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Energía : Electricidad, Hidrógeno, Vehículo con Motor de Combustión Interna de Hidrógeno


La energía eléctrica se ha posicionado durante el último siglo como la reina de las energías, no solo por su versatilidad, sino también por su facilidad de uso.

La electricidad tiene un sinfín de aplicaciones: uso doméstico, industrial, medicinal o en el transporte.

Solo para citar algunos se puede mencionar a la electrónica, electrosoldadura, motores eléctricos, máquinas frigoríficas, aire condicionado, electroimanes, telecomunicaciones, electrolítica, señales luminosas, robotica, electroválvulas, iluminación y alumbrado, producción de calor, electrodomésticos.

También se aplica la inducción electromagnética para la construcción de motores movidos por energía eléctrica, que permiten el funcionamiento de innumerables dispositivos.

Sus ventajas son diversas: no contamina, es de fácil transporte a través del cableado y permite su accesibilidad hasta los lugares más alejados.

Para la movilidad sin cableado recurrimos a las baterías y otros tipos de energía (gasolina, gasoil).

La imposibilidad de almacenar electricidad requiere que la oferta sea igual a la demanda, lo que supone necesariamente una coordinación de la producción de energía eléctrica.

 

Los principales métodos de generar electricidad son:

  • Centrales hidroeléctricas, convierten la Energía potencial (Ep = m g h) del agua embalsada a una determinada  altura h  en Energía cinética ( Ec = ½ m v2 ) al caer el agua por una tubería a una determinada  velocidad v  que mueve los álabes de una turbina que mediante un alternador genera electricidad.

Los emplazamientos rentables ya tienen su central y además el agua es un bien que no se puede “malgastar” produciendo electricidad: las centrales se ponen en marcha cuando hay demanda de consumo de agua.

  • Centrales de combustibles fósiles (carbón, gas natural, gasolina,  etc). Contaminan, perecederas.
  • Centrales nucleares. No Coment.
  • Centrales solares. No contaminan, es una fuente inagotable y hay muchos emplazamientos rentables.
  • Aerogeneradores o centrales eólicas, convierten la Energía cinética del viento en electricidad.

No contaminan, es una fuente inagotable y hay numerosos emplazamientos rentables, pero no siempre sopla el viento.

La tendencia actual es basarse en los aerogeneradores que nacen como setas en EEUU, China, Alemania, Paises Bajos, España, etc. y el resto de centrales tenerlas como comodines según la demanda.

 

Las baterías son muy pesadas (relación Energía/masa) y no son viables, hoy en día, para automóviles ya que proporcionan poca autonomía.

Para motos de pequeña potencia y bicicletas pueden ser una buena solución.

Para los coches necesitamos otro tipo de baterías : el hidrógeno H2.

El hidrógeno H2 existe en las estrellas, pero en la Tierra no es un combustible primario ya que aparece combinado con el oxígeno O2, en forma de agua H2O  (más estable).

El hidrógeno es posible obtenerlo a partir del agua mediante electrolisis utilizando la electricidad generada por alguna fuente primaria de energía (p. ej. eólica, solar, nuclear, etc.).

H2O  (l)   +   141,86     MJ/kg      ⇌    H2  (g)  +   ½ O2  (g)      teóricamente para agua líquida

en la práctica el rendimiento puede ser η ≈ 50 %  (hay que aportar el doble de Energía ya que,además, tenemos que comprimir el gas o licuarlo)

Una vez quemado/oxidado se vuelve a general la misma cantidad de agua inicial, cerrándose un ciclo en el cual el medio ambiente no se altera:

H2  (g)  +   ½ O2  (g)     ⇌    H2O  (l)    +   141,86     MJ/kg       teóricamente para agua líquida

H2  (g)  +   ½ O2  (g)     ⇌    H2O  (g)   +   120,00     MJ/kg      teóricamente para agua vapor

  • Al oxidarlo en una Pila de Combustible:                                             Rendimiento   ηpdc ≈ 50 %
  • Al quemarlo (combustión) en un Motor de Combustión Interna:         Rendimiento   ηmci ≈ 30 %

En ambos casos  lo bueno es que al final del ciclo volveremos a tener agua.

Las Pilas de Combustible son caras y duran poco.

