L'Hidrogen com a combustible

Índex 1 Índex 1. INTRODUCCIÓ________________________________________________4 2. CARACTERÍSTIQUES DE L’HIDROGEN__________________________6 2.1 Abundància i obtenció……………………………………………………..…9 2.1.1 Electròlisi…………………………………………………………………10 2.1.2 Reformat d’hidrocarburs amb vapor d’aigua……………………………..11 2.1.3 Atac de metalls (Zn i Al) amb àcids sulfúric o clorhídric….……………..11 2.2 Aplicacions……………………………………………………....…………....11 2.3 Precaucions…………………………………………………………………...12 3. ELS COMBUSTIBLES I EL MEDI AMBIENT______________________13 3.1 Formació dels combustibles fòssils….……………………………………..14 3.1.1 Formació de petroli………………………………………………………14 3.1.1.1 Gas liquat del petroli…………………………………………..…16 3.1.2 Formació de carbó………………………………………………………..17 3.1.2.1 Tipus de carbó……………………………………………………18 3.1.2.2 Locatlització de jaciments de carbó………………………………19 3.1.2.3 Aplicacions……………………………………………………….19 3.1.3 Formació de Gas natural………………………………………………….20 3.2 Extracció i refinament dels combustibles fòssils………………………...20 3.2.1 Petroli i Gas natural………………………………………………………21 3.2.2 Carbó……………………………………………………………………..22 3.3 Efectes mediambientals dels combustibles fòssils………………………...22 3.3.1 Pluja àcida………………………………………………………………...23 3.3.2 Cendres…………………………………………………………………...24 3.3.3 Escalfament global……………………………………………………….24 3.3.4 Recuperació i transport de petroli………………………………………...25 3.3.5 Extracció del carbó……………………………………………………….25 3.4 Existències mundials de combustibles fòssils…………………………...26 3.4.1 Reserves i recursos……………………………………………………….26 3.4.2 Dades mundials sobre l’energia…………………………………………..27 3.5 Fonts alternatives d’energia……………………………………………...28 Índex 2 4. L’HIDROGEN COM A COMBUSTIBLE_____________________________29 4.1 Processos actuals de generació d’hidrogen…………………..………….29 4.1.1 Reformat d’hidrocarburs amb vapor d’aigua……………………………..30 4.1.1.1 Reformat del petroli………………………………………………30 4.1.1.2 Reformat del gas natural………………………………………….31 4.1.1.2.1 Conversió primàira……………………………………..33 4.1.1.2.2 Conversió secundària…………………………………...34 4.1.1.2.3 Convertidor de vapor d’aigua…………………………..35 4.1.1.2.4 Absorció de diòxid de carboni………………………….35 4.1.1.2.5 Eliminació de monòxid de carboni……………………..36 4.1.2 Electròlisi de l’aigua……………………………………………………...37 4.2 Processos en fase d’estudi..………………………………………………….40 4.2.1 Producció biològica………………………….……………………………40 4.2.2 Gasificació de la biomassa……………….……………………………….42 4.2.3 Descomposició termal de l’aigua…………………………………….…...43 4.2.4 Producció de gas de síntesi (syngas) ric en hidrogen usant el tipus-p de catalitzador de NiO, mitjantçant un procés fotocatalític per laserinduït ………………………………………………………………….………..43 4.2.5 Procés termoquímic solar per a la producció de l’hidrogen usant les ferrites…………………………………………………………………………..44 4.2.6 Projectes i estudis…………………………………………………………45 4.2.6.1 Associació espanyola de l’hidrogen……………………….……...45 4.2.6.2 Projecte Cute……………………………………………………...46 4.2.6.3 Projecte Citycell…………………………………….…………….48 4.2.7 Perspectives de futur……………………………………………………..50 4.3 Emmagatzematge de l’hidrogen…..………………………………………..52 4.3.1 Emmagatzematge gasós i líquid de l’hidrogen…………………………..52 4.3.2 Emmagatzematge de l’hidrogen basat en materials……………………...54 4.4 Normatives..…………………………………………………………………..56 4.5 Avantatges i desavantatges en front altres combustibles……………..…57 4.5.1 Avantatges i desavantatges de les piles de combustible………………….59 5. LES PILES DE COMBUSTIBLE__________________________________65 5.1 Tipus de pila de combustible…………………………………………….65 Índex 3 5.1.1 Pila de combustible alcalina (AFC)………………………………………66 5.1.2 Pila de combustible de metanol (DMFC)………………………………...67 5.1.3 Pila de combustible de carbonat fos (MCFC)…….….…………………...68 5.1.4 Pila de combustible d’àcid fosfòric (PAFC)……………………………...69 5.1.5 Pila de combustible de membrana intercanviadora de protons (PEMFC)..71 5.1.6 Pila de combustible d’òxid sòlid (SOFC)………………………………...72 5.2 Aplicacions de les piles de combustible…………………………………....74 5.2.1 Usos pel transport………………………………………………………...74 5.2.2 Usos per a producció d’energia immòbil…………………………………75 5.2.3 Energia portàtil…………………………………………………………...76 6. DISSENY D’UNA PLANTA PER OBTENIR HIDROGEN_____________77 6.1 Transports públics de Manresa.....………………………...….………….….78 6.2 Objectiu bàsic del projecte………………………………...….…………......81 6.3 Càlculs previs…....…………………………...………………………………81 6.4 Funcionament de la planta…..…………………………...…….....................82 6.4.1 Òsmosi Inversa...........................................................................................84 6.4.2 Electrolitzador............................................................................................85 6.5 Dades tècniques dels equips............................................................................87 6.6 Pressupost........……………………………………………………………..…91 7. CONCLUSIONS________________________________________________96 8. BIBLIOGRAFIA_________________________________________________98 1. Introducció 4 1. Introducció La situació energètica actual evidencia la manca d’un model energètic sostenible, ja que gran part del consum energètic mundial prové de fonts d’energia no renovables, majoritàriament els combustibles fòssils (petroli, carbó i gas natural). Aquest problema encara s’agreuja més degut al fet que el consum d’energia al món augmenti cada any. Per tant la societat s’ha de plantejar una solució a la dependència dels combustibles fòssils en un termini relativament curt ja que les reserves són limitades. L’objectiu del projecte és estudiar la viabilitat de l’hidrogen com a combustible. Per aquests motiu, intentarem dissenyar una planta de producció d’hidrogen amb una tecnologia totalment neta, autosuficient, per poder accionar un autobús a la ciutat de Manresa. Accentuarem el fet que sigui totalment lliure de contaminants, tant l’energia (elèctrica) que necessitem per realitzar el procés de producció d’hidrogen, com el sistema de propulsió del motor del vehicle. Per poder realitzar un bon estudi, exposarem les característiques de l’hidrogen, i les dels diferents combustibles existents. Farem una comparativa i explicarem els avantatges i els inconvenients que existeixen. Per a poder estudiar la viabilitat com a combustible, dissenyarem una planta de producció d’hidrogen. Per al disseny de la planta estudiarem els diferents mètodes de producció d’hidrogen i triarem el que millor s’adapti als nostres objectius mediambientals. El model a seguir és la planta de producció d’hidrogen de l’empresa de Transports Metropolitans de Barcelona. Per aquest motiu volem donar les gràcies per la seva col·laboració i deixarnos veure les seves instal·lacions. A part del disseny de la planta, necessitarem ubicar-la a la ciutat de Manresa, hem parlat amb l’Ajuntament de Manresa sobre el projecte, i ens han cedit (hipotèticament) uns terrenys per construir la nostra planta. A part de buscar-nos un terreny buit, ens han 1. Introducció 5 proporcionat informació sobre el servei de transport públic de la ciutat. Volem agrair també a l’Ajuntament de Manresa l’ajut donat. 2. Característiques de l’Hidrogen 6 2. Característiques de l’hidrogen L’hidrogen (del francès Hydrogène, i a la vegada del grec hydor, aigua i gennasin, generar) va ser reconegut com un element químic el 1776 per Henry Cavendish; més tard Antoine Lavoisier li donaria el nom per el que el coneixem. L’hidrogen és un element químic de número atòmic 1. A temperatura ambient és un gas diatòmic inflamable, incolor, sense olor i és l’element químic més lleuger i més abundant de l’Univers. Les estrelles durant la major part de la seva vida estan formades majoritàriament per aquest element en estat de plasma. Apareix a més a més en multitud de substàncies, com per exemple l’aigua i els compostos orgànics, i és capaç de reaccionar amb la majoria dels elements. El nucli de l’isòtop més abundant està format per una sol protó. A més a més existeixen dos isòtops més: el deuteri, que té un neutró i el triti que en té dos. L’hidrogen és l’element químic més lleuger, el seu isòtop més abundant està constituït per un únic parell protó-electró. En condicions normals de pressió i temperatura forma un gas diatòmic, H2 amb un punt d’ebullició de tant sols 20,27 K (-252,88 ºC) i un punt de fusió de 14,02 K (-259,13 ºC). A molt alta pressió, tal i com la que es produeix en el nucli de les estrelles gegant de gas, les molècules canvien la seva naturalesa i l’hidrogen es converteix en un líquid metàl·lic. A molt baixa pressió, com la de l’espai, l’hidrogen tendeix a existir en àtoms individuals, simplement perquè és molt baixa la probabilitat de que es combinin, tanmateix, quan això succeeix poden arribar a formar-se núvols de H2 que s’associen a la gènesi de les estrelles. L’hidrogen té una funció fonamental en l’univers, ja que mitjançant la fusió estel·lar (combinació d’àtoms d’hidrogen del que resulta un àtom d’heli) proporciona grans quantitats d’energia. L’hidrogen té una electronegativitat intermèdia (2,2) pel que pot formar compostos en els que sigui l’element amb major o menor caràcter metàl·lic. Tant amb els elements metàl·lics dels grups 1 i 2 com amb els no metalls dels grups 15, 16 i 17 forma hidrurs. Amb els primers està present en forma de H- mentre que en els segons està present com ió H+, per aquest motiu aquests últims tenen caràcter àcid. 2. Característiques de l’Hidrogen 7 Alguns compostos binaris són amoníac (NH3), hidracina (N2H4), aigua (H2O), aigua oxigenada (H2O2), sulfur d’hidrogen (H2S), etc. Amb el carboni (element del grup 14) forma una immensa quantitat de compostos, els hidrocarburs i derivats que són l’objecte d’estudi de la química orgànica. En condicions normals, el gas hidrogen és una mescla de dos tipus d’hidrogen diferents en funció de la direcció de l’espín dels seus electrons i nuclis. Aquestes formes es coneixen com orto- i para-hidrogen. L’hidrogen normal està compost per un 25% de la forma para- i un 75% de la forma orto-, la considerada "normal", encara que no pugui obtenir-se en estat pur. Ambdues formes tenen energies lleugerament diferents, el que provoca que les seves propietats físiques no siguin idèntiques; així per exemple, la forma paraté punts de fusió i ebullició 0’1 K més baixos que la forma orto-. L’isòtop més comú de l’hidrogen, també anomenat protió, no posseeix neutrons. N’existeixen dos més, el deuteri (D) amb un neutró i el triti (T), radioactiu amb dos. El deuteri té una abundància natural compresa entre 0’0184 i el 0’0082% (IUPAC). El deuteri es troba en l’aigua natural, en forma d’òxid D2O, o aigua pesada, de la què s’obté. S’utilitza en estudis de mecanismes de reaccions i en investigacions espectroscòpiques. El tiriti es forma en capes altes de l’atmosfera mitjançant reaccions nuclears induïdes per raigs còsmics. Es pot obtenir artificialment en reactors nuclears. És radioactiu i pot utilitzar-se com a element traça en l’estudi de mecanismes en reaccions químiques. L’hidrogen és l’únic element químic que té noms, i símbols químics, diferents per els seus diferents isòtops. Taula 2.1 Dades principals sobre l’hidrogen (Font: Enciclopedia Interactiva Wikipedia) Hidrogen - Heli H Li 2. Característiques de l’Hidrogen 8 General Nom, símbol, número Hidrogen, H, 1 Sèrie química No metalls Grup, període, bloc 1, 1, s Densitat, duresa Mohs 0,0899 kg/m3, sense dades Aparença Incolor Propietats atòmiques Pes atòmic 1,00794 uma Radi mig 25 pm Radi atòmic calculat 53 pm Radi covalent 37 pm Radi de Van der Waals 120 pm Configuració electrònica 1s1 Estats d’oxidació (òxid) 1 (anfòter) Estructura cristal·lina Hexagonal Propietats físiques Estat de la matèria gas Punt de fusió 14,025 K Punt d’ebullició 20,268 K Entalpia de vaporització 0,44936 kJ/mol Entalpia de fusió 0,05868 kJ/mol Pressió de vapor 209 Pa a 23 K Velocitat del so 1270 m/s a 298,15 K Informació diversa Electronegativitat 2,2 (Pauling) Calor específic 14304 J/(kg·K) Conductivitat elèctrica Sense dades 2. Característiques de l’Hidrogen 9 Conductivitat tèrmica 0,1815 W/(m·K) Potencial d’ionització 1312 kJ/mol Isòtops més estables iso. Nom Abundància relativa (%) Vida mitjana Massa atòmica (g/mol) 1H Hidrogen o protió 99,985 H és estable amb 0 neutrons 1,0078 2H Deuteri 0,015 H és estable amb 1 neutró 2,0141 3H triti Sintètic 12,33 anys 3,0160 4H Sintètic desconeguda 2.1 Abundància i obtenció L’hidrogen és l’element més abundant, constituent el 75% de la massa i el 90% dels àtoms de l’univers. Es troba en abundància en les estrelles i en els planetes gegants gasosos, tant mateix, en l’atmosfera terrestre es troba tant sols una fracció de 1 ppm en volum. La font més comú d’hidrogen és l’aigua, composta per dos àtoms d’hidrogen i un d’oxigen (H2O). Altres fonts són la major part dels compostos orgànics, incloent totes les formes de vida coneguda, els combustibles fòssils i el gas natural. El metà, producte de la descomposició orgànica, està adquirint una creixent importància com a font d’hidrogen. L’hidrogen s’obté de diverses formes: • Electròlisis de l’aigua; actualment s’investiga la fotòlisi de l’aigua. • Reformat d’hidrocarburs amb vapor d’aigua. • Atac de metalls (Zn i Al) amb àcids sulfúric o clorhídric. 