Guardar hidrógeno
Considerando que la energía que se requiere para producir hidrógeno del agua (mediante electrolisis)es prácticamente la misma que se necesita (sin considerara las perdidas)para, con el hidrógeno obtenido, generar energía, ¿es posible considerar el hidrógeno como una forma de almacenar energía? ¿Puede comprimirse? ¿Se pierde con el tiempo?. Y ademas cual crees tu que serían porcentualmente los rendimientos de la electrolisis y de la generación de electricidad, ¿por quema o por una celda de combustible?
Muchas gracias
Muchas gracias
1 respuesta
Respuesta de Gabriel Martín
1
Efectivamente MartínRozas, tu afirmación es totalmente correcta:
El hidrógeno no constituye directamente un combustible aprovechable, y por lo tanto, no es una fuente de energía, sino un vector energético, es decir, un portador de energía. Aunque el hidrógeno no constituye un recurso renovable, éste podría producirse mediante energía solar, eólica o hidráulica como fuentes de electricidad, aunque la realidad es que hoy en día aproximadamente el 95 % se obtiene a partir de combustibles fósiles.
Realicemos un cálculo de las energías implicadas en la obtención de hidrógeno y en su combustión (quema) u oxidación electroquímica (pilas o celdas de combustible):
La energía necesaria para extraer el hidrógeno de un litro de agua se obtiene a partir de la energía de formación del agua líquida a partir del hidrógeno y oxígeno moleculares que es de 285,8 KJ/mol. 18 gramos de agua forman un mol; luego en un litro hay 1000/18 = 55,56 moles de agua. Por tanto la energía necesaria para disociar un litro de agua (por electrolisis por ejemplo) en sus componentes Oxígeno e Hidrógeno es:
E = 55,56 x 285,8 KJ = 15793,31 KJ
Esta cantidad expresada en Kw.h resulta ser: (1 Kw.h = 3600 KJ)
E = 4,39 Kw.h
(Si aplicáramos una potencia de 4,39 Kw al proceso de electrolisis durante una hora, disociaríamos completamente un litro de agua)
Tras la disociación, 2 H2O ---> 2 H2 + O2, se obtienen dos moles de hidrógeno y un mol de oxígeno por cada dos moles de agua, por tanto de un litro de agua se obtienen:
27,78 moles O2 = 27,78 x 32 = 888,9 g O2
55,56 moles H2 = 111,1 g H2
Esto es, habremos obtenido 0,1111 Kg de hidrógeno.
Podemos recuperar energía del hidrógeno por combustión u oxidación electroquímica; puesto que el calor de combustión (u oxidación) del hidrógeno es de 284,5 KJ/mol, de la cantidad de hidrógeno obtenida anteriormente podríamos extraer:
E = 284,5 x 55,56 KJ = 15806,8 KJ = 4,39 Kw.h
Esto es válido para rendimientos del 100%, no se han considerado las pérdidas de energía que se producen tanto en la electrolisis del agua como en la combustión u oxidación electroquímica del hidrógeno pero la conclusión es que con el hidrógeno obtenido a partir del agua no se genera energía, sólo se almacena porque lo que se obtiene es igual a lo que se consume en una conversión teórica perfecta.
En la práctica los rendimientos máximos son de orden del 60 al 70% para la electrolisis, del 20 a 25% para la combustión y entre el 30 al 70% para la oxidación electroquímica en pilas de combustible.
El porvenir de la llamada economía del hidrógeno no está claro pero en todo caso pasa por el desarrollo de las pilas o células de combustible que tienen una previsible aplicación en transporte y aplicaciones portátiles (móviles, ordenadores, etc) y en la generación de calor y electricidad, tanto a pequeña (viviendas unifamiliares) como gran escala (centrales de potencia e industrias). El grado de desarrollo tecnológico de las pilas de combustible hace pensar que esta opción es bastante probable que tenga éxito y de hecho las principales marcas automovilísticas han presentado en los últimos años prototipos de coches propulsados por hidrógeno. Su "densidad energética" es tres veces superior a la de la gasolina.
Las pilas de combustible son sistemas electroquímicos en los que la energía de una reacción química se convierte directamente en electricidad. A diferencia de la pila eléctrica o batería, una pila de combustible no se acaba ni necesita ser recargada; funciona mientras el combustible y el oxidante le sean suministrados desde fuera de la pila. ¿Una pila de combustible consiste en un ánodo en el que se inyecta el combustible? Comúnmente hidrógeno, ¿amoniaco o hidracina? ¿Y un cátodo en el que se introduce un oxidante? Normalmente aire u oxígeno. Los dos electrodos de una pila de combustible están separados por un electrolito iónico conductor. Su principio de funcionamiento es inverso al de una electrolisis. Se transforma entonces la energía química, almacenada en el enlace H-H de la molécula H2, en energía eléctrica y vapor de agua. Este concepto nuevo ofrece ventajas sustanciales sobre la tecnología clásica de combustión, no solamente por el aumento de la eficiencia hasta niveles de 30-70% dependiendo del tipo de pila de combustible, sino también porque la única emisión producida es vapor de agua. De forma global, los automóviles que utilizan H2 como combustible son 22% más eficientes que los movidos por gasolina.
