USOS ACTUALS DE L‘HIDROGEN

En l’actualitat, les principals aplicacions de l’hidrogen són industrials,

concretament el refinat de combustibles fòssils i la producció d’amoníac.

Però una petita part (aproximadament el 3% de la producció total

de 45 milions de Tn/any) s’utilitza com a combustible de coets.

USOS DE L'HIDROGEN

Electrònica9%

Metal·lúrgica8%

Aeroespacial3%

Química i petroquímica

72%

Altres8%

ÚS QUÍMIC I PETROQUÍMIC

Amoníac50%

Refineries37%

Metanol8%

Altres5%

Des dels anys 60 l’hidrogen s’utilitza

en la indústria aeroespacial com a

combustible per a transbordadors.

1

Aplicacions de l’hidrogen. Font: UNICAMP 2004

COETS ACCELERADORS

Contenen combustible sòlid que es crema per l’enlairament. A una certa alçada es desprenen. Són reutilitzables

TANC EXTERN

Conté l’hidrogen i l’oxigen que es cremen en els motors del transbordador. Quan s’ha gastat tot l’oxigen i hidrogen es desprèn

TRANSBORDADOR

L’hidrogen i l’oxigen passen a ser l'únic combustible i font d'alimentació de la nau, a través d'un sistema de cèl·lula de combustible alcalina (AFC)

REFORMAT D’HIDROCARBURS Actualment l’hidrogen és utilitzat en indústries com la química i petroquímica,

l’electrònica, l’aeroespacial... però, d’on s’obté aquest hidrogen? Sabem que

és l’element químic més abundant a l’Univers, però a la Terra és difícil trobar-

lo sol i per tant, l’hem d’obtenir a partir de compostos que continguin hidrogen.

La major producció es fa amb gas natural , compost majoritàriament de metà

(CH4). Per obtenir hidrogen a partir del gas natural hi afegim aigua i té lloc una

reacció que produeix CO i hidrogen: CH4 + H2O → CO + 3H2

Al CO se li pot tornar a afegir vapor d’aigua per obtenir més hidrogen:

CO + H2O→ CO2 + H2

2

1 2

3

4

5

6

1 C

2

3

4

5

6

C

O

O

O

O

O

O

C C

+

+

7

8

7

8

Els àtoms d’hidrogen es combinen per formar hidrogen

També hem obtingut CO 2; que contribueix a l’efecte hivernacle si l’alliberem a

l’atmosfera. Per tant, caldrà pensar en alguna

solució per resoldre aquest inconvenient

Afegim vapor d’ aigua (H2O) al metà (CH 4)

Agafem el monòxid de carboni i tornem a afegir

vapor d’aigua (H 2O)

SEGREST GEOLÒGIC DEL CO 2

Com en el sistema d’obtenció d’hidrogen a

partir del metà obtenim com a producte

secundari CO2, cal trobar maneres per no

emetre’l a l’atmosfera. Una d’aquestes

maneres és la captura i emmagatzematge

del CO2, injectant-lo en el subsòl porós;

principalment en camps petrolífers, jaciments de gas esgotats, mines de carbó no

explotables o en aqüífers salins profunds.

Opció Capacitat emmagatzematge (Gt de CO2)

Aqüífers salins profunds

400 - 10.000

Jaciments explotats de petroli i gas 930

Mines de carbó 30

Font: IEA-GHG, 2006

3

La pressió que fa aquest

CO2 sota terra, es pot

utilitzar per fer que el

petroli que hi pugui haver

pugi de nivell, permetent

així la seva extracció CO2

CO2

Aqüífer salí

Extracció de petroli

Pou de petroli

ELECTRÒLISI L’electròlisi consisteix en la separació de l’aigua (H2O) en oxigen i hidrogen

mitjançant l’aplicació d’un corrent elèctric. El bicarbonat sòdic (NaHCO3) afegit a

l’aigua servirà per potenciar el procés de separació de l'hidrogen i l'oxigen.

L’hidrogen obtingut en l’electròlisi de l’aigua és molt pur, però també és molt car a

causa de la l’important despesa elèctrica que comporta (4,9-5,6 kWh per m3 de H2).

4

El volum de l’hidrogen

dipositat en l’elèctrode és

aproximadament el doble

que el volum d’oxigen.

En connectar la font

d’alimentació,

l’electricitat fa que

l’aigua se separi en

oxigen i hidrogen que

acumulem a les

xeringues.

FOTOBIÒLOSI

Existeixen organismes, com les algues verdes, que són capaços d’utilitzar

part de l’energia solar captada en el procés de fotosíntesi per produir

hidrogen. Aquest sistema rep el nom de fotobiòlosi. Això és a causa de l'enzim

hydrogenase, que s'activa en l'absència de l'oxigen i s'encarrega de la

producció de l'hidrogen. En l’actualitat, s’ha assolit fins a 2 o 2,5 ml d'H2 per

litre de cultiu per hora, però després de 100 hores, les algues han de tornar al

seu metabolisme normal

HIDROGEN

5

Alga verda Chlamydomonas

reinhardtii EXTRACCIÓ DEL SOFRE AFEGIR COURE ABSÈNCIA D’OXIGEN MODIFICACIÓ GENÈTICA

ENERGIA SOLAR

CÈL·LULA DE COMBUSTIBLE

Una cèl·lula de combustible produeix hidrogen si hi injectem aigua, i li donem

energia elèctrica. També n’obtenim oxigen.

