¿Es hidrógeno el combustible del futuro?
Walter Orellana
Departamento de Ciencias Físicas
Universidad Andrés Bello
Motivación: El Calentamiento Global
Gases de efecto invernadero
 Vapor de agua (H2O)
36-72 %
 Dióxido de carbono (CO2) 9-26 %
 Metano (CH4)
4-9 %
 Ozono (O3)
3-7 %
La temperatura del la Tierra a aumentado en un grado
en los últimos 100 años
Fuente: Goddard Institute for Space Studies, NASA
Emisión de CO2 en los últimos 50 años
Los Villanos
Total
Petróleo
Carbón mineral
Gas natural
Producción de Cemento
Quema de gas
Toneladas de Carbón/año (miles de millones)
Fuentes de emisión de CO2 a la atmósfera en los últimos doscientos años
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
Proton exchange membrane (PEM) hydrogen fuel cell
p = 1 – 10 atm
T = 25 – 120 °C
Efficiency 60%
Las celdas de combustibles PEM son dispositivos electroquímicos
que 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%.
Honda FCX Clarity, 2008
Bus Cero Emisión
Proyectos: CUTE (Clean Urban Transport for Europe)
EPTOS (Ecological City Transport System, Iceland)
STEP (Sustainable Transport Energy for Perth, Australia)
100% vapor de agua
Mercedes Benz
Citaro
 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
¿Cómo funciona?
Mercedes Benz
Citaro
Flota mundial de vehículos
movidos a hidrógeno, todas
iniciativas gubernamentales
(2006).
¿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
Imitando a la Naturaleza: Fotosíntesis
Las 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.
Sítio activo:
Porfirina de Magnesio
(MgP)
Imitando a la Naturaleza: Hemoglobina
Céluas de la sangre
(glóbulos rojos)
Porfirina de hierro (FeP):
Se ha demostrado que pueden
catalizar la reacción de reducción
de O2
Hemoglobina:
proteina de glóbulos rojos
β
Complejo hemo-b:
Sitio activo para la
captura de O2
α
10 Å
¿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).
Convertidor Catalítico
Reducción de óxidos de nitrógeno a nitrógeno y oxígeno
2 NOx → x O2 + N2
Oxidación de monóxido de carbono a dióxido de carbono
2 CO + O2 → 2 CO2
Catalizadores para estas reacciones
son partículas de metales preciosos:
Catalizadores para romper O2
Porfirinas y Phtalocianina de hierro adsorbidas sobre sustratos de carbono
han mostrado propiedades catalíticas similares al platino para la reacción
de reducción de O2 [Science 324, 71 (2009)]
Fe-Porfirina
Funcionalizacón de nanotubos de carbono con porfirinas
y phtalocianinas metálicas (Mn, Fe y Co)
Physical Review B 82, 115406 (2010)
Fe-Phtalocianina
Catalizadores para romper O2
Phtalocianinas metálicas (Fe, Co) ancladas
sobre la superficie de Au(111) a través de un
espaciador 4-Mercaptopiridina.
Nanopartículas metálicas sobre la superficie
óxidos como TiO2(110), CeO2(111)
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 modo
a requerir menos energía eléctrica.
Producción limpia de H2
Estaciones de producción y suministro de H2
que utilizan la energía solar para producir la
hidrólisis del agua.
La electricidad producida por celdas solares es utilizada
para romper la molécula H2O produciendo H2 y O2. El
hidrógeno es comprimido y almacenado en tanques.
Almacenamiento de H2 en vehículos
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
 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
Posibles soluciones: Nanomateriales
Almacenamiento de H2 al interior de nanotubos de carbono
6Å
Vacancias en nanotubos de
carbono: Canales para la
incorporación de hidrógeno
Phys. Rev. B 80, 075421 (2009)
Simulación de dinámica molecular: 64 H2 al interior de
un nanotubo de carbono de 1 nm de diámetro a 300 K
¿Es hidrógeno el combustible del futuro?
Nuevos
Si, pero necesitamos investigación en física, química y ciencia de materiales
para encontrar una nueva generación de materiales capaces de cumplir los
requerimientos de costo y eficiencia ...
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