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El modelo de energía y el hidrógeno

Del 13 al 16 de junio se está celebrando en Zaragoza el Congreso Mundial de la Energía del Hidrógeno WHEC 2016.

Nuestro compañero y socio de Som Energía Oscar Puyal nos explica con lucidez el estado actual de esta tecnología.

1.1 El Agua, un regalo de los Dioses

Con el transcurso de los años, los que tenemos curiosidad científica no dejamos de maravillarnos con el valor del agua y de su papel imprescindible en el desarrollo de la vida.

El AGUA es el material que más calor acumula por kilo, regulando así la temperatura del planeta. También es el único elemento que pesa menos en estado sólido que en el estado líquido, permitiendo que bajo el hielo continúe la vida. Tal es la relación entre agua y vida que en el estudio de otros planetas es lo primero que se busca.

¿Puede ser casualidad tanta coincidencia? ¿Alguien la ha puesto ahí adrede?

Pues bien, llegados a este punto hay que decir que el agua está compuesta por el primer elemento de la tabla periódica, el más liviano, el Hidrógeno unido por pares al oxígeno (H2O). Y es este elemento, el hidrógeno, el que nos brinda la oportunidad de almacenar energía con la que mejorar nuestra calidad de vida.

Este artículo describe las capacidades actuales del hidrógeno en relación con el aprovechamiento de la energía.

1.2 Introducción a la tecnología

Esencialmente hay dos formas de aprovechar el hidrógeno que consisten en:

  • Quemarlo para la propulsión de las naves espaciales o para mover coches con motor de explosión.
  • Mezclarlo con oxígeno para extraer el electrón y tomar ventaja de la electricidad que produce esta reacción química.

El lector habrá llegado a la sospecha de que la primera manera es más primitiva, más bruta y que la segunda es más científica. Pues bien, esa percepción es correcta. Unir oxígeno e hidrógeno para formar agua y obtener electricidad tiene un rendimiento mucho mayor.

1.2.1 Introducción a la tecnología

La producción de hidrógeno siempre requiere más energía que la que puede ser recuperada del gas como combustible. Esta es una limitación de la ley física de la conservación de la energía.

En una llama de gas de hidrógeno puro, quemándose en el aire, el hidrógeno (H2) reacciona con el oxígeno (O2) para formar agua (H2O) y liberar calor.

2H2(g) + O2(g) –> 2H2O(g)

Si se produce en el aire atmosférico en vez de oxígeno puro (como normalmente es el caso), la combustión del hidrógeno puede producir pequeñas cantidades de óxido de nitrógeno (material contaminante) junto con el vapor de agua.

1.2.2 La Pila de combustible

El hidrógeno es un vector energético, como la electricidad, no un recurso de energía. Esto quiere decir que almacena la energía generada por otros medios. Pongamos un ejemplo para entenderlo, un ejemplo que a los de «Som Energía» nos interesa.

La energía excedente de las fuentes renovables, tales como la eólica, solar, geotérmica o hidráulica, se entrega a un sistema que separa el Hidrógeno del oxígeno.

El proceso más extendido para separar estos componentes es la electrólisis. Este proceso no es complicado. Se basa en conducir electricidad a través del agua para separar los átomos de hidrógeno de los átomos de oxígeno.

Guardando el hidrógeno generado, tendremos la capacidad de revertir el proceso para generar electricidad.

1.3 El estado del arte

En el análisis del estado del arte vamos a presentar dos casos prácticos que pueden mejorar nuestro modelo energético:

  • El almacenamiento de energía
  • El coche eléctrico

1.3.1 El almacenamiento de energía

Algunas fuentes de energía renovable producen excedentes de energía.

Algunos ejemplos son los molinos, en horario nocturno, o nuestras propias placas solares, cuando estamos trabajando. Este excedente lo debemos guardar para el momento en el que lo necesitemos.

Como hemos explicado, el hidrógeno no es una fuente de energía si no una forma de acumularla (es un vector energético). Para ver «como de buena es», el sentido común nos pide comparar estas pilas de combustible con los sistemas de baterías más avanzados.

En la siguiente tabla se muestran una comparativa entre el almacenamiento mediante baterías y pilas de combustible basadas en hidrógeno.

figura_1_hidrogeno

 

La figura describe los procesos para guardar la energía desde el momento en el que se genera hasta el instante en el que la necesitemos. En cada una de las fases se puede ver un rendimiento en % que aunque no es absolutamente exacto si es representativo.

Al final de cada una de las ramas, a modo de resumen, se muestra la energía que podríamos aprovechar si generamos 1 Kwh con nuestro sistema de renovables.

Con estos datos, el lector puede sacar sus propias conclusiones.

1.3.2 El coche eléctrico

Ya conocemos los principios y el rendimiento de las pilas de combustible de hidrógeno. Entremos pues a estudiar, sin rodeos, uno de los mayores problemas energéticos: El transporte.

