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TEMA 1
Introducción. Hidrógeno como Vector Energético
CURSO INTRODUCTORIO SOBRE TECNOLOGÍAS
DEL HIDRÓGENO Y LAS PILAS DE COMBUSTIBLE
David Fernández Rodrí[email protected]
Unidad de Innovación AbiertaPuertollano, 7 de Abril de 2021
1. Centro Nacional de Hidrógeno en España
2. Hidrógeno como vector energético
3. Integración del H2 con las energías renovables. Power to X technologies
4. Métodos de producción de H2 verde
5. Almacenamiento de H2
6. Pilas de combustible
ÍNDICE
ÍNDICE
Tema 1 Introducción. Hidrógeno como vector energético
1. Centro Nacional de Hidrógeno en España
2. Hidrógeno como vector energético
3. Integración del H2 con las energías renovables. Power to X technologies
4. Métodos de producción de H2 verde
5. Almacenamiento de H2
6. Pilas de combustible
ÍNDICE
ÍNDICE
Tema 1 Introducción. Hidrógeno como vector energético
Centro Nacional del Hidrógeno
Sede CNH2 en Puertollano
◙ Puertollano
• Centro Público de Investigación creado en 2007 a través de un Consorcio entre el
Ministerio de Ciencia e Innovación (MCI) y la Junta de Comunidades de Castilla-La
Mancha, al 50% cada uno.
• Está ubicado en Puertollano, Ciudad Real (Castilla-La Mancha).
4
Centro Nacional del
hidrógenoLíneas estratégicas I+D Participación Sectorial
Laboratorios e
instalacionesProyectos
Vídeo
CNH2
Centro Nacional del Hidrógeno
• Está orientado al desarrollo de las tecnologías de hidrógeno y las pilas de
combustible (laboratorios, bancos de ensayo, puestos de experimentación, pilas,
sistemas de almacenamiento, ingeniería, seguridad, normativa…). Sus objetivos son:
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• Promover e impulsar las tecnologías de hidrógeno y pilas de
combustible a nivel nacional e internacional mediante la realización de
estudios de percepción social, formación y difusión del uso y sus
aplicaciones.
• Realizar investigación, experimentación y validación de prototipos y
equipos cubriendo toda la cadena de valor.
• Desarrollar y escalar procesos.
• Implementar proyectos de I+D+i:
✓ Bajo contrato (financiación privada o pública)
✓ Financiados (internacionales, nacionales o regionales
participando de forma individual o en colaboración con otros)
✓ Estratégicos (financiados internamente)
• Servicios a terceros (consultoría, caracterización y análisis, diseño y
construcción de bancos de ensayo, estudios de seguridad y normativa,
etc).
Centro Nacional del
hidrógenoLíneas estratégicas I+D Participación Sectorial
Laboratorios e
instalacionesProyectos
Desde 2007, el CNH2 ha participado y coordinado más de 40 proyectos
de carácter nacional e internacional
La plantilla del CNH2 cuenta con 42 empleados.
