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• Ronald Núñez

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La ventana hacia una visión diferente de la energía

ARIEMA

Aplicaciones de hidrógeno y pilas de combustible. Rubén Pozo

Una breve Introducción ¿Qué es el Hidrógeno?
Es un combustible ....
... muy abundante en la Tierra ...
... pero no directamente aprovechable.
Por lo tanto no es una fuente de energía, ...
... sino un vector energético.

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El hidrógeno: propiedades físicas y químicas Hidrógeno

Gasolina

Propano

Metano

120

43

46

50

Densidad gas (kg/Nm3)

0,090

-

2,010

0,717

Densidad energética gas (MJ/ Nm3)

10,8

-

92,5

35,8

Densidad liquido (kg/l)

0,071

0,733

-

-

Densidad energética liq. (MJ/ l)

10,8

31,5

-

-

Límites de inflamabilidad (%)

4,0 – 75

1,0 - 7,6

2,1 - 9,5

5,3 – 15,0

Límites de detonación (%)

18,3 - 59

1,1 - 3,3

3,1 - 7

6,3 - 13,5

Mínima energía de activación (mJ)

0,02

0,24

0,26

0,29

Temp. de comb. espontánea (K)

858

501-744

760

813

Emisiones (mg CO2 / kJ)

0

≈ 80

65

55

Visibilidad de la llama

no

sí

sí

sí

no/no

sí/ sí

sí/ sí

sí/ sí

Poder calorífico inferior (kJ/gr)

Toxicidad (combustible y emisiones)

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Una breve Introducción ¿Cómo usar el Hidrógeno?
“Quemándolo” como si fuera gas natural o glp  combustión limpia  combustión catalítica  motores de combustión interna  turbinas de gas / ciclos combinados Reacción: H2+O2  calor y H2O


O usarlo de otra forma  Pila de combustible Reacción: H2+O2  calor + H2O + electricidad

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Una breve Introducción ¿Qué es una pila de combustible? Una pila de combustible es un generador eléctrico. Convierte de directamente la energía química de un combustible en energía eléctrica. Al igual que una batería, es un proceso electroquímico de alto rendimiento. Al igual que un generador térmico, puede funcionar en continuo mientras tenga aporte exterior de combustible.

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¿Cómo funcionan? H2

O2 e-

I

H+

e- O2

OH-

H2

e-

OHOH-

e- O2

medio ácido

e-

medio básico

H2

Ánodo

H+

H+

Cátodo

H2

½O2+2H++2e-

⇒ 2H++2e-

⇒ 2H2O

H2+2OH-

½O2+H2O+2e-

⇒2H2O+2e-

⇒2OH-

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Tipos de pilas T (oC)

Aplicaciones

Ventajas

Inconvenientes

PEM

60100

Transporte, electrónica, electricidad

-T, -corrosión, fácil arranque

Catalizadores caros Sensible a impurezas

AFC

90100

Espacio y militar

Buen comportamiento Fiabilidad

Eliminar CO2 de fuel y aire es caro

PAFC

175200

Transporte y electricidad

probada

Platino Bajas prestaciones

MCFC

6001000

Electricidad

Las de alta T

Corrosión. Tecnología alta T

SOFC

6001000

Electricidad

Las de alta T

Tecnología alta T

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PAFC

MCFC

SOFC

PEFC

H2

Fuel

Fuel

Fuel

Fuel

CO

Veneno (>0.5%)

Fuel

Fuel

Veneno (>10ppm)

CH4

Inerte

Inerte

Fuel

Inerte

CO2 & H2O

Inerte

Inerte

Inerte

Inerte

S

Veneno (>50 ppm)

Veneno (>0.5 ppm)

Veneno (>1.0 ppm)

Sin datos completo s

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Tipos de Reacciones

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APLICACIONES


Tipos de Aplicaciones  Aplicaciones Portátiles  Aplicaciones al Transporte  Aplicaciones Estacionarias

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APLICACIONES PORTÁTILES

Toshiba. PEMFC + MH Motorola. DMFC

Nokia. DMFC

FHG – ISE. PEMFC + MH

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Transporte: tierra, mar y aire
bicicletas eléctricas
motos
coches
autobuses
furgonetas
camiones
barcos
submarinos
aviones
naves espaciales

Palcan. 2 kW PEMFC MH H2

Mercedes Benz 85 kW PEMFC H2 350 bar

FCX / HONDA 85 kW PEMFC H2 350 bar

IVECO-IRISBUS 65 kW PEMFC H2 350 bar

Fastec 12 kW PEM FC H2 comp.