3. Els combustibles i el medi ambient 16 • Cicloparafines-Naftens ( 21% ) Són hidrocarburs cíclics saturats, derivats del ciclopentà ( C5H10 ) i del ciclohexà ( C6H12 ). Molts d'aquests hidrocarburs contenen grups metil en contacte amb cadenes parafíniques ramificades. Fórmula general: CnH2n • Hidrocarburs aromàtics ( 47% ) Són hidrocarburs cíclics insaturats constituïts pel benzè ( C6H6 ) i els seus homòlegs. Fórmula general: CnHn. Dins els compostos que no són hidrocarburs, els més importants són els sulfurs orgànics, els compostos de nitrogen i d'oxigen. També hi ha traces de compostos metàl·lics, tals com el sodi (Na), ferro (Fe), níquel (Ni), vanadi (V), plom (Pb), etc. Així mateix es poden trobar traces de porfirines, que són espècies organometàl·liques. 3.1.1.1 Gas liquat del petroli El gas liquat del petroli (GLP) és la barreja de gasos condensables dissolts en el petroli. Els GLP, encara que a temperatura i pressió ambientals són gasos, són molt fàcils de condensar, d'aquí el seu nom. En la pràctica, es pot dir que els GLP són una barreja de propà i butà. Estan presents en el petroli cru encara que la major part s'obté durant el refinament, sobretot com subproducte de la desintegració fluïda catalítica (FCC, per les seves sigles en engonals Fluid Catalytic Cracking). El procés s'inicia quan el petroli cru procedent dels pous petrolers ingressa a una refinació primària, on s'obtenen diferents corts (destil·lats) entre els quals tenim naftes, turbosina, querosina, dièsel, gas humit i gas-oil atmosfèrics i de buit. Aquests últims (gas-oil) són la matèria primera per a la producció de GLP. El procés s’inicia quan aquests són alimentats a una planta FCC i mitjançant un reactor primari a força d'un catalitzador s'obté el GLP i altres productes. Els usos principals dels GLP són els següents: obtenció de olefines, utilitzades per a la producció de nombrosos productes, entre ells, la majoria dels plàstics, additiu per a les gasolines, combustible de refineria i combustible domèstic (mitjançant bombones o xarxes de distribució) 3. Els combustibles i el medi ambient 17 3.1.2 Formació de Carbó El carbó és un mineral d'origen orgànic (fig. 3.1), de color negre i combustible, i molt ric en l'element químic carboni. Sol localitzar-se sota una capa de pissarra i sobre una capa de sorra i piza. Es creu que la major part del carbó va ser formada durant l'era carbonífera (fa 280 a 345 milions d'anys). Figura 3.1 Carbó mineral El carbó s'origina per descomposició de vegetals terrestres, fulles, fustes, escorces, espores, etc., que s'acumulen en zones pantanoses, llacunes o marines, de poca profunditat. Els vegetals morts es van acumulant al fons d'una conca, queden coberts d'aigua, i per tant protegits de l'aire que els destruiria. Comença una lenta transformació per l'acció de bacteris anaerobis, un tipus de microorganismes que no poden viure en presència d'oxigen. Amb el temps es produeix un progressiu enriquiment en carboni. Posteriorment poden cobrir-se amb dipòsits argilencs, el que contribuirà al manteniment de l'ambient anaerobi, adequat perquè continuï el procés de carbonització. Els geòlegs estimen que una capa de carbó d'un metre d'espessor prové de la transformació pel procés de diagènesi, de més de deu metres del llims carbonosos. En les conques carboníferes les capes de carbó estan intercalades amb altres capes de roques sedimentàries com sorrenques, argiles, conglomerats i en alguns casos, roques metamòrfiques com esquists i pissarres. Això es deu a la forma i el lloc on es genera el carbó. 3. Els combustibles i el medi ambient 18 Suposem un gran bosc situat prop del litoral. Si el mar envaeix la costa, el bosc queda progressivament submergit, per descens del continent o per una transgressió marina, i els vegetals morts i caiguts s'acumulen en la plataforma litoral. Si continua el descens del continent o la invasió del mar, el bosc queda totalment inundat. Les zones emergides properes comencen a erosionar-se i els productes resultants, sorres i argiles, cobreixen les restes dels vegetals que es van transformant en carbó. Si es retira el mar, pot desenvolupar-se un nou bosc i començar altra vegada el cicle. En les conques hulleres es conserven, tant en el carbó com en les roques intercalades, restes i marques de vegetals terrestres que pertanyen a espècies actualment desaparegudes. La grandària de les plantes i la exuberància de la vegetació permeten deduir que el clima en el qual es va originar el carbó era probablement tropical. 3.1.2.1 Tipus de carbó Existeixen quatre tipus de carbó, en funció del seu poder calorífic i de la seva antiguitat, o el que és el mateix, segons la major o menor riquesa de carboni que posseeixi: Torba Les torbes són materials d'origen vegetal a partir de la seva descomposició, de propietats físiques i químiques variables en funció del seu origen. Es poden classificar en dos grups: torbes rosses i negres. Les torbes rosses tenen un major contingut en matèria orgànica i estan menys descompostes, les torbes negres estan més mineralitzades tenint un menor contingut en matèria orgànica. És més freqüent l'ús de torbes rosses en cultiu sense sòl, degut al fet que les negres tenen una aireació deficient i uns continguts elevats en sals solubles. Les torbes rosses tenen un bon nivell de retenció d'aigua i d’aireació, però la seva composició és molt variable ja que depèn del seu origen. La inestabilitat de la seva estructura i la seva alta capacitat d'intercanvi catiònic interfereix en la nutrició vegetal, presenten un pH que oscil·la entre 3,5 i 8,5. Lignit El lignit es forma una vegada comprimida la torba. Llavors es converteix en una substància marró i trencadissa, en la qual encara es poden reconèixer algunes estructures vegetals. La seva concentració en carboni varia entre el 60% i el 75% 3. Els combustibles i el medi ambient 19 i té un baix contingut en aigua. El seu poder calorífic és, major que el de la torba. La varietat negra i brillant es denomina atzabeja, que per ser dura es pot polir i tallar. S'empra en joieria i objectes decoratius. En Espanya els jaciments més importants es localitzen a Andorra (Teruel) i Ponts de García Rodríguez (La Corunya). Es van formar durant les eres Secundària i Terciària. Hulla L’hulla és un mineral fòssil que conté entre un 75 i un 90% de carboni. S'origina per compressió del lignit. És dura i trencadissa, de color negre i lluentor mat o gras. S'usa com a combustible i per a l'obtenció de gas. Antracita L’antracita és el carbó de millor qualitat amb un poder calorífic de 8.500 Kcal/m3. Procedeix de la transformació de l’hulla. És negre, brillant i molt dur. Conté fins a un 95% de carboni i, encara que crema amb dificultat, desprèn molta calor i poc fum. Es va formar fa uns 250 milions d'anys, durant els períodes Carbonífer i Pérmic, en l'era Primària. 3.1.2.2 Localització de jaciments de carbó L'home extreu carbó des de l'Edat Mitjana. En els jaciments poc profunds l'explotació és a cel obert. No obstant això, en general les explotacions de carbó es fan amb mineria subterrània ja que la majoria de les vetes es troben a centenars de metres de profunditat. Les zones carboníferes a Espanya es troben localitzades en diferents regions. A Astúries, León, Palència, Burgos, Ciudad Real i Córdoba s’extreuen hulla i antracita; A La Corunya, Teruel i Barcelona, lignit, i a Saragossa, Lleida i Girona, antracita i lignit. 3.1.2.3 Aplicacions Les seves aplicacions són principalment: - Coc Combustible obtingut de la destil·lació de l’hulla i que solament conté una petita fracció de les matèries volàtils que formen part de la mateixa. 3. Els combustibles i el medi ambient 20 - Coc de petroli Producte sòlid, molt carregat de carboni, de densitat pròxima a 1,2, color entre marró fosc i gris negre i estructura cel·lular o granular.(serveix per a la fabricació d'elèctrodes de grafit artificial, abrasius, pigments, i com combustible). - Plàstics - Combustible 3.1.3 Formació de Gas Natural La major part del gas natural s’ha format a partir del plàncton –petits organismes aquàtics, incloent algues i protozousacumulats en el llit oceànic. Aquests organismes van ser soterrats i comprimits lentament sota capes de sediments. Al llarg de milers d’anys, la pressió i la calor generats pels sediments acumulats van convertir aquest material orgànic en gas natural. El gas natural es composa principalment de metà i altres hidrocarburs lleugers. Com s’ha dit, el gas natural sol emigrar amb el petroli a través dels porus i fractures de la roca magatzem i s’acumula en dipòsits subterranis. Degut a la seva densitat (menor que la del petroli), es situa per sobre del petroli. El gas natural també es pot formar en dipòsits de carbó, on sovint es troba dispers en els porus i fractures del llit de carbó. 3.2 Extracció i refinament dels combustibles fòssils Els geòlegs utilitzen una gran varietat de sofisticats instruments per localitzar el petroli subterrani, el gas natural i els dipòsits de carbó. Aquests instruments permeten als científics interpretar la composició geològica, la història i l’estructura de conques sedimentàries de l’escorça terrestre. Una vegada localitzats, el petroli i el gas natural són extrets mitjançant pous perforats fins al dipòsit. Per extreure el carbó es realitzen excavacions. 3. Els combustibles i el medi ambient 21 3.2.1 Petroli i Gas Natural Per localitzar els dipòsits de petroli i de gas natural, els geòlegs busquen regions geològiques amb les característiques necessàries per a la formació del petroli: roques riques en compostos orgànics, temperatures suficientment altes per generar petroli a partir de material orgànic i formacions rocoses que no deixin escapar el petroli. Quan s’identifiquen formacions geològiques potencialment riques en petroli, s’excaven pous en la conca sedimentària. Si un pou perfora una roca magatzem porosa que contingui dipòsits significatius de petroli i gas natural, la pressió a l’interior de la trampa pot fer que els hidrocarburs líquids surtin espontàniament a la superfície. Tant mateix, aquesta pressió sol disminuir, de forma que el petroli ha de ser bombejat fins a la superfície (fig. 3.2). Aquesta plataforma petrolera semiesubmergida descansa sobre flotadors i està ancorada al fons. Figura 3.2 Torre de perforació marina Una vegada extret el petroli, es transporta per mitjà d’oleoductes, camions o petrolers a una refineria, on es separen els components líquids i gasosos. El cru és escalfat perquè els hidrocarburs es separin per destil·lació segons la seva massa molecular. Les molècules més lleugeres es refinen en gasolina i altres combustibles, mentre les molècules més pesades s’utilitzen com a lubricants, asfalt, ceres o altres productes. Degut a que la demanada de combustible excedeix de molt la demanda de productes fabricats amb hidrocarburs més pesats, en les refineries es poden descomposar les molècules pesades en altres més petites, que poden ser utilitzades com a gasolina. Això es porta a terme mitjançant uns processos anomenats craqueig tèrmic i craqueig catalític. 3. Els combustibles i el medi ambient 22 3.2.2 Carbó Degut a la seva gran mida, els jaciments més estesos del món ja s’han identificat. En l’actualitat, els científics i enginyers estan treballant per trobar mitjans econòmicament més eficaços d’extreure el carbó. Durant el segle XX, la mineria del carbó ha sofert una completa transformació en la majoria dels països: de ser una indústria amb molta mà d’obra, ha passat a ser una moderna indústria mecanitzada, que utilitza alguns dels equips d’excavació més grans i sofisticats que mai s’han desenvolupat. La mineria subterrània moderna sol emprar unes màquines per extreure el carbó que utilitza tambors rotatoris dotats de pics per arrencar el carbó de la veta en grans trossos anomenades minadors (fig. 3.3). Figura 3.3 Minador En la mineria de superfície s’utilitzen pales d’enormes dimensions per extreure el carbó. Aquestes pales treuen abans la sorra i les roques superiors, perquè les vetes puguin ser extretes. El carbó que s’extreu es carrega en grans camions per a ser transportat. 3.3 Efectes mediambientals dels combustibles fòssils La pluja àcida i l’escalfament global són dos dels més seriosos problemes medi ambientals relacionats amb la utilització a gran escala dels combustibles fòssils. Altres problemes d’aquest tipus, com la contaminació del sol i el basament de petroli, estan relacionats directament amb l’extracció o el transport dels combustibles fòssils. 3. Els combustibles i el medi ambient 23 3.3.1 Pluja àcida Quan els combustibles fòssils són cremats, el sofre, el nitrogen i el carboni despresos es combinen amb l’oxigen per formar òxids. Quan aquests òxids són alliberats a l’aire, reaccionen químicament amb el vapor d’aigua de l’atmosfera, formant àcid sulfúric, àcid nítric i àcid carbònic, respectivament. Aquests vapors d’aigua que contenen àcids – coneguts com pluja àcidaentren al cicle de l’aigua i, per tant, poden perjudicar la qualitat biològica dels boscos, sols, llacs i rierols (fig. 3.4). Alguns països conten amb lleis mediambientals que exigeixen l’ús d’equips que redueixin la contaminació, com els depuradors d’aire. Són aparells instal·lats en l’interior de les xemeneies de les plantes que cremen carbó, que separen els vapors de diòxid de sofre i altres compostos abans de que aquestes substàncies contaminants entrin a l’atmosfera. Figura 3.4 Esquema de contaminació per pluja àcida 3. Els combustibles i el medi ambient 24 3.3.2 Cendres La combustió de combustibles fòssils produeix unes partícules sòlides no cremades anomenades cendres. Les plantes que cremen carbó emeten gran quantitats de cendres a l’atmosfera. Tant mateix, les regulacions actuals existents en molts països exigeixen que les emissions que continguin cendres siguin netejades o que les partícules siguin controlades d’una altre manera per reduir aquesta font de contaminació atmosfèrica. Encara que el petroli i el gas natural generen menys cendres que el carbó, la contaminació de l’aire produïda per les cendres del combustible dels automòbils poden ser un problema en ciutats en les que es concentren un gran número de vehicles de gasolina i dièsel. 3.3.3 Escalfament global El diòxid de carboni és el principal subproducte de la combustió dels combustibles fòssils. És el que els científics anomenen gas hivernacle. Els gasos hivernacles absorbeixen la calor del Sol reflexat en la superfície de la Terra i el retenen, mantenint la Terra calenta i habitable pels organismes vius (fig. 3.5). El ràpid desenvolupament industrial dels segles XIX i XX ha provocat un increment de les emissions procedents de la combustió de combustibles fòssils, elevant el percentatge de diòxid de carboni en l’atmosfera en un 28%. Aquest dramàtic increment ha portat a fer unes prediccions, com la destrucció dels models medi ambientals i la fusió dels casquets polars. Tot i que és extremadament difícil relacionar els canvis globals de temperatura a la combustió dels combustibles fòssils, alguns països estan treballant de manera conjunta per reduir les emissions de diòxid de carboni procedents d’aquests combustibles. Una de les propostes consisteix en establir un sistema perque les companyies que emetin diòxid de carboni per sobre del nivell establert hagin de pagar. Aquest pagament podria produir-se de diferents formes: (1) pagar una quantitat a una companyia on les emissions de diòxid de carboni siguin inferior al nivell establert; (2) comprar i preservar boscos, que absorbeixen diòxid de carboni; (3) pagar per millorar una planta d’emissions de diòxid de carboni en un país menys desenvolupats, per que les seves emissions baixin. 3. Els combustibles i el medi ambient 25 Figura 3.5 Dibuix de contaminació per escalfament global 3.3.4 Recuperació i transport de petroli Es produeixen problemes medi ambientals al perforar pous o extreure fluids per que el petroli bombejat des de les profundes roques magatzem sol anar acompanyat de grans volums d’aigua salada. Aquesta salmorra conté nombroses impureses, que han de ser portades un altre cop a les roques magatzem o destruïdes a la superfície. El petroli es transportat a la refineria –situat normalment a grans distàncies- en camions o en petrolers, i de vegades es produeixen basaments accidentals. Aquests basaments, especialment els grans volums, poden resultar molt perjudicials per la vida salvatge i l’hàbitat. 3.3.5 Extracció del carbó Les operacions d’extracció de carbó en la superfície, en les anomenades mines a cel obert, utilitzen pales massisses per retirar la sorra i les roques que hi ha per sobre del carbó, pertorbant el paisatge natural (fig. 3.6). Tanmateix, les noves mesures de protecció del sol existents en alguns països exigeixen que les companyies mineres tornin al paisatge un aspecte similar al que tenia en un principi. 4. L’hidrogen com a combustible 32 La reacció del carboni és indesitjable ja que es malgasta carboni, augmenta la caiguda de pressió a través de l’equip, i recobreix la superfície del catalitzador tornant-lo inactiu. Figura 4.1. Procés de reformat complet del gas natural 4. L’hidrogen com a combustible 33 4.1.1.2.1 Conversió primària Depenent de la composició del gas natural, el primer pas en el procés, és la desulfuració (fig. 4.2), ja que el catalitzador s’enverina amb el sofre. Això es pot efectuar utilitzant carbó actiu per absorbir el sulfur d’hidrogen i els mercaptans, mitjançant l’ús d’òxid de ferro, o la utilització “d’òxid groc” que contingui prop de 95% de ZnO per eliminar H2S,CS2 i mercaptans, a temperatures de 400 a 420ºC. Figura 4.2 Desulfuritzadors Després del tractament del sofre, els gasos purificats es mesclen amb el vapor d’aigua i s’envien al convertidor primari. El convertidor primari (fig. 4.3) consisteix en tubs verticals d’acer inoxidable, fins a 10 plg de diàmetre i de 6 a 9 metres de longitud que es munten en un forn recobert amb refractari. Les condicions d’operació en el convertidor primari són molt severes, i els tubs dels catalitzador es fabriquen d’acer inoxidable d’alta aliació com del tipus 310 que conté 25% de crom i 20% de níquel. El catalitzador es troba dins els tubs, i aquests s’escalfen exteriorment amb una mescla de gas natural. La temperatura de la paret externa dels tubs pot ser tan alta com de 980ºC, que està molt aprop del límit metal·lúrgic. L’alimentació al primer convertidor s’escalfa fins als 510ºC, per convecció, mitjançant els gasos d’escapament del convertidor, i llavors passen cap a baix a través del catalitzador col·locat en els tubs. El calor del convertidor s’utilitza per pre-escalfar l’aliment i per generar vapor d’aigua pel procés. El catalitzador de conversió conté aproximadament del 15 al 35% de níquel en un estat reduït i està suportat en refractari format per òxids de calci i alumini. 4. L’hidrogen com a combustible 34 Figura 4.3 Convertidor primari 4.1.1.2.2 Conversió Secundària El convertidor secundari (fig. 4.4) està format per un recipient cilíndric vertical recobert amb totxos refractaris que conté un llit catalític de níquel. Els gasos de sortida del primer convertidor es mesclen amb suficient aire per establir la estequiometria necessària del nitrogen i s’envien directament al convertidor secundari. La calor alliberada per l’oxidació parcial de l’hidrogen i del metà augmenta la temperatura de 926 a 980ºC, la qual definitivament acaba la conversió del gas natural. Els gasos de sortida del convertidor secundari es refreden fins a 343ºC en una caldera de recuperació per recuperar la calor sensible i reduir la temperatura al límit necessari per a la conversió. Figura 4.4 Convertidor secundari 4. L’hidrogen com a combustible 35 4.1.1.2.3 Convertidor de vapor d’aigua Els gasos de sortida del segon convertidor contenen quantitats apreciables de monòxid de carboni, el qual és convertit a hidrogen mitjançant la reacció: CO (g) + H2O (g) CO2 (g) + H2 (g) ∆Hº298 k= - 9838 Kcal/mol La reacció és exotèrmica i per tant l’afavoreix una temperatura baixa d’operació. La pressió no té efecte en l’equilibri. En la pràctica , es requereixen, dos passos en aquesta reacció de conversió. Els gasos de l’afluent del convertidor secundari s’envien al primer pas del convertidor de vapor d’aigua (fig. 4.5) a temperatures aproximades de 343ºC. Ja que la majoria de la conversió té lloc en el primer pas, es desprenen una calor considerable que limita que s’arribi a altes conversions. És a dir, els gasos del primer pas s’envien a la caldera de recuperació on es refreden novament fins a 343ºC i es retornen al segon pas de conversió d’on surten a 360ºC. Sovint s’utilitza el mateix recipient per aconseguir els dos passos de la conversió, utilitzant per aquest cas una divisió en el recipient per marcar les seccions superiors i inferiors. Figura 4.5 Convertidor de vapor d’aigua 4.1.1.2.4 Absorció de diòxid de carboni Els gasos de sortida dels convertidors passen a l’intercanviador de calor per a refredarse, condensen vapor d'aigua i recuperen calor sensible. El diòxid de carboni pot llavors eliminar-se per absorció en solucions com l'aigua, el carbonat de potassi calent, o 4. L’hidrogen com a combustible 36 solucions de monoetanolamina al 20%, en equip convencional d'absorció amb regeneració de l'absorbent. Sovint el primer absorbidor és carbonat de potassi calent i monoetanolamina en el segon absorbidor (fig. 4.6). A l'utilitzar la monoetanolamina, hi ha una descomposició gradual d'ella per a produir compostos que poden originar escuma i augmentar la corrosió. Per això, part de la solució recirculant es destil·la per a eliminar impureses. Figura 4.6 Absorbidors de diòxid de carboni 4.1.1.2.5 Eliminació de monòxid de carboni Ja que el monòxid de carboni és un inconvenient per algun tipus de piles de combustible, cal reduir-lo a poques parts per milió en el gas de síntesi. El monòxid de carboni pot eliminar-se de les següents formes: (a) per rentat amb una solució de acetat d’amoni cuprós, amb formiat d’amoni cuprós o per mitjà d'una combinació dels dos a pressions de 100 a 300 atm; (b) per rentat amb nitrogen líquid; (c) per metanació catalítica. Moltes de les noves construccions empren la metanació catalítica per a eliminar el monòxid de carboni, diòxid de carboni i oxigen. Si considerem les següents reaccions: CO (g) + 3H2 (g) CH4 (g) + H2O (g) ∆Hº298 K= - 49271 Kcal/mol CO2 (g) + 4H2 (g) CH4 (g) + 2H2O (g) ∆Hº298 K= - 133485 Kcal/mol O2 (g) + 2H2 (g) 2H2O (g) ∆Hº298 K= - 115596 Kcal/mol 4. L’hidrogen com a combustible 37 Les tres reaccions són fortament exotèrmiques amb l'equilibri cap a la dreta. L'èxit del procés depèn òbviament de l'ús d'un catalitzador per a assolir l'equilibri a temperatura moderada. El catalitzador de metanació està format per níquel en suport refractari que consisteix principalment d'alúmina. El metanador és simplement un cilindre vertical que conté un llit catalític (fig. 4.7). Els gasos entren a la temperatura de 260ºC i passen cap avall, a través del catalitzador. El gas de sortida és una mescla de metà i hidrogen, amb un alt percentatge d’aquest. A la sortida hi trobem una caldera de recuperació per aprofitar la calor. Figura 4.7 Metanador 4.1.2 Electròlisi de l’aigua L'electròlisi o electròlisis és un mètode de separació dels elements que formen un compost aplicant electricitat: es produeix en primer lloc la descomposició en ions, seguit de diversos efectes o reaccions secundàries segons els casos. Electròlisis procedeix de dos radicals, electro que fa referència a electricitat i lisis que vol dir trencament. En el procés electrolític es dissol una substància en un determinat dissolvent, amb la finalitat de que els ions que constitueixen aquesta substància estiguin presents en la dissolució. Posteriorment s'aplica un corrent elèctric a un parell d'elèctrodes conductors col·locats en la dissolució. L'elèctrode carregat negativament es coneix com càtode, i el carregat positivament com ànode. Cada elèctrode atreu als ions de càrrega oposada. Així, els ions positius, o cations, són atrets al càtode, mentre que els ions negatius, o 4. L’hidrogen com a combustible 38 anions, es desplacen cap a l'ànode. L'energia necessària per a separar els ions i incrementar la seva concentració en els elèctrodes, prové d'una font de poder elèctrica que manté la diferència de potencial en els elèctrodes. En els elèctrodes, els electrons són absorbits o emesos pels ions, formant concentracions dels elements o compostos desitjats. En el cas de l'electròlisi de l'aigua, es forma hidrogen en el càtode, i oxigen en l'ànode. Això va ser descobert el 1820 pel físic i químic anglès Michael Faraday. L'electròlisi no depèn de la calor, encara que aquesta pot ser produïda en un procés electrolític. La descomposició de l’aigua a 25 ºC requereix una aportació de 285,83MJ/kmol que és la seva entalpia de formació, d’altra banda tant sols serà necessari aportar 237’83 MJ/kmol en forma de treball elèctric, la diferència la rep el sistema en forma de calor. El dispositiu es dur a terme en una cuba electrolítica. (fig. 4.8) Figura 4.8 Cuba electrolítica La reacció electroquímica amb l’electròlit àcid és: Ànode H2O Æ ½ O2 + 2H+ + 2e- Càtode 2H+ + 2e- Æ H2 Total H2O Æ H2 + ½ O2 Eficiència Per definir l’eficiència del procés es sol utilitzar diversos índex Un dels més emprats és l’eficiència energètica, com la relació entre el poder calorífic del producte obtingut i l’energia consumida en la seva obtenció. El procés d’electròlisi de l’aigua té una eficiència energètica d’entre el 50 i el 75%. 4. L’hidrogen com a combustible 39 Un altre seria el consum energètic, com l’energia consumida per obtenir 1Kg d’hidrogen o 1 Nm3, que actualment pot estar al voltant dels 45 kWh/Kg d’hidrogen. Tenint en compte el preu del kWh es pot suposar que aquest procediment mai serà competitiu amb els de reformat, a menys que s’utilitzi una electricitat barata. L’energia necessària per a produir l’electròlisi la podem obtenir a partir d’energies renovables o combustibles fòssils. (fig. 4.9) Figura 4.9 Diferents energies per utilitzar en el procés d’electròlisi Podem veure en la figura 4.9, 3 tipus d’energies renovables que produeixen electricitat: - Energia Hidràulica - Energia Solar - Energia Eòlica Aquesta electricitat l’aprofitem per generar el procés d’electròlisi. D’altra banda també trobem l’incineració dels combustibles fòssils amb els seus inconvenients de no ser energia renovable i que emeten gasos a l’atmosfera responsables d’alguns problemes mediambientals ja esmentats. 4. L’hidrogen com a combustible 40 4.2 Processos en fase d’estudi En aquest apartat explicarem les noves tècniques de producció d’hidrogen que s’estan investigant. Algunes més avançades com la fotobiològica o d’altres encara en la primera fase d’estudi dins del laboratori. Estan separades de la següent manera: - Producció Biològica: • Fotobiològica • A partir d’escombraries • A partir de productes làctics - Gasificació - Descomposició termal de l’aigua - Producció de gas de síntesi ric en hidrogen usant el tipus-p de catalitzador de NiO, mitjançant un procés fotocatalític per laser-induït - Procés tèrmic solar per a la producció d’hidrogen usant ferrites 4.2.1 Producció biològica Fotobiològica La producció fotobiològica de l'hidrogen implica la utilització de llum del sol, d'un component biològic, de catalitzadors i d'un sistema controlat. Organismes, algues i bacteris específics, produeixen hidrogen com a subproducte dels seus processos metabòlics. Aquests organismes viuen generalment en aigua i per tant estan partint l'aigua en els seus components elementals. El primer pas de la fotosíntesi implica trencar l’aigua en oxigen i hidrogen. L’hidrogen després es mescla amb diòxid de carboni i es transforma en carbohidrats. La llum del sol sola, no pot trencar directament l’aigua, però amb ajuda dels pigments especials en els organismes que fan la fotosíntesi, l’energia de la llum del sol pot ser utilitzada. Segons el que hem comentat anteriorment, l’hidrogen que és creat per la fotosíntesi generalment es canvia espontàniament en un carbohidrat. Però hi ha alguns microorganismes que són capaços de llançar l’hidrogen lliurement a l’aire. 4. L’hidrogen com a combustible 41 En teoria, les algues poden produir hidrogen amb una eficàcia de fins a 25%. El problema és que durant el procés també es produeix oxigen. L’oxigen inhibeix la hidrogenasa l’enzim que produeix l’hidrogen. Les algues necessiten el sulfur per créixer i fer la fotosíntesi. S’ha demostrat en el laboratori que morint de gana el reinhardtii verd del chlamydomonas de les algues de sulfat, les algues no poden mantenir el complex de la proteïna la qual és necessària per produir oxigen durant la fotosíntesi. L’alga recorre a un procés alternatiu pel que l’hidrogen es llença. Després de 4 dies de produir hidrogen, les algues es permeten reprendre el procés normal de la fotosíntesi per fer de reserva una altra vegada. Tot i que això es pot repetir moltes vegades amb les mateixes algues, és aconsellable substituir les colònies d’algues al llarg del temps per a mantenir un cultiu fresc i òptim de producció. Les algues tenen un contingut molt alt de proteïna, i poden ser utilitzades com a pinso després de ser utilitzades en el procés de producció d’hidrogen. La reacció bàsica en atmosfera anaeròbia seria l’acció reductora de la ferredoxina, FD, sobre els protons, convertint-los en hidrogen: 2H+ + 2FDRED ÅÆ H2 + 2FDOX indicant amb els subíndex RED i OX els estats de reduïts i oxidats. L’equip d’investigació de la universitat de Berkeley ha arribat a una eficàcia al voltant del 10%, que és un augment marcat en proves anteriors. Actualment s’ha posat atenció en el desenvolupament del procés real, així com en l’equip que és convenient per a la producció i la selecció de les algues. Les proves de producció fora del laboratori seran decisives per al desenvolupament d’unes plantes de producció barates i eficaces. S’espera que els costos d’inversió cobreixin quasi el 90% dels costos implicats en aquests tipus de producció. S'han identificat sobre 400 espècies de les plantes primitives capaces de produir l'hidrogen. 4. L’hidrogen com a combustible 48 reformador de vapor de metà, que és complementat per subministrament d’hidrogen procedent de plantes industrials. 4.2.6.3 Projecte Citycell El projecte Citycell (Fuel Cell Energy in Cities), en el que participen Madrid, París i Turín, està dedicat a l’experimentació amb el funcionament, en condicions reals d’autobusos d’hidrogen hibridats amb bateries elèctriques. L’objectiu marcat és demostrar que, per mitjà de l’hibridació, es poden utilitzar piles de combustible més petites, amb un preu més baix, i poder això beneficiar-se de les avantatges del major volum de mercat de les piles de combustible que s’espera en el segment dels automòbils. Un sistema de propulsió d’aquest tipus i capacitat és totalment nou en el transport públic a nivell mundial. L’autobús ha estat fabricat per l’empresa Irisbus (Grup Iveco), que també coordina el projecte. El fabricant ha comptat amb el suport del Ministeri de Ciència i Tecnologia com part del Programa de Foment a la Innovació Tecnològica (Profit). En el projecte també participen l’Institut Madrileny de Desenvolupament de la Comunitat de Madrid o l’Empresa Madrilenya de Transport. Per tractar-se d'un valor afegit tant del projecte Cute com el projecte Citycell, resulta interessant aprofundir en la infrastructura creada per a la producció i el subministrament d'hidrogen per als autobusos; tant el projecte de Barcelona com els projectes de Madrid inclouen la creació d'una planta amb aquestes comeses. A Barcelona s'ha construït una estació productora i subministradora d'hidrogen en les instal·lacions de TMB de la Zona Franca. L'hidrogen es produeix per mitjà de l'electròlisi de l'aigua, per això, una gran instal·lació d'energia solar fotovoltaica que ha estat construïda sobre una marquesina. Aportarà –inicialment– un 5 per cent de l'electricitat, encara que BP –el subministrador dels equips– afirma que l'aport podria arribar a ésser d'un 18 per cent de l'electricitat necessària en un futur. La planta de Madrid, en la qual els autobusos del projecte Cute i el del projecte Citycell comparteixen sortidor, ja està conclosa i està funcionant actualment. S'ha construït en 4. L’hidrogen com a combustible 49 les instal·lacions de l'EMT, i ha estat desenvolupada pel consorci “esH2”, format per Air Liquide Espanya, Gas Natural SDG i Repsol YPF. La tecnologia per la qual s'ha optat per a produir l'hidrogen ha estat la del reformat de gas natural, per tractar-se d'un procés més econòmic i fiable a mitjà termini (fig. 4.12). En aquesta figura podem veure el procés de la planta de Madrid. En el reformador obtenim gas de síntesi, el qual passa al convertidor de vapor d’aigua que transforma les quantitats de monòxid de carboni que puguin haver-hi a hidrogen. Seguidament trobem el recinte de purificació, on s’evacua el diòxid de carboni i el nitrogen que hi ha a la mescla del gas. Amb aquesta operació veiem que l’hidrogen sortint té una puresa del 99,99%. Arribem al compressor, on l’hidrogen que s’ha obtingut és comprimit juntament amb hidrogen que s’ha comprat a una altra empresa. Es compra aquest hidrogen per arribar a la quantitat necessària que necessiten els autobusos per funcionar. Del