Asignaturas:
- Hidrógeno
- Producción de hidrógeno
- Hidrógeno como combustible para un motor Otto.
- Pila de combustible
- Tanque de almacenamiento
- Autonomía y costes del hidrógeno.
Hidrógeno:
El hidrógeno (llamado hidrógeno en inglés) se puede utilizar como portador de energía para propulsar vehículos. Por portador de energía se entiende que ya se ha aportado energía al hidrógeno con antelación. Esto contrasta con las fuentes de energía (fósiles) como el petróleo, el gas natural y el carbón, donde la energía se obtiene procesando estas sustancias quemándolas.
Por lo tanto, el hidrógeno es algo completamente diferente de la inyección de agua, que en los motores de gasolina no se utiliza como portador de energía, sino únicamente para enfriar la cámara de combustión.
El objetivo es lograr “cero emisiones” con el hidrógeno; una forma de energía que no produce gases nocivos durante su uso. La transición de los combustibles fósiles a la propulsión eléctrica en combinación con hidrógeno y una pila de combustible se incluye en el ámbito transición energética. La alimentación de vehículos con hidrógeno se puede realizar de dos formas diferentes:
- Utilizando hidrógeno como combustible para el motor Otto. El hidrógeno sustituye al combustible gasolina.
- Generar energía eléctrica utilizando hidrógeno en una pila de combustible. Utilizando esta energía eléctrica, el motor eléctrico impulsará el vehículo de forma totalmente eléctrica.
Ambas técnicas se describen en esta página.
El hidrógeno se puede producir con energía sostenible o a partir de combustibles fósiles. Intentamos evitar esto último en la medida de lo posible, porque los combustibles fósiles escasearán en el futuro. También se producirá CO2 al procesar combustibles fósiles.
Las columnas siguientes muestran el contenido energético de una batería, hidrógeno y gasolina. Vemos que hay mucho
Batería:
- Contenido energético: 220 Wh/kg, 360 Wh/l
- Muy eficiente
- Almacenamiento corto
- Posible liberación directa de energía.
- El transporte es complicado
Hidrógeno (700 bar):
- Contenido energético: 125.000 kJ/kg, 34,72 kWh/kg
- 30% calor, 70% H2 (pila de combustible PEM)
- Posibilidad de almacenamiento prolongado
- Conversión necesaria
- Fácil de transportar
Gasolina:
- Valor energético: 43.000 kJ/kg, 11,94 kWh/kh
- Retorno hasta 33%
- Posibilidad de almacenamiento prolongado
- Conversión necesaria (combustión)
- Fácil de transportar
El hidrógeno se encuentra a nuestro alrededor, pero nunca gratis. Siempre está atado. Vamos a producirlo, aislarlo y almacenarlo.
- 1 kg de gas hidrógeno (H2) puro = 11.200 litros a presión atmosférica
- El H2 es más pequeño que cualquier otra molécula.
- El H2 es más ligero que cualquier otra molécula.
- H2 siempre está buscando conexiones
Además de la producción y aplicación del hidrógeno en los turismos, esta página también analiza su almacenamiento y transporte (al final de la página).
Producción de hidrógeno:
El hidrógeno es un gas que no se extrae del suelo, como el gas natural. Es necesario producir hidrógeno. Esto se hace, entre otras cosas, mediante electrólisis, un proceso en el que el agua se convierte en hidrógeno y oxígeno. Esto es lo contrario de la reacción que tiene lugar en una pila de combustible. Además, el hidrógeno se puede obtener mediante procesos menos respetuosos con el medio ambiente. Los datos siguientes muestran cómo se puede producir hidrógeno en 2021.
- Carbón: C + H20 -> CO2 + H2 + Nox + SO2 +… (temperatura: 1300C-1500C)
- Gas natural: CH4 + H2O -> CO2 + 3H2 (temperatura requerida: 700C-1100C)
- Aceite: CxHyNzOaSb +…. -> cH2 + muchos subproductos
- Electrólisis del agua: 2H2O -> 2H2 + O2
La electrólisis del agua es muy limpia y es la forma de producción de hidrógeno más respetuosa con el medio ambiente. Esto libera hidrógeno y oxígeno, a diferencia del procesamiento de combustibles fósiles, que libera CO2.
- Electrólisis del agua; La electrólisis es una reacción química que divide las moléculas de agua para crear hidrógeno y oxígeno puros. El hidrógeno se puede producir en cualquier lugar donde haya agua y electricidad. Una desventaja es que se necesita electricidad para producir hidrógeno y luego convertirlo nuevamente en electricidad. Durante este proceso se pierde hasta el 50%. La ventaja es que la energía se almacena en hidrógeno.