La cèl·lula de combustible trenca l’enllaç de la molècula d’aigua gràcies a

l’energia elèctrica i així obtenim oxigen i hidrogen.

2H2O + energia 2H 2 + O2

6

3. Veiem com es va produint l’hidrogen i l’oxigen, que s’acumula en xeringues

2. Injectem aigua destil·lada

1. Connectem la cèl·lula a 2,5 V

PILA DE COMBUSTIBLE (I) Les piles de combustible

converteixen directament l’energia

química d’un combustible en

electricitat. Hi ha diferents tipus de

piles de combustible, típicament es

classifiquen pel tipus d’electròlit

que tenen ja que determina les

seves característiques. Nosaltres

ens basarem en una cèl·lula PEM.

1. Fem entrar dues molècules d’hidrogen.

2. Al catalitzador se separen els ions d’hidrogen dels electrons.

3. Els ions d’hidrogen creuen la membrana PEM, mentrestant els electrons passen pel cable produint energia elèctrica. Entra la molècula d’oxigen.

4. L’oxigen se separa en dos àtoms als quals se li uneixen els ions d’hidrogen i els electrons, formant així aigua.

5. Fem el mateix amb l’altra molècula d’aigua.

6. Fem sortir les dues molècules d’aigua finalitzant el recorregut.

7

PILA DE COMBUSTIBLE (II)

Una cel·la de combustible típica produeix

aproximadament 0,8 volts. Per crear més

voltatge i intensitat, les cel·les s'agrupen

combinant-les en sèrie i en paral·lel en un

sistema que es diu Fuel Cell Stack (apilat de cel·les

de combustible). El nombre de cel·les usades és

generalment superior a 45 i varia segons el disseny.

8

Connectem els elèctrodes de la pila al motor elèctric

L’hidrogen i l’oxigen es combinen

generant electricitat

Veiem com la roda es mou

HIDROGEN AMB ENERGIES

RENOVABLES Els aerogeneradors poden provocar distorsions a la xarxa elèctrica ja que la

producció no és constant; una manera de solventar-ho és emmagatzemar

aquesta energia i poder-la subministrar de manera molt més controlada. Si es

continuen implantant més parcs eòlics, es pot donar el cas que la xarxa

elèctrica no sigui capaç d’absorbir tota l’energia que es produeixi. Els sistemes

d’emmagatzematge d’energia actuals tenen poca capacitat d’acumulació. Amb

hidrogen es pot emmagatzemar gran quantitat d’energia que després es pot

recuperar fàcilment quan cal utilitzar-la.

Per passar de l’energia eòlica a l’hidrogen el que farem serà emmagatzemar

energia, i posar-la a l’electrolitzador. Per poder emmagatzemar aquest

hidrogen necessitarem un compressor, per reduir-ne el volum. Quan el

tinguem emmagatzemat ens servirà per assolir el nostre objectiu i aconseguir

tenir energia quan la necessitem. Podem utilitzar el mateix sistema per

emmagatzemar energia produïda per plaques solars.

9

Pila d’hidrogen / Inversor

Aerogenerador Centre de

control

Placa solar Transf ormador

Interruptors

Emmagatzematge d’hidrogen

Condensador

Electròlisi / compressor

HIDROGEN AMB ENERGIES

RENOVABLES (II)

100

4. Fem servir l’energia acumulada en l’hidrogen (condensadors) per

encendre el led quan no funciona ni la placa solar ni l’aerogenerador

2. En el primer cas és l’energia solar que carrega els condensadors que simulen l’hidrogen acumulat, i en el

segon l’aerogenerador

1. Connecta la bombeta i/o el

ventilador. Puja els seus respectius interruptors per

carregar els condensadors

3. Apaga la bombeta i/o el ventilador, per representar que no disposem d’energia

solar ni eòlica

1

1

4

2

3

EMMAGATZEMATGE

Comparació del volum de 4 kg d’hidrogen en un vehicle

Un dels principals problemes de

l’hidrogen és que es tracta d’un

element molt lleuger però que ocupa

molt espai, és a dir, la seva densitat

és molt baixa. Per tant, necessitem

buscar maneres de reduir el seu

volum per poder-lo emmagatzemar o

tenir dipòsits de dimensions útils.

• Una manera d’emmagatzemar hidrogen és mitjançant pressions elevades .

• El Cryo-comprimit es basa en les característiques dels gasos, en què la

capacitat d’un recipient augmenta quan la temperatura baixa. l’emmagatzematge

d’hidrogen a baixes temperatures es fa en contenidors criogènics, normalment

mitjançant el procés de liqüefacció, que consisteix a comprimir l’hidrogen gas i

després refredar-lo mitjançant un intercanviador de calor. Aquest procés permet

que l’hidrogen pugui ser emmagatzemat més fàcilment, ja que d’aquesta manera

ocupa menys volum. Aquest procés, però, té un inconvenient, per refredar-lo i

després escalfar-lo hi ha una gran despesa energètica.

