Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito

Termodinámica – Uso del hidrogeno en la industria y el transporte

Andrés Felipe Jiménez Villamil

Sebastián Leonardo Páez

1) Contaminación producida al quemar combustibles fósiles y biomasa.

Los combustibles fósiles son fuentes de energía que provienen de los restos de plantas y animales. Se necesitan millones de años para que se formen. Según la EPA (siglas en inglés de la Agencia de Protección Ambiental), el 86 por ciento del consumo mundial de energía proviene de estas fuentes. Hay tres combustibles fósiles: petróleo, gas natural y carbón, el carbón es el más abundante y el menos caro.

La contaminación producida por la quema de combustibles fósiles principalmente está dada por:

Polución del aire

La contaminación del aire proviene de varias fuentes, pero los automóviles y la industria son los dos mayores contribuyentes. La quema de combustibles fósiles produce productos de desecho debido a las impurezas presentes en el combustible. Produce varios gases, dióxido de azufre, dióxido de nitrógeno y compuestos orgánicos volátiles. El resultado es la lluvia ácida, el esmog y el hollín. El esmog se forma cuando varios compuestos orgánicos y dióxido de nitrógeno interactúan con la luz del sol y el calor. El esmog causa graves problemas respiratorios. El hollín se forma a partir de pequeñas partículas de nitrógeno y dióxido de azufre. Las diminutas partículas se inhalan con facilidad. Las enfermedades asociadas con el hollín incluyen ataques al corazón, ritmo cardíaco irregular, asma y muerte prematura. La contaminación del aire también tiene efectos perjudiciales sobre las plantas y la agricultura.

Polución del agua

La contaminación de los recursos hídricos tiene una amplia gama de efectos adversos en seres humanos y el medio ambiente. Las fuentes de agua están contaminadas por la lluvia ácida. Según Greenstudentu.com, más de dos tercios de "los estuarios y bahías estadounidenses son severamente degradados por la contaminación por nitrógeno y fósforo". La EPA establece normas de emisión para intentar regular los peligros de la contaminación del agua, pero presenta un serio peligro para los Estados Unidos. El agua contaminada afecta a las plantas, la vida animal y los seres humanos.

Cambio climático

La quema de combustibles fósiles contribuye a la acumulación de gases de efecto invernadero, que es considerado como el principal factor de cambio climático y el calentamiento global. El mayor contribuyente a los gases de efecto invernadero es la quema de combustibles fósiles. El uso del automóvil en los Estados Unidos es uno de los que más contribuyen a los gases de efecto invernadero. Las consecuencias perjudiciales son una reducción de la capa de ozono y las temperaturas más cálidas. La reducción de la capa de ozono amenaza la salud humana, la vegetación y el ecosistema marino. Contribuye a la subida de las aguas, que amenazan las regiones costeras.

Contaminación producida por Biomasa.

El uso de la biomasa como fuente de energía primaria se realiza por medio de un proceso de combustión, ya que, si ésta no puede usarse directamente como combustible, se busca su transformación en sustancias que sí sean aptas para utilizar en ese tipo de proceso.

La combustión supone la aparición de productos contaminantes en mayor o menor grado, dependiendo de la naturaleza de los reactivos y de las tecnologías utilizadas, con el alto riesgo de que dichos productos sean emitidos al medioambiente. Por otro lado, hay que tener en cuenta que en los diferentes procesos de transformación de la biomasa en otras sustancias combustibles, también se producen sustancias contaminantes que se vierten al medioambiente. Entre ellas, destacan las partículas, el dióxido y monóxido de carbono, los compuestos de azufre, los óxidos de nitrógeno y los residuos sólidos y líquidos.

Las partículas que se obtienen en un proceso de combustión son las cenizas volantes. Actualmente, existen sistemas y equipos con una tecnología totalmente desarrollada y como fuente de energía, ya que existen muchos equipos de combustión de pequeño tamaño para uso doméstico que no incorporan sistemas de retención de partículas.

2) Métodos para producción del hidrógeno a gran escala.