Centro Nacional del Hidrógeno
Centro Nacional del
hidrógenoLíneas estratégicas I+D Participación Sectorial
Laboratorios e
instalacionesProyectos
Organigrama del CNH2
19%
62 %
2 %17 % Doctor
Licenciado / Ingeniero
Diplomado/Ingeniero
técnico
FPI/Bachiller
Plantilla del CNH2
Plan Estratégico 2019-2022:
Líneas Estratégicas de I+D+i
Desarrollo de la
normativa
Investigación en
métodos de
análisis de
estudios de
seguridad
Sistema de
detección de
fugas y
atmósferas
explosivas
Validación,
certificación y
homologación de
elementos y
sistemas
Electrólisis a
partir de Energías
Renovables
Procesos
fotolíticos
PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO
ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO
Hidrógeno
gaseoso
Hidruros
metálicos
TRANSFORMACIÓN DE HIDRÓGENO
Pilas de
Combustible
de Óxido
Sólido (SOFC)
Pilas de
Combustible
Poliméricas
(PEMFC)
Power to Gas
INTEGRACIÓN
DE HIDRÓGENO
Sistemas
Estacionarios
Sistemas de
Transportes
Percepción social
de la
incorporación del
hidrógeno
Formación y
difusión
Análisis Técnico-
Económico
Desarrollo de
encuestas
IMPLANTACIÓN TECNOLOGICA Y
SOCIOECONÓMICA
Realización de
Jornadas
Científico-
Técnicas
NORMATIVA Y SEGURIDAD
Materiales
porosos
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Centro Nacional del
hidrógenoLíneas estratégicas I+D Participación Sectorial
Laboratorios e
instalacionesProyectos
Procesos
biológicos
Vectores
energéticos
Sistemas
novedosos de
reformado
ColaboracionesUniversidades y Centros de I+D+i:
Administraciones:
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Centro Nacional del
hidrógenoLíneas estratégicas I+D Participación Sectorial
Laboratorios e
instalacionesProyectos
ColaboracionesEmpresas:
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Centro Nacional del
hidrógenoLíneas estratégicas I+D Participación Sectorial
Laboratorios e
instalacionesProyectos
Participación Sectorial
Plataforma Tecnológica Española del Hidrógeno y de las Pilas de Combustible
Miembro del Grupo Rector, coordinador del Grupo de Trabajo de Otros Usos del Hidrógeno y subcoordinador del Grupo de Trabajo de Almacenamiento de Hidrógeno
Asociación Española del Hidrógeno
Vocal de la Junta Directiva
Asociación Española de
Pilas de Combustible
Vocal de la Junta de Gobierno
Plataforma Española de
Seguridad Industrial
Plataforma Tecnológica
Ferroviaria Española
Plataforma Española de
Seguridad Industrial
Plataforma Tecnológica Española
de Automoción y Movilidad
A nivel nacional:
10
Centro Nacional del
hidrógenoLíneas estratégicas I+D Participación Sectorial
Laboratorios e
instalacionesProyectos
Participación Sectorial
Miembro de la Red de Unidades de Cultura Científica y de la Innovación (Red UCC+i) de la FECYT
Miembro de UNE (participación en Comités Técnicos)
CTN181 “Hidrógeno”, CTN218 "Sistemas de almacenamiento de energía eléctrica“
y CTN206/SC105 “Tecnologías de pilas de combustible” donde ostenta la Secretaría técnica.
Miembro de ALINNE
(Alianza por la Investigación y la Innovación Energética)
El CNH2 tiene además suscritos acuerdos de colaboración con los principales centros de investigación
nacionales, con diversos centros tecnológicos, empresas y universidades.
Solo en 2019 se firmaron 32 acuerdos de colaboración.
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Centro Nacional del
hidrógenoLíneas estratégicas I+D Participación Sectorial
Laboratorios e
instalacionesProyectos
Participación Sectorial
Miembro de Hydrogen Europe Research, research grouping
de la Fuel Cell and Hydrogen Joint Undertaking (FCH-JU)
Miembro de Hysafe (Safety of Hydrogen as an energy carrier)
Miembro de EERA (European Energy Research Alliance)
Miembro de la IEA coordinadores de la sub-task 5 (Specific case studies)
dentro de la Task 38 (Power-to-Hydrogen and Hydrogen-to-X:
System Analysis of the techno-economic, legal and regulatory conditions)
Representante español en Technology Collaboration
Programme on Advanced Fuel Cells ( AFC TCP)