compressor, l’hidrogen passa a ser emmagatzemat a alta pressió per en bombones perquè després pugui ser subministrat als autobusos a través del pannell de càrrega. La planta consta de 1100 metres quadrats de superfície en els quals se situen la planta de producció d'H2, un sistema d'emmagatzematge i un sortidor d'omplert ràpid, que permet a cada autobús repostar en uns quinze minuts (fig. 4.13). Figura 4.12 Esquema de la planta de Madrid 4. L’hidrogen com a combustible 50 L'EMT ha aportat el 29 per cent del finançament de la planta, el 64 per cent procedeix del consorci esH2, i el 7 per cent restant ho finança la Unió Europea. L'estació de servei de Madrid ha estat una de les primeres a operar a Europa, després de la construïda a l'aeroport de Munich i la qual opera a Hamburg. A més, és la tercera en tot el món que genera l'hidrogen en un reformador de petita capacitat instal·lat en la pròpia estació. Figura 4.13 Estació de Servei de Madrid 4.2.7 Perspectives de futur Tant el projecte Cute com el Citycell pretenen ser un mitjà d'avaluació de les piles d'hidrogen i una plataforma des de la qual millorar la seguretat de la tecnologia i donar a conèixer la seva ocupació a la societat. Una vegada finalitzats, ambdós projectes serviran per a establir recomanacions als governs sobre la introducció d'aquesta tecnologia en el sector dels transports, així com per a aconseguir que la tecnologia sigui totalment acceptada per la societat mitjançant la divulgació dels resultats. Des de la Unió Europea es considera necessari que Europa mantingui el liderat en l'hidrogen i en altres mètodes de propulsió destinats a disminuir la dependència del petroli. En concret, la Direcció general de Transport i Energia, per mitjà del Llibre verd sobre seguretat en el proveïment energètic i el Llibre blanc del transport, ha mostrat un gran interès en el desenvolupament de tecnologies alternatives a l'ús dels combustibles fòssils en el transport i ha establert per als països de la UE l'objectiu que els combustibles alternatius a la gasolina i el gas-oil (entre els quals s'inclouen el gas 4. L’hidrogen com a combustible 51 natural, els biocarburants i l'hidrogen) representin un 20 per cent de l'energia emprada en el transport en l'any 2020. La consecució dels ambiciosos objectius marcats per a l'hidrogen està indubtablement subjecta a la reducció de costos de la tecnologia –avui en dia molt més cara que els sistemes convencionals, però amb una marcada tendència a la baixa– i al desenvolupament d'una xarxa d’infrastructures associades. 4. L’hidrogen com a combustible 52 4.3 Emmagatzematge de l’hidrogen L'hidrogen es pot emmagatzemar físicament com un gas o líquid. L’emmagatzematge com a gas requereix els tancs d'alta pressió (5000-10.000 psi de pressió del tanc). L’emmagatzematge de l'hidrogen com a líquid requereix temperatures criogèniques, ja que el punt d’ebullició de l'hidrogen a pressió atmosfèrica és -252,8ºC. L’emmagatzematge de l'hidrogen en sòlids pot permetre emmagatzemar quantitats més grans d'hidrogen en volums més petits a baixa pressió i a temperatures prop de la temperatura ambient. Emmagatzemar bastant hidrogen a sobre un vehicle per a arribar a un radi d'acció de més de 250 km és un desafiament significatiu. Sobre una base del pes, l'hidrogen té gairebé tres vegades el contingut en energia de la gasolina (120 MJ/kg per a l'hidrogen contra 44 MJ/kg per a la gasolina). No obstant això, sobre una base del volum s'inverteix la situació (8 MJ/l per a l'hidrogen líquid contra 32 MJ/l per a la gasolina). L'hidrogen es pot emmagatzemar de diverses maneres, però perquè l'hidrogen sigui un combustible competitiu per als vehicles, el vehicle de l'hidrogen ha de poder viatjar una distància comparable als vehicles d’hidrocarbur provistos de combustibles convencionals. 4.3.1 Emmagatzematge gasós i líquid de l’hidrogen La densitat de l'hidrogen gasós pot ser millorada emmagatzemant l'hidrogen a pressions més altes. Això requereix millores del material i del disseny per a assegurar la integritat del tanc. Els avanços en tecnologies de la compressió també es requereixen per a millorar eficàcies i per a reduir el cost de producció de l'hidrogen a alta pressió. La varietat en els tancs d’hidrogen comprimit en vehicles de cèl·lula de combustible depèn, per descomptat, del tipus de vehicle, del disseny i de la quantitat i de la pressió de l'hidrogen emmagatzemat. Augmentar la quantitat i pressió de l'hidrogen, va en 4. L’hidrogen com a combustible 53 contra del cost i l’espai dintre del vehicle. La capacitat, l'alta pressió i el cost volumètrics són així desafiaments dominants per als tancs comprimits de l'hidrogen. La tecnologia de l'hidrogen pot ser millorada emmagatzemant l'hidrogen en estat líquid. No obstant això, l'energia requerida per a la liqüefacció de l'hidrogen, volum, pes, i cost del tanc. La necessitat energètica per a la liqüefacció de l'hidrogen és alta; el 30% del valor calorífic de l'hidrogen es requereix per a la liqüefacció. L'hidrogen bull apagat el tanc, es deu reduir al mínim o eliminar el temps apagat. Per a les consideracions del cost i de l'eficàcia, així com per a consideracions de seguretat quan els vehicles estan estacionats en espais confinats. Els tancs d’hidrogen líquid (model LH2 de l’empresa Linde) (fig 4.14) poden emmagatzemar més hidrogen en un volum determinat que dipòsits de gasolina comprimits. La capacitat volumètrica de l'hidrogen líquid és 0,070 kg/l, comparats a 0,030 kg/l per als dipòsits de gasolina de 10.000 psi. Els tancs líquids s'estan demostrant en vehicles d’hidrogen. En un concepte híbrid del tanc que combina l’emmagatzematge gasós i criogènic d'alta pressió. Aquests (els tancs crio-comprimits) recipients de pressió aïllats híbrids són més lleugers que els hidrurs i més compactes que els recipients d'alta pressió a temperatura ambient. Perquè les temperatures requerides no són tan baixes com per a l'hidrogen líquid. Figura 4.14 Tanc d’hidrogen líquid model LH2 4. L’hidrogen com a combustible 54 4.3.2 Emmagatzematge de l’hidrogen basat en materials Hi ha actualment tres mecanismes genèrics coneguts per a emmagatzemar l'hidrogen en estat gasós en materials: en les superfícies de sòlids (per adsorció), dins els sòlids (per absorció), o per reacció química. • Absorció. En l'absorció, l'hidrogen es dissocia en els H-àtoms i llavors els àtoms de l'hidrogen s'incorporen a l'enreixat del sòlid, directament en el si del material (fig 4.15). En hidrurs cristal·lins simples del metall, aquesta absorció ocorre per la incorporació de l'hidrogen actiu en llocs de l'estructura cristal·lina de l'enreixat. Figura 4.15 Absorció d’hidrogen dins un sòlid • Adsorció. En l'adsorció, l'hidrogen s'uneix a la superfície d'un material com a molècules d'hidrogen o com a àtoms d'hidrogen (fig 4.16). L'adsorció es pot subdividir en l’adsorció física i l'adsorció química, basats en l'energètica del mecanisme de l'adsorció. L'hidrogen de l’adsorció física està limitat al material que és més feble que l’adsorció química de l'hidrogen. Aquests processos requereixen materials altament porosos per maximitzar l'àrea superficial disponible per a l'adsorció de l'hidrogen i per el llançament fàcil de l'hidrogen del material. Figura 4.16 Adsorció d’hidrogen sobre un sòlid 4. L’hidrogen com a combustible 55 • Reacció química. Per a les reaccions reversibles que poden ser a bord d’un vehicle, una generació de l'hidrogen i un emmagatzematge de l'hidrogen ocorren per una revocació simple de la reacció química com resultat de canvis modests en la temperatura i la pressió. Els hidrurs complexos basats en metalls de sodi són un exemple. En molts casos, la reacció de generació d’hidrogen no és reversible a canvis modests de temperatures/pressió. Per tant, encara que l'hidrogen pot ser generat a bord el vehicle, aconseguir l'hidrogen novament dintre del material ha de ser a fora el vehicle. Els materials es divideixen de la manera següent: • Hidrurs del metall - materials d'estat sòlid reversibles que poden ser regenerat a bord. • Hidrurs químics - l'hidrogen es llança via reacció química (generalment amb aigua). • materials basat en el carbó - materials d'estat sòlid reversibles que poden ser regenerats a bord. 4. L’hidrogen com a combustible 56 4.4 Normatives Tot hi ser una tecnologia relativament nova, l’hidrogen compta amb una estricte normativa. Hem de tenir present que és un element químic perillós, molt inflamable. Les normes ISO amb la que es regeixen les instal·lacions d’hidrogen són les següents: Hidrogen líquid de la ISO 13984:1999: Normativa per el sistema de carburant del vehicle terrestre. Hidrogen líquid de ISO/CD 13985-1: Normativa per dipòsit de gasolina del vehicle terrestre. part 1: Disseny, fabricació, inspecció i prova. Hidrogen líquid de ISO/CD 13985-2: Normativa per dipòsit de gasolina del vehicle terrestre. part 2: Instal·lació i manteniment. Hidrogen com a combustible de la ISO 14687:1999: Normativa d’especificació del producte. Hidrogen de l’aeroport de ISO/WD TR 15594: Normativa per aprovisionament de combustible. Mescles d’hidrogen de ISO/WD 15866: Normativa per combustible gasós d’hidrogen i hidrogeneres. Consideracions bàsiques de ISO/WD 15916: Normativa de seguretat dels sistemes d’hidrogen. Hidrogen gasós de ISO/WD 17268: Normativa per sortidors de vehicles terrestres. 4. L’hidrogen com a combustible 57 4.5 Avantatges i desavantatges en front altres combustibles Formació Per a la formació de combustibles fòssils fa falta transcórrer milers d'anys, per aquest motiu, s'han començat a investigar altres combustibles. La possibilitat que plantegem nosaltres és l'hidrogen. Aquest element, que pot actuar com a combustible el trobem en abundància en l'aigua i els hidrocarburs. Per tant representa una gran alternativa i una avantatge enfront als altres combustibles. Localització Per localitzar els combustibles fòssils estudiats, s'han d'emprar mitjans costosos i alhora llargs. S’ha de buscar pous petrolers, roques magatzem i fer prospeccions per saber si són factibles d'extreure els hidrocarburs que s'hi puguin trobar. Pel que fa a l'hidrogen, ho tenim més fàcil, ja que tenim perfectament localitzats els punts on trobem aigua, o d’altra banda el gas natural. Extracció i refinament Per a l'obtenció dels compostos desitjats com el petroli, GLP, gas natural, carbó o hidrogen fan falta mètodes o tecnologies adequades. El fet que durant varies dècades s'han estat extraient els combustibles fòssils, ha comportat que la tecnologia per realitzar l'extracció i el refinament està més estudiada i avançada, obtenint, per tant, una reducció de costos en la posada en marxa d'una planta i en el procés en sí d'obtenció dels productes, i bons rendiments. Pel que fa a l'extracció i refinament de l'hidrogen, es tracta d'una tecnologia encara en investigació, per tant amb uns costos elevats, ja que el aparells necessaris no es troben dissenyats ni fabricats en sèrie i s'han de construir de nou. Aquest fet, juntament amb l'alt cost energètic necessari per descomposar l'aigua en el procés d'electròlisi o la utilització d'hidrocarburs fan que la tecnologia de l'hidrogen sigui encara una tecnologia amb unes despeses econòmiques elevades. Consum i existències El consum elevat dels combustibles fòssils i la limitació en la seva formació (a causa del llarg període que es requereix) fa que les existències mundials d'aquests combustibles 4. L’hidrogen com a combustible 64 Petroli Gas Natural Carbó Gas Liquat Hidrogen Formació Plantes i bacteris microscòpics en oceans i mars cauen al fons marí formant amb la sorra més sediments un fang ric en compostos orgànics. Es dipositen més sediments a sobre i es comprimeix el fang. S’escalfa i es transforma químicament en petroli i gas natural. A partir de plàncton, algues i protozous acumulats en un llit oceànic per acció de la pressió i la calor de sediments es transformen en petroli i gas natural. Per la compressió de vegetals terrestres acaben en alguna llacuna amb absència d’oxigen. Per acció de bacteris anaerobis fan un progressiu enriquiment de carboni que acaba formant-se en el mineral carbó. S’obté durant el refinament del petroli majoritàriament. El gas-oil és la seva matèria primera. El procés és per desintegració fluïda catalítca (FCC, Fluid Catalytic Craking) on el gas-oil entra a la planta al reactor primari i interacciona amb un catalitzador. L’hidrogen el trobem a la natura com a part d’altres compostos, per obtenir-lo l’hem d’extreure. Localització Roques poroses i petits forats del fons marí. Emigra amb el petroli per fractures i porus, s’acumula en dipòsits subterranis sobre del petroli per la seva densitat. Es troba intercalat entre capes de roques sedimentàries. És un subproducte del petroli. El podem trobar a l’aigua, en els compostos orgànics, combustibles fòssils i gas natural. Extracció i Refinament Excavacions de pous, es perfora la roca magatzem i surt espontàniament si la pressió és elevada. Sinó es bombeja, llavors es fa una separació del corrent líquid del gasos per destil·lació. L’extracció es produeix amb maquinària pesada, tambors rotatoris. Els procés de separació són, l’electròlisi de l’aigua, el reformat d’hidrocarburs amb vapor d’aigua. 