HIDRÓGENO

Recuerdo la emoción que sentí el día, allá por los años 2004-2005, cuando me subí a uno de los dos AUTOBUSES que en Barcelona se estaban probando dentro del proyecto "CUTE HIDROGEN" de la Unión Europea. Yo siempre me desplace en Autobús para ir y volver del Trabajo (Barcelona y Madrid). Quedé fascinado de su chimenea (escape) de vapor de agua y de su maniobrabilidad, al bajar le seguí un buen a rato a pie en la interminable serie de semáforos que le tocó parar. ¡Estaba seguro que miraba al futuro!

Conocía con detalle el Proyecto CUTE de la UE y algunos de los problemas que tenían los cuatro BUSES (dos en Barcelona y dos en Madrid) ya que llevaba unos cuantos años trabajando, en mis horas libres, en mi segundo doctorado, esta vez en el Programa de "Química Aplicada a la Ingeniería" y esta vez en la "UNED" donde mi trabajo de Investigación trataba sobre el futuro "Mix" energético en el sector del Transporte.

Se trataba de BUSES Impulsados con motores eléctricos que obtenían su energía de "PILAS DE COMBUSTIBLES" del tipo PEM de la casa BALLARD. En las Pilas de combustible (Fuel Cell) que se usaron desde los primeros proyectos Mercury de la NASA el Hidrogeno reaccionaba con el oxigeno para generar una corriente eléctrica entre sus terminales dando como resultado la formación de agua.

¡SI RECUERDO QUE AQUEL BUS LLEVABA UNA PILA "PEM" BALLARD!

Geoffrey Ballard, nació en 1932, fue un geofísico y empresario convencido de las posibilidades del hidrógeno para reemplazar los motores de combustión interna.

Reconocido a nivel mundial como el padre de la industria de las Pilas de Combustible, la empresa que fundó, creó el primer autobús con motor de hidrógeno. Gracias a este hito, Ballart fue nombrado “Héroe del Planeta” por la revista Time. Su diseño de PILA DE COMBUSTIBLE "PEM" las hace las mas indicadas en el sector del transporte. Llegados a este punto hay que recordar que el inventor de la PILA DE COMBUSTIBLE FUE fue Sir William Grove, en año 1839 (Esto será tema de otra entrada).

Solución Energética del Sector del Transporte y el final de la contaminación en el Sector del transporte

El hidrógeno se considera como EL VECTOR ENERGETICO más atractivo para el futuro próximo debido a que su combustión no resulta contaminante. El hidrógeno, cuando se combina con el oxígeno del aire, libera la energía química almacenada en el enlace H-H, generando solamente vapor de agua como producto de la combustión. Puede almacenarse como gas a presión y como líquido o distribuirse mediante gasoductos, por lo que se considera que puede reemplazar al gas natural a medio-largo plazo.

Puesto que no se producen gases de efecto invernadero durante su combustión, el hidrógeno ofrece un gran potencial para reducir las emisiones de CO₂ que se generan durante la combustión de sus precursores de origen fósil. El hidrógeno prácticamente no se encuentra en estado libre en la Tierra, por lo que no es una energía primaria. Sin embargo, puede producirse a partir de distintos precursores mediante procesos químicos o bioquímicos.

-Datos Técnicos del Hidrógeno.

El Hidrógeno es un gas incoloro, inodoro, insípido altamente inflamable y no es tóxico, este se quema en el aire formando una llama azul pálido casi invisible. El Hidrógeno es el más ligero de los gases conocidos en función a su bajo peso específico con relación al aire. Por esta razón, su manipulación requiere de cuidados especiales para evitar accidentes. El Hidrógeno es particularmente propenso a fugas debido a su baja viscosidad y a su bajo peso molecular.

TRES POSIBILIDADES DE USO DEL H2 EN EL LOS VEHÍCULOS:

1.- Reacción con Oxigeno en "FUEL CELL" PILA DE COMBUSTIBLE.

