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Hidrógeno y pilas de combustible Hidrógeno y almacenamiento de energía: aplicaciones, tecