L’hidrogen és el primer element químic de la taula periòdica de productes químics, té el número atòmic 1, els seu símbol representatiu és la H, la forma molecular més comú és H2 (hidrogen diatòmic) i en condicions normals el seu estat és gasos. Algunes de les seves característiques és que és inflamable, incolor i inodor. Cal destacar que és l’element químic més abundat.
L’hidrogen elemental no és abundant i s’utilitzen mètodes industrials per la seva obtenció, un d’ells és la electròlisis a partir de l’aigua.
L’hidrogen és un gas reactiu produint gran quantitat de calor i també pot produí flama.
L’hidrogen és un gas no respirable i inflamable, voguen dir això, que pot cremar en condicions normals d’oxigen en l’aire, entrant en combustió només dins uns límits de inflamabilitat o combustibilitat de la barreja i a unes temperatures determinades. Pot formar mescles explosives amb l’aire com el butà per exemple. L’hidrogen crema en l’aire quan les seves concentracions són del 4% o més.
L’hidrogen com a gas inflamable és pot incendiar, el resultat habitual d’una fuita de gas inflamable a l’exterior és un incendi, però en determinades ocasions pot provocar-se una fuita massiva, en un garatge o lloc tancat, on tindríem l’efecte de confinament podent provocar una explosió.
Producció de l’Hidrogen:
Tenim diverses formes de produir hidrogen:
- Separació biològica de l’aigua: consisteix en utilitzar microbis fotosintètics que mitjançant l’energia lumínica produeixen hidrogen a partir de l’aigua com a part dels seus processos metabòlics.
- Fermentació: consisteixen biomassa en matèries riques en sucre que en fermentar produeixen directament hidrogen.
- Conversió de biomassa i residus: mitjançant la reforma catalítica dels productes de piròlisi de la biomassa, produeixen un producte líquid del qual podem separar l’hidrogen.
- Fotoelectroquímica divisió d’aigua: mitjançant la llum solar i unes cèl·lules multifunció dividim l’aigua en hidrogen i oxigen.
- Separació d’aigua solar tèrmica: la utilització un forn solar d’alta concentració d’energia solar produeixes una reacció termoquímica per produir hidrogen. Destacar que produeix una reacció molt elevada i una velocitat de reacció molt ràpida.
- Electròlisi renovable: utilitzem les energies renovables per produir energia elèctrica que mitjançant l’electròlisi dividim l’aigua per produir hidrogen.
- Extracció d’hidrogen mitjançant hidrocarburs: Per a aquest procés s’empren catalitzadors de tipus metall, el procés de reformat catalític de hidrocarburs, normalment gas natural que te la relació H/C més elevada en tenir majoritàriament la molècula CH4
Qualsevol tècnica per la producció d’hidrogen està subjecta a la reducció dels costos de capital i millorar el rendiment, per poder produir-se massivament. Això implica que en l’actualitat els dos mètodes més utilitzats siguin l’electròlisi (amb energies no renovables o renovables) amb rendiments per sobre del 80% i, per sobre de tots, l’extracció d’hidrogen mitjançant energies fòssils (gas natura, carbó i petroli), que pot està per sobre el 90%.
El govern d’Estats Units en la seva pàgina web:
https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production-natural-gas-reforming
estima que el 95 de l’hidrogen produït en el país es produeix mitjançant la reforma del gas natural. En la mateix pàgina web estima una reducció d’aproximadament un 50% de les emissions totals de gasos d’efecte hivernacle en la utilització dels vehicles elèctrics amb piles de combustible (FCEV) i el petroli es redueix en un 90% en comparació amb els vehicles de gasolina actuals.
La repercussió mediambiental de l’hidrogen i el seu impacte depèn de la font emprada, en ser l’hidrogen un vector energètic (substancia o dispositiu d’emmagatzematge d’energia), com més electròlisi amb renovables menys emissions de CO2. Mediambientalment té les mateixes avantatges que els cotxes elèctrics, reducció de gasos d’efecte hivernacle en les ciutats i concentració d’aquest gasos en els punts de producció de l’hidrogen, en cas d’utilitzar energies fòssils.