2.- Combustión directa en los Motores Térmicos de encendido provocado.

3.- HIDROXI-GAS (HHO)

El hidrógeno es un portador de energía (vector energético) como la electricidad y puede producirse a partir de una amplia variedad de fuentes de energía tales como: el gas natural, el carbón, la biomasa, el agua, etc., así como de las aguas negras, de los residuos sólidos, llantas y desechos de petróleo.

Las ventajas y desventajas del hidrógeno derivan de sus propiedades físicas básicas. La molécula de hidrógeno es la más ligera, la más pequeña y está entre las moléculas más simples, además, es relativamente estable. El hidrógeno tiene más alto contenido de energía por unidad de peso que cualquier otro combustible y, en caso de accidente, se dispersaría rápidamente. También permite la combustión a altas relaciones de compresión y altas eficiencias en máquinas de combustión interna. Cuando se le combina con el oxígeno en celdas de combustible electroquímicas, el hidrógeno puede producir electricidad directamente, rebasando los límites de eficiencia del ciclo de Carnot obtenidos actualmente en plantas generadoras de potencia.

Pero el hidrógeno no deja de ser un recurso paradójico. No existe en ningún lugar de la Tierra en estado aislado. Por lo tanto, primero hay que producirlo, usando otras fuentes de energía primarias. Existen dos procedimientos accesibles: por un lado, se puede extraer el hidrógeno de los recursos fósiles, capturando y secuestrando las emisiones de CO₂, por otro, también se puede obtener con la electrólisis del agua. Una vez producido el hidrógeno se puede almacenar y transportar. Estas operaciones, cuya factibilidad está ya establecida, requieren numerosas adaptaciones y mejoras.

La relativa poca importancia, hasta el momento, del Hidrógeno como combustible es debido a los elevados costes asociados a su obtención. Casi el 9% del Hidrogeno que se obtiene actualmente se obtiene del gas natural a partir del proceso “Steam Reforming”. Mientras que en la obtención de H₂ a partir de la hidrólisis del agua tiene un rendimiento de tan solo el 1,1% de obtención de hidrógeno.

El consumo de energía en los procesos de hidrólisis convencionales es de 4,8 kwh. por metro cúbico de Hidrogeno (con un poder calorífico de 2,8 kwh.). Estos bajos rendimientos mejoran algo con los sistemas de electrolisis de alta temperatura (Hot Elly) donde se reduce en un 30% el consumo de energía respecto la electrolisis convencional.

Por lo tanto solo nos queda esperar que las numerosas investigaciones que hay ahora en marcha aporten soluciones que mejoren estos rendimientos. Mientras tanto tenemos solo podemos pensar en obtener hidrógeno con energías renovables.

Hydrogen; Nature's Fuel

El Contenido en energía del Hidrogeno es tal que el combustible es capaz de liberar una cierta cantidad de energía cuando reacciona con el oxígeno para formar agua.

Esta cantidad de energía se mide experimentalmente y se cuantifica como el poder calorífico superior de un combustible (HHV; que son las siglas anglosajonas de Higher Heating Value), y como el poder calorífico inferior (LHV; Low Heating Value).

La diferencia entre el HHV y el LHV es el “calor de la evaporación” y representa la cantidad de energía requerida para vaporizar un combustible líquido en un combustible gaseoso.

En el caso del hidrógeno, éste dispone de un HHV de 141,86 kJ/g (a una temperatura de 25ºC y una presión de 1 atm.); y de un LHV de 119,93 kJ/g (en las mismas condiciones anteriores).

El hidrógeno dispone de la relación peso – energía más alta que cualquier combustible, al ser el elemento más ligero y ya que no dispone de ningún átomo de carbón pesado. Es por esta razón que el hidrógeno se ha utilizado extensivamente en los diferentes programas espaciales, donde el peso resulta un elemento crucial. La cantidad de energía liberada durante la reacción del hidrógeno, es cerca de 2,5 veces el calor producido en la combustión de los hidrocarburos más comunes (Gasolina, Diesel, metano, propano, alcoholes, etc.)