4. L’hidrogen com a combustible 65 Petroli Gas Natural Carbó Gas Liquat Hidrogen Consum i Existències mundial El consum accelerat dels combustibles fòssils i la seva lenta producció, fa que les existències mundials es vagin esgoten progressivament. El consum encara no s’ha normalitzat ja que és una tecnologia en estudi. Però és un element molt abundant ja que el trobem en molts compostos. Aplicacions Impulsar el món del transport, processos industrials, calor, llum i aire condicionat. Sobretot calefacció i aire condicionat. Producció de plàstics, com a combustible, i elèctrodes de grafit artificial. Obtenció d’olefines, producció de plàstics, additius per gasolina, combustible de refineries i domèstic Producció HCl, combustible per coets, aplicacions criogèniques (líquid), TritiÆ bombes d’hidrogen i pintures lluminoses, DeuteriÆ aplicacions nuclears Medi ambient Pot produir: Pluja àcida Æ al cremar el sofre, nitrogen i carboni es combina amb l’aigua i produeix àcids. Cendres Æ sobretot en la combustió del carbó, passen a l’atmosfera. Escalfament global Æ a causa del CO2 produït per la combustió. En piles de combustible produeix només aigua, pot arribar a ser una tecnologia completament neta segons la forma d’obtenció (ex: electròlisi de l’aigua) 5. Les piles de combustible 65 5. Les piles de combustible Una pila del combustible és un dispositiu que utilitza l'hidrogen (o combustible ric en hidrogen) i l'oxigen per a crear electricitat en un procés electroquímic. Els elements bàsics que constitueixen una pila de combustible són l’ànode, elèctrode negatiu en el que es realitza la reacció d’oxidació que absorbeix els electrons produïts en la reacció electroquímica; el càtode, elèctrode positiu en el que es realitza la reacció de reducció, i l’electròlit, una substància que facilita el pas dels ions. És tant important aquest component, que en general dóna nom a la pila. És important el paper dels anomenats combustibles de la pila. Si fóssim estrictes, s’haurien d’anomenar reactius, per exemple en el cas de la pila de combustible de membrana d’intercanvi de protons, la PEMFC, “Proton Exchange Membrana Fuel Cell” els reactius poden ser H2 i O2 o H2 i aire. Però a la pràctica es prefereix parlar de combustible referint-se al reactiu que s’oxida en l’ànode. S’utilitza també la denominació de combustible directe, al que s’oxida directament a l’ànode, i combustible indirecte, al que dóna combustible directe mitjançant un reacció química. Per exemple, és usual utilitzar el metanol com a combustible indirecte per a produir hidrogen per reformat. 5.1 Tipus de pila de combustible Les piles del combustible són classificades sobretot per la classe d'electròlit que empren. Això determina la classe de reaccions químiques que ocorren en la cèl·lula, la classe de catalitzadors requerits, l’interval de temperatures en el qual la cèl·lula funciona, el combustible requerit, i altres factors. Aquestes característiques, afecten els usos per als quals aquestes piles són les més convenients. Hi ha diversos tipus de piles de combustible actualment sota desenvolupament, cadascuna amb els seus propis avantatges, limitacions, i usos potencials. Podem trobar el tipus següents: - Pila de combustible alcalina, AFC “Alkaline Fuel Cell” - Pila de combustible de metanol, DMFC “Direct Methanol Fuel Cell” 5. Les piles de combustible 66 - Pila de combustible de carbonat fos, MCFC “Molten Carbonate Fuel Cell” - Pila de combustible d’àcid fosfòric, PAFC “Phosphoric Acid Fuel Cell” - Pila de combustible de membrana intercanviadora de protons, PEMFC “ Proton Exchange Membrana Fuel Cell” - Pila de combustible d’òxid sòlid, SOFC “Solid Oxide Fuel Cell” 5.1.1 Pila de combustible alcalina (AFC) Les piles de combustible alcalines van ser unes de les primeres tecnologies de piles de combustible desenvolupades, i el primer tipus usat extensament en el programa de l'espai de EE.UU. per a produir energia elèctrica i aigua a bord de la nau espacial. Aquestes piles de combustible utilitzen una solució d'hidròxid del potassi en aigua com a electròlit, amb una concentració entre el 25 i el 50% i poden utilitzar una varietat de metalls no preciosos com a catalitzador en l'ànode, i el càtode principalment el platí. Les AFC’s funcionen entre 100°C i 250°C. No obstant això, nous dissenys d’AFC funcionen a temperatures més baixes entre de 23°C a 70°C. Els reactius són H2/O2 (fig. 5.1). El combustible és hidrogen o qualsevol derivat del petroli que produeixi hidrogen per reformat. Figura 5.1 Esquema de funcionament d’una pila de combustible alcalina 5. Les piles de combustible 67 La reacció electroquímica és: Ànode H2 + 2(OH)- Æ H2O + 2e- Càtode ½ O2 + H2O +2e- Æ 2(OH)- Total H2+ ½ O2Æ H2O L'alt rendiment de les piles de combustible alcalines és degut a que les reaccions químiques es produeixen dins la pila. També han demostrat eficàcies prop del 70% en usos de l'espai. El desavantatge d'aquest tipus de piles de combustible és que és enverinada fàcilment pel diòxid de carboni (CO2). De fet, fins i tot una quantitat petita de CO2 en l'aire pot afectar l'operació d'aquesta pila, sent necessari purificar l'hidrogen i l'oxigen usats en la pila. Aquest procés de purificació és costós. La susceptibilitat a l'enverinament també afecta el curs de la vida de la pila (la quantitat de temps abans que hagi de ser substituït), addició addicional al cost. Per a competir amb eficàcia en la majoria dels mercats comercials de corrent, aquestes piles de combustible haurien d'arribar a ser més rendibles. Per a ser econòmicament viables, aquestes piles necessiten arribar a temps de funcionament que excedeixen 40.000 hores, un temps que encara no ha arribat a causa de la durabilitat dels materials. Aquest és possiblement l'obstacle més significatiu per comercialitzar aquesta tecnologia de pila de combustible. 5.1.2 Pila de combustible de metanol (DMFC) La majoria de les piles de combustible són accionades per hidrogen, que pot alimentar al sistema de la pila de combustible directament o pot ser generat dins el sistema de la pila de combustible reformant els combustibles com metanol, etanol, i combustibles d'hidrocarburs. Les piles directes del combustible de metanol (DMFC), són accionades pel metanol pur, que es barreja amb vapor i s'alimenta directament a l'ànode de la cèl·lula del combustible. S’utilitza una membrana de polímer com a electròlit, els reactius són CH3OH/O2. Els elèctrodes són de carboni recoberts de platí. 5. Les piles de combustible 68 Les piles de combustible de metanol no tenen molts dels problemes d’emmagatzematge de combustible típics d'algunes piles de combustible, ja que el metanol té una densitat més alta que l’hidrogen. El metanol és també més fàcil de transportar i de proveir al públic usant la infrastructura actual ja que és un líquid, com la gasolina. La tecnologia de la pila de combustible de metanol és relativament nova comparada a la de les piles de combustible accionades per hidrogen pur, i la investigació i el desenvolupament de les DMFC va 3-4 anys enrederits comparat amb altres tipus de pila de combustible. S’han trobat aplicacions en piles miniatures per a telèfons mòbils, ordinadors i qualsevol dispositiu alimentat amb bateries químiques. La reacció electroquímica és: Ànode CH3OH + H2O Æ CO2 + 6 H+ + 6 e- Càtode 3/2 O2 + 6 H+ + 6 e- Æ 3 H2O Total CH3OH + 3/2 O2 Æ CO2 + 3 H2O 5.1.3 Pila de combustible de carbonat fos (MCFC) Les piles de combustible de carbonat fos s’estan desenvolupant actualment per a gas natural i per centrals elèctriques a base de carbó per a l’utilitzat elèctrica, industrials, i usos militars. L’electròlit és una sal carbonatada fosa, K2CO3 suspesa en Li2CO3, treballant a temperatures entre 650ºC i 700ºC. Els reactius són H2/O2. El combustible pot ser gas natural o carbó que produeixi hidrogen per reformat. El catalitzador més utilitzat és el níquel, més barat que el platí que tendeix a ser substituït per aleacions de Ni-Al o Ni-Cr. (fig. 5.2) La eficàcia és millor comparada amb altres piles de combustible. Aquestes poden assolir eficàcies al voltant del 60%. Quan es captura i s’utilitza la calor útil, les eficàcies totals poden arribar al 85%. 5. Les piles de combustible 69 Les piles de combustible de carbonat fos, no requereixen de reformador extern, per convertir els combustibles en hidrogen, degut a les altes temperatures que treballa, aquests combustibles poden ser convertits dins la pila, reduint costos. Figura 5.2 Esquema de funcionament de la pila de combustible de carbonat fos El desavantatge principal d’aquesta tecnologia és la durabilitat. Les altes temperatures en les quals aquestes piles funcionen i l'electròlit corrosiu usat accelera la interrupció i la corrosió dels components, disminuint la vida de la pila. Els científics estan explorant altres materials resistents a la corrosió, com el disseny de la pila per que augmenti la vida sense que disminueix rendiment. La reacció electroquímica és: Ànode H2 + CO3-2 Æ H2O + CO2 +2e- Càtode ½ O2 + CO2 +2e- Æ CO3-2 Total H2 + ½ O2 + CO2 Æ H2O + CO2 5.1.4 Pila de combustible d’àcid fosfòric (PAFC) La pila de combustible d’àcid fosfòric es considera la “primera generació” de piles de combustible modernes. És un dels tipus més estudiats i dels primers que es van utilitzar comercialment. Aquest tipus de pila s’utilitza per a la generació d’energia immòbil, però algunes s’han utilitzat per accionar vehicles grans com autobusos urbans. 