Hidrógeno como vector energético: Elementos y usos

JornAdAs CiEntífiCAs 27 D HIDRÓGENO COMO VECTOR ENERGÉTICO: ELEMENTOS Y USOS Dr. D. Manuel Felipe Rosa Iglesias. Jefe del Laboratorio Sistemas de Energía Terrestre, Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial 1. INTRODUCCIÓN Durante los últimos años se han anunciado diferentes iniciativas tendentes a propiciar el desarrollo y despegue de tecnologías asociadas al uso del hidrógeno como vector energético (Iniciativa Tecnológica Conjunta en Estados Unidos, Grupo de Alto Nivel en la Unión Europea, etc.). Todas estas iniciativas han tenido una repercusión mediática amplia y han conducido a la definición de programas y propuesta de trabajo muy ambiciosas, siendo destacables la Strategic Research Agenda de la Unión Europea que ha inspirado la redacción de los programas de Hidrógeno y Pilas de Combustible del VII Programa Marco, los contenidos técnicos de la Plataforma Europea del Hidrógeno y la puesta en marcha de la Joint Technology Initiative en Hidrógeno y Pilas de Combustible. Con demasiada frecuencia se nos presenta al hidrógeno (y las tecnologías asociadas) como elementos fundamentales y la panacea para solventar los problemas derivados de la escasez de recursos energéticos, olvidando con frecuencia que el hidrógeno no es ninguna fuente de energía (es preciso consumirla para producirlo). Igualmente se nos presenta como tecnologías novedosas y si bien es cierto lo son en su aspecto de aplicación terrestre, en el espacio se vienen utilizando desde hace unos 50 años como elementos integrantes de las Plantas de Potencia de Aplicación Espacial. El concepto que subyace es el de producir hidrógeno, el elemento más abundante en el universo (aunque no es estado elemental sino agrupado), partir de un ciclo energético cerrado e intrínsecamente limpio, el ciclo del agua. Fig. 1. Sistema regenerativo de hidrógeno 28 bolEtín dE lA ACAdEmiA mAlAguEñA dE CiEnCiAs Se trata de tomar agua de la naturaleza, separar el agua en hidrógeno y oxígeno (por electrólisis) con electricidad de origen renovable, almacenar y transportar la energía en forma de hidrógeno y, finalmente, recombinar el hidrógeno con el oxígeno del aire utilizando pilas de combustible, para producir electricidad, calor y devolver a la naturaleza la misma cantidad de agua que previamente habíamos tomado de ella. En la Fig. 1 se muestra de un modo conceptual todos los elementos y el ciclo que tiene lugar: producción de hidrógeno a partir de un recurso energético renovable, y de agua, para, tras ser convenientemente almacenado, es utilizado en múltiples usos (aplicaciones estacionarias y móviles) volviéndose a producir agua que cierra el ciclo. La utilización de este sistema a nivel terrestre contribuiría a hacer frente a los desafíos del sistema energético actual: • Sostenibilidad y lucha contra el cambio climático. • Suministro y dependencia energética. • Competitividad y estabilidad. Para hacer frente a estos retos, las fuentes de energías renovables están llamadas a desempeñar un papel muy importante y la utilización del hidrógeno puede contribuir a la “gestionabilidad” de las mismas mediante la utilización de aquel como un medio de almacenamiento de energía. La electricidad y el hidrógeno son dos portadores de energía que permitirían atender a todas las demandas energéticas, de manera que, en su uso final, prácticamente no se emitirían contaminantes. Indudablemente, en los procesos de producción del hidrógeno y de la electricidad a partir de recursos fósiles sí se emitirían contaminantes, pero, por un lado, en la medida que esta producción se realizara de forma centralizada estacionaria, se podrían utilizar técnicas para limitar la emisión, y por otro, si para la producción del hidrógeno o la electricidad se utilizan recursos renovables, las emisiones pueden ser nulas. 