La Densidad de la energía Mientras que el contenido en energía nos informa de la cantidad de energía que hay en un determinado peso de combustible, la densidad de energía nos informa de la cantidad de energía que hay en un cierto volumen de combustible. Así, la densidad de energía es el producto del contenido en energía (LHV) y de la densidad de un combustible determinado. La densidad de la energía es en realidad una medida que nos informa sobre lo compactados que se encuentran los átomos de hidrógeno en un combustible. La densidad de la energía del hidrógeno es bastante pobre (ya que este elemento dispone de una densidad muy baja), aunque su relación peso – energía es la mejor de todos los combustibles, precisamente al ser tan ligero.

1.- Reacción con Oxígeno en "FUEL CELL" o PILA DE COMBUSTIBLE.

En las Pilas de combustible el hidrógeno reacciona con el oxígeno del aire generando corriente eléctrica la cual se utiliza para alimentar motores eléctricos. El resultado de la recombinación del Oxigeno del aire y el Hidrogeno es AGUA.

HIDROGENO EN COMBUSTIÓN O CON PASO INTERMEDIO DE PILA DE COMBUSTIBLE (Fuel Cell).

Levantando el capó en un vehículo con Pila de Combustible

Como se ve un motor con Pila de Combustible

BMW iHydrogen Next

El motor BMW iHydrogen Next cuenta con un sistema de pilas de combustible que generan hasta 170 CV de energía eléctrica que se sumará al sistema eDrive para una potencia total de 374 CV y una conducción, según la marca, a la altura de lo que se espera de una firma como BMW.

El hidrógeno se almacenará en dos tanques de 700 bares que pueden contener hasta seis kilos de hidrógeno, una cifra con la que promete una gran autonomía independientemente de las condiciones climáticas. Repostar hidrógeno, como hacerlo con gas natural comprimido, es un proceso sencillo que apenas lleva más de tres o cuatro minutos.

2.- Combustión directa en los Motores Térmicos de Combustión Interna de encendido provocado.

En la combustión, el hidrógeno se “quema” de la misma manera que tradicionalmente en los motores de combustión interna alternativos o rotativos.

HIDRÓGENO. APLICACIÓN EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA. A continuación se ofrece una relación donde se compara la densidad de la energía de varios combustibles.

Combustible Densidad de la energía (LHV) Hidrógeno 10050 kJ/m3 ; gas a 1 atm. y 15ºC 1825000 kJ/m3 ; gas a 200 bar y 15ºC 4500000 kJ/m3 ; gas a 690 bar y 15ºC 8491000 kJ/m3 ; líquido Metano 32560 kJ/m3 ; gas a 1 atm. y 15ºC 6860300 kJ/m3 ; gas a 200 barg y 15ºC 20920400 kJ/m3 ; líquido Propano 86670 kJ/m3 ; gas a 1 atm. y 15ºC 23488800 kJ/m3 ; líquido Gasolina 31150000 kJ/m3 ; líquido Diesel 31435800 kJ/m3 ; líquido Metanol 15800100 kJ/m3 ; líquido La densidad de la energía de un combustible variará si éste se almacena como un líquido o como un gas y, en el caso de almacenarse en estado gaseoso, influirá también a qué presión se ha efectuado.

Ya me lo decía mi Padre (Que en Gloria esté). ¡En España hay grandes inventores pero no solemos hacerles caso!. El "Motor de Agua" es el ejemplo mas indicado para mostrar esta realidad, no hacer caso a una idea GENIAL y muy adelantada a su tiempo. D. Arturo sin duda fue un adelantado en el Motor de combustión interna utilizando este, como combustible en el motor de explosión de su motocicleta.