110

HIDROGEN AIRE

MATEIXA MASSA

• Els nanotubs són estructures tubulars de diàmetre de

l'ordre del nanòmetre.

1. Posem una mica d’aigua dintre de la llauna

2. Posem la llauna a escalfar fins veure que surt vapor

3. Posem la llauna cap per avall dintre de l’aigua freda

4. La ll auna s’ai xafa. Això és a causa de la pressió atmosf èrica.

L’aigua que hi ha a la llauna es converteix en vapor en escalfar-la i, per tant, ocupa tot el volum possible

Quan la posem a l’aigua es refreda ràpidament i , per tant, ocupa molt menys volum i deixa de fer pressió sobre les parets de la llauna i la pressió atmosfèr ica de fora l’aixafa

Quan el carboni s’uneix per formar l’estructura nanomètrica hexagonal utilitza 3 enllaços dels 4 que té, per tant li’n queda un de lliure

L’hidrogen queda atrapat fàcilment pels enllaços lliures

Si volguéssim recuperar aquest hidrogen emmagatzemat, com que l’enllaç és molt feble, només se li hauria de reduir la pressió

NANÒMETRE Si dividim un metre en mil parts, tenim un mil·límetre; si aquest el dividim en mil parts tenim un micròmetre, i si aquest el dividim en mil parts tenim un nanòmetre.

EL COTXE D’HIDROGEN (I)

Una alternativa de futur és la utilització

d’hidrogen com a combustible i de piles

de combustible per generar l’energia

elèctrica necessària.

Evidentment la implementació dels

vehicles d‘hidrogen no serà possible

sinó es creen totes les estructures

necessàries com ara les hidrogeneres (és a dir, l’equivalent a les gasolineres on els

cotxes anirien a repostar l’hidrogen). Així com sistemes de transport (hidrogenoductes).

120

1. Dipòsit d’hidrogen L’hidrogen

s’emmagatzema en un dipòsit

(en aquest cas a alta pressió)

Entrada d’hidrogen al dipòsit

3. Bateria Aquesta energia

s’emmagatzema en una bateria d’ió-liti

5. Inversor Podem utilitzar el cotxe

com a generador d’energia elèctrica per

poder connectar aparells elèctrics externs

mitjançant un inversor que generi tensió alterna

a partir de la tensió contínua de la bateria

Sortida vapor

d’aigua

2. Pila de combustible L’hidrogen és injectat a la pila de combustible on es combina amb oxigen provinent de l’aire en una reacció química que produeix energia elèctrica i vapor d’aigua com a residu. 2H2 + O2 => 2H2O + energia

Entrada d’oxigen

4. Motor elèctric L’energia de la bateria es pot utilitzar per moure el

cotxe mitjançant un motor elèctric acoblat a les rodes i per activar els sistemes

elèctrics del cotxe

EL COTXE D’HIDROGEN (II)

Connectem la bateria Omplim el dipòsit d’hidrogen El marcador del nivell de combustible es posa verd

Marxa endavant Llums apagades

Posem les llums de posició

Posem les curtes

Posem les llargues

130

EL COTXE D’HIDROGEN (III)

Accionem el volant cap

endavant i veiem com canvia el velocímetre

Accionem el fre (palanca aixecada)

Posem l’intermitent esquerre

Posem l’intermitent dret

Posem marxa enrere

140

CONCLUSIONS

En la societat actual veiem un creixement desmesurat del consum energètic,

així com una forta dependència dels combustibles fòssils, que a més

provoquen el canvi climàtic. Ambdues coses provoquen una dependència

energètica d’uns països envers altres provocant inestabilitat.

Per tant, cal potenciar un canvi de model energètic.

Tan important és fer un ús responsable de l’energia com de trobar la manera

d’utilitzar els recursos renovables de cada país eficientment. Però són

inconstants i per tant no en podem disposar sempre. Una solució seria poder

emmagatzemar-los, però els sistemes d’emmagatzematge d’energia actuals tenen

poca capacitat d’acumulació. Amb hidrogen es pot emmagatzemar gran quantitat

d’energia que després es pot recuperar fàcilment quan cal utilitzar-la.

Sabem que el sistema energètic de l’hidrogen (l’economia de l’hidrogen) no

és la gran solució a tots els problemes energètics actuals, només es tracta

d’un mitjà que ens permetrà fer un ús més racional de les reserves

energètiques i que col·laborarà per poder implantar les energies renovables, i

que estem segurs que contribuirà a un sistema sostenible i a la millora del

nivell de vida de la humanitat.

Som conscients que encara falta molt ja que cal incrementar eficiència,

disminuir costos, augmentar autonomia, utilitzar energies renovables (igualar

cost i autonomia del petroli), trobar nous i millors materials i sistemes

d’emmagatzematge... Però, estem segurs, que en un futur tots nosaltres

conduirem cotxes d’hidrogen.

15