La pila de combustible d’hidrogen és un dispositiu electroquímic que genera electricitat mitjançant l’hidrogen (combustible) i oxigen (comburent), d’aquesta reacció produïm aigua, corrent elèctrica continua i calor. Funcionaria com les bateries d’un cotxe, un ànode (pol negatiu), un càtode (pol positiu), una membrana electrolítica que permet el pas dels ions i unes cel·les separadores. Són una font d’energia neta, eficient i silenciosa, i seguiran produint electricitat, en tant se li proporcioni combustible, a diferencia del cotxes amb bateries que s’han de recarregar periòdicament.
L’hidrogen passa per l’ànode i l’oxigen a traves del càtode, el catalitzador divideix l’hidrogen en electrons i protons, i aquest últims passen per la membrana electrolítica porosa, en tant els electrons son obligats a passat pel circuit, generant corrent continu i calor. En el càtode els protons, els electrons i l’oxigen és combinen produint molècules d’aigua.
Les piles de combustibles poden unir-se entre elles i combinar-se en sistemes més grans, per tant són escalables, variant molt en grandària i potència.
Els vehicles elèctrics amb piles de combustible funcionen igual que qualsevol vehicle elèctric, la diferencia rau en la forma de produir electricitat. La quantitat d’energia emmagatzemada en el vehicle està determinada per la mida del dipòsit de combustible d’hidrogen, que és transforma en la pila de combustible que serà més gran o més petita segons la potencia requerida. En un vehicle elèctric amb bateria (BEV) la quantitat d’energia emmagatzemada està determinada per les bateries elèctriques. Aquest últims no tenen font d’energia externa i els primers si.
L’hidrogen prové d’uns tancs i l’oxigen prové de l’aire ambiental, i en la pila de combustible és produeix un procés d’electròlisi inversa.
L’electricitat generada a la pila de combustible d’un motor d’hidrogen pot adoptar dues rutes, en funció de les necessitats de la situació de conducció específica. O bé flueix al motor elèctric i alimenta directament el FCEV o bé carrega una bateria, que emmagatzema l’energia fins que és necessària per al motor. Aquesta bateria, coneguda com a bateria de màxima potència, és significativament més petita i, per tant, més lleugera que la bateria d’un cotxe totalment elèctric, ja que la pila de combustible la recarrega constantment.
Com altres cotxes electrònics, els vehicles d’hidrogen també poden “recuperar” l’energia de frenada. El motor elèctric converteix l’energia cinètica del cotxe de nou en energia elèctrica i l’alimenta a la bateria de reserva.
L’avantatge del cotxe de piles de combustible d’hidrogen respecte els vehicles totalment elèctrics és la càrrega ràpida en el primer trigarà menys de 5 minuts, en quan a la segona va des del 30 minuts a diverses hores, ajustant-se molt a les càrregues dels vehicles de combustió. El dipòsit del cotxe d’hidrogen, ple, pot tenir un recorregut e l’entorn dels 400 km, i el cotxe elèctric depèn del pes de les bateries i el temps de càrrega fins els 500 km.
Per contra, per intentar abastir d’hidrogen el cotxe, a l’any 2020, les opcions són molt molt minses, contràriament les electrogasolineres per els vehicles elèctrics van sortint com els bolets. La infraestructura per el subministrament de combustible d’hidrogen són molt cares en comparació a les electrogasolineres, i mediambientalment els FCEV són pitjors actualment, en quan la seva producció be d’una combustible fòssil com el gas metà. I finalment el preu, els cotxes elèctrics comencen a tenir preus competitius respecte els vehicles de combustió, mentre els FCEV tenen uns preus desorbitats respecte els seus competidors, fins que no entrin en economies d’escala els costos de producció seran molt alts.