A nivel internacional:
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Centro Nacional del
hidrógenoLíneas estratégicas I+D Participación Sectorial
Laboratorios e
instalacionesProyectos
I. Laboratorio de Electrólisis Alcalina
II. Laboratorio de Investigación y Escalado de Tecnología PEM
III. Laboratorio de Electrónica de Potencia
IV. Laboratorio de Microrredes
V. Laboratorio de Simulación
VI. Laboratorio de Caracterización de Materiales
VII. Laboratorio de Óxidos Sólidos
VIII. Laboratorio de Fabricación (Fab-Lab)
IX. Laboratorio de Almacenamiento
X. Laboratorio de Testeo de Tecnología PEM
XI. Laboratorio de Vehículos
XII. Laboratorio de Integración Doméstica
XIII. Laboratorio de Biotecnologías de Hidrógeno
XIV. Punto de repostaje a 350 bar
Laboratorios
1. Centro Nacional de Hidrógeno en España
2. Hidrógeno como vector energético
3. Integración del H2 con las energías renovables. Power to X technologies
4. Métodos de producción de H2 verde
5. Almacenamiento de H2
6. Pilas de combustible
ÍNDICE
ÍNDICE
Tema 1 Introducción. Hidrógeno como vector energético
EL HIDRÓGENO COMO
VECTOR ENERGÉTICO
Tema 1 Introducción. El hidrógeno como vector energético
PANORAMA ENERGÉTICO ACTUAL
• Disminución de las reservas del petróleo
• Inestabilidad del precio de combustibles fósiles
• Aumento del consumo energético
• Aumento de emisiones contaminantes
Nuevas fuentes de energía
FUENTES DE ENERGÍA RENOVABLES
• Inagotables e infinitas
• Permiten reducir la dependencia energética
exterior
• No producen GEI ni otras emisiones en su uso
• Se encuentran geográficamente distribuidas
• Favorecen el autoconsumo
EL HIDRÓGENO COMO
VECTOR ENERGÉTICO
Tema 1 Introducción. El hidrógeno como vector energético
IMPORTANCIA DEL ALMACENAMIENTO
• Un panel fotovoltaico no produce electricidad si no hay
suficiente irradiación solar
• Un aerogenerador no produce electricidad si no hay suficiente
viento
¿COMO HACER COINCIDIR LA DEMANDA CON LA PRODUCCIÓN?
EL HIDRÓGENO COMO
VECTOR ENERGÉTICO
Tema 1 Introducción. El hidrógeno como vector energético
TIPOS DE ALMACENAMIENTO
• Biológico: petróleo, gas natural, carbón, biomasa
• Mecánico: aire comprimido (CAES), volante de inercia, bombeo hidráulico
• Térmico: aprovecha cambios de fase
• Químico y electroquímico: hidrógeno y baterías
El hidrógeno nos permite almacenar mayores cantidades de energía y durante más tiempo
EL HIDRÓGENO COMO
VECTOR ENERGÉTICO
Tema 1 Introducción. El hidrógeno como vector energético
¿QUÉ ES EL HIDRÓGENO?
El hidrógeno no es un recurso sino un vector energético, es decir, un portador de energía.
Esto supone que se debe producir a partir de fuentes energéticas, conteniendo una ciertacantidad de energía, una vez que éste ha sido producido
El 96% del hidrógeno producido utiliza como energía primaria combustibles fósiles, siendo elreformado de gas natural la vía más comúnmente utilizada para producir hidrógeno.
✓☺ Mayor contenido en Energía porunidad de masa que otros combustibles.
EL HIDRÓGENO COMO
VECTOR ENERGÉTICO
Tema 1 Introducción. El hidrógeno como vector energético
PROPIEDADES DEL HIDRÓGENO
✓ Al tratarse del gas más ligero, bajocontenido en Energía por unidad de volumenfrente a otros combustibles.
✓ Su aplicación práctica requiere por tanto de sistemas de compresión o licuefacción paraaumentar la densidad y reducir el volumen que ocupa (fundamental en aplicaciones detransporte).
EL HIDRÓGENO COMO
VECTOR ENERGÉTICO
Tema 1 Introducción. El hidrógeno como vector energético
PROPIEDADES DEL HIDRÓGENO
Fuente: AeH2
Fuente: Universidad de la Coruña
EL HIDRÓGENO COMO
VECTOR ENERGÉTICO
Tema 1 Introducción. El hidrógeno como vector energético
TECNOLOGÍAS DE PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO
EL HIDRÓGENO COMO
VECTOR ENERGÉTICO
Tema 1 Introducción. El hidrógeno como vector energético
TIPOS DE HIDRÓGENO
• HIDRÓGENO NEGRO: producido a partir de carbón mediante un proceso de
gasificación (gas de síntesis) o a través de hidrocarburos pesados.