En la conversión de pila de combustible, el hidrógeno se oxida y los electrones que pierde generan la corriente eléctrica que mueve el motor eléctrico.

En la combustión, el hidrógeno se quema en un motor de explosión, de la misma forma que la gasolina.

Como el combustible H2  no tiene carbono no se generará CO2

Desde el punto de vista energético, el hidrógeno es el que tiene la máxima relación energía/peso:

Gasolina / Gasoil :   47   MJ / kg

Hidrógeno :           122   MJ / kg       (ideal para cohetes, coches de carreras F1)

Calor Combustión Hidrógeno diatómico H2

Calor Combustión Hidrógeno diatómico H2

 

F1 2014 Motor V6 15rpm combustible Hidrogeno Diatomico H2

F1 2014 Motor V6 15rpm combustible Hidrogeno Diatomico H2

La potencia en un F1  (y en un coche en general) es ≈  la misma que con gasolina.

Pero la masa de combustible del depósito puede ser menos de la mitad (52 kg/119 kg). Otro tema es el depósito.

Hay dos maneras para almacenar suficiente H2 en un tanque pequeño, como el de un automóvil:

  • comprimir el gas H2 a altas presiones ≈ 700 atm   (posibilidad de que explote el tanque)   ***
  • licuar el gas H2 a bajas temperaturas ≈ 20 ºK = -253 ºC

El hidrógeno líquido tiene una temperatura de -253 °C, y sin un aislamiento adecuado, el hidrógeno líquido se evapora rápidamente.

Para resolver este inconveniente, BMW ha desarrollado un tanque superaislante de 93 litros de capacidad y doble pared de vacío.

Con todo, un 2% del hidrógeno escapó de un vehículo parado.

El hidrógeno líquido vuelve quebradizo el metal, y a diferencia del petróleo, no tiene propiedades lubricantes.

Además, el combustible H2  a bajas temperaturas presenta mayores obstáculos para el desarrollo de una bomba de combustible y de un sistema de inyección eficientes.

Si comparamos al hidrógeno con los combustibles tradicionales, la diferencia más importante a tener en cuenta es que el hidrógeno sólo deja como subproducto de su combustión vapor de agua, mientras que los otros además producen dióxido y monóxido de carbono.

De ahí que resulte ser un combustible limpio, no contaminante.

Esta característica sumada al hecho de existir tanta agua en el planeta, lo convierten en un combustible renovable, abundante e inagotable (ya que realiza un ciclo).

Por contra no es un combustible primario: hay que gastar energía para producirlo.

Como ventaja no hay que gastar recursos para extraerlo (el agua está a güevo en todas partes).

 

Comparativa de costes / combustibles en un vehículo

Un vehículo    X    recorre, por ejemplo,   100 km y consume  7 litros de gasolina/gasoil (5,25 kg) que cuestan unos 10 €.

Vamos a comparar al mismo vehículo    X   con distintos motores y haciendo el mismo recorrido para calcular los costos de combustibles:

Vehículo con Motor de Combustión Interna de   Gasolina/ Gasoil:

10 €      7  litros        5,25 kg         Pgas = 44 MJ/kg           Wgas  =  44 MJ/kg  * 5,25 kg =  231 MJ            ηmci = Wmec / Wgas ≈ 30 %

Wmec = 0,30 * 231 MJ =  69 MJ

Es decir necesitamos una energía mecánica de 69 MJ       en este recorrido con este coche    sea cual sea el tipo de motor:

Vehículo con Motor Eléctrico por   Baterías:   

El kW hora cuesta unos 0,10 € + tasas + contador + …                     total    1 kW hora cuesta unos 0,20 €

1 kW hora = 1 kJ/s  hora * 3600 s/hora = 3600 kJ = 3,6 MJ    que cuestan unos 0,20 €

Wmec =  69 MJ          ηbat  = Wmec / Welec ≈ 50 %            Welec = 69 MJ / 0,50 = 138 MJ

consumiremos 138 MJ de electricidad que nos costarán         138 MJ * 0,20 €/3,6 MJ = 8 €               η ( Wmec / Welec ) ≈ 0,50 = 50 %

más barato que gasolina/ gasoil, al principio, ya que las baterías pierden rendimiento y cuando éste baje a  ηbat ≈ 25 %  nos costará   16 €

y la autonomía bajará a la mitad ( al principio 80 km y luego 40 km por ejemplo, como los smartphone).  