2. ELEMENTOS DE LA ECONOMÍA DEL HIDRÓGENO En la Fig. 2 se muestra de modo esquemático los elementos a considerar a la hora de analizar la economía del hidrógeno. Se muestran tres grandes bloques que corresponden a los sistemas de producción, almacenamiento y utilización del mismo. Se analizan igualmente los dispositivos potenciales de uso en función de un horizonte temporal de implantación (corto, medio y largo plazo). Además de los elementos anteriormente considerados es preciso tener en cuenta la legislación aplicable (o falta de legislación) y los requisitos de seguridad inherentes. Fig. 2. Elementos de la economía del hidrógeno JornAdAs CiEntífiCAs 29 2.1 Producción de hidrógeno Si bien el hidrógeno es el elemento más abundante del Universo, en la Tierra se encuentra asociado a otros elementos formando compuestos, y es necesario producirlo lo cual conlleva un consumo energético. En consecuencia al hablar de hidrógeno debemos de considerarlo como un vector energético (al igual que la electricidad) y no como una fuente de energía. Los recursos naturales más abundantes a partir de los cuales se puede obtener el hidrógeno son el agua, la biomasa y los hidrocarburos. Con estos recursos y siguiendo una gran variedad de procesos, en los que es necesario consumir algún tipo de energía primaria (renovable, fósil o nuclear), puede obtenerse el hidrógeno. La Fig. 3 muestras las distintas vías de producción de hidrógeno diferenciando los métodos de producción a partir de combustibles fósiles aquellos que utilizan fuentes de energía renovables. En la actualidad casi el 96% del hidrógeno mundial se produce a partir de combustibles fósiles, principalmente por reformado de gas natural con vapor de agua y se consume como un componente que forma parte de multitud de procesos convencionales, principalmente (en torno a un 72%) en la industria química y petroquímica (amoníaco, refino del petróleo, metanol, etc.). El resto, fundamentalmente, se utiliza en la industria del vidrio y metalurgia, electrónica y alimentaria. Desde un punto de vista energético, su utilización más significativa es como combustible en misiones espaciales. La fuente principal de producción de hidrógeno industrial es el gas natural y el método más utilizado es el “steam reforming”. Adicionalmente existen los procesos de oxidación parcial (residuos del refino de petróleo) y de gasificación (carbón y coke de petróleo). En cualquier caso parece claro que, a corto y medio plazo, la producción de hidrógeno más aceptable desde el punto de vista económico se realizará a partir de combustibles fósiles, en los que se irán incorporando técnicas de captura y confinamiento de CO2. La producción de hidrógeno a partir de fuentes de energías renovables permite solventar una de las carencias fundamentales de éstas: su almacenamiento (ha de tenerse en cuenta que, con la excepción de la biomasa o los biocombustibles, las energías renovables son, genéricamente, difíciles de almacenar). H-C Pesados H-C Ligeros Gases Refinería Purificación Coke de Petróleo Gas Natural NH 3 Cracking Carbón CH 3 OH Reforming Nuclear Biomasa Fermentación Biogas Metabolismo Residuos Geotérmica Solar Fotovoltaica Hidráulica Turbinas Eólica Aerogeneradores Electricidad Petróleo Refino Oxidación Parcial Reforming Electrólisis de Agua Ciclos Termo- Eléctricos Gas de Sintesis Gasificación Fuentes Primarias de Energía Fuentes Secundarias de Energía Portadores Químicos de Energía Procesos Procesos FOSILESRENOVABLES H I D R O G E N O Agua Agua Fig. 3. Métodos de producción de hidrógeno 30 bolEtín dE lA ACAdEmiA mAlAguEñA dE CiEnCiAs La consecuencia directa de todo ello es que se puede incrementar la capacidad instalada de fuentes de energías renovables sin perturbaciones sustanciales del factor de penetración, sin requerimientos adicionales de líneas de evacuación y un aumento sustancial de la energía anualmente producida de origen renovable. La obtención de un combustible almacenable y transportable a partir de fuentes de energías renovables abre una vía para la penetración de éstas en un sector consumidor del 33% de la energía primaria: el sector transporte. Para la producción de hidrógeno a partir de fuentes de energías renovables se pueden utilizar diversos procesos (químicos, termoquímicos y electroquímicos). A fin de sistematizar la realización del plan de acción, las tecnologías asociadas no se han agrupado por la naturaleza del proceso que tiene lugar sino por la fuente de energía renovable susceptible de poderse utilizar en cada caso: • Energía solar térmica de alta temperatura (E.S.T. Alta Temperatura). • Energías eólica y fotovoltaica. • Biomasa/biocombustibles. La tabla 1 presenta las tecnologías consideradas, reflejando las materias primas consumidas, el proceso utilizado para la obtención de hidrógeno y la forma de energía implicada. La utilización de la energía solar térmica a alta temperatura para la producción de hidrógeno plantea