La diferencia de preu en els cotxes també té lloc en el cost per quilòmetre de cotxe, essent aproximadament en dels FCEV respecte dels vehicles amb bateria, si augmenta la demanda de l’hidrogen i baixen els preus de la seva producció aquest diferencial de preu s’anirà reduint.
El rendiment de les tecnologies dels vehicles és molt important, junt amb el seu balanç energètic. L’eficiència tèrmica d’un motor de combustió interna són força baixos, en el cas dels motors de gasolina es queden a l’entorn del 30% i els dièsel ronden el 40%, i aquest valor es veu disminuït per elaboració i transport del combustible fins el 25% amb sort i sent generosos, els híbrids són una mica més eficients 30%. Els cotxes elèctrics els rendiments del motor elèctric està e l’entorn dels 90%, però aquet rendiment es veurà disminuït segons la font de generació d’electricitat i el transport, aleshores el seu rendiment pot estar entre el 40% (en cas d’energies fòssils, central tèrmica entre 35% i 60%) i el 75% (energies renovables). Per últim el FCEV també depèn del mètode de producció del hidrogen, en el cas de l’electròlisi el grup Volkswagen calcula una eficiència final a l’entorn del 30%:
https://www.volkswagenag.com/en/news/stories/2019/08/hydrogen-or-battery–that-is-the-question.html
El càlcul de reducció de rendiments que fa és 100% en energia renovables, reduint al 70% en producció mitjançant electròlisi, reduint al 62% en compressió i liqüefacció, reduint al 50% en transport i quedant en un 32% d’eficiència després de la generació amb fons d’energia renovable, reduint aquesta eficiència en la utilització de fons fòssils.
En qualsevol cas, la producció d’hidrogen de qualsevol planta a Espanya la qual obtingui l’energia de la xarxa elèctrica tindrà un component d’aproximadament d’un 40%-45% d’energia renovable l’any 2020 segons les dades de Red Electrica de Espanya(REE).
El balanç energètic dels cotxes de piles de combustible té similituds actualment amb als vehicles convencionals, producció allunyada dels llocs de consum, transport i emmagatzematge del H2 fins els punts de càrrega de vehicles. Per els transport i emmagatzematge els processos serien semblants al gas natural, sotmeten al H2 a la compressió i refrigeració. Tots això comporta reducció d’eficiència i augment de costos. En el futur la seva producció mitjançant electròlisi a prop dels punts de consum reduiria distàncies de transport i si aquesta electròlisi és fa mitjançant energies netes l’eficiència millorarà.
Els cotxes d’hidrogen esmercen molts esforços per dissenyar dipòsits d’emmagatzematge molt segurs contra possibles fuites i perforacions. Tota aquesta inversió i esforços són deguts a que l’hidrogen es un gas inflamable, susceptible de filtrar-se i molt més explosiu que la gasolina o el gasoil, per ser explosiu és tant bon combustible, i aquestes qualitats comporten un risc. Com diu algun fabricant de FCEV “..és pràcticament impossible….”, per tant sempre pot passar, i els llocs més vulnerables seran els llocs tancats com els garatges. Per disminuir el risc en llocs tancats passaríem detectors de H2 com hi ha detectors de CO en garatges i ventilacions adequades per evitar una concentració del més del 4% d’H2 en el recinte tancat.
En general, la majoria dels gasos liquats, poden provocar una bleve que és una explosió de vapor en expansió de líquids en ebullició) que passa quan un tanc té un gas liquat, és trenca amb un alliberament instantània de vapor, llençant milers de fragments com míssils i provocant una ona expansiva, això és produeix quan la paret del tanc està exposada a un gran focus de calor com un incendi, aquesta transmissió de calor fa augmentar la temperatura i la pressió en el dipòsit, fins el col·lapsa del mateix provocant una vaporització explosiva. Això implica que en qualsevol accident amb un FCEV s’haurà de tenir en comte aquesta possibilitat per remota que sigui, i el codi tècnic de l’edificació hauria de contemplar mesures de prevenció i actuació en els garatges en el cas d’un augment del parc de vehicles de un FCEV.
Publicat: 04/02/2021