Ahora hay que poner baterías nuevas, una pasta para poca potencia y autonomía.

Vehículo con Motor Eléctrico por   Hidrógeno   con Pila de Combustible:

Wmec =  69 MJ          ηpdc  = Wmec / WH2 ≈ 50 %            WH2 = 69 MJ / 0,50 = 138 MJ           PH2 = 120 MJ/kg          mH2= 1,15 kg de H2

para producir el H2 mediante electrolisis con un rendimiento de      ηisis  = WH2 / Welec ≈ 50 %                     Welec = 138 MJ / 0,50 = 276 MJ

consumiremos 276 MJ de electricidad que nos costarán       276 MJ * 0,20 €/3,6 MJ = 16 €              η ( Wmec/Welec ) ≈ 0,50 * 0,50 = 0,25 = 25 %

además la pila de combustible (motor químico de oxidación/reducción) es cara y dura poco. Mal asunto.

Vehículo con Motor de Combustión Interna de   Hidrógeno:

Wmec=  69 MJ          ηmci = Wmec / WH2 ≈ 30 %            WH2 = 69 MJ / 0,30 = 230 MJ           PH2 = 120 MJ/kg           mH2= 1,92 kg de H2

para producir el H2 mediante electrolisis con un rendimiento de     ηisis  = WH2 / Welec ≈ 50 %                      Welec = 230 MJ / 0,50 = 460 MJ

consumiremos 460 MJ de electricidad que nos costarán       460 MJ * 0,20 €/3,6 MJ = 25 €            η ( Wmec / Welec ) ≈ 0,30 * 0,50 = 0,15 = 15 %

 

El tema está complicado. De aquí hasta que se acabe la gasolina/gasoil mejorarán los rendimientos pero no de forma espectacular.

Mover el coche saldrá bastante más caro, si bien dada la tendencia del aumento de aerogeneradores, puede llegar un momento en que, por la noche, la producción de energía eléctrica sea superior a la demanda, y se aproveche el exceso para producir hidrógeno a un precio más competitivo, ya veremos.

 

Un aerogenerador de palas de 60 m con un rendimiento o Coeficiente de potencia de     η  =  Cp = 0,20:

Potencia del viento                               Ẇ viento  (w) = ½ ρ A v³ = ½  1,2 Π 60²  v³ = 6800 v³    (w)

Potencia del aerogenerador            Ẇ aero  (w)      = Cp Ẇ viento = Cp 6800 v³ = 1350  v³    (w)

Si cuesta 10 millones de €   diseñarlo, fabricarlo e instalarlo y funciona 20 años con un gasto anual (gestión más mantenimiento) de 1.000.000 € costará en total:

10.000.000 + 20 * 1.000.000 = 30.000.000 €   (30 millones de €)

Habrá que ganar algo ( 10 millones de € ),  por tanto tendremos que ingresar 40 millones de €

La compañía eléctrica (Iberdrola por ejemplo) nos cobra  1 kW hora3,6 MJ    a   0,20 €      pero lo pagará a       1 kW hora = 3,6 MJ    a    0,05 €

entre otras cosas porque en el transporte por la red eléctrica hay pérdidas.

Por tanto para hacer posible el proyecto necesitamos generar :  W = 40.000.000 €   3,6 MJ/0,05 € = 2.880.000.000 MJ   en los 20 años.

Tenemos que encontrar un emplazamiento que nos asegure una velocidad mínima    v  durante 12 horas diarias, tal que:

Ẇ aero = 1350  v³ = W/t = 2.880.000.000 MJ / ( 20 años * 365 días/año * 12 horas/día * 3600 s/hora) = 9,13 MJ/s = 9,13 Mw  =  9.130.000(w)

 1350  v³ =  9.130.000          =>      v³  =  9.130.000 / 1350  =  6763           =>      v = 19 m/s

El tema sigue estando jodido: no hay tantos sitios que te aseguren esa velocidad mínima del viento     v = 19 m/s     durante 12 horas diarias.

Si bajamos los gastos e ingresos a la mitad (20 millones de €):                      v³  =  6763  /2            =>      v = 15 m/s

Si además aumentamos el Cp del aerogenerador al doble     Cp = 0,40 :           v³  =  6763  /4            =>      v = 12 m/s

Por ahí van los tiros.