diversas alternativas en cuanto al proceso utilizado: proceso termolítico (rotura de la molécula de agua en sus elementos, oxígeno y hidrógeno, como consecuencia de la alta temperatura; superior a 2000 ºC), electrolítico (rotura de la molécula de agua en fase vapor mediante el uso de energía eléctrica) y químico (reacción química promovida por la energía fotónica). Este tipo de procesos están a escala de laboratorio (termólisis y electrolisis en fase vapor) o de planta de experimentación (químicos), siendo preciso una intensificación de las actuaciones de I+D antes de su despegue precomercial. La producción de hidrógeno electrolítico supone la rotura de la molécula de agua gracias a la acción de la corriente eléctrica (corriente continua) aplicada entre ánodo y cátodo, y separados por una membrana (diafragma) en un medio conductor iónico, electrolito (Fig. 4). Fig. 4. Esquema electrolizado (Hydrogenics) Tabla 1. Tecnologías de producción de hidrógeno Tecnología Materia prima utilizada Proceso Energía utilizada Solar Alta Temperatura Agua Termólisis Fotónica Agua Electrolisis Eléctrica Fósiles Químico Fotónica Eólica/ Fotovoltaica Agua Electrolisis Eléctrica Biomasa/Biocombustibles Biomasa/Biocombustible Químico Materia prima JornAdAs CiEntífiCAs 31 El uso de energía eléctrica para la rotura de la molécula de agua, implica que cualquier fuente de energía renovable que implique la producción de la misma es susceptible de poderse acoplar a este proceso, en especial la energía solar fotovoltaica y la energía eólica. La dinámica del proceso electrolítico lo hace especialmente adecuado para el uso combinado con la energía eólica, dado que permite (conjuntamente con las pilas de combustible): • Almacenamiento de energía. • Solventar parcialmente la debilidad de las líneas de evacuación de los campos eólicos. • Aumentar el porcentaje de penetración en la red. • Mejorar la calidad de la red eléctrica. • Optimizar la previsión de entrega de energía a la red. • Desacoplar producción y demanda, transfiriendo energía desde los periodos de alta producción y baja demanda a los de alta demanda. La obtención de hidrógeno a partir de biomasa se realiza (fundamentalmente) en base a dos procesos químicos: gasificación (combustión incompleta entre 700 y 1200 ºC) y pirólisis (combustión incompleta en ausencia de oxígeno, a unos 500 ºC). Puede obtenerse así mismo a partir de compuestos obtenidos previamente a partir de biomasa (biocombustibles) mediante reacciones químicas más complejas (reformado). En la Fig. 5 se recogen las estimaciones de costes de producción de hidrógeno realizadas por la Agencia Internacional de la energía. Si bien, estos costes están fuertemente condicionados por el coste de los combustibles fósiles, desde un punto de vista cualitativo puede observarse como los costes de producción, en grandes instalaciones, conducen a menores costes de producción de hidrógeno. Fuente: Prospects for hydrogen and fuel cells (Internacional Energy Agency, Dec. 2005) Fig. 5. Costes de producción de hidrógeno 32 bolEtín dE lA ACAdEmiA mAlAguEñA dE CiEnCiAs 2.2 Almacenamiento, transporte y suministro de hidrógeno El hidrógeno permite almacenar la energía producida a partir de fuentes de energías renovables, y antes de su utilización, será preciso transportarlo y suministrarlo a los usuarios finales. A fin de competir con usos ya establecidos, por ejemplo automoción, es preciso desarrollar sistemas de almacenamiento con adecuadas prestaciones (densidad energética por unidad de masa y/o volumen), energéticamente eficientes y seguros (Fig. 6). El almacenamiento de hidrógeno es una tecnología bien establecida a nivel mundial (tanto como gas comprimido a 200 bar como hidrógeno líquido). Sin embargo los usos previsibles implicarán su utilización a una presión mayor (entre 350 y 700 bar), en forma de hidruros metálicos (aleación metálica que puede contener mas de un 5 % de hidrógeno en peso) y otros sistemas avanzados (tendentes a conseguir una mayor densidad energética por unidad de masa y unidad de volumen). Las alternativas existentes para el transporte de hidrógeno son: • Transporte en contenedores criogénicos de hidrógeno líquido. • Transporte de contenedores presurizados. • Hidrogenoductos. Estas alternativas vendrán condicionadas por el esquema utilizado en cada caso, producción centralizada o distribuida. El suministro de