El futuro de la energía: Hidrógeno y Pilas de Combustible

1. 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

2. 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 Pila de combustible Automoción y motores La iniciativa de Aragón

3. Introducción

4. Paradigmas energéticos Agotamiento de combustibles fósiles

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

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

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

8. Cambio de paradigma, ¿urgente?

9. Hidrógeno: materia prima y vector energético

10. Hidrógeno: elemento y molécula Hidrógeno: 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 Deuterio Átomo Hidrógeno 1 protón 3.2 MeV Tritio

11. Producción actual de hidrógeno Producción y almacenamiento 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.

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

13. Seguridad con Hidrógeno Gran difusividad Características propias de llama e ignición 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.

14. El concepto de vector energético

15. La oportunidad del Hidrógeno y Pilas de Combustible

16. 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 ypilas 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.

17. El ciclo del Hidrógeno, vector energético

18. 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)

19. 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)

20. 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 ).

21. 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.

22. Producción de hidrógeno

23. Producción de hidrógeno Vías de producción de hidrógeno Vías de producción de hidrógeno

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

25. Reformado de hidrocarburos Gas de síntesis y gas rico en hidrógeno

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

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

28. Electrólisis alcalina Electrolito: potasa

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

30. Termólisis 2H2O + Energía Térmica  2H2 + O2 Problema: 2500 K y separar H2et O2 Solución: Ciclos termoquímicos H2SO4 → SO3 + H2O (a 880-930 K). SO3 → SO2 + ½O2 (a 1000-1300 K).

31. Hidrógeno y Energías Renovables

32. La acumulación de la energía

33. La acumulación de las energías renovables

34. Energía eólica Infraestructuras infrautilizadas Desacople con demanda

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

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

37. Almacenamiento y Distribución

38. Hidrógeno: mucha energía por unidad de masa

39. Hidrógeno: baja energía por unidad de volumen

40. ALMACENAMIENTO Almacenamiento: el gran reto técnico

41. ALMACENAMIENTO Comparativa de almacenamiento

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

43. 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.

44. 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

45. Distribución de hidrógeno: posibilidades

46. Distribución por tubería

47. Problemática: ¿el huevo o la gallina?

48. Concepto básico de una hidrogenera CASCADA: almacenamiento en zonas separadas

49. Concepto básico de una hidrogenera Recarga en cascada

50. Ejemplo de una hidrogenera