- Convertir combustibles fósiles; El petróleo y el gas contienen moléculas de hidrocarburos formadas por carbono e hidrógeno. El hidrógeno se puede separar del carbono mediante el llamado procesador de combustible. La desventaja es que el carbono desaparece en el aire en forma de dióxido de carbono.
La producción de hidrógeno obtenida con combustibles fósiles se denomina hidrógeno gris. Esto libera NOx y CO2 a la atmósfera.
A partir de 2020, la producción será cada vez más “azul”: se capturará CO2.
El objetivo es producir exclusivamente hidrógeno verde para 2030: la electricidad y el agua verdes son las fuentes del hidrógeno generado más respetuoso con el medio ambiente.
En el mundo químico, el hidrógeno se conoce como H2, lo que significa que una molécula de hidrógeno está formada por dos átomos de hidrógeno. El H2 es un gas que no se encuentra en la naturaleza. La molécula H2 se encuentra en todo tipo de sustancias, siendo la más conocida el agua (H20). El hidrógeno debe obtenerse separando la molécula de hidrógeno de, por ejemplo, una molécula de agua.
Por tanto, la producción de hidrógeno mediante electrólisis es el futuro.
La siguiente imagen muestra un modelo comúnmente utilizado en las lecciones de química.
- Las barras positivas y negativas de una batería cuelgan en el agua;
- Del lado del ánodo se obtiene oxígeno;
- Del lado del cátodo se obtiene hidrógeno.
El hidrógeno producido a partir de combustibles fósiles, por ejemplo metano (CH4), se convierte en este caso en H2 y CO2 mediante reformado. El CO2 se puede separar y almacenar bajo tierra, por ejemplo en un campo de gas natural vacío. Por lo tanto, el uso de gas natural contribuye poco o nada a las emisiones de CO2 a la atmósfera. El hidrógeno también se puede producir a partir de biomasa. Si el CO2 liberado durante este proceso también se separa y almacena bajo tierra, es incluso posible conseguir emisiones de CO2 negativas; eliminar CO2 de la atmósfera y almacenar este CO2 en la Tierra.
El hidrógeno, a diferencia de los combustibles fósiles como el petróleo, el gas natural y el carbón, no es una fuente de energía, sino un vector de energía. Esto significa que primero se debe aprovechar la energía liberada al utilizar hidrógeno, por ejemplo como combustible en un automóvil. Se requiere electricidad para producir hidrógeno mediante electrólisis. La sostenibilidad de este hidrógeno depende en gran medida de la sostenibilidad de la electricidad utilizada.
Hidrógeno como combustible para un motor Otto:
Un motor Otto es otro nombre para un motor de gasolina. El motor de gasolina fue inventado en 1876 por Nikolaus Otto. En este caso lo llamamos motor Otto, porque la gasolina se sustituye por otro combustible, concretamente el hidrógeno. En un motor donde se inyecta hidrógeno, ya no hay depósito de combustible con gasolina.
Al quemar hidrógeno, a diferencia de los motores Otto y diésel convencionales, no se producen gases CO2, sino sólo agua. Cuando se inyecta hidrógeno mediante inyección directa, habrá un aumento de potencia del 15 al 17% en comparación con la gasolina. Cuando se inyecta hidrógeno en la válvula de entrada (inyección indirecta), se produce un calentamiento rápido a través del aire. El aire también es desplazado por el hidrógeno. En ambos casos fluye menos oxígeno (O2) a la cámara de combustión. En el peor de los casos se produce una pérdida de potencia de hasta el 50%.
La relación entre aire e hidrógeno no es tan precisa como, por ejemplo, en una mezcla de aire y gasolina. Por tanto, la forma de la cámara de combustión no tiene gran importancia.
El hidrógeno se puede inyectar de dos formas:
– Líquido: Con un suministro líquido de hidrógeno, la temperatura de combustión bajará relativamente debido a la evaporación, por lo que se crea menos NOx.
– Gaseoso: si el hidrógeno se almacena en forma líquida en el tanque y fluye hacia el espacio de combustión a temperatura ambiente, se debe utilizar un evaporador para convertir el hidrógeno del estado líquido al gaseoso. En ese caso, el refrigerante del motor calienta el evaporador. Las posibles medidas para reducir los NOx son; aplicando EGR, inyección de agua o uno inferior índice de compresión.
La siguiente imagen muestra cuatro situaciones con tres versiones diferentes de inyección de hidrógeno. En la segunda imagen desde la izquierda, el hidrógeno gaseoso se inyecta indirectamente en el colector de admisión. El hidrógeno gaseoso se calienta a temperatura ambiente. El hidrógeno también ocupa espacio, lo que hace que fluya menos oxígeno hacia el cilindro. Esta es la situación en la que se produce la mayor pérdida de energía.