Un coche 100% eléctrico de batería, de tamaño medio y precio «asequible», viene a tener un consumo de unos 14 kWh para recorrer 100 km.

La siguiente figura muestra todas las fases de transformación de la energía para que un vehículo pueda hacer una distancia de 100 Km

figura_2_hidrogeno

Un coche eléctrico de pila de combustible de hidrógeno, de los pocos que circulan ya por las carreteras, tiene un consumo de unos 0,9 kg de hidrógeno a los 100 km. Para obtener un kilo de hidrógeno se necesitan unos 60 kWh por kilo, lo que se traduce en que la energía que de verdad está gastando el coche de pila de combustible son unos 54 kWh/100 km (por los 0,9 kg/100 km que consume).

En el caso del coche eléctrico podemos irnos con todas las pérdidas a unos 28 kWh/100 km (considerando la generación, el transporte, la distribución, la recarga y la batería), pero en el coche de hidrógeno podemos estar alrededor de los 91 kWh/100 km en total (considerando pérdidas por generación, transporte y distribución de la electricidad consumida para generar el hidrógeno).

De nuevo tenemos una comparativa muy reveladora. Es necesario multiplicar por tres el rendimiento para que las pilas se acerquen al resultado de las baterias.

1.4 Conclusiones

Por suerte la energía se ha convertido en un tema tan importante que una buena parte de la población entiende y puede decidir sobre lo que nos conviene.

La ventaja de las baterías convencionales en cuanto a eficiencia es tan grande que la pila de combustible de hidrógeno, incluso mejorando, seguiría estando por debajo durante bastantes años.

Sabemos y asumimos que la Investigación no da resultados desde el primer día pero el hidrógeno se está estudiando desde hace más de una década. Ha llegado la hora de preguntarnos:

  • ¿El hidrógeno es realmente una buena apuesta?
  • ¿Cuáles son los márgenes de mejora?
  • ¿Cuánto tiempo es necesario para alcanzar estos márgenes?

La experiencia acumulada por los equipos de Investigación seguro que puede dar respuesta a estas preguntas.

Por otro lado, las comunidades autónomas tienen unos recursos muy limitados para Investigación y desarrollo que no debemos malgastar. Si no hay respuestas claras, renunciemos a este regalo de los dioses y gastemos el dinero, al menos la parte pública, en otra cosa. Que buena falta hace.

1.5 Fuentes de información

http://www.greenopt¡m¡stic.com/hvdroaen-cars-efficiencv/#.V1vhuKKLSV4

https://en.wikipedia.ora/wiki/Hvdroaen_fuel

 

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9 comments

  1. Está bien el articulo pero falta la comparativa con la obtención de hidrógeno vía combustibles fósiles. Opción que debemos descartar pero que precisa de análisis para comprobar la veracidad de su eliminación en pro de una obtención de hidróeno verde a partir de renovables.

    • Hola Melchor,

      gracias por leer el blog

      Desarrollar la obtención del Hidrógeno vía combustibles fósiles es interesante pero hubiera alargado mas el artículo y nuestro interés es formar a los lectores.
      El conocimiento es la base para que no nos embauquen y la longitud del artículo es inversamente proporcional al numero de lectores. En cualquier caso es gratificante ver tu interés y voy a intentar darte mas información.

      Podemos partir del caso del coche eléctrico. El problema que plantemos es cuanto litros de gasoil necesito para mover el coche.

      Los fabricantes de grupos electrógenos nos dicen que necesitamos 240 cc de gasoil para generar 1KWh. Nosotros vamos a suponer que la tecnología avanza y conseguimos generar 1 Kw con 200 cc.

      Para hacer 100 kms necesito 0,9kg de Hidrogeno
      Para generar 0,9 Kgs de Hidrogeno necesito 91 Kw

      91kw x 200cc/kw= 18,2 litros

      Se puede ver que no resulta eficiente generar hidrógeno con gasoil para mover un coche ya que su consumo sería de 18,2 litros cada 100Kilometros. Mi Renault 8 gastaba bastante menos.

      Este mismo caso se puede extrapolar al resto de aplicaciones del Hidrógeno

      Saludos y buena energía
      OScar_

  2. Me refería a la obtención de hidrógeno mediante reformado de hidrocarburos.

    • Hola. Soy cirujano. Nada que ver con esta rama de la ciencia pero me interesa la ciencia. Encontré este artículo buscando sobre el tema.
      Alguna vez me imagine producir energia a base de hidrogeno… ¿ como? Pues basándonos en un simple motor de una motocicleta la cual combustión el hidrogeno, moviendo una bobina la cual produce energía capaz de almacenarse en una batería y esta a su vez, dar energía para algún generador de hidrogeno…. me gustaría leer su respuesta. Saludo desde Cuba 🇨🇺

  3. buenas tardes
    en referencia al articulo en la ultima parte que dice
    «Por otro lado, las comunidades autónomas tienen unos recursos muy limitados para Investigación y desarrollo que no debemos malgastar. Si no hay respuestas claras, renunciemos a este regalo de los dioses y gastemos el dinero, al menos la parte pública, en otra cosa. Que buena falta hace.»

