¿Es hidrógeno el combustible del futuro?

Walter Orellana

Departamento de Ciencias Físicas

Universidad Andrés Bello

Motivación: El Calentamiento Global

Vapor de agua (H2O) 36-72 %

Dióxido de carbono (CO2) 9-26 %

Metano (CH4) 4-9 %

Ozono (O3) 3-7 %

Gases de efecto invernadero

Emisión de CO2 en los últimos 50 añosFuente: Goddard Institute for Space Studies, NASA

La temperatura del la Tierra a aumentado en un grado en los últimos 100 años

Los VillanosFuentes de emisión de CO2 a la atmósfera en los últimos doscientos años

TotalPetróleoCarbón mineralGas naturalProducción de CementoQuema de gas

Ton

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A la tasa actual de emisión de CO2, la temperatura global aumentará entre 1,6 y 5,5 °C durante las próximas décadas*

(*) The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), http://www.ipcc.ch

La Celda de Combustible de Hidrógeno

Las celdas de combustibles PEM son dispositivos electroquímicosque convierte energía química a eléctrica con una eficiencia del orden del 60%. Luego doblan en eficiencia a un motor de combustión, cuya eficiencia puede llegar a solo 35%.

Proton exchange membrane (PEM) hydrogen fuel cell

p = 1 – 10 atm T = 25 – 120 °CEfficiency 60%

Honda FCX Clarity, 2008

Bus Cero Emisión

100% vapor de agua

Proyectos: CUTE (Clean Urban Transport for Europe) EPTOS (Ecological City Transport System, Iceland) STEP (Sustainable Transport Energy for Perth, Australia)

Celdas de combustible con catalizador de platino

Almacenamiento de H2 en tanques a presión (350 bar/40Kg H2)

Autonomía de 300 Km

Costo US$1.2 millones (~24 veces más caro que uno a gasolina)

http://cute-hamburg.motum.revorm.com/presentations

Mercedes BenzCitaro

Flota mundial de vehículosmovidos a hidrógeno, todasiniciativas gubernamentales(2006).

¿Cómo funciona?

Mercedes BenzCitaro

¿Cómo podemos reducir su costo?

Reducir los costos de los vehículos a hidrógeno requiere soluciones innovadoras a tres problemas fundamentales:

Catalizadores alternativos a platino, abundantes y baratos Platino es un metal escaso y caro, el 90% de su producción mundial la detentan solo dos países: Sudáfrica (75%) y Rusia (17%)

Producción limpia y eficiente de hidrógeno (H2)

Actualmente el hidrógeno se produce masivamente a partir del metano en un proceso contaminante que emite CO2

Almacenamiento eficiente de hidrógeno en vehículos Actualmente, el hidrógeno utilizado por vehículos es gas comprimido, que es almacenado en tanques de modo que el volumen ocupado y su peso son un problema

Sítio activo:Porfirina de Magnesio (MgP)

Imitando a la Naturaleza: FotosíntesisLas plantas usan la energía de la luz solar para combinar CO2 con H2O y producir hidrocarburos como el azúcar y el almidón,ingredientes básicos de nuestra comida y de los combustibles.

Imitando a la Naturaleza: Hemoglobina

Porfirina de hierro (FeP):Se ha demostrado que puedencatalizar la reacción de reducciónde O2

Hemoglobina: proteina de glóbulos rojos

αβ

Complejo hemo-b:Sitio activo para la captura de O2

10 Å

Céluas de la sangre(glóbulos rojos)

¿Qué son los catalizadores?

Son elementos que hacen que una reacción química ocurra más rápido, preservando sus características estructurales.

Son fundamentales para eliminar compuestos químicos altamente tóxicos (NOx, CO), transformandolos en otros no tan tóxicos (N2, O2, CO2).

Reducción de óxidos de nitrógeno a nitrógeno y oxígeno2 NOx → x O2 + N2

Oxidación de monóxido de carbono a dióxido de carbono2 CO + O2 → 2 CO2

Catalizadores para estas reacciones son partículas de metales preciosos:

Convertidor Catalítico

Catalizadores para romper O2

Porfirinas y Phtalocianina de hierro adsorbidas sobre sustratos de carbonohan mostrado propiedades catalíticas similares al platino para la reacciónde reducción de O2 [Science 324, 71 (2009)]

Physical Review B 82, 115406 (2010)

Funcionalizacón de nanotubos de carbono con porfirinasy phtalocianinas metálicas (Mn, Fe y Co)

Fe-PhtalocianinaFe-Porfirina

Catalizadores para romper O2

Nanopartículas metálicas sobre la superficie óxidos como TiO2(110), CeO2(111)

Phtalocianinas metálicas (Fe, Co) ancladassobre la superficie de Au(111) a través de unespaciador 4-Mercaptopiridina.

Producción de H2

I. El método más barato pero contaminante (produce CO2): Reformado de vapor (metano + vapor de agua)

paso 1: CH4 + H2O → CO + 3H2 (stem reforming)

paso 2: CO + H2O → CO2 + 2H2 (water-gas shift)

II. El método más caro pero limpio: A partir de la descomposición de la molécula de agua con electricidad (electrólisis)

H2O → H2 + ½ O2 (water split)

Esta reacción también puede ser catalizada de modoa requerir menos energía eléctrica.

Producción limpia de H2

Estaciones de producción y suministro de H2

que utilizan la energía solar para producir lahidrólisis del agua.

La electricidad producida por celdas solares es utilizadapara romper la molécula H2O produciendo H2 y O2. El hidrógeno es comprimido y almacenado en tanques.

Almacenamiento de H2 en vehículos

Nuevos materiales I: Hidruros complejos livianos: NaAlH4 (4.0 wt %, 1 atm, 33 °C) Li2NH (6.5 wt %, 1 atm, 200 °C) NH4BH4 (6.1 wt %, 1 atm, < 25 °C)

Nuevos materiales II: Nanoestructuras de carbono: fullerenos dopados, nanotubos y grafeno

La forma más compacta y segura de almacenar H2 es al interior de materiales sólidos liviano (con alta capacidad gravimétrica) y que puedan guardar la mayor cantidad de H2 posible (alta capacidad volumétrica).

http://www.hydrogen.energy.gov/

meta para igualar la autonomía de un auto a gasolina

Simulación de dinámica molecular: 64 H2 al interior de un nanotubo de carbono de 1 nm de diámetro a 300 K

Almacenamiento de H2 al interior de nanotubos de carbono

Phys. Rev. B 80, 075421 (2009)

Vacancias en nanotubos de carbono: Canales para laincorporación de hidrógeno

6 Å

Posibles soluciones: Nanomateriales

¿Es hidrógeno el combustible del futuro?

Si, pero necesitamos investigación en física, química y ciencia de materialespara encontrar una nueva generación de materiales capaces de cumplir los requerimientos de costo y eficiencia ...

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