En la tercera imagen el hidrógeno se suministra en forma líquida. Criogénico significa que el hidrógeno se ha enfriado muy fuertemente (un método para almacenar grandes cantidades de hidrógeno en forma líquida en un tanque de almacenamiento relativamente pequeño). Debido a que la temperatura del hidrógeno es más baja y se encuentra en estado líquido, se produce un mejor llenado del cilindro. Gracias a la baja temperatura, se consigue una eficiencia casi tan alta como la de un motor con inyección directa (de hidrógeno). El motor de inyección directa se puede ver en la cuarta imagen. Todo el espacio de combustión está lleno de oxígeno. Cuando la válvula de admisión está cerrada y el pistón comprime el aire, se inyecta una cierta cantidad de hidrógeno a través del inyector. La bujía de este motor está detrás o al lado del inyector (esto no se muestra en la imagen).
La eficiencia de un motor Otto, por supuesto, no es del 100%, pero en esta imagen se comparan las eficiencias de la combustión de hidrógeno con la combustión de gasolina.
El hidrógeno tiene una alta densidad energética por unidad de masa (120 MJ/kg), lo que lo hace casi tres veces más alto que la gasolina. Las buenas propiedades de ignición del hidrógeno permiten hacer funcionar el motor de forma muy pobre, con un valor lambda de 4 a 5. La desventaja de utilizar una mezcla pobre es que la potencia será menor y las características de conducción se reducirán. Para compensar esto, se suele utilizar una sobrealimentación (un turbo).
Debido a la mayor área de ignición en comparación con la gasolina, el riesgo de detonación o contraataque es mayor. Por tanto, es muy importante que exista un buen control del suministro de combustible y del encendido. A plena carga, la temperatura en la cámara de combustión puede llegar a ser muy alta. A menudo hay inyección de agua necesario para garantizar una refrigeración suficiente y, por tanto, también para evitar una ignición prematura (en forma de detonación o fuego contraproducente).
Pila de combustible:
En el apartado anterior se explicó cómo el hidrógeno puede servir como combustible para el motor de combustión. Otra aplicación del hidrógeno es la pila de combustible. Un vehículo equipado con pila de combustible no tiene un motor de combustión sino uno o más motores eléctricos. La energía eléctrica para hacer funcionar los motores eléctricos es producida por la pila de combustible. Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte la energía química directamente en energía eléctrica, sin pérdidas térmicas ni mecánicas. Por tanto, la conversión de energía en la pila de combustible es muy eficiente. La pila de combustible funciona generalmente con hidrógeno, pero también se puede utilizar un combustible como el metanol.
En principio, una pila de combustible puede compararse con una batería, porque ambas producen electricidad mediante un proceso químico. La diferencia es que la energía almacenada en la batería se libera una vez. La energía se agota con el tiempo, por lo que es necesario recargar la batería. Una pila de combustible proporciona energía continua, siempre que se suministren reactivos a la pila electroquímica. Los reactivos son sustancias químicas que reaccionan entre sí en una reacción química.
En una pila de combustible, el hidrógeno y el oxígeno se convierten en iones H+ y OH- (partículas cargadas). Los iones están separados por una membrana en cámaras separadas de la pila de combustible. La pila de combustible contiene dos electrodos de carbono porosos sobre los que se aplica un catalizador; para el hidrógeno (H) un electrodo negativo (ánodo) y para el oxígeno (O) un electrodo positivo (cátodo).
Los iones H+ y OH- se unen a través de electrodos (ánodo y cátodo), después de lo cual los iones + y – reaccionan entre sí. El cátodo cataliza la reacción en la que los electrones y protones reaccionan con el oxígeno para formar el segundo producto final, es decir, agua. Los iones H+ y OH- juntos forman una molécula de H2O. Esta molécula no es un ion porque su carga eléctrica es neutra. La partícula positiva y la partícula negativa juntas dan una partícula neutra.
La oxidación del hidrógeno (H) tiene lugar en el ánodo. La oxidación es el proceso en el que una molécula dona sus electrones. El ánodo actúa como catalizador, dividiendo el hidrógeno en protones y electrones.
La reducción tiene lugar en el cátodo añadiendo oxígeno (O). Los electrones, sellados por el ánodo, viajarán hasta el cátodo a través de un cable eléctrico que conecta los electrones con el exterior.
Al no transferir electrones directamente, sino a través de una ruta externa (el cable de corriente), esta energía se libera en gran medida como energía eléctrica. El circuito está cerrado por iones en un electrolito de conexión entre el reductor y el oxidante.
La partícula que absorbe electrones se llama oxidante y por tanto se reduce. El agente reductor pierde electrones y se oxida. Una reducción es el proceso mediante el cual una partícula absorbe electrones. La oxidación y la reducción siempre van juntas. El número de electrones liberados y absorbidos es siempre el mismo.