5. Les piles de combustible 70 És més tolerant a les impureses de l’hidrogen que s’han reformat dels combustibles fòssils, admet un 1,5% de CO. Tenen unes eficiències elevades si s’utilitzen en la cogeneració d’electricitat i calor al voltant del 85%, però si considerem únicament la generació d’electricitat tant sols arribem del 37 al 42%. Aquestes piles de combustible són grans i pesades, i també costoses ja que requereixen un catalitzador de platí. L’electròlit és àcid fosfòric, H3PO4 concentrat entre un 95 i un 98%, amb una temperatura compresa entre els 180 i els 200ºC. Els reactius són H2/O2 i el combustible és un derivat del petroli o gas natural. L’agent oxidant pot ser l’aire (fig. 5.3). L’electròlit àcid és un problema de cara a la corrosió cosa que encareix els productes ja que els materials han de resistir la corrosió. Un altre problema és que hi ha pèrdues d’electròlit i s’ha de respondre. La reacció electroquímica és: Ànode H2 Æ 2H+ + 2e- Càtode ½ O2 + 2H+ +2e- Æ H2O Total H2+ ½ O2Æ H2O Figura 5.3 Esquema del funcionament de pila de combustible d’àcid fosfòric 5. Les piles de combustible 71 5.1.5 Pila de combustible de membrana intercanviadora de protons (PEMFC) Les piles PEMFC es caracteritzen per tenir un electròlit en forma de fina membrana de polímer. Els reactius són H2/O2 i el combustible hidrogen o gas natural que produeix hidrogen per reformat. Per reduir el O2 en el càtode el catalitzador més eficaç és el platí amb petites incorporacions d’altes metalls (Ru, Mo, Pb, Rh, Ir, Re). El catalitzador de platí és extremadament sensible a l’enverinament del CO, sent necessari utilitzar un reactor addicional per reduir el CO. L’hidrogen entra en la cèl·lula i el catalitzador divideix la molècula en protons i electrons, els protons travessen la membrana i passen a l’altre cantó reaccionant amb l’oxigen per formar aigua. Els electrons recorren el circuit per la part exterior creant corrent elèctric (fig. 5.4). Figura 5.4 Esquema de funcionament de les PEMFC La pressió i temperatura de treball depèn, de la dimensió de la pila; per a potències majors de 10 kW es treballa amb gasos humidificats a una pressió de 300 kPa, a una temperatura de 80ºC; a potències menors les PEMFC poden treballar a la pressió ambient i a temperatures de 60ºC. La reacció electroquímica és Ànode H2 Æ 2H+ + 2e- Càtode ½ O2 + 2H+ +2e- Æ H2O Total H2+ ½ O2Æ H2O 5. Les piles de combustible 72 Les PEMFC s’utilitzen sobretot per a usos del transport i alguns immòbils, degut a que la reacció electroquímica es produeix ràpidament, la seva baixa sensibilitat a l’orientació, i al seu coeficient favorable d’energia/pes. La seva principal aplicació és per a usos en vehicles de passatger com autobusos o cotxes. 5.1.6 Pila de combustible d’òxid sòlid (SOFC) Com a electròlit utilitzen CrO2/CaO, un material ceràmic sòlid amb capacitat de conducció iònica, amb una temperatura compresa entre 900 i 1000ºC. Els reactius són H2/O2 o CO/O2. El combustible pot ser gas natural, gas liquat del petroli, o carbó que genera hidrogen per reformat (fig. 5.5). Figura 5.5 Esquema de funcionament d’una SOFC Per la forma es divideixen en tubulars i planes. La geometria cilíndrica ha estat desenvolupada per Siemens-Westinghouse i no requereix tancaments hermètics resistents a altes temperatures ja que són molt més estables tèrmicament. El disseny pla és més econòmic i eficient tot i que el tancament és més problemàtic. 6. Disseny d’una planta per obtenir hidrogen 79 La línia 3 és la Mion/St. Pau-Viladordis-Dolors, disposa d’un autobús petit fer realitzar el recorregut. El mapa és el següent: Figura 6.3 Mapa del recorregut de la línia 3 La línia 4 és la de la Sagrada Família-Font, disposa d’1 autobús. El mapa del recorregut és el següent: Figura 6.4 Mapa del recorregut de la línia 4 6. Disseny d’una planta per obtenir hidrogen 80 La línia 5 o F realitza un recorregut de suport a les altres, és a dir, que no té recorregut propi, sinó que enllaça les línies anteriors. Disposa de 2 autobusos. El mapa del recorregut és el següent: Figura 6.5 Mapa del recorregut de la línia 5 o F La flota en total disposa de 10 autobusos, dels quals 7 funcionen diàriament en les línies 1, 2, 3 i 4. A més a més els dies festius s’uneixen 2 autobusos. La resta estan a les cotxeres per fer rotació o per avaria d’algun dels vehicles en funcionament. La capacitat dels autobusos és de 70 persones menys el de la línia 3, que es tracta d’un mini bus amb capacitat per a 14 persones. Per a la ciutat de Manresa hem decidit combinar 1 autobús d’hidrogen a la línia 1 (Balconada), ja que és la línia que té un major nombre d’autobusos fent la mateixa ruta alhora, i no suposaria un canvi significatiu per la ciutadania. I a més a més, és una de les línies més utilitzades pels ciutadans. Com a dades importants tenim que, cada autobús de la ciutat recorre una mitjana de 110 km al dia. L’any 2004 van pujar un total de 1.705.884 persones, de les quals 867.494 van utilitzar la línia 1, això significa un 50,85%. 6. Disseny d’una planta per obtenir hidrogen 81 6.2 Objectiu bàsic del projecte L’objectiu bàsic del projecte és la construcció d’una planta de producció d’hidrogen a la ciutat de Manresa per poder accionar un autobús amb pila de combustible. Emprant energia solar per a produir l’energia elèctrica pel procés. L’Ajuntament de Manresa ha cedit per a realitzar aquest projecte un terreny localitzat al polígon industrial de Bufalvent, en el carrer de Josep Comas Solà entre el carrer Miquel Severt i carrer d’Edison, podem veure la situació del polígon al plànol 1 (pàgina 94) i la situació de la parcel·la al plànol 2 (pàgina 95). 6.3 Càlculs previs Tenint com a punt de referència la planta de producció d’hidrogen del TMB, hem volgut traslladar aquesta tecnologia a la nostra ciutat. A la planta de Barcelona trobem una placa fotovoltaica, on cada pannell produeix 100 kWh/any. El consum total de l’estació en electricitat suma 233.333,3 kWh/any (639,26 kWh/dia). Aquest consum d’electricitat és per a produir 120 Kg d’hidrogen diaris. El cabal d’entrada d’aigua és de 1’44m3/dia. La planta de Barcelona té 3 autobusos funcionant amb aquesta tecnologia de pila de combustible. Amb aquesta quantitat de 120 kg poden recórrer els 3 autobusos una mitjana de 200-250 km. És a dir, cada autobús funciona amb un total de 40 kg d’hidrogen amb una autonomia de 200-250 Km. - Si tenim 1 autobús a Manresa, és necessita 40Kg d’hidrogen cada 200-250Km. - Considerem que per l’autonomia dels dipòsits dels autobusos accionats amb piles de combustible, un autobús a la ciutat de Manresa podria estar sense omplir els dipòsits durant 2 dies, ja que 1 autobús a Manresa fa de mitjana 110 Km/dia. Aquest fet provoca, que pel funcionament en continu de l’estació es necessiti la meitat d’energia elèctrica que en el TMB per a la producció d’hidrogen. dia kWh diescada dia kWh 63,319 2 26,639 = 6. Disseny d’una planta per obtenir hidrogen 82 - El consum d’electricitat de la hidrogenera del TMB és per a la producció de 140 kg d’hidrogen, nosaltres a Manresa no consumirem tanta electricitat, ja que tant sols accionarem un autobús i necessitem 40 kg per omplir els dipòsits. · Per 1 autobús dia kWh dia kWh 54,106 3 63,319 = - Si cada pannell solar fotovoltaic produeix 100 any kWh necessitarem: any kWh any dies dia kWh 31,888.38 1 365 54,106 =⋅ panells any kWh any kWh 389 100 31,888.38 = - Si cada pannell ocupa 1m2 necessitem 389 m2 per a posar la instal·lació fotovoltaica. 6.4 Funcionament de la planta La nostra planta contarà (fig. 6.6) amb uns pannells solars fotovoltaics, un sistema d’osmosi inversa per desmineralitzar l’aigua que agafem de la xarxa per realitzar el procés d’electròlisi. Un electrolitzador, equip que per electròlisi produeix l’hidrogen a partir de l’aigua desmineralitzada, sense emissions contaminants en la seva producció. Tanc d’emmagatzematge refrigerat per produir la deshumidificació de l’hidrogen. Compressor, equip necessari per a comprimir a alta pressió per passar l’hidrogen als 300 bars necessaris per introduir-lo en bombones d’emmagatzematge. Sala de bombones per emmagatzemar l’hidrogen abans de ser subministrat a l’autobús. Sortidor connectat a les ampolles per subministrar l’hidrogen. 6. Disseny d’una planta per obtenir hidrogen 83 Osmosi Inversa Tanc O2 Tanc d’emmagatzematge refrigeració H 2O H 2 H 2O desminer. Electrolitzador de la xarxa pública Salmorra Autobús Compressor Pannell de Emmagatzematge càrrega de bombones Figura 6.6 Diagrama de flux de la planta de producció d’hidrogen 6. Disseny d’una planta per obtenir hidrogen 84 6.4.1 Osmosi Inversa Es basa en la circulació forçada de l'aigua a través d'una membrana semipermeable (fig. 6.7). Si la pressió exercida és superior a la pressió osmòtica, la membrana actua com a barrera per a les sals i/o molècules, rebutjant-les. Figura 6.7 Esquema del principi d’osmosi inversa Tant l’aigua que travessa la membrana com la que és rebutjada per ella surten en continu dels dos compartiments dels costats de la membrana. El rebuig presenta normalment una elevada concentració de substàncies dissoltes, sent baixa la del producte o permeat. Una vàlvula de regulació situada en la canonada de rebuig controla el percentatge d’aigua que és convertida en producte. 6. Disseny d’una planta per obtenir hidrogen 85 El desenvolupament arribat en els últims anys per les membranes semipermeables presenta una solució molt avantatjosa com a conseqüència del seu baix cost operatiu, alta fiabilitat, baix manteniment i facilitat d'operació. Al sortir de l’equip d’osmosi inversa l’aigua passa a un tanc d’emmagatzematge per ser utilitzada posteriorment a l’electrolitzador. 6.4.2 Electrolitzador Els electrolitzadors són piles de combustibles a la inversa. Utilitzem un corrent elèctric (C.C.) per dividir la molècula d’aigua en els seus component bàsics. Com podem veure en la figura (fig. 6.8) l’aigua entra dins l’electrolitzador, apliquem un corrent als elèctrodes, el protons es dirigeixen al càtode i són descarregats com a àtoms d’hidrogen per la combinació amb els electrons (e-) a la superfície del càtode metàl·lic (m). Els parells d’àtoms d’hidrogen fixats per adsorció es combinen per fer molècules de gas H2, que s’escapen alliberant la superfície de l’elèctrode per a més descàrregues del protó: 4H + + e- Æ 4M − H 4M- H Æ 4M + 2H 2 A l’ànode, els electrons es combinen amb les molècules d’aigua entrants que creen els àtoms d’oxigen, i els protons. Els electrons es desvien al càtode, els protons entren a la membrana, i dos àtoms d’oxigen es combinen per desprendre el gas O2: 2H2O Æ 2M-O + 4 H+ + 4e- 2M-O Æ 2M + O2 Encara que el procés o el mecanisme total és complex, la seva suma o equilibri és simplement equivalent a produir dues molècules d'hidrogen i una molècula d'oxigen a partir de dues molècules d'aigua: 2H2O Æ 2H2 + O2 6. Disseny d’una planta per obtenir hidrogen 86 Figura 6.8 Mecanisme de funcionament d’un electrolitzador Desprès de passar per l’electrolitzador l’hidrogen en forma de gas passa a un tanc d’emmagatzematge refrigerat per tal de deshumidificar-lo. El gas sortint del electrolitzador surt amb una puresa molt elevada. Seguidament utilitzarem un equip que comprimeix a alta pressió l’hidrogen produït per l’electrolitzador per a garantir el subministrament de l’hidrogen als autobusos en un temps relativament curt. Aquest compressor transforma la pressió inicial que oscil·la entre 3 i 20 bars, fins a arribar als 300 bars. Per emmagatzemar l’hidrogen comprimit, farem servir una sala amb bombones amb capacitat per a 40 kg d’hidrogen, quantitat suficient per a omplir els dipòsits de combustible per a 1 autobús, i recórrer entre 200 i 250 Km. L’estació disposarà de les més innovadores mesures de seguretat que actualment existeixen al mercat. Detectors de fugues d’hidrogen, els sortidors disposen de mesuradors dels paràmetres dels dipòsits dels autobusos (pressió, temperatura, nivell del gas), així com també de totes les exigències de la normativa de baixa tensió i subministrament i emmagatzematge d'hidrogen. Tota la instal·lació està connectada a 6. Disseny d’una planta per obtenir hidrogen 87 terra per tal de no produir cap descàrrega elèctrica propiciant una espurna i encendre els tancs. 