Recomiendo que miréis la entrada de este mismo Blog dedicada a

D. Arturo

EL MOTOR DE AGUA ESPAÑOL

Con este VIDEO nos hacemos a la idea de la combustión del HIDROGENO

Punto de inflamación (o “flashpoint”)

Todos los combustibles queman únicamente cuando se encuentran en estado gaseoso o de vapor. Combustibles como el hidrógeno o el metano se encuentran ya en estado gaseoso en condiciones atmosféricas, mientras que otros combustibles, como la gasolina o el diesel, se encuentran en estado líquido, por lo que resulta necesario evaporarlos antes de quemarlos.

La característica que describe la facilidad de evaporar los combustibles es su punto de inflamación o flashpoint. Éste se define como la temperatura mínima a la cual el combustible desprende vapores inflamables suficientes a la presión atmosférica, es decir, que arden al entrar en contacto con una fuente de ignición, pero sin propagarse la combustión a la masa líquida del combustible. Si la temperatura del combustible se encuentra por debajo de su punto de inflamación, no será capaz de producir la cantidad suficiente de vapores para quemarse, puesto que su proceso de evaporación será demasiado lento.

Siempre que un combustible se encuentre en ó por encima de su punto de inflamación, los vapores que desprende estarán presentes.

No debe confundirse el punto de inflamación con la temperatura a la cual el combustible estalla en llamas, esto es la temperatura de auto ignición. El punto de inflamación es siempre más bajo que el punto de ebullición del combustible.

Para los combustibles que se encuentren en estado gaseoso en condiciones atmosféricas (como el hidrógeno, el metano y el propano), el punto de inflamación se encuentra muy por debajo de la temperatura ambiente y tiene poca importancia, puesto que el combustible ya se encuentra totalmente vaporizado.

El punto de inflamación es el momento más propicio para el RIESGO de incendio de los combustibles líquidos y su conocimiento es de suma importancia. A continuación se ofrece una tabla en la que se muestra el punto de inflamación de algunos combustibles.

Combustible Punto de inflamación

Hidrógeno < – 253ºC

Metano – 188ºC

Propano – 104ºC

Gasolina Aproximadamente a – 43ºC

Metanol +11ºC

Dos conceptos relacionados que ya hemos visto son el límite inferior explosivo (LEL; Lower Explosive Level) y el límite superior explosivo (UEL; Upper Explosive Level).

Estos dos términos se usan frecuentemente junto con los límites superior e inferior de inflamabilidad, aunque no son exactamente lo mismo. Como ya se ha dicho anteriormente, el límite inferior de inflamabilidad de un gas es la mínima concentración de ese gas que puede admitir una llama que se propaga al ser mezclada con el aire y encendida, para seguir quemando. Parecido, el UEL es la máxima concentración de gas que ayudará a una explosión cuando entre en contacto con el aire y se encienda.

El hidrógeno es inflamable en una gama muy amplia de concentraciones en el aire (4% - 75%) y resulta explosivo sobre una también amplia gama de concentraciones (15% - 59%) en una temperatura atmosférica estándar. Como consecuencia, incluso las pequeñas fugas de hidrógeno corren el peligro de incendiarse o estallar. Si además nos encontramos en un recinto cerrado, la fuga de hidrógeno puede concentrarse, de tal modo que se aumenta el riesgo de combustión y explosión. ¡Atención! Las mezclas de hidrógeno y aire resultan potencialmente inflamables y explosivas. Se da una Variación de los límites de inflamabilidad del hidrógeno, en relación a la temperatura.