En el polo negativo tiene lugar la siguiente reacción:
En el polo positivo tiene lugar una reacción diferente:
La siguiente imagen muestra la vista inferior de una pila de celda de combustible de Toyota. Esta pila de pilas de combustible se encuentra debajo del capó del coche. El motor eléctrico está unido a esta pila. El motor eléctrico suministra potencia a la transmisión, que está conectada a los ejes de transmisión para transmitir las fuerzas motrices a las ruedas.
Se pueden ver varios tubos de aire en la parte superior de la pila. Esto incluye, entre otras cosas, la bomba de aire que bombea el aire a las pilas de combustible, en función de la potencia requerida por el motor eléctrico.
Esta pila de combustible está equipada con 370 pilas de combustible. Cada pila de combustible suministra 1 voltio, por lo que se puede suministrar un total de 370 voltios al motor eléctrico. Todas las pilas de combustible están situadas una debajo de la otra. El círculo rojo muestra una ampliación, donde se puede ver claramente el apilamiento de las pilas de combustible.
Tanque de almacenamiento:
Aunque el hidrógeno tiene una alta densidad de energía por unidad de masa (120 MJ/kg) y, por tanto, es casi tres veces mayor que la gasolina, la densidad de energía por unidad de volumen es muy baja debido a su menor masa específica. Para el almacenamiento, esto significa que el hidrógeno debe almacenarse bajo presión o en forma líquida para poder utilizar un tanque de almacenamiento con un volumen manejable. Existen dos variantes para aplicaciones en vehículos:
- Almacenamiento gaseoso a 350 o 700 bar; A 350 bar, el volumen del depósito en términos de contenido energético es diez veces mayor que con gasolina.
- Almacenamiento de líquidos a una temperatura de -253 grados (almacenamiento criogénico), donde el volumen del tanque en términos de contenido energético es 4 veces mayor que con la gasolina. Con el almacenamiento gaseoso, el hidrógeno se puede almacenar indefinidamente sin pérdida de combustible ni comprometer la calidad. El almacenamiento criogénico, por el contrario, da lugar a la formación de vapor. Debido a que la presión en el tanque aumenta debido al calentamiento, el hidrógeno escapará a través de la válvula de alivio de presión; una fuga de aproximadamente dos por ciento por día es aceptable. Las opciones de almacenamiento alternativas aún se encuentran en etapa de investigación.
La siguiente imagen muestra dos tanques de almacenamiento debajo del automóvil. Se trata de tanques de almacenamiento donde se almacena el hidrógeno en forma gaseosa a una presión de 700 bar. Estos tanques de almacenamiento tienen un espesor de pared de aproximadamente 40 milímetros (4 centímetros), lo que los hace resistentes a altas presiones.
A continuación podéis ver de nuevo cómo están montados los depósitos de hidrógeno bajo el coche. El tubo de plástico es el drenaje de agua que se crea durante la conversión en la pila de combustible.
Repostaje con hidrógeno:
En el momento de escribir este artículo, sólo hay dos estaciones de servicio de hidrógeno en los Países Bajos. Una de estas gasolineras está en Rhoon (Holanda del Sur). Las imágenes muestran las boquillas de llenado utilizadas para repostar. La presión de trabajo para el llenado es de 350 bar para vehículos comerciales y de 700 bar para turismos.
La conexión de llenado del vehículo se encuentra detrás de la habitual tapa de combustible. A esta conexión de llenado está conectada la pistola de llenado. Después de conectar la boquilla de llenado, la conexión se bloqueará. El depósito de almacenamiento del vehículo se llenará con hidrógeno gaseoso a una presión de 700 bares.
Autonomía y costes del hidrógeno.
Como ejemplo, tomamos un Toyota Mirai (año de modelo 2021) y observamos la autonomía y los costes adicionales:
- Alcance de 650 km;
- Consumo: 0,84 kg/100 km;
- Precio del combustible por kilómetro: de 0,09 a 13 céntimos;
- Impuesto de circulación €0,-
Comparado con un vehículo con motor diésel, un coche de pila de combustible no es barato. Aunque los costes del impuesto de circulación desempeñan un papel importante, en 2021 el número de gasolineras en los Países Bajos sigue siendo escaso. A continuación se muestra una comparación de los costes por 100 km con los precios actuales del combustible:
BMW 320d (2012)
- Gasóleo: 1,30 euros por litro;
- Consumo: 5,8 l/100 km;
- Cuesta 100 km: 7,54 €.
Toyota Mirai (2020):
- Hidrógeno: 10 euros por kg;
- Consumo: 0,84 kg/100 km;
- Cuesta 100 km: 8,40 €
Páginas relacionadas:
- Propulsión eléctrica (Descripción general);
- Transición energética.