El rendimiento de las pilas de combustible, al no ser máquinas térmicas, no se limita por el ciclo de Carnot y se puede alcanzar teóricamente el 100%. Únicamente las limitaciones en el aprovechamiento de la energía generada y en los materiales empleados en su construcción impiden alcanzar este valor.
Un obstáculo importante para el uso de estas pilas en vehículos es el almacenamiento del hidrógeno. Existen diferentes alternativas:
El almacenamiento del hidrógeno gaseoso en recipientes a presión no es competitivo. Esto es debido a la baja densidad del hidrógeno gaseoso y al alto coste de los recipientes a presión. El almacenamiento de hidrógeno gaseoso comprimido es voluminoso y/o pesado y el coste por unidad de energía es alto. En los proyectos de demostración de vehículos movidos con hidrógeno se han empleado presiones muy elevadas: los autobuses de Madrid y Barcelona
almacenan el hidrógeno a 350 bares, mientras que los más recientes proyectos (por ejemplo Nissan X-Trail SUV) han llegado a 700 bares.
El almacenamiento del hidrógeno licuado mejora la situación: la densidad del hidrógeno líquido es de 70,8 kg/m3 a -253º C y 1 bar y se emplea la tecnología de tanques criogénicos que contienen una mezcla bifásica de hidrógeno que se mantiene a una presión de entre 3 y 10 bares aproximadamente. Si la presión es demasiado baja, parte del hidrógeno se vaporiza por medio de una resistencia eléctrica o permitiendo el intercambio de calor con el exterior, y si la presión es demasiado alta, se expulsa parte del hidrógeno gaseoso. El aislamiento térmico es la parte fundamental de la tecnología de estos tanques y está formado por varias capas de vacío separadas por capas de fibras. Este aislamiento permite que los depósitos permanezcan hasta 10 días antes de que sea necesario expulsar hidrógeno al exterior y, una vez que se empiezan a producir expulsiones, el ritmo de pérdida diaria es aproximadamente un 1%.
El hidrógeno no constituye directamente un combustible aprovechable, y por lo tanto, no es una fuente de energía, sino un vector energético, es decir, un portador de energía. Aunque el hidrógeno no constituye un recurso renovable, éste podría producirse mediante energía solar, eólica o hidráulica como fuentes de electricidad, aunque la realidad es que hoy en día aproximadamente el 95 % se obtiene a partir de combustibles fósiles.
Realicemos un cálculo de las energías implicadas en la obtención de hidrógeno y en su combustión (quema) u oxidación electroquímica (pilas o celdas de combustible):
La energía necesaria para extraer el hidrógeno de un litro de agua se obtiene a partir de la energía de formación del agua líquida a partir del hidrógeno y oxígeno moleculares que es de 285,8 KJ/mol. 18 gramos de agua forman un mol; luego en un litro hay 1000/18 = 55,56 moles de agua. Por tanto la energía necesaria para disociar un litro de agua (por electrolisis por ejemplo) en sus componentes Oxígeno e Hidrógeno es:
E = 55,56 x 285,8 KJ = 15793,31 KJ
Esta cantidad expresada en Kw.h resulta ser: (1 Kw.h = 3600 KJ)
E = 4,39 Kw.h
(Si aplicáramos una potencia de 4,39 Kw al proceso de electrolisis durante una hora, disociaríamos completamente un litro de agua)
Tras la disociación, 2 H2O ---> 2 H2 + O2, se obtienen dos moles de hidrógeno y un mol de oxígeno por cada dos moles de agua, por tanto de un litro de agua se obtienen:
27,78 moles O2 = 27,78 x 32 = 888,9 g O2
55,56 moles H2 = 111,1 g H2
Esto es, habremos obtenido 0,1111 Kg de hidrógeno.