6.5 Dades tècniques dels equips - Equip d’osmosi inversa: L’empresa AMPAC USA ens proporciona l’equip complet d’osmosi inversa, model AP3000SM (fig. 6.9). Aquest model té una capacitat de desmineralització de 11355 litres/dia. Figura 6.9 Equip d’osmosi inversa model AP3000SM - Electrolitzador: L’empresa Hydrogenics Corporation situada al Canadà ens proporcionarà l’electrolitzador que tindrà les següents dades tècniques: - Model H2x-91e (fig. 6.10) Forma: circular Àrea Activa: 94 cm2 Dimensions: diàmetre de 17,5 centímetres, 15 centímetres d’alçada Figura 6.10 Foto del model H2x-91e Pes: aproximadament 10 kg Material: acer inoxidable/titani Número de cèl·lules: 15 6. Disseny d’una planta per obtenir hidrogen 88 FUNCIONAMENT DE L’APILAMENT: Eficàcia (HHV): el 81% Producció d’hidrogen: 1,1 Nm3/h Voltatge de l’Apilament: 27 V CONDICIONS DE FUNCIONAMENT: Flux de l’aigua: 4 Litres per minut Pressió de l’aigua: 35 kPa Temperatura de l’entrada: 80°C - Pannells solars fotovoltaics: L’empresa Inersol ens proporcionarà els pannells solars fotovoltaics per produir l’electricitat necessària per tot el procés. Hem triat el tipus ISP 100 de pannell solar (fig. 6.11), amb les característiques següents: Tipus de mòdul 100 Màxima potència 100 Wp Configuració 24 V Corrent en punt de màxima potència 2,92 A Tensió en punt de màxima potència 34,2 V Corrent de curtcircuit 3,4 A Tensió circuit obert 42,0 V Garantia de mínima potència 93,5 W/min Anys de garantia 25 anys Tipus de diode BL/BP Tipus de mòdul 100 Àrea m2 1 Dimensions (L+B*H) mm 1097x795x35 Pes (aprox.) kg 10 Pes mòdul i caixa kg 56 Caixa de derivació TB4-13.5 7. Conclusions 97 D’aquest preu la compra de l’autobús suposa un 72% del cost total del projecte. Si mirem la instal·lació de la hidrogenera tenim un cost de 346.050,81 €, dels quals el 55,64% va a parar a la compra dels pannells solars. Més de la meitat del cost de la planta. Tenint present aquestes dades, podem dir que no és gaire viable de moment la utilització de l’hidrogen com a combustible per a accionar vehicles. Pensem que la capacitat de la planta és produir hidrogen per accionar un sol autobús. Podem reduir el cost, utilitzant energia elèctrica de la xarxa, però l’inconvenient seria que no sabem d’on prové aquesta energia. El que hem volgut estudiar amb aquest projecte és aconseguir una font d’energia que no contaminés i que fos viable tecnològicament. Si agafem electricitat de la xarxa, aquesta pot procedir de fonts no renovables i no estaríem respectant un dels nostres objectius. Realment el que hem aconseguit amb aquest projecte és realitzar una proposta per a un possible projecte real de construcció d’una planta de producció d’hidrogen per a accionar un autobús de pila de combustible. Tot i que de moment és costosa la utilització de l’hidrogen com a combustible, l’elevat nombre d’estudis d’investigació d’aquesta tecnologia, fa pensar que en un futur no gaire llunyà es podrà considerar l’hidrogen com a una font d’energia alternativa. 8. Bibliografia 98 8. Bibliografia • Aguer Hortal, Mario; Miranda Barreras, Ángel L. El hidrógeno, Fundamento de un futuro equilibrrado. Madrid: Diaz de Santos, 2005. • Amao, Yutaka; Ichiro Okura. Photoinduced hydrogen production with the system containing water-soluble viologen-linked porphyrins and hydrogenase. Journal of molecular catalysis B: Enzymatic, 2002, p. 9-21. • Amouyal, Edmond. Photochemical production of hydrogen and oxygen from water: A review and state of the art. Solar energy materials and solar cells, 1995, p. 249-276. • Boer, Robert de. Technologies and prospects for photochemical conversion and storage of solar energy. Energy efficiency in Industry, 2001, p. 4-34. • Fariñas Iglesias, Manuel. Ósmosis inversa. Fundamentos, tecnología y aplicaciones. Madrid: McGraw-Hill, 1999. • Gutiérrez Ríos, Enrique. Química Inorgánica. Barcelona: Reverté, 1976. • Königstein, Christian. Some aspects of photochemical system for direct lightinduced hydrogen production. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 1995, p. 141-152. • La plataforma tecnológica europea del hidrógeno ya está en marcha. Quimica Universa: Especial Energia. Març-abril 2004, p. 47-62. • Stephenson, Richard M. Introducción a los procesos químicos industriales. Mèxic: CECSA, 1974. • Vian Ortuño, Ángel. Introducción a la química industrial. 2ºed. Barcelona: Reverté, 1998. 8. Bibliografia 99 • Tecnologia del Gas Natural: Volumen 3. Aplicaciones industriales del gas natural. [autors i any sense identificar] Pàgines Web consultades: • Ampac USA [http://www.ampac1.com , 20 de maig de 2005] • Bellona [http://www.bellona.no/, 12 d’abril de 2005] • CompAir [http://www.compair.es, 20 de maig de 2005] • Direct Indutry [http://www.directindustry.com.mx/, 20 de maig de 2005] • Elsevier [http://www.sciencedirect.com/, 21 de març de 2005] • Fuel Cell Bus Club [http://www.fuel-cell-bus-club.com, 21 de març de 2005] • Fuell Cell store [http://www.fuelcellstore.com, 21 de març de 2005] • Greenwinds [http://www.pege.org/greenwinds/electrolyzer.htm, 20 de maig de 2005] 8. Bibliografia 100 • Hydrogenics Corporation [http://www.hydrogenics.com, 20 de maig de 2005] • Institut Català de l’Energia (ICAEN) [http://www.icaen.es, 20 d’abril 2005] • Johnson Matthey Catalyst [http://www.synetix.com/hydrogen/steamreformingprocess-reforming.htm, 20 de febrer de 2005] • Pilas de Combustible [http://home.worldonline.es/anroalmi/principal.html, 20 de febrer de 2005] • Tecnociencia [http://www.tecnociencia.es/especiales/hidrogeno/futuro.htm, 14 de febrer de 2005] • U.S. Department of Energy [http://www.energy.gov/engine/content.do, 12 d’abril de 2005] Resum L’objectiu del projecte, és estudiar la viabilitat de l’hidrogen com a combustible net. Dissenyant un planta de producció d’hidrogen que utilitzi energia neta per a realitzar el seu procés (energia elèctrica obtinguda a partir de fonts renovables), i utilitzant l’hidrogen obtingut per a accionar un autobús amb pila de combustible. Primerament estudiem l’element químic hidrogen. L’hidrogen a temperatura ambient és un gas diatòmic inflamable, incolor, sense olor i és l’element químic més lleuger i més abundant de l’univers. A alta pressió l’hidrogen canvia la seva naturalesa i es converteix en un líquid. Reacciona violentament amb el fluor i el clor. També és perillosa la seva despressurització ràpida, ja que a l’expandir-se per sobre -40ºC s’escalfa amb la possibilitat d’inflamar-se. L’hidrogen l’hem d’extreure d’altres substàncies, ja que com a element sol no existeix. Apareix en multitud de compostos, la font més comú d’hidrogen és l’aigua, composta per dos àtoms d’hidrogen i un d’oxigen. Altres fonts, són la major part dels compostos orgànics, els combustibles fòssils i el gas natural. Seguidament repassem les diferents alternatives actuals que disposem de combustibles, petroli, gas natural, carbó i gas liquat del petroli (derivat del petroli). Químicament els combustibles fòssils consisteixen en hidrocarburs, que són compostos formats per hidrogen i carboni. Aquests compostos han estat formats a partir de plantes i microorganismes soterrats durant milers d’anys. Els combustibles fòssils són cremats bàsicament per a produir energia, per a usos directes com impulsar automòbils o escalfar edificis; o per indirectes, com generar energia elèctrica. Aquests combustibles al ser incinerats generen una problemàtica ambiental, com la pluja àcida, la producció de cendres i l’escalfament global del planeta. A part d’aquest problema, ens trobem que els combustibles fòssils tenen unes reserves finites, i es consumeixen amb major rapidesa del que es produeixen en l’escorça terrestre, això acabarà per esgotar aquestes fonts no renovables. Després de veure els diferents combustibles fòssils, estudiem l’alternativa de l’hidrogen com a combustible. Per començar hem d’estudiar les diferents formes d’obtenció d’hidrogen. Existeixen tres tipus que s’utilitzen a escala industrial, el reformat d’hidrocarburs amb vapor d’aigua, l’electròlisi de l’aigua i la gasificació del carbó. Aquest últim mètode actualment està en desús si parlem d’obtenció d’hidrogen ja que no és viable econòmicament. La forma més característica del reformat d’hidrocarburs amb vapor d’aigua és la del reformat del gas natural. Consisteix bàsicament en una reacció catalítica dins un reactor a altes temperatures per formar hidrogen, monòxid de carboni i diòxid de carboni. On després del procés de reformat l’hidrogen es purifica dels gasos no desitjats, convertintlos a hidrogen o extraient-los de la mescla. L’electròlisi de l’aigua és un mètode de separació dels elements que formen el compost aplicant electricitat. Hem cercat també nous mètodes que s’estan investigant per a la obtenció d’aquest element. Com per exemple la producció fotobiològica, descomposició termal de l’aigua o la gasificació de la biomassa. A més hem comentat els projectes que estan en funcionament impulsats per la Unió Europea en el nostre país. Després de les fonts d’obtenció hem explicat les diferent formes d’emmagatzemar el gas obtingut, en forma de sòlid, líquid o gas. Tota aquesta tecnologia ha de tenir una amplia normativa que reguli la seva utilització i el seu funcionament, ja que és un element químic molt inflamable. Així queda escrit amb el llistat de normatives. Per a poder fer servir l’hidrogen per a la producció d’energia és necessita una pila de combustible. Una pila de combustible és un dispositiu que utilitza l’hidrogen i l’oxigen per a crear electricitat en un procés electroquímic. Hi ha diferents tipus que hem explicat en el projecte, que es diferencien pel tipus d’electròlit que fan servir. Per finalitzar el projecte, hem fet el dimensionat d’una planta de producció d’hidrogen. Per realitzar aquest disseny, hem escollit els mètodes d’obtenció, i les piles de combustibles que s’adequaven millor als nostres objectius marcats. Hem escollit l’electròlisi de l’aigua, ja que, combinat amb la producció d’energia elèctrica a través de pannells solars fotovolotaics, per al consum del procés, és un mètode totalment net, sense emissió de contaminants. Ens hem basat en la planta de producció d’hidrogen que existeix a la ciutat de Barcelona. Nosaltres hem volgut traslladar aquesta tecnologia per accionar un autobús amb pila de combustible a Manresa. El terreny on instal·laríem la planta ha estat cedit per l’Ajuntament de Manresa al polígon industrial de Bufalvent. El nostre dimensionat ha estat aproximatiu al real. Hem calculat els costos dels aparells, el funcionament i la instal·lació. Ara caldria una segona fase del projecte on es pogués calcular i dissenyar en profunditat l’esquema fet. Com a conclusions que podem extreure de la construcció de la planta és que tindrà un cost de 1.246.050,81 €. És un preu elevat, considerant que la producció d’hidrogen que obtenim és per a accionar només un autobús. D’aquest preu la compra de l’autobús suposa un 72% del cost. El cost de la instal·lació és de 346.050,81, del qual el 52% és per a la compra de pannells solars fotovolaics. D’aquestes conclusions podem dir que fins que no s’aconsegueixi una energia elèctrica més barata i abundant, l’hidrogen no serà competitiu respecte als combustibles actuals. Podem reduir el cost, utilitzant energia elèctrica de la xarxa, però l’inconvenient és que aquesta pot procedir de fonts no renovables i no estaríem respectant un dels nostres objectius. Tot i que de moment és costosa la utilització de l’hidrogen com a combustible, l’elevat nombre d’estudis d’investigació d’aquesta tecnologia, fa pensar que en un futur no gaire llunyà es podrà considerar l’hidrogen com a una font d’energia alternativa.