El problema de los “gases invernadero” El hidrógeno como combustible Vehículos menos contaminantes

1. El hidrógeno como vector energético • El problema de los “gases invernadero” • El hidrógeno como combustible • Vehículos menos contaminantes • Células de combustible y motor de hidrógeno • ¿Es el hidrógeno la solución? Segunda parte

2. OBTENCIÓN DEL HIDRÓGENO • Tratamiento de metano con vapor de agua a elevada temperatura. [El 95% del hidrógeno que se produce se hace a partir de combustibles fósiles] • CH4 + H2O (vapor)  CO + 3H2 • CO + H2O (vapor)  CO2 + H2 • Electrólisis del agua. [Proceso mucho más caro que el reformado con vapor, pero produce hidrógeno de gran pureza] • H2O + energía  H2 + O2 • Gasificación de la biomasa. [Combustión incompleta entre 700 y 1200 ºC]. • Produce un gas combustible compuesto fundamentalmente por hidrógeno, metano y monóxido de carbono. • A partir de metanol. [Producción de hidrógeno in situ, a bordo del vehículo] • Oxidación parcial con oxígeno o aire: CH3OH + 1/2 O2 CO2 + 2 H2 • Reformado con vapor de agua: CH3OH + H2O  CO2 + 3 H2 • Descomposición: CH3OH  CO + 2 H2 • [El CO es un veneno de la membrana de intercambio de protones de las pilas de combustible]

3. EL HIDRÓGENO COMO COMBUSTIBLE • Diversas reacciones de combustión (todas exotérmicas) • El hidrógeno como combustible

4. USO DEL HIDRÓGENO EN MOTORES TÉRMICOS • Se trata de motores de combustión interna “normales”, adaptados para consumir hidrógeno. • La adaptación del combustible a los actuales motores es relativamente fácil. • La tecnología de estos motores está muy desarrollada. • Diversas marcas de coches ya han desarrollado prototipos de vehículos con motor térmico que consume hidrógeno.

5. USO DEL HIDRÓGENO EN MOTORES TÉRMICOS • Ejemplo: motor Ford H2 ICE (motor de combustión interna de hidrógeno): cuatro cilindros de 2,3 litros que desarrolla 110 CV. • Hidrógeno gaseoso almacenado a 350 bares en tanques de119 L (equivales a 2,75 kg de hidrógeno. Autonomía de unos 200 km). • El hidrógeno entra a 5,5 bares en el interior del motor. Un turbocompresor comprime el aire de admisión e incrementa la masa de la mezcla de combustible (el hidrógeno el muy poco denso). • Durante la compresión, el aire se calienta y es necesario enfriarlo mediante intercambiadores. El aire comprimido y enfriado se introduce en el motor y se combina con el hidrógeno en los cilindros.

6. USO DEL HIDRÓGENO EN MOTORES TÉRMICOS

7. LÍMITES TERMODINÁMICOS DE LOS MOTORES TÉRMICOS • El límite entrópico en el rendimiento del combustible • La energía aprovechable es la energía libre de Gibbs: • La pequeña entropía de formación del H2O y del CO2 hace que el factor entrópico sea negativo y, por tanto, el aumento de la temperatura disminuye el rendimiento del combustible. • Suponiendo que el motor funciona a 600 ºC (873 K), el rendimiento de la reacción de combustión del hidrógeno a esa temperatura es:

8. LÍMITES TERMODINÁMICOS DE LOS MOTORES TÉRMICOS

9. LÍMITES TERMODINÁMICOS DE LOS MOTORES TÉRMICOS • El rendimiento de los motores térmicos depende del gradiente térmico: • Si consideramos la temperatura de trabajo unos 600 ºC (mucho más no soportarían los materiales), la eficacia máxima teórica será: Es decir el rendimiento máximo por este concepto sería del 65%.   • La combinación de ambos factores limitantes para un motor de explosión que funcionase con hidrógeno determina su rendimiento: Rendimiento = 0,31 · 0,65 = 0,20 Es decir, el 20%. El rendimiento máximo de los mejores motores térmicos rara vez alcanza el 25%.

10. LOS MOTORES ELÉCTRICOS • El motor eléctrico tiene un amplio uso en la tracción mecánica desde hace mucho: trenes, tranvías, submarinos y muchos barcos se mueven con motores eléctricos. • Los factores termodinámicos que limitan el rendimiento del motor de explosión no existen en el motor eléctrico: el rendimiento de la transformación de energía eléctrica en mecánica llega al 90%. Es un motor magnífico. • La energía eléctrica se suministra desde el exterior o se produce en el propio vehículo (en los coches obviamente debe ser así). • Hay que advertir que la conversión de la energía química en energía eléctrica en las centrales térmicas está afectada por idénticos problemas limitantes que los motores térmicos.