Electrolisis:

El proceso de la electrólisis consiste en la descomposición del agua utilizando la

electricidad.

Es un proceso que está disponible comercialmente con una tecnología comprobada.

Es un proceso industrial conocido desde hace tiempo y por ello perfectamente

entendido; tiene la ventaja de que es modular y puede adaptarse fácilmente para

pequeñas o grandes cantidades de gas; el hidrógeno que se obtiene mediante este

procedimiento tiene una gran pureza. Otra ventaja de la electrólisis es su posible

combinación con las energías renovables para producir H2 a partir de fuentes

renovables, compensando la naturaleza intermitente de algunas de estas fuentes.

Plantea una competencia directa con el uso directo de la electricidad renovable: la

energía generada se vierte a la red o se emplea en la electrólisis.

Reformado (aplicaciones estacionarias y en vehículos):

Consiste en la reacción de hidrocarburos con calor y vapor de agua. También es un

proceso generalizado a gran escala y permite obtener un hidrógeno de bajo coste a

partir de gas natural. Plantea oportunidades para combinarse con la fijación de CO2 a

gran escala (“almacenamiento del carbono”). Como contrapartida las unidades a

pequeña escala no son comerciales y el hidrógeno contiene algunas impurezas (en

algunas aplicaciones puede resultar necesaria una limpieza del gas o reacciones

secundarias para la eliminación del CO). Las emisiones de CO2 junto al proceso de

fijación del CO2, que genera costes adicionales, son los inconvenientes que se le

pueden encontrar a este proceso.

Gasificación:

Partiendo de hidrocarburos pesados y biomasa se forma hidrógeno y gases para

reformado mediante la reacción con vapor de agua y oxígeno. Perfectamente

adecuado para hidrocarburos pesados a gran escala, puede utilizarse para

combustibles sólidos, como el carbón, y líquidos. Presenta algunas similitudes con

combustibles sintéticos derivados de la biomasa –la gasificación de biomasa en fase de

demostración-. Las unidades pequeñas son muy escasas, ya que el hidrógeno suele

exigir una limpieza sustancial antes de su uso. La gasificación de biomasa aún es objeto

de investigación y tiene implicaciones debido a la utilización de grandes extensiones de

tierra. El hidrógeno que se obtendría mediante este proceso entra en competencia con

los combustibles sintéticos derivados de la biomasa.

Ciclos termoquímicos:

Utilizan el calor barato de alta temperatura procedente de la energía nuclear o solar

concentrada. Este proceso sería potencialmente atractivo para su aplicación a gran

escala, con bajo coste, y sin emisión de gases de invernadero, para la industria pesada

o el transporte. Para ello existen diferentes proyectos de colaboración internacional

(Estados Unidos, Europa y Japón) sobre investigación, desarrollo y puesta en operación

de plantas que operen con este proceso. Actualmente hace falta una mayor

investigación y desarrollos no comerciales sobre el proceso que pueden alargarse

durante los próximos diez años: los temas que se estudia desarrollar son materiales,

tecnología química, y la implantación del reactor nuclear de alta temperatura (HTR).

Producción biológica: Las algas y las bacterias producen directamente hidrógeno en

determinadas condiciones. Durante los últimos años se estudia este recurso de gran

envergadura potencial aunque con un ritmo de producción de hidrógeno bastante

lento. Se necesitan grandes superficies y la mayor parte de los organismos apropiados

no se han encontrado todavía. Hoy día está siendo objeto de estudio en distintos

centros investigación.

3) Antecedentes de uso del hidrógeno como combustible en la industria.

Industria Eléctrica.

En la industria eléctrica se ha empleado el gas de hidrógeno con objeto de enfriar el rotor y el estator de grandes turbinas y motores eléctricos.

Industria Aeroespacial.

El Hidrógeno líquido se emplea como combustible primario de los cohetes espaciales junto con oxígeno o fluoruros y como combustible en los cohetes de propulsión nuclear y los vehículos espaciales. Su uso en las lanzaderas espaciales es doble ya que no sólo alimenta (junto con el oxígeno) los reactores principales de las lanzaderas espaciales sino que también es el encargado de generar, mediante pilas de combustible, la electricidad y el agua necesarios para los sistemas y ocupantes del vehículo espacial.

