOH +⇔+ 222 2/1 ∆H= -286 kJ/mol
Energía Química
(Combustible+Oxidante)
Energía Eléctrica
Energía Térmica
Energía Mecánica
Máquinas Térmicas
Límite de Carnot
Pilas de Combustible
Pilas de combustible: la ventaja de la Termodinámica
Ánodo Electrolito Cátodo(-) (+)
H2
H2O
Combustible Oxidante½ O2
H2O
Ion positivo
Ion negativo
Combustible oxidado + otros gases y subproductos
Oxidante reducido + subproductos
2e-
Ánodo Electrolito Cátodo(-) (+)
H2
H2O
Combustible Oxidante½ O2
H2O
Ion positivo
Ion negativo
Combustible oxidado + otros gases y subproductos
Oxidante reducido + subproductos
2e-
−+ +→ eHH 442 2
ÁnodoÁnodo
OHHO 22 24 →+ +CátodoCátodo
2 H2 + O
2 ⇄ 2 H
2O
ReacciónReacción
Pilas de combustible: concepto
Pilas de combustibleVentajas/Inconvenientes
Alta eficiencia
Respuesta Rápida
Sin emisiones
Carácter modular
Silenciosas
Coste elevado
Pilas de combustible: ventajas y desventajas
La pila PEM. El Stack
Placa bipolar
MEACapa difusora
Placa final
Placa bipolar
MEACapa difusora
Placa final
•Membrana + Electrodos (MEA)
•Capa difusora de gases ( GDL)
•Placas bipolares
•Estanqueidad periférica
•Placas finales
•Placas de refrigeración
5kVA PEM FCSBoP
H2
Air
Anode
CathodeBlower
Recycle Tank
Fan
Rad
PumpDeio
Fill-Overflow
Fuel Cell Stack
H2O
NUVERA 5 kW
La pila PEM. El sistema
BATERIA
MOTOR ELECTRICO
TRANSMISION
RUEDAS
PILA COMBUSTIBLE
MOTOR ELECTRICO
TRANSMISION
RUEDAS
MOTOR COMBUSTION
TRANSMISION
RUEDAS
PILA COMBUSTIBLE
MOTOR ELECTRICO
TRANSMISION
RUEDAS
BATERIA
Convencional
Eléctrico a Batería
Eléctrico a Pila de Combustible
Eléctrico a Pila Combustible Híbrido serie
H2 H2H2
MCI a Hidrógeno
Hibridación de vehículos
La oportunidad del hidrógenoALGUNAS FORTALEZAS DE ARAGÓN
La oportunidad del hidrógeno
Almacenar la energía renovable …
… para los coches de hidrógeno
Au t o a b a s t e c im ie n t o
e n e r g t ic oé
C o m p e t it iv id a d
in d u s t r ia l
Ap o y a r a l d e s a r r o l l o d e proyectos estratégicos y
d e f u t u r o q u e c r e e n e m p l e o , g e n e r e n r iq u e z a
y d iv e r s if iq u e n e l t e j id o in d u s t r ia l a l a v e z
q u e l o h a c e n m s c o m p e t it iv o .á
D e s a r r o l l a r u n a agenda estratégica q u e
c o n t e n g a l n e a s m a e s t r a s d e l o s p a s o s a ír e a l iz a r y d e u n h o r iz o n t e t e m p o r a l p a r a l o s
m is m o s .
F a v o r e c e r l a c r e a c i n d e u n a ó red de empresas industriales q u e c o o p e r e n y g e n e r e n f u t u r a s
o p o r t u n id a d e s d e n e g o c io b a s a d o e n l a s
t e c n o l o g a s d e l h id r g e n o í óLas PYMEs son la base del empleo
Las Energías Renovables son clave
en la sostenibilidad
Misión de la Fundación del Hidrógeno
Plan Director del Hidrógeno en Aragón
Objetivos :
- C u l e s s o n l a s á oportunidades y líneas estratégicas .
- D e d n d e p a r t im o s (ó estado de la tecnología)
- P l a n t e a r p r o y e c t o s p a r a l a s empresas a r a g o n e s a s ,
p r in c ip a l m e n t e l a s P YM E s .
- Id e n t if ic a r aspectos transversales : f o r m a c i n , s e n s ib il iz a c i n , ó óf in a n c ia c i n .ó- D e t e c t a r socios estratégicos .
Análisis Externo
¡ Vigilancia Tecnológica !
Análisis Interno
-P a r t ic ip a c i n d e 6 0 óe x p e r t o s
-E n c u e s t a a 1 0 0
e m p r e s a s
Grupos de Trabajo:
2. G e n e r a c i n c o n e n e r g a s ó ír e n o v a b l e s .
3. G e n e r a c i n c o n o t r a s óe n e r g a s .í
4. Al m a c e n a m ie n t o , l o g s t ic a y íd is t r ib u c i n .ó
5. P il a s d e C o m b u s t ib l e y
a p l ic a c io n e s .
6. Ap l ic a c io n e s e n a u t o m o c i n .ó7. Im p a c t o s o c io e c o n m ic o .ó
Plan Director del Hidrógeno en Aragón
ACCIONES INDUSTRIALES PLAZOProyecto piloto de generación de H2 con renovables En marcha
Proyectos precomerciales Medio
ACCIONES DE INVESTIGACIÓNTermólisis Medio
Descomposición catalítica de GN con hornos solares Medio
Gasificación de biomasa Medio
ACCIONES DE SOPORTEPotencial de producción de hidrógeno por eólica Corto
Régimen Especial para hidrógeno renovable Medio
Potencial de producción de hidrógeno por biomasa Corto
Plan Director: Generación con renovables
Proyecto ITHERProyecto 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
DEGER 2x5 kW
DOBON 10 kW
ADES 20 kW
Proyecto ITHER
Fotovoltaica: 41 kW en cinco seguidores. Tres tipos de seguimiento y seis tecnologías de placas en total.
Proyecto ITHER: Energías Renovables
VESTAS V29-225 kW
LAGERWAY-LW18/80 kW
ENERCON-E33/330 kW
Proyecto ITHER
Eólica: 635 kW en tres aerogeneradores diferentes
Proyecto ITHER: Energías Renovables
Centro de Evacuación Centro de Reparto
Infraestructura eléctrica para interconexión a red y conexión de generadores con electrolizadores (cargas)
Proyecto ITHER: Energías Renovables
Proyecto ITHERGENERACIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍAS RENOVABLES
Proyecto ITHER: Laboratorio de Hidrógeno
Laboratorio de Generación de hidrógeno por fotovoltaica (diciembre de 2006): electrolizador, pilas, almacenamiento en hidruros
Proyecto ITHERPróximas instalaciones
Edificio de 1.200 m2.Laboratorios (196 m2), talleres (276 m2), oficinas (240 m2), biblioteca, exposición, salas (160 m2).
La oportunidad del hidrógenoALGUNAS FORTALEZAS DE ARAGÓN
Pasos Inmediatos
P u e s t a e n m a r c h a d e l Centro Tecnológico del Hidrógeno en Walqa.
F in a n c ia c i n d e ló Plan Director del Hidrógeno e n Ar a g n :ó
1,84 millones de euros e n l o s p r x im o s 4 a o s (ó ñ Acuerdo de Consejo de Gobierno de 5 de junio de 2007)
Y todos los proyectos de futuro ….
… con el único límite de nuestra imaginación.