11. LAS BATERÍAS ELÉCTRICAS • Las pilas se clasifican en: • Primarias. Las masas de los electrodos y del electrolito están determinadas de antemano (de este tipo son las pilas secas que utilizamos habitualmente). • Secundarias o acumuladores. Es posible regenerar los electrodos y el electrolito invirtiendo el sentido de la reacción. Para ello se suministra energía eléctrica (de este tipo son las actuales baterías de coches y pilas recargables) • De combustible.Funcionan como una pila primaria, pero la masa de los electrodos se renueva desde el exterior, de forma que su funcionamiento se alarga indefinidamente.

12. LAS BATERÍAS ELÉCTRICAS • Las baterías son dispositivos poco eficaces de acumulación de energía: una batería de Pb / Pb2+ de 70 A h y 12 V tiene unas dimensiones aproximadas de 27 x14 x 17 cm (unos 6 litros) y pesa cerca de 20 kg. La máxima energía que acumula es: Energía = I · V · t = 70 · 12 · 3600 = 3024 kJ • En el mismo volumen ocupado por la batería, un depósito de un 1,5 kg de masa se podría acumular hidrógeno a 25º y 150 atm: que equivales a 37 (mol) · 2 (g/mol) = 74 g de H2 que producirían unos 10500 kJ de energía (veremos una forma mejor de aprovechar este hidrógeno).

13. LAS PILAS DE COMBUSTIBLE • Son pilas donde la masa de los electrodos no está determinada de antemano y puede ser renovada de forma continua. Una de las más estudiadas es la de hidrógeno/oxígeno. Su unidad se denomina célula:

14. LAS PILAS DE COMBUSTIBLE Las células se organizan en paneles para obtener más voltaje:

15. PILAS DE COMBUSTIBLE • Rendimiento de un motor eléctrico movido por una pila de combustible de hidrógeno • Producción de hidrógeno: • Proceso de transformación del hidrocarburo en H2: (no evaluado) • Proceso de electrólisis del agua: (no evaluado) • Proceso en la célula de combustible: H2 + ½ O2 H2O + energía eléctrica (80%) • Proceso en el motor eléctrico (transformación de energía eléctrica en mecánica): 90% • Rendimiento total = 0,8 · 0,9 = 0,72 (un 72% del contenido energético del H2 )

16. PILAS DE COMBUSTIBLE • El rendimiento global de un motor eléctrico movido por pila de combustible es del orden del 72% frente al 25% de los mejores motores térmicos de combustión interna. Las causas son: • El rendimiento de la pila de combustible no disminuye por el factor entrópico (el proceso se realiza a baja temperatura, unos 40 ºC). • El rendimiento del motor eléctrico no está afectado por la ecuación de la eficiencia.

17. LAS PILAS DE COMBUSTIBLE

18. LAS PILAS DE COMBUSTIBLE • Existen prototipos como el desarrollado por el grupo PSA todavía más modernos y compactos: Genepac, una pila de combustible compacta, modulable y que puede llegar a rendir 80 KW de potencia (unos 108 CV).

19. PILAS DE COMBUSTIBLE • El factor económico más problemático en su desarrollo es el precio del paladio y del platino, empleados como catalizadores: • Una onza (25 g) de Au = 300 $ • Una onza de Pt = 200 $ • Una onza de Pd = 200 $. (aunque sujetos a fuertes variaciones) • La política de catalizadores obligatorios para escapes ha bajado el precio de estos metales ya que, con el reciclado, el precio es competitivo. • Por otro lado las actuales células de combustible sólo necesitan la quinceava parte del catalizador que llevaban las de hace 20 años.

20. LAS PILAS DE COMBUSTIBLE • Ventajas: rendimiento, emisiones contaminantes nulas. • Inconvenientes actuales: • Coste de la pila de combustible. • Su peso. • La dificultad para suministrar energía en ambiente frío. • La problemática de la obtención y distribución del hidrógeno. • Competidores: • Motores térmicos de hidrógeno: emisiones contaminantes nulas, tecnología disponible. • Motores híbridos térmicos-eléctricos con baterías recargables (Toyota Prius, Hoda Civic…): tecnología ya disponible, menos emisiones contaminantes. • Si se fomenta el uso del hidrógeno como vector energético, las pilas de combustible asociadas a motores eléctricos tendrán aplicación futura en automoción.

21. Imagen: AIP / Profes.net Motores (didácticos) de hidrógeno