Industria de Alimentos

El hidrógeno se utiliza también en el sector de la alimentación para la hidrogenación de los aceites y grasas vegetales y animales.

Industria Metalúrgica.

Tiene aplicación en el campo metalúrgico por su habilidad para reducir los óxidos metálicos y prevenir la oxidación en tratamientos térmicos de ciertos materiales y aleaciones. Además tiene uso en el corte y la soldadura de metales.

Industria Oil & Gas.

El hidrógeno es extensamente empleado en la síntesis del amoniaco y en las operaciones de refino del petróleo.

Otras aplicaciones

En la industria química se utiliza el hidrógeno para la síntesis de plásticos, poliéster y nailon, también se utiliza el hidrógeno para obtener vidrio plano (para el acristalamiento, las pantallas planas, etc.), una atmósfera protectora formada por nitrógeno e hidrógeno también permite proteger este baño de estaño y por último en la industria electrónica, el hidrógeno se utiliza como gas de barrido durante las fases de depósito de silicio o de producción de circuitos impresos.

4) Antecedentes de uso del hidrógeno como combustible en el trasporte.

El hidrógeno como combustible alternativo nace de la necesidad de buscar combustibles alternos que solucionen las falencias que tienen los fuetes de energía actuales, estas son principalmente por cuestiones de contaminación, en vista de ello se han desarrollado tecnologías que usan hidrógeno para aplicaciones en el sector transporte, estas enfocadas primordialmente al llamado motor de Hidrogeno.

Motores de Hidrogeno

Cuando hablamos de motores a hidrógeno tenemos que distinguir básicamente a dos tipos de motores, el basado en "celdas de combustible" de hidrógeno que en sí se trata de un "motor eléctrico" que recibe electricidad de las propias celdas, y el "motor de combustión interna", similar a los motores convencionales, que logran la fuerza motriz gracias a la ignición del hidrógeno dentro de la cámara de combustión.

Motor de hidrogeno basado en celdas de combustible.

Este usa una celda de combustible que básicamente es una membrana en la que se mezclan el hidrógeno y el aire de la atmósfera. De su unión surge una corriente eléctrica que sirve para mover un motor eléctrico en el caso de los vehículos. El residuo de la reacción es sólo agua.

El fabricante Toyota ha logrado la homologación en Japón de un vehículo híbrido alimentado por celda de combustible que logra una autonomía de 830 kilómetros, frente a los 330 de la generación anterior. El nuevo vehículo, FCHV-adv (Fuel Cell Hybrid Vehicle-Advanced) ha sido homologado con la nueva celda de combustible, de nuevo diseño y alto rendimiento, que aún será mejorada en una nueva fase de desarrollo.

Motor de hidrogeno de combustión interna.

Las celdas de combustible son todavía caras y no son lo suficientemente fiables (tiempo de funcionamiento limitado). Así que hay fabricantes como BMW, Mazda, etc. que se han decidido por quemar el hidrogeno dentro de los motores de combustión interna, estos motores son muy similares a los convencionales. El H2 es altamente inflamable y se quema en concentraciones que van desde el cuatro hasta el 74 por ciento, produciendo algunos óxidos de nitrógeno (NOx), pero sólo algunas trazas residuales de emisiones de dióxido de carbono e hidrocarburos (debido a que quema la película de aceite de las paredes de los cilindros). El H2 se quema limpiamente, pero no a estándares de cero emisiones. BMW y Mazda creen que se podrían vender motores duales de combustible y H2 mientras se desarrolla la infraestructura de surtidores de hidrogeno en los países. BMW comenzó a experimentar con motores de H2 en 1978 y ha construido flotillas de demostración. Mazda ha mostrado numerosos conceptos de motor rotativo (RX8s) de hidrógeno desde 1991.