Fabricantes de Motores para HIDROGENO y/o Gasolina

- El fabricante alemán BMW sea, probablemente, el que más ha avanzado en este campo. En el año 2000 presentó su modelo 750 hL, el primer automóvil propulsado a hidrógeno fabricado en serie en todo el mundo. El vehículo va equipado con un motor ambivalente de doce cilindros propulsado a hidrógeno y gasolina. Rinde una potencia de 204 CV, y tiene una aceleración de 0 a 100 km/h en 9,6 segundos, alcanzando una velocidad máxima de 226 km/h. cuando el motor es alimentado con hidrógeno, el vehículo dispone de una autonomía de unos 350 kilómetros, gracias a los 140 litros de capacidad de su tanque criogénico en el que se almacena el hidrógeno. Si llegara a agotarse el hidrógeno y no hubiera una estación de servicio cercana, el vehículo cambiaria automáticamente al sistema de combustión convencional, utilizando gasolina como combustible, almacenada en un segundo tanque, y que le proporcionaría unos cientos de kilómetros de autonomía adicionales. La única diferencia, en el ámbito de la aspiración, respecto al motor convencional de gasolina del mismo modelo, es la adopción de válvulas adicionales para la admisión del hidrógeno. A continuación se ofrece un cuadro comparativo en el que se pueden observar las diferencias de rendimiento de dicho modelo respecto a su homólogo propulsado por gasolina.

- Motor BMW 750iL BMW 750hL Combustible Gasolina súper e Hidrógeno. -Número y disposición de cilindros 12 en V 12 en V Válvulas por cilindro 2.-2 Cilindrada (cm3 ) 5379 5379 Potencia máxima (CV/rpm) 243 204 Rendimiento Velocidad máxima (km/h) 250 226 Aceleración 0 – 100 km/h (segundos) 6,8 9,6 Aceleración 0 – 1000 m (segundos) 26,7 26,1 Más recientemente (marzo de 2007) BMW ha presentado su nuevo modelo Hydrogen 7, construido sobre la base de la actual serie 7, perteneciente al segmento de las berlinas de lujo. Al igual que su antecesor.

El Hydrogen 7 dispone de un motor ambivalente de gasolina e hidrógeno, de 12 cilindros en V y equipado con sistema de inyección electrónica. Su cilindrada total es de 5972 cm3 , rinde una potencia máxima de 260 CV a 5100 revoluciones por minuto, y un par máximo de 390 Nm a 4300 revoluciones por minuto. Considerando sus dimensiones, ofrece unas prestaciones nada despreciables, como una aceleración de 0 a 100 km/h en 9,5 segundos, un consumo medio de 13,9 litros/100 km. con gasolina y de 13,3 litros/100 km. con hidrógeno. En cuanto a sus emisiones de CO2, cuando funciona alimentado por gasolina alcanzan un valor de 332 g/km, mientras que cuando pasa a funcionar con hidrógeno, dicho valor se reduce a únicamente 5 g/km. Cuenta con dos depósitos de combustible, uno de gasolina con una capacidad de 74 litros, y otro para el hidrógeno, de 8 kg. de capacidad. Con el depósito de hidrógeno lleno dispone de una autonomía de 200 km., a los que se debe sumar 500 km. más con el depósito de gasolina lleno.

- El fabricante norteamericano Ford Motor Company ha diseñado otro vehículo que es incluso más eficiente en su versión de hidrógeno que en la de gasolina. Se trata del modelo Ford Model U Su motor está basado en otro modelo de Ford de 2,3 litros de cilindrada y cuatro cilindros, utilizado en el Ford Ranger, la versión europea del Ford Mondeo o en un gran número de vehículos Mazda (marca de la cual Ford es propietaria). Para lograr dicho rendimiento, se ha realizado la refrigeración pertinente del aire de admisión y el motor se ha sobrealimentado mediante un compresor centrífugo que es capaz de añadir una presión de 1 atmósfera aproximadamente a la ya de por si aumentada (respecto al modelo de gasolina) relación de compresión de 12,2:1. Además, para optimizar el quemado del hidrógeno, se utilizan inyectores especialmente diseñados para este fin, estrangulador electrónico y un nuevo software de control diseñado específicamente para este motor. Ford ha aprovechado el amplio margen de concentraciones que proporcionan una buena inflamabilidad al hidrógeno para poder hacer trabajar al motor en condiciones cercanas a las óptimas a muy diferentes regímenes de giro, de tal manera que la eficiencia se ha incrementado hasta valores del 38% (25% más que en el caso del mismo motor alimentado por gasolina).