 

Para mejorar el precio de fabricación y suministro del Hpodemos prescindir del transporte de la electricidad por la Red Eléctrica.

Fabricando el H2 in situ podemos transportarlo mediante gaseoductos hasta la estación de servicio y aquí licuarlo

o bien licuarlo in situ y transportarlo con camiones cisterna criogénicos hasta la estación de servicio

o bien mezclando ambas estrategias para que las pérdidas sean mínimas:

*  gaseoducto (desde aerogeneradores a depósitos centrales en Madrid, Barcelona, Sevilla, Valencia, etc.) , en éstos licuarlo,  

* y reparto con camiones cisterna criogénicos hasta las estaciones de servicio

Si al aerogenerador le acoplamos un hidrogenerador, en lugar de pagar a la compañía eléctrica (Iberdrola por ejemplo) el kwh = 3,6 MJ a 0,20 €

podemos asumir un coste de 0,10 €/kwh   (0,05 € del aerogenerador y 0,05 € del hidrogenerador),

entonces los costes de Vehículo con Motor de Combustión Interna de   Hidrógeno serán:

consumiremos 460 MJ de electricidad que nos costarán       460 MJ * 0,10 €/3,6 MJ = 13 €            η ( Wmec / Welec ) ≈ 0,30 * 0,50 = 0,15 = 15 %

A estos 13 € hay que añadir el transporte del H2 desde el punto de fabricación hasta la estación de servicio.

 

***  Un depósito de H2 debe ser para líquido ya que para gas a presión será demasiado voluminoso y pesado:

Volumen del Depósito equivalente a 60 litros de gasolina:

como 1,92 kg de H2 “equivalen” a 7 litros de gasolina ( 5,25 kg)

necesitaremos 1,92 * 60/7 = 17 kg de H2

que a 700 atm ocuparán un volumen de  (Avogadro: 1 mol  de H2 ocupa 22,4 litros (dm³) y tiene una masa de 2 g condiciones estándar):

VH2 = 22,4 dm³ * 17000 g/2 g *  1 atm/700 atm = 272 dm³ (litros) = 0,272 m³     un volumen 4,5 veces mayor que con gasolina/gasoil.

VH2 = base * altura = π r ² h = 0,272 m³      =>   r h = 0,272 m³ / (π r)

Depósito de pared delgada                    (Para un cilindro de      radio r    altura h     espesor e         a  Presión P = 700 atm = 700 E+5 Pa)

µ = 2          Coeficiente de seguridad del material                          TYS,   Tensile Yield Strength   para acero   TYS = 2,5 E+8 Pa

e = µ P r / TYS    (a mayor radio mayor espesor)

Masa del Depósito:  (solo pared del cilindro sin contar las tapas):

mdep = (VolumenParedDepósito) * DensidadAcero = (2 π r h e) ρa                ρa = 8000 kg/m³,    densidad del acero

mdep = 2 π r h e ρa = 2 π  0,272 m³ / (π r)   µ P r / TYS   ρa  = 2  ρa  0,272 m³   µ P  / TYS

mdep = 2 * 8000 kg/m³  0,272 m³  * 2 * 700 E+5 Pa  / 2,5 E+8 Pa = 2437 kg     una barbaridad  (más que el resto del coche)

El depósito tendría una masa de unos 2500 kg           y con el riesgo de que explote por presión:      Una bomba de relojería.

 

Eficiencias  (rendimientos) para vehículos de hidrógeno y/o baterías a partir de la electricidad, según internet:

Eficiencia Rendimientos Hidrógeno Diatómico H2

Eficiencia Rendimientos Hidrógeno Diatómico H2

 

Eficiencia Rendimientos Hidrógeno Diatómico

Eficiencia Rendimientos Hidrógeno Diatómico

 

Eficiencias  (rendimientos) para pilas de combustible, según internet:

Rendimento (Eficiencia) de distintos tipos de pilas de combustibles

Rendimento (Eficiencia) de distintos tipos de pilas de combustibles

 

Rendimento (Eficiencia) de distintos tipos de pilas de combustibles 2

Rendimento (Eficiencia) de distintos tipos de pilas de combustibles 2

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