• HIDROGENO GRIS: producido a partir de gas natural u otros hidrocarburos ligeros
(CH4) o GLP mediante procesos de reformado (SRM).
• HIDRÓGENO AZUL: obtenido de forma similar al hidrógeno gris, pero utilizando
técnicas de captura, uso y almacenamiento de carbono
• HIDRÓGENO VERDE: generado a partir de electricidad renovable, utilizando como
materia prima el agua mediante un proceso de electrólisis
1. Centro Nacional de Hidrógeno en España
2. Hidrógeno como vector energético
3. Integración del H2 con las energías renovables. Power to X technologies
4. Métodos de producción de H2 verde
5. Almacenamiento de H2
6. Pilas de combustible
ÍNDICE
ÍNDICE
Tema 1 Introducción. Hidrógeno como vector energético
INTEGRACIÓN CON EERR.
POWER TO X
Módulo I La energía y el hidrógeno
INTEGRACIÓN CON EERR. USOS Y CONSUMO DE HIDRÓGENO VERDE
Módulo I La energía y el hidrógeno
INTEGRACIÓN CON EERR.
POWER TO X
INTEGRACIÓN CON EERR. DESCARBONIZACIÓN SECTORES
• Re-electrificación: el hidrógeno producido puede ser utilizado de nuevo paraproducir electricidad a gran escala, a través de turbinas, motores de combustióninterna o pilas de combustible (power to power)
• Transporte. El hidrógeno puede ser utilizado como combustible alternativo envehículos de pila de combustible. Es especialmente interesante en vehículos pesados(barcos, trenes, autobuses) donde es la opción más prometedora frente al uso debaterías
• Industria. El hidrógeno es utilizado actualmente en diferentes sectores industrialescomo materia prima (fertilizantes, refinerías, acerías)
• Residencial: a través de a inyección de hidrógeno en la red de gas natural (power togas)
Módulo I La energía y el hidrógeno
Transformación de los excesos de energía renovable en hidrógeno, almacenamiento dedicho hidrógeno y transformación nuevamente en electricidad mediante pila decombustible, motor alternativo de combustión interna o microturbina. Esta opción permitehacer que los parques de energías renovables los cuales no son gestionables, puedan sergestionables, aumentando la competitividad de los mismos. La eficiencia del ciclo completoes de entre el 40 y el 50%, pero se ha de tener en cuenta que se trata de energía que de otraforma se perdería.
INTEGRACIÓN CON EERR.
POWER TO X
Módulo I La energía y el hidrógeno
Transformación de los excesos de energías renovables en hidrógeno, almacenamiento yposterior distribución desde el punto de producción hasta las hidrogeneras o punto derepostaje de hidrógeno, donde será consumido como combustible mediante vehículoseléctricos de pilas de combustible o mediante vehículos de combustión interna modificadospara funcionar con hidrógeno como combustible. En este caso, los excesos de energíasrenovables se transforman en combustible, reduciendo de esta forma las importaciones ecombustible importado y reduciendo los efectos de gases de invernadero, al ser vapor deagua la única emisión producida por la combustión térmica o electroquímica del hidrógeno.
INTEGRACIÓN CON EERR.
POWER TO X
Módulo I La energía y el hidrógeno
Transformación de los excesos de energías renovables en hidrógeno e inyección a la red degas natural. De esta forma, se interconectan las dos redes principales que cualquier paísdesarrollado posee, que son la red eléctrica y la red de gas natural. Esta opción permiteinyectar los excesos de energía renovable en la red de gas natural, pudiéndose de esta formaalmacenarse los excesos de energía renovable, debido a la gran capacidad existente en lasredes de gas natural. En España está permitido que se introduzca hasta el 10% de hidrógenoen la red de gas natural, lo que es una cantidad muy considerable.