hidrógeno, fundamentalmente en el sector transporte, implicará el desarrollo e implantación de sistemas de suministros (Fig. 7). El esquema presentado no es más que una de las alternativas disponibles, todas ellas abiertas, sujetas a numerosos estudios y entre las que tienen cabida el reformado (o electrolisis) en la propia gasolinera y suministro directo al vehículo con un almacenamiento de hidrógeno mínimo a fin de minimizar riesgos. General Motors Gravimetric Energy Density vs. Volumetric Energy Density of Fuel Cell Hydrogen Storage Systems 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 5 10 20 25 30 Volumetric Energy Density MJ/l Gravimetric Energy Density MJ/kg LH2 SysWt% 4.2CGH2 SysWt% 3.7 700bar Advanced LH2 Tank SysWt% 8.2 HT+ MT- Metal Hydrides SysWt% 3.3 - 3.4 LT- Metal Hydride SysWt% 1.2 15 DOE-Goal: SysWt%6.0 . = Minimum Performance Goal = Ultimate Technology Goal = Minimum Performance Goal = Ultimate Technology Goal Gasolina Fig. 6. Requerimientos mínimos de un sistema de almacenamiento de hidrógeno para su uso en automoción JornAdAs CiEntífiCAs 33 2.3 Pilas de combustible 2.3.1 Principio básico de funcionamiento Las pilas o celdas de combustible son unos dispositivos electroquímicos que convierten la energía química de reacción directamente en energía eléctrica. Su diferencia fundamental con las baterías es que estas últimas son acumuladores de energía, dependiendo la máxima energía que son capaces de suministrar de la cantidad de reactivos químicos almacenados en ellas, dejando de producir energía cuando se consumen dichos reactivos. Las pilas de combustible son, por el contrario, dispositivos que tienen teóricamente la capacidad de producir energía eléctrica mientras que se suministre combustible y oxidante a los electrodos; sólo la degradación o mal funcionamiento de los componentes limitan la vida de operación práctica de las pilas de combustible. Además del hidrógeno puro que pueda provenir de electrólisis a partir de una fuente renovable, pueden emplearse como combustibles otras fuentes tales como gasolina, gases licuados de petróleo, metanol, etanol, etc., que tan solo precisarían de un tratamiento adecuado (reformado, purificación) para adaptarlos a los diferentes tipos de pilas de combustible. En este último caso, estos métodos de producción de hidrógeno pueden combinarse con procesos de “secuestro de CO2”, de cara a garantizar una producción sostenible. La Figura 8 (derecha) presenta el esquema de funcionamiento de una celda de combustible (unidad elemental del sistema); puede observarse como se aporta el combustible (normalmente hidrógeno) en el ánodo y el oxidante (aire u oxígeno) en el cátodo, produciéndose electroquímicamente, energía eléctrica en forma de corriente continua, agua (como producto de la reacción), calor de proceso y, si se ha utilizado un combustible con carbono, CO2 (mención especial merecen los biocombustibles; en este caso, ha de tenerse en cuenta de que el origen vegetal de los mismos hace que el “balance de CO2” sea neutro, es decir, que el dióxido de carbono que se devuelve a la atmósfera es el mismo que las plantas tomaron de ésta para constituirse a sí mismas a través de su crecimiento). El voltaje total alcanzado será función del número de celdas que conectemos eléctricamente en serie (Fig. 8 derecha), mientras que la intensidad dependerá del tamaño del ánodo y cátodo. Fig. 7. Esquema de principio de una estación de suministro de hidrógeno 34 bolEtín dE lA ACAdEmiA mAlAguEñA dE CiEnCiAs Al montaje presentado a la derecha se le denomina “stack” de pila de combustible, estando el término pila de combustible reservado para el sistema global constituido por: procesador de combustible (en caso de no alimentarlo con hidrógeno puro), stack, sistema de potencia (para adecuar la energía eléctrica producida) y el balance de la planta (sistemas auxiliares y control precisos para el adecuado funcionamiento del sistema. 