H2

Fuente: Plataforma Tecnológica Española del Hidrógeno y de las Pilas de Combustible

El hidrógeno es el elemento químico más ligero que existe, su átomo está formado por un protón y un electrón y es estable en forma de molécula diatómica (H2).
A temperatura ambiente y presión atmosférica se presenta en estado gaseoso, es incoloro, inodoro, insípido y no es tóxico. 
En la Tierra es muy abundante, pero se encuentra unido al oxígeno formando agua, o al carbono, formando compuestos orgánicos. Por tanto, no es un combustible que pueda tomarse directamente de la naturaleza, sino que es un vector energético (como la electricidad) y por ello se tiene que “fabricar.” 
Un kilogramo de hidrógeno es capaz de liberar más energía que un kilogramo de cualquier otro combustible (casi el triple que la gasolina o el gas natural), pero lo mejor es
que para liberar esa energía no emite nada de dióxido de carbono, tan sólo vapor de agua, por lo que produce cero impacto ambiental.

LAS VENTAJAS 
-Transformación con alta eficiencia, lo que implica menor gasto de recursos y menor contaminación.
-Desacoplamiento entre la producción y el uso de la energía.
-Posibilidad de cogeneración.

EL SISTEMA ENERGÉTICO DEL HIDRÓGENO
El hidrógeno se puede producir a partir de distintas materias primas, distintas fuentes de energía y por distintos procedimientos. 
Según sean la materia prima y la fuente energética utilizada para producirlo se podrá hablar de procesos 100% renovables, 100% fósiles o híbridos en un determinado porcentaje.
Con las técnicas de captura y almacenamiento de CO2, los procesos de producción de hidrógeno evitan emisiones de CO2 incluso utilizando combustibles fósiles.

APLICACIONES 
El hidrógeno puede utilizarse para producir electricidad, bien a través de un proceso de combustión o directamente en una pila de combustible.
La aplicación del hidrógeno en pilas de combustible es muy diversa, en centrales eléctricas, en aplicaciones portátiles, en hogares (electricidad y calor), en transporte terrestre, marítimo y aéreo, y en la desalación de agua de mar
También puede producirse para la combustión en motores o turbinas

LAS PILAS DE COMBUSTIBLE
Son dispositivos electroquímicos capaces de transformar directamente la energía química de un combustible en energía eléctrica.
Al no estar basados en procesos de combustión, su eficiencia es mucho mayor, consiguiéndose así un mejor aprovechamiento del combustible.
 
TIPOS DE PILAS DE COMBUSTIBLE
En función de su temperatura de funcionamiento y del tipo de electrolito empleado se pueden clasificar en:

A baja temperatura

• Membrana Polimérica (PEMFC) (≈ 30-90ºC)

• Metanol directo (DMFC) (≈ 30-90ºC)

• Alcalinas (AFC) (≈ 100ºC)

A media temperatura

• Ácido fosfórico (PAFC) (≈ 200ºC)

A alta temperatura

• Carbonato fundido (MCFC) (≈ 600ºC)

• Óxido sólido (SOFC) (≈ 800ºC -1000 ºC)

 

LOS NÚMEROS DEL HIDRÓGENO

 Fuente: Asociación Española del Hidrógeno y ARIEMA

1. Densidad: 0,0899 kg/Nm3(gas)0,0708 kg/l (liquido)
2. Poder calorífico inferior: 120 MJ/kg
                          superior: 141,86 MJ/kg
3. Límites de explosión: 4,0 – 75,0 % (concentración de H2 en aire)
4. Límites de detonación: 18,3 – 59,0 % (concentración de H2 en aire)
5. Capacidad calorífica específica: Cp=14,199 KJ/(kg·K)Cv=10,074 KJ(kg·K)
6. Coeficiente de difusión: 0,61 cm2/s
7. Factor de compresibilidad: de acuerdo a la siguiente tabla

Presión (bar)

1

50

100

150

200

250

300

350

400

500

600

700

800

900

1000

Factor comp.

1

1,032

1,065

1,089

1,132

1,166

1,201

1,236

1,272

1,344

1,416

1,489

1,560

1,632

1,702

Ejemplo de aplicación del factor de compresibilidad: 1 botella (las convencionales) de 50 litros a 200 bar de hidrógeno contiene a 0oC: 0,050 m3 ·200 / 1,132 = 8,834 Nm3

EQUIVALENCIAS

HIDRÓGENO – ENERGÍA

Masa H2 (kg)

H2 gas (Nm3)

H2 líquido1 (litros)

Energía2 (MJ)

Energía2 (kW·h)

1

=

11,12

=

14,12

=

120

=

33,33

0,0899

=

1

=

1,270

=

10,8

=

3,00

0,0708

=

0,788

=

1

=

8,495

=

2,359

0,00833

=

0,0926

=

0,1177

=

1

=

0,278

0,0300

=

0,333

=

0,424

=

3,6

=

1

1 El hidrógeno es líquido a presión atmosférica por debajo de 20,39 K

2 Basado en poder calorífico inferior

CAUDAL DE HIDRÓGENO – POTENCIA ELÉCTRICA

Kg/h de H2

Nm3/h de H2 gas

litros/h de H2 líquido1

Potencia2 (kW)

1

=

11,12

=

14,12

=

33,33

0,0899

=

1

=

1,270

=

3,00

0,0708

=

0,788

=

1

=

2,359

0,00833

=

0,0926

=

0,1177

=

0,278

0,0300

=

0,333

=

0,424

=

1

1 El hidrógeno es líquido a presión atmosférica por debajo de 20,39 K

2 Basado en poder calorífico inferior

Ejemplos:

  1. Un electrolizador con un rendimiento del 85% que produzca 10 Nm3 por hora, tiene un consumo eléctrico de 35,29 kW (10·3,00/0,85), y consume 8,091 kg de agua por hora (10·0,0899·(18/2)).
  2. Una pila de combustible de 10 kW que tenga un rendimiento global del 45%, consume 7,40 Nm3 por hora de H2 (10·0,333/0,45), o 0,667 kg/hora de H2 (10·0,030/0,45), y produce 6,00 kg de agua a la hora (0,667·(18/2)).

COMPARATIVA HIDRÓGENO – OTROS COMBUSTIBLES

(valor energético basado en poder calorífico inferior)

1 kg de H2 ↔ 2,78 kg de gasolina ↔ 2,80 kg de gasóleo ↔ 2,40 kg de metano ↔ entre 2,54 y 3,14 kg de gas natural (dependiendo de la composición del GN) ↔ 2,59 kg de propano ↔ 2,62 kg de butano ↔ 6,09 kg de metanol

1 litro de H2 líquido ↔ 0,268 litros de gasolina ↔ 0,236 litros de gasóleo ↔ 0,431 litros de metanol

1 litro de H2 (a 350 bar) ↔ 0,0965 litros de gasolina ↔ 0,0850 litros de gasóleo ↔ 0,240 litros de metano (a 350 bar) ↔ entre 0,3 y 0,35 litros de gas natural (a 350 bar) ↔ 0,117 litros de propano (a 350 bar) ↔ 0,127 litros de butano (a 350 bar) ↔ 0,191 litros de metanol

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