INTEGRACIÓN CON EERR.
POWER TO X
Módulo I La energía y el hidrógeno
Transformación de los excesos de energías renovables en hidrógeno y mezcla con CO2
residual de cualquier proceso, para la generación de metano sintético, siendo dicho metanoel componente principal del gas natural, generando por tanto gas natural sintéticoautóctono, sin la necesidad de ser importado del exterior. De la misma forma, es posiblemezclar el hidrógeno proveniente de excesos de energías renovables con biogás provenientede plantas de biodigestión, vertederos, plantas de tratamiento de agua, etc., transformandouna corriente que inicialmente tiene un contenido pobre en metano, en una corriente con uncontenido en metano por encima del 98%.
INTEGRACIÓN CON EERR.
POWER TO X
Módulo I La energía y el hidrógeno
Transformación de los excesos de energías renovables en hidrógeno y mezcla con N2 paragenerar amoniaco renovable. Este amoniaco renovable podrá ser utilizado para la industriade fertilizantes, explosivos, industria química, etc., o bien podrá utilizarse como un energycarrier, al ser posible almacenar 120 kg de hidrógeno por cada metro cúbico de amoniaco.En este último caso, a 10 bar de presión, será un líquido, que será estable y podrá utilizarsecomo almacén de energía e incluso para importar energía fuera de la comunidad de Castilla laMancha o incluso fuera de España y Europa. En el caso de utilizarse como energy carrier, elhidrógeno antes de su uso, ha de ser separado del amoniaco, mediante procesos catalíticos oelectroquímicos.
INTEGRACIÓN CON EERR.
POWER TO X
Módulo I La energía y el hidrógeno
Transformación de los excesos de energías renovables en hidrógeno y mezcla con CO2 paragenerar etanol y/o metanol renovable. Este etanol y/o metanol renovable podrán serutilizados para la industria química e industrias auxiliares, o bien podrá utilizarse como unenergy carrier, al ser posible almacenar 95 kg de hidrógeno por cada metro cúbico de etanoly/o metanol. En este último caso, a condiciones atmosféricas de presión y temperatura, seráun líquido, que será estable y podrá utilizarse como almacén de energía e incluso paraimportar energía En el caso de utilizarse como energy carrier, el hidrógeno antes de su uso,ha de ser separado del etanol y del metanol, mediante procesos catalíticos o electroquímicos.
INTEGRACIÓN CON EERR.
POWER TO X
1. Centro Nacional de Hidrógeno en España
2. Hidrógeno como vector energético
3. Integración del H2 con las energías renovables. Power to X technologies
4. Métodos de producción de H2 verde
5. Almacenamiento de H2
6. Pilas de combustible
ÍNDICE
ÍNDICE
Tema 1 Introducción. Hidrógeno como vector energético
Módulo I La energía y el hidrógeno
MÉTODOS DE PRODUCCIÓN
DE H2 VERDE
Source: Hydrogenics.
Módulo I La energía y el hidrógeno
MÉTODOS DE PRODUCCIÓN
DE H2 VERDE
Source: Hydrogenics.