En estos últimos tiempos varios fabricantes orientales se han apuntado a la nueva moda del motor de HIDROGENO. En el pasado Salón de Ginebra. Uno es el Hyundai Nexo, un SUV de 163 CV un poco mayor que el Tucson y que, gracias a su depósito de hidrógeno, dispone de una autonomía que ronda los 800 kilómetros. El otro es el Toyota Fine-Confort Ride Concept, un prototipo de coche familiar cuya función es adelantar la nueva generación de pila de hidrógeno del fabricante japonés. Sus cuatro motores eléctricos se sitúan en las ruedas y la electricidad generada por su reserva de hidrógeno le permitiría recorrer unos 1.000 kilómetros antes de tener que repostar.

- El fabricante Nipón Mazda y el Motor rotativo de Hidrógeno

Cada dos años, la IAHE concede cinco premios a los investigadores y organismos que más hayan contribuido al desarrollo de esta fuente de energía, unos galardones bautizados como Sir William Grove Award, en honor a Sir William Grove, inventor de la pila de combustible en 1839. Este año, uno de esos premios ha recaído sobre el motor rotativo de hidrógeno de Mazda, un reconocimiento a las iniciativas de la marca nipona en el desarrollo de esta tecnología. Uno de sus proyectos más interesantes se realiza en noruega, donde contribuye a la creación de una infraestructura de hidrógeno en las principales carreteras del país, donde ya ruedan tres Mazda RX-8 Hydrogen RE en fase de prueba. Además, otros cuatro Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid participan en Japón en otro proyecto similar.

3.- HIDROXI-GAS (HHO)

La primera vez que leí algo sobre este auto-procedimiento de generar Hidrógeno en el propio vehículo se trataban de camiones en USA allá por el año 2004 y yo me disponía a preparar mi trabajo de investigación para mi doctorado en Química Aplicada a la Ingeniería en la UNED.

Recuerdo que mi primera impresión fue pensar que la energía que se gastaba en la generación de Hidrógeno a partir del agua era superior al incremento de energía en las combustiones con el H2 que se mezclaba con el aire de la admisión. Pero no es menos cierto, que en carretera y especialmente con grandes unidades de transporte la inercia propia del trazado de las carreteras hace viable la recuperación de energía con este sencillo sistema.

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HIDROXI-GAS (HHO)

¿¿Qué es el Hidroxi-Gas HHO?

El Gas HHO es el resultado de la descomposición de las moléculas del agua ( H2O ) utilizando energía eléctrica. Por medio de una electrolisis es posible separar los dos elementos del agua obteniendo 2 moléculas de gas hidrógeno ( H2 ) y una molécula de gas oxigeno ( O ). El Gas Hidrógeno es un combustible altamente explosivo.

POR LO TANTO PODEMOS AÑADIRLO AL AIRE DE ADMISIÓN EN TODOS LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA, TANTO DE ENCENDIDO PROVOCADO (Gasolinas y Alcoholes) COMO ENCENDIDOS POR COMPRESIÓN (Gasóleo y otros aceites COMBUSTIBLES)

Las gasolineras de Hidrógeno “Hidrogeneras”.

Las prioridades principales en los usuarios finales son: la seguridad, el tiempo de repostado, el coste y la disponibilidad, siendo prioritaria la primera. Si bien se lleva utilizando el hidrógeno en la industria durante muchos años ya, el uso por personal no cualificado de forma segura es algo nuevo.

Esto va a implicar un diseño de los surtidores de manejo muy sencillo y a prueba de fugas o errores. La disponibilidad suficientemente extensa y el sobrecoste que la estación de servicio tenga sobre el precio final del combustible son temas económicos que probablemente tengan su solución a largo plazo. Por último, la velocidad de repostado es un problema técnico, que afectará al diseño del esquema de carga y dependerá del tipo de combustible que se imponga (hidrógeno comprimido, licuado o combinado en un compuesto líquido).

Esquema de hidrogenera propuesta por Linde HIDRÓGENO.