Duffi / Anuvu 6 kW PEM FC

Shuttle 36 kW AFC H2/O2 líquido

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Componentes Por ejemplo Honda FCX Clarity

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¿Tienen sentido el hidrógeno y las pilas de combustible en el transporte? Frente al convencional:
Bajo nivel de contaminantes
Razonable rendimiento energético
Bajo nivel vibraciones y ruidos
Generación directamente eléctrica Frente al vehículo eléctrico:
Autonomías razonables
Tiempo de recarga cortos www.ariema.com

Comparativa Propulsión

Hibrido

no Motor combustión interna sí

no Pila de combustible sí Baterías*

-

Combustible

Eq.litro /100km

gCO2 /km

mgCH4 /km

mgNOX/ km

Eq.gCO2 /km

Gasóleo

6,03

139

10

10

142

Gasolina

6,59

153

20

17

159

Gas natural

7,00

125

124

9

130

Hidrógeno

6,37

0

0

10

3

Gasóleo

5,19

120

10

10

123

Gasolina

5,18

121

20

17

127

Gas natural

5,42

97

124

9

102

Hidrógeno

4,70

0

0

10

3

Gasolina

5,56

129

124

3,5

133

Hidrógeno

3,55

0

0

0

0

Gasolina

4,84

113

124

3,5

117

Hidrógeno

3,28

0

0

0

0

Electricidad

1,49

0

0

0

0

Datos Opel Zafira. Estudio Europeo Energía y Emisiones del Pozo a la Rueda en Vehículos Avanzados. LBST, GM. 2002. * Tesla Roadster: características del fabricante

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Consideraciones de seguridad H2 ¿Seguro que es seguro?
Depósitos H2 seguros (impacto, disparo, …)
En caso de fugas, H2 muy seguro
Sería necesario adaptar/regular garajes y túneles Experimento Univ Miami (Mike Swain) 2001

Vehículos H2 + FC de bomberos franceses y californianos

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En España

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AUTOBUS EMT MADRID

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Visión de futuro en las aplicaciones al transporte ¿Qué dicen los políticos?
Plataforma Europea HFC:  2050 sistema energético basado en H2
Libro verde abastecimiento energético para Europa:  2015: H2 en 2% de los vehículos  2020: H2 en 5% de los vehículos ¿Qué dicen los fabricantes?
Honda tiene 200 unidades del FCX Clarity (alquiler)
Toyota, General Motors, Honda, Daimler y Hyundai anuncian comercialización en 2015 ($50.000 un sedán gama alta)

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Visión de futuro Hidrógeno y pilas de combustible, frente a eléctrico enchufable:  permite uso de renovables (y nuclear)  ayuda a gestionar red eléctrica  no contamina en su uso  vehículos silenciosos y libres de vibraciones ☺ ¡mayor autonomía! ☺ ¡menor tiempo de recarga!  ¡menor eficiencia energética!

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Visión de futuro Enchufable híbrido con hidrógeno y pila de combustible, frente a enchufable híbrido con gasolina:  aumenta la autonomía  reduce el tiempo de recarga  mantiene el carácter no contaminante ☺ libre ruido y vibraciones ☺ no requiere generador eléctrico  de momento, + coste y - fiabilidad

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Proyectos aplicaciones al transporte
Proyectos de aplicaciones al transporte en los que ha participado ARIEMA PSE PEIXE VERDE, eficiencia energética en barcos de pesca. (usos y aplicación real de pilas de combustible en barcos de pesca). CENIT SPHERA. Mayor proyecto de Hidrógeno en España con una presupuesto 30M €, Ariema participa como socio en líneas de estudio de trabajo de usos de hidrógeno en barcos. APACHE, Aplicación de PilAs de Combustible e Hidrógeno en pequeños vehículos Eléctricos

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Proyecto APACHE
Esquema de funcionamiento. Hidruros Metálicos 1000sL de hidrógeno

Pila de combustible

Pila de combustible de 400W eficiencia 47%

90Ah 12V

Convertidor DC/DC

batería

23-13 VDC // 12VDC (89%)

Bus a 12VDC

Motor de la Embarcación 500W a 12 V

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Fotos del proyecto APACHE

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APLICACIONES ESTACIONARIAS
Uso en aplicaciones estacionarias:  Producción continua de electricidad, producción eléctrica y de calor para un suministro continuo.  Sistemas de SAI, Sistemas de Alimentación ininterrumpida que aseguran un continuo funcionamiento eléctrico.

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Aplicaciones estacionarias

UTC-FC. 200 kW PAFC. NG

BALLARD. 200 kW PEMFC. NG

SIEMENS. SOFC. NG

MTU. 250 kW MCFC. NG www.ariema.com

Aplicaciones estacionarias :Back-up Sistema completo de 5 kW de Plug Power Vista frontal

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Aplicaciones estacionarias :Back-up Sistema completo de 5 kW de Plug Power Vista trasera

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Aplicaciones estacionarias :Back-up Sistema completo de 5 kW de Plug Power Detalle de conexiones del stack

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Algunos Proyectos en los que ARIEMA ha participado:    

RES2H2 ITHER HIDROSOLAR 21 HIDROBACKUP

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RE2H2

Cliente: Instituto Tecnológico de Canarias (ITC) 6 pilas Potencia total: 30 kW

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ITHER: Fundación del Hidrógeno de Aragón

6,3 kWp 100 kWh 7 kW

Gestión de la Energía

20 kWh

5 kW GenCore www.ariema.com

Proyecto Hidrosolar 21
Pila de combustible 5 kW en Burgos
Proyecto Hydrosolar 21

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