Podemos recuperar energía del hidrógeno por combustión u oxidación electroquímica; puesto que el calor de combustión (u oxidación) del hidrógeno es de 284,5 KJ/mol, de la cantidad de hidrógeno obtenida anteriormente podríamos extraer:
E = 284,5 x 55,56 KJ = 15806,8 KJ = 4,39 Kw.h
Esto es válido para rendimientos del 100%, no se han considerado las pérdidas de energía que se producen tanto en la electrolisis del agua como en la combustión u oxidación electroquímica del hidrógeno pero la conclusión es que con el hidrógeno obtenido a partir del agua no se genera energía, sólo se almacena porque lo que se obtiene es igual a lo que se consume en una conversión teórica perfecta.
En la práctica los rendimientos máximos son de orden del 60 al 70% para la electrolisis, del 20 a 25% para la combustión y entre el 30 al 70% para la oxidación electroquímica en pilas de combustible.
El porvenir de la llamada economía del hidrógeno no está claro pero en todo caso pasa por el desarrollo de las pilas o células de combustible que tienen una previsible aplicación en transporte y aplicaciones portátiles (móviles, ordenadores, etc) y en la generación de calor y electricidad, tanto a pequeña (viviendas unifamiliares) como gran escala (centrales de potencia e industrias). El grado de desarrollo tecnológico de las pilas de combustible hace pensar que esta opción es bastante probable que tenga éxito y de hecho las principales marcas automovilísticas han presentado en los últimos años prototipos de coches propulsados por hidrógeno. Su "densidad energética" es tres veces superior a la de la gasolina.
Las pilas de combustible son sistemas electroquímicos en los que la energía de una reacción química se convierte directamente en electricidad. A diferencia de la pila eléctrica o batería, una pila de combustible no se acaba ni necesita ser recargada; funciona mientras el combustible y el oxidante le sean suministrados desde fuera de la pila. ¿Una pila de combustible consiste en un ánodo en el que se inyecta el combustible? Comúnmente hidrógeno, ¿amoniaco o hidracina? ¿Y un cátodo en el que se introduce un oxidante? Normalmente aire u oxígeno. Los dos electrodos de una pila de combustible están separados por un electrolito iónico conductor. Su principio de funcionamiento es inverso al de una electrolisis. Se transforma entonces la energía química, almacenada en el enlace H-H de la molécula H2, en energía eléctrica y vapor de agua. Este concepto nuevo ofrece ventajas sustanciales sobre la tecnología clásica de combustión, no solamente por el aumento de la eficiencia hasta niveles de 30-70% dependiendo del tipo de pila de combustible, sino también porque la única emisión producida es vapor de agua. De forma global, los automóviles que utilizan H2 como combustible son 22% más eficientes que los movidos por gasolina.
El rendimiento de las pilas de combustible, al no ser máquinas térmicas, no se limita por el ciclo de Carnot y se puede alcanzar teóricamente el 100%. Únicamente las limitaciones en el aprovechamiento de la energía generada y en los materiales empleados en su construcción impiden alcanzar este valor.
Un obstáculo importante para el uso de estas pilas en vehículos es el almacenamiento del hidrógeno. Existen diferentes alternativas:
El almacenamiento del hidrógeno gaseoso en recipientes a presión no es competitivo. Esto es debido a la baja densidad del hidrógeno gaseoso y al alto coste de los recipientes a presión. El almacenamiento de hidrógeno gaseoso comprimido es voluminoso y/o pesado y el coste por unidad de energía es alto. En los proyectos de demostración de vehículos movidos con hidrógeno se han empleado presiones muy elevadas: los autobuses de Madrid y Barcelona
almacenan el hidrógeno a 350 bares, mientras que los más recientes proyectos (por ejemplo Nissan X-Trail SUV) han llegado a 700 bares.
El almacenamiento del hidrógeno licuado mejora la situación: la densidad del hidrógeno líquido es de 70,8 kg/m3 a -253º C y 1 bar y se emplea la tecnología de tanques criogénicos que contienen una mezcla bifásica de hidrógeno que se mantiene a una presión de entre 3 y 10 bares aproximadamente. Si la presión es demasiado baja, parte del hidrógeno se vaporiza por medio de una resistencia eléctrica o permitiendo el intercambio de calor con el exterior, y si la presión es demasiado alta, se expulsa parte del hidrógeno gaseoso. El aislamiento térmico es la parte fundamental de la tecnología de estos tanques y está formado por varias capas de vacío separadas por capas de fibras. Este aislamiento permite que los depósitos permanezcan hasta 10 días antes de que sea necesario expulsar hidrógeno al exterior y, una vez que se empiezan a producir expulsiones, el ritmo de pérdida diaria es aproximadamente un 1%.
Aborac, muchas gracias por la respuesta, pero aun me queda una duda; Como se logra almacenar hidrógeno licuado, al bajar la temperatura, ¿el hidrógeno gaseoso pasa a ser liquido? Si la presión utilizada para almancenar hidrógeno liquido es menor que la utilizada para el gaseoso, ¿por qué es más denso el que se almacena a menor presión?