    Y luego que harán con plata??? cuando el humano destruya todo con el calentamiento global, destruyendo las plantas, animales y todo lo que nos rodea…
    que haras cuando estemos llenos de plasticos por generar dinero???
    que haras cuando estemos respirando CO2

    que haras con tu dinero que tanta falta hace …

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  4. Ojo que el problema de las baterías es la obtención del litio y todo el proceso de fabricación. El hidrógeno es abundante y una vez obtenemos energía de la reacción del Oxígeno con el Hidrógeno el único desecho que obtenemos es agua.
    Si las baterías de estado sólido no son una realidad, más baratas y con igual o mayor densidad energética que las de litio, entonces el hidrógeno sería una opción más viable *para ciertas aplicaciones.
    Por ejemplo, si generas energía eólica en la noche en un lugar de bajo consumo durante esas horas, en lugar de mandar la electricidad a tierra (desecharla) mejor produces hidrógeno. Tampoco sería viable enviarla a otro sitio pues es difícil en horas de madrugada y noche difícilmente se ocupa.
    Es una forma de aprovechar la energía las 24 horas del día, por ejemplo en zonas rurales, con autoconsumo, sin interconexión a la red.

  5. Estimado Oscar en tu ecuación de gasto energético te falto agregar el costo de gasto energético para la producción de la batería del automóvil, en el volumen necesario para hacer que el automóvil de un peso promedio de 2000kg (peso de la batería 300kg) pueda hacer esos 100Km y no es un factor despreciable, pues deben de recordar que una batería capaz de entregar 28kw/h por lo mínimo debe ser dimensionada para el doble de ese valor(54kw/h) puesto que es conocido que al cabo de cumplirse con el medio ciclo de descarga de la batería, la misma ya no puede entregar la misma tensión en sus bornes de salida (y todo el sistema entra en perdida de eficiencia) cuando se llega a los 50% de descarga, es decir un vehículo aparte de trasportar una batería sobredimensionada, para recargarse a su valor pleno y usarse solo a la mitad de esa energía, debe ser dimensionada al doble de su tamaño de cálculo y además es un peso muerto que hace que el automóvil eléctrico alimentado únicamente a batería este arrastrando en gran medida el peso muerto de la batería que lo alimenta.
    Además, un automóvil alimentado con hidrogeno digamos 4 kg de este siempre será de mayor rendimiento en cuanto el peso del generador químico de hidrogeno a electricidad (pila de combustible PEM no supera los 100kg) sea menor y el producto de desecho es agua.
    La electricidad es el verdadero regalo de los dioses como lo dices y aunque lo consumamos 3 veces a más para almacenar solo 1/3 parte de esa energía siempre estará al frente en cuanto a ganancia pues esa energía si es provista de fuentes renovables intermitentes es la clave para almacenar aunque sea ese 1/3 de la energía pues hasta hoy la humanidad lo está desechando al 100% en no aprovecharla ya sea en generación eólica o solar, y toda la electricidad generada en las hidroeléctricas también están en ese caso ejemplificado y de a poco dejar los hidrocarburos para los consumos industriales sea estos marítimos o de aviación así sus subproductos que siempre lo vamos a necesitar si tenemos un mundo mecánico como hasta ahora y desde que se inventó la rueda, se necesita para las lubricaciones y los sellados de esas partes mecánicas y mucho más podemos hablar del tema pero no porque no se pueda comparar el uso de la fuente de energía en un automóvil se desprecie y deje de lado una tecnología prometedora y de cero emisiones hacia el medio ambiente.
    Ambas tecnologías tienen puntos de comparación pero están muy lejanos uno de otro.
    Fuente: https://forococheselectricos.com/2014/12/pila-de-hidrogeno-o-baterias.html#:~:text=En%20cuanto%20al%20peso%20hoy,puede%20pesar%20unos%20230%20kg.

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  6. Raúl Benaprés W

    El agua dulce es escasa en el mundo, por lo que un negocio sostenible de H2 verde debería considerar la desalinización de agua de mar. esta es bastante consumidora de energía, por lo que en el balance de energía comparativo desde plantas eólicas o fotoeléctirca hasta, por ejemplo mover un automóvil por 100 km mediante hidrógeno vs baterías, debería considerar la electrividad para producir el agua necesaria para el hidrógeno necesario.

    Esto, es sólo para comparar los balances de energía, que aun no he visto y tengo la intuición de que el balance del hidrógeno es muy inferior al del aprovechamiento energético via baterías.

    Fuera de este costo energético, habría que agregar todos los otros costso variables, fijos y de capital.

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