2.3.2 Clasificación Una de las diferencias entre un tipo de pila de combustible y otro es la naturaleza del electrolito existente entre ánodo y cátodo, que permite optimizar el funcionamiento de la misma. Dependiendo de la naturaleza del electrolito, la temperatura óptima de funcionamiento es una u otra, por lo que las pilas se clasifican en función de la naturaleza del electrolito (lo cual conlleva una temperatura de funcionamiento definida). La tabla 2 recoge las principales características de cada tecnología de pila de combustible, mientras que en la tabla 3 se muestran los usos principales de cada uno de los tipos de combustible considerados. Ha de tenerse en cuenta que esta clasificación obedece sólo a un carácter orientativo, si bien hay algunas reglas fijas (por ejemplo, no es común emplear pilas de combustible de alta temperatura en aplicaciones portátiles, por razones obvias). Fig. 8. Esquema de funcionamiento de una pila de combustible Tabla 2. Clasificación de las pilas de combustible Tipo de pila Denominación Electrolito Temperatura (ºC) Alcalina AFC Alcalino 80 Protónica PEMF Membrana Sólida 80-100 Ácido Fosfórico PAFC Ácido Fosfórico 200 Carbonatos fundidos MCFC Carbonatos 500-650 Óxidos Sólidos SOFC Zirconia 800-1000 Metanol directo DMFC Membrana Sólida 70-80 JornAdAs CiEntífiCAs 35 Tabla 3. Aplicaciones de las pilas de combustible Tipo de pila Usos Alcalina Espacial, militar, generación portátil, automoción Protónica Espacial, militar, generación portátil y distribuida, automoción Ácido Fosfórico Producción distribuida de electricidad, cogeneración Carbonatos fundidos Prod. Electricidad: Distribuida y Base, cogeneración Óxidos Sólidos Prod. Electricidad: Distribuida y Base, cogeneración Metanol directo Militar, generación portátil, automoción, electrónica 2.3.3 Aplicaciones de las pilas de combustible Una de las características a destacar de los sistemas basados en pilas de combustible es el grado de independencia entre su eficiencia y su tamaño; es decir, que es posible desarrollar plantas de pequeña potencia (desde vatios) y también plantas de cientos de kilovatios o, incluso, de megavatios, con un rendimiento relativamente elevado. De este modo, las pilas de combustible se hallan presentes en aplicaciones portátiles, en automóviles, en el sector estacionario, etc. Sin embargo, en cada una de estas aplicaciones, las pilas de combustible se encuentran con unas barreras diferentes para su implantación en la actualidad. 2.3.3.1 Aplicaciones portátiles Las pilas de combustible están revelándose como unas fuentes de energía eléctrica prometedoras en el ámbito portátil. La mayor parte de los sistemas construidos hasta el momento han venido usando la tecnología PEMFC (o DMFC para aplicaciones concretas), especialmente debido al hecho de que trabajan a bajas temperaturas (por debajo de los 100 ºC) y de que la naturaleza de sus componentes es sólida, por lo que pueden adaptarse fácilmente a aplicaciones que no permanezcan fijas en un emplazamiento. 2.3.3.2 Aplicaciones en el ámbito del transporte Cabe destacar especialmente las aplicaciones de propulsión orientadas al ámbito terrestre (automóviles, autobuses, etc.) que emplean, tradicionalmente, pilas de combustible tipo PEM que, además de las ventajas enumeradas anteriormente, en este sentido destacan también por los tiempos de arranque reducidos. Prácticamente la totalidad de fabricantes de vehículos tienen ya algún prototipo funcionando con hidrógeno, e investigan a la par en sistemas de almacenamiento de este gas, estaciones de servicio específicas, o nuevos métodos para integrar baterías con pilas de combustible (sistemas híbridos). Estos vehículos se caracterizan en su mayoría por tener “emisión cero” (sólo emiten vapor de agua) y nula contaminación acústica (son vehículos eléctricos). Fuera del ámbito de propulsión terrestre, existen también aplicaciones para las pilas de combustible de alta temperatura en el campo de las Unidades de Potencia Auxiliar, donde son especialmente útiles las SOFC, y en la propulsión naval, donde se contemplan diferentes alternativas, incluyendo las MCFC. 2.3.3.3 Aplicaciones estacionarias Los sistemas basados en pilas de combustible de alta temperatura (por encima de los 200 ºC) pueden ser empleados en aplicaciones de cogeneración, produciendo electricidad, agua caliente y una cierta cantidad de calor, pudiendo aprovecharse esta energía térmica, generada en aplicaciones domésticas o industriales, o incluso para efectuar trigeneración. Cobran especial relevancia las tecnologías PAFC y MCFC. 2.3.3.4 Tecnologías y aplicaciones Como ya se ha puesto de manifiesto, existe una cierta correlación entre las diferentes tecnologías y las distintas aplicaciones, de modo que unos tipos de pila de combustible resultan, por lo general, más adecuados para unas aplicaciones que para otras (Tabla 4).