A tu juicio, que es mejor, almacenar la energía como aire comprimido, o mediante la obtención de hidrógeno, considerando las perdidas por eficiencia y calor, etc.
Muchas gracias
A tu juicio, que es mejor, almacenar la energía como aire comprimido, o mediante la obtención de hidrógeno, considerando las perdidas por eficiencia y calor, etc.
Muchas gracias
Precisamente porque el gas (0,08373 kg/m3 a 20ºC y 1bar) es mucho menos denso que el líquido (70,8 kg/m3 a -253ºC y 1 bar) debe ser muy comprimido para obtener un valor de densidad similar (60,4 kg/m3 a 1000 bares de presión). No necesitas presurizar el hidrógeno para licuarlo,¿? ¿Sólo? Hay que disminuir la temperatura a -253ºC; si se almacena líquido a una pequeña presión de entre 3 y 10 bares es porque así podemos conseguir que siga líquido con temperaturas no tan frías (pero nunca menos que -240ºC a un máximo de 13 bares).
Estos valores de densidad son necesarios para poder almacenar hidrógeno suficiente en un volumen lo suficientemente pequeño como para que los valores de autonomía y de tamaño del depósito sean comparables a los correspondientes a vehículos de gasolina. Resulta algo más eficiente enfriar el hidrógeno hasta licuarlo que almacenarlo a temperatura ambiente gaseoso a esas presiones tan grandes porque los depósitos necesarios para esto último son más pesados y voluminosos y además no se consiguen densidades tan altas.
Los depósitos de hidrógeno líquido son de tipo Dewar (¿utilizan un sistema? ¿Similar? Al de los termos de café) y en realidad contienen una mezcla bifásica de hidrógeno líquido y gaseoso; esto es así porque en el depósito sólo puede haber hidrógeno, la temperatura es tan baja que si hubiera aire éste se congelaría. De modo que tenemos hidrógeno líquido en equilibrio con un poco de hidrógeno gaseoso a una presión de entre 3 y 10 bares.
¿Respecto a la última pregunta sólo puedo decirte que el almacenamiento de energía por aire comprimido es mucho menos? ¿Denso energéticamente? Que el almacenamiento por hidrógeno y no parece posible su uso en muchas de las aplicaciones que sí tienen las células de combustible que usan hidrógeno. Sin embargo esto no quiere decir que un sistema sea peor ni mejor. El almacenamiento por aire comprimido es técnicamente mucho más sencillo y ya se está usando con éxito en plantas con grandes depósitos (algunos aprovechan cuevas naturales o minas abandonadas) en que se comprime el aire mediante compresores que utilizan energía eléctrica en momentos de poca demanda y luego lo utilizan para mover turbinas y devolver esa energía en forma de electricidad en momentos de gran demanda.
Estos valores de densidad son necesarios para poder almacenar hidrógeno suficiente en un volumen lo suficientemente pequeño como para que los valores de autonomía y de tamaño del depósito sean comparables a los correspondientes a vehículos de gasolina. Resulta algo más eficiente enfriar el hidrógeno hasta licuarlo que almacenarlo a temperatura ambiente gaseoso a esas presiones tan grandes porque los depósitos necesarios para esto último son más pesados y voluminosos y además no se consiguen densidades tan altas.
Los depósitos de hidrógeno líquido son de tipo Dewar (¿utilizan un sistema? ¿Similar? Al de los termos de café) y en realidad contienen una mezcla bifásica de hidrógeno líquido y gaseoso; esto es así porque en el depósito sólo puede haber hidrógeno, la temperatura es tan baja que si hubiera aire éste se congelaría. De modo que tenemos hidrógeno líquido en equilibrio con un poco de hidrógeno gaseoso a una presión de entre 3 y 10 bares.
¿Respecto a la última pregunta sólo puedo decirte que el almacenamiento de energía por aire comprimido es mucho menos? ¿Denso energéticamente? Que el almacenamiento por hidrógeno y no parece posible su uso en muchas de las aplicaciones que sí tienen las células de combustible que usan hidrógeno. Sin embargo esto no quiere decir que un sistema sea peor ni mejor. El almacenamiento por aire comprimido es técnicamente mucho más sencillo y ya se está usando con éxito en plantas con grandes depósitos (algunos aprovechan cuevas naturales o minas abandonadas) en que se comprime el aire mediante compresores que utilizan energía eléctrica en momentos de poca demanda y luego lo utilizan para mover turbinas y devolver esa energía en forma de electricidad en momentos de gran demanda.