5) Almacenamiento seguro del hidrogeno

De acuerdo al tiempo de almacenamiento: Los sistemas de almacenamiento pueden ser a corto, medio y largo plazo. A corto plazo (diario y semanal), es para pequeñas aplicaciones (≤30kW) y se satisface usando baterías o hidruros metálicos. A medio plazo o estacional (de verano a invierno) es para aplicaciones mayores (≤300kW) y requiere cilindros a presión que contienen hidrógeno gaseoso tanto para sistemas móviles como estacionarios. A gran escala (>100MW) el hidrógeno líquido se ha propuesto como una manera adecuada de almacenamiento.

La selección de la forma de almacenar el hidrógeno depende de la aplicación y se hace de acuerdo con los siguientes criterios:

• Densidad gravimétrica del sistema (DG): es el peso del hidrógeno almacenado entre el peso del sistema, se suele expresar en % (peso hidrógeno /peso sistema).

• Densidad volumétrica del sistema (DV): es el peso del hidrógeno almacenado entre el volumen del sistema, se suele expresar en kg/m3 (peso hidrógeno/volumen sistema).

• Fracción del valor calorífico más alto (VCA) requerido para almacenar hidrógeno (fuente estacionaria de energía).

• Fracción del valor calorífico más alto (VCA) requerido para liberar el hidrógeno (fuente de energía móvil, a bordo).

• Manejo de las dificultades (tiempo de reabastecimiento, derrames).

• Seguridad (consecuencias de liberación incontrolada de hidrógeno).

6) VENTAJAS

1. El hidrógeno es un combustible extraído del agua, la cual es un recurso muy abundante.

2. La combustión del hidrógeno con el aire es limpia, evitando así la contaminación del medio ambiente.

3. Los productos de la combustión son en su mayoría vapores de agua, los cuales son productos no contaminantes.

Las razones por las cuales se considera la combustión del hidrógeno como una combustión limpia, son las siguientes:

4. Los productos de la combustión del hidrógeno con aire son: vapor de agua y residuos insignificantes donde la máxima temperatura es limitada. Algunos óxidos de nitrógeno son creados a muy altas temperaturas de combustión

(2000 °C), afortunadamente, la temperatura de autoignición del hidrógeno es solamente de 585 °C.

5. Una máquina de combustión interna que utiliza hidrógeno como combustible puede ser ajustada para que la emisión de NOx sea 200 veces menor que la de los vehículos actuales. Una forma práctica para controlar la temperatura de combustión consiste en inducir agua a la mezcla hidrógeno - aire.

6. Con la inyección de agua, el escape de los vehículos manejados con hidrógeno es simplemente vapor de agua que retorna a la atmósfera sin contaminar el aire ni producir lluvia ácida.

DESVENTAJAS

1. Como no es un combustible primario entonces se incurre en un gasto para su obtención.

2. Requiere de sistemas de almacenamiento costoso y aun poco desarrollados.3. Elevado gasto de energía en la licuefacción del hidrógeno.4. Elevado precio del hidrógeno puro.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Es claro que el uso del hidrogeno es una innovación que podría dar solución a las problemáticas energéticas que se tienen hoy en día, sin embargo falta mucha más investigación y desarrollo hasta que se pueda considerar como un completo sustituto de los combustibles fósiles

A diferencia de su uso como combustible, el hidrogeno es bastante usado en el ámbito industrial, su larga trayectoria en este campo le permite ser usado en múltiples aplicaciones de los sectores aeroespacial, metalúrgico y de alimentos. Su uso como combustible eficiente aún está en desarrollo.

Los productos de la combustión son en su mayoría vapores de agua, los cuales son productos no contaminantes.

VIDEOS:

https://www.youtube.com/watch?v=32mL1CqnXEA

https://www.youtube.com/watch?v=k3Ji0a0Bwik

https://www.youtube.com/watch?v=qhI4E9Z8JuU

BIBLIOGRAFIA

http://ingenieria.udea.edu.co/investigacion/gea/VENTAJAS.htm http://www.wipo.int/wipo_magazine/es/2009/02/article_0009.html http://www.aficionadosalamecanica.net/motores-hidrogeno.htm noticiasdelaciencia.com