Módulo I La energía y el hidrógeno
MÉTODOS DE PRODUCCIÓN
DE H2 VERDE
TIPOS DE ELECTRÓLISIS
Alcalina PEM SOEC
Tipo de electrolito KOH o NaOH Electrolito polimérico sólido (Nafion)
Y2O3-ZrO2
Ión transporte OH- H+ O2-
Temperatura (ºC) 60-85 40-80 800-1000
Rendimiento (%) 60-70 70-80 85-95
Ventajas Equipos comerciales, mayor durabilidad y menor coste
Alta presión de gases de salida Alta presión de gases de salida. Bajo consumo de electricidad
Desventajas Electrolito liquido corrosivo. Baja presión de salida. Necesidad de posterior purificación
Elevado coste de catalizadores y membrana
Actualmente en investigación
1. Centro Nacional de Hidrógeno en España
2. Hidrógeno como vector energético
3. Integración del H2 con las energías renovables. Power to X technologies
4. Métodos de producción de H2 verde
5. Almacenamiento de H2
6. Pilas de combustible
ÍNDICE
ÍNDICE
Tema 1 Introducción. Hidrógeno como vector energético
Módulo I La energía y el hidrógeno
ALMACENAMIENTO
DE H2
TIPOS DE ALMACENAMIENTO
Hidrógeno comprimido Hidrógeno licuado
Hidruros metálicos Cavidades salinas
P = 1 barT = -253 ºC
Ventajas:• Mayor capacidad
almacenamiento• Bajo costeDesventajas:• Elevado peso• Baja cinética de reacción
Hidruros habituales: • Aleación de magnesio • Aleación de niquel
TIPO I:Aluminio/acero
TIPO II:Aluminio + Fibra carbono
TIPO III:Capa metálica + Fibra carbono
• Buena estanqueidad• Bajo nivel de
proliferación de bacterias y microorganismos
• En caso de producirse defecto por la presión, los fallos se restauran de forma autónoma ya que la sal puederecristalizar
Módulo I La energía y el hidrógeno
TRANSPORTE
DE H2
TIPOS DE TRANSPORTE
Marítimo
Terrestre
Primer barco de H2 liquido comprimido (800 bar y -243 ºC)Desde la costa sur de Australia hasta Japon (KAWASAKI motor)
Tubería (< 15 km)
Trailer de H2 comprimido o licuado (15 km – 150 km)
Red de distribución de gas (>150 km)
1. Centro Nacional de Hidrógeno en España
2. Hidrógeno como vector energético
3. Integración del H2 con las energías renovables. Power to X technologies
4. Métodos de producción de H2 verde
5. Almacenamiento de H2
6. Pilas de combustible
ÍNDICE
ÍNDICE
Tema 1 Introducción. Hidrógeno como vector energético
Módulo I La energía y el hidrógeno
PILAS DE COMBUSTIBLE
Módulo I La energía y el hidrógeno
PILAS DE COMBUSTIBLE
Módulo I La energía y el hidrógeno
PILAS DE COMBUSTIBLE
Módulo I La energía y el hidrógeno
PILAS DE COMBUSTIBLE
MODOS DE FUNCIONAMIENTO DEL VEHÍCULO
Modo 1. Subida. Tanto la pila de combustible como la batería alimentan el motor eléctricoModo 2. Superficie plana. La pila de combustible alimenta el motor eléctrico y a la vezmantiene la batería en niveles adecuados de cargaModo 3. Bajada. Modo regeneración. Cuando el vehículo frena, la energía generada por elmotor es almacenada en las baterías.
Módulo I La energía y el hidrógeno
PILAS DE COMBUSTIBLE
OTRAS APLICACIONES EN MOVILIDAD. AUTOBUSES
Módulo I La energía y el hidrógeno
PILAS DE COMBUSTIBLE
OTRAS APLICACIONES EN MOVILIDAD. CAMIONES
Módulo I La energía y el hidrógeno
PILAS DE COMBUSTIBLE
Módulo I La energía y el hidrógeno
PILAS DE COMBUSTIBLE
OTRAS APLICACIONES EN MOVILIDAD. FERRY
• 1500 pasajeros
• 140 m3 de almacenamiento de H2
• 8300 kW de pila de combustible
• 2400 kWh de baterías
• Velocidad de 17 nudos
Módulo I La energía y el hidrógeno
DIMENSIONAMIENTO HIDROGENERA
ÍNDICE
David Fernández Rodríguez Unidad de Innovación Abierta
[email protected] Puertollano, 7 de Abril de 2021
¡¡MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN!!
Tema 1 Introducción. El hidrógeno como vector energético
CURSO INTRODUCTORIO SOBRE TECNOLOGÍAS
DEL HIDRÓGENO Y LAS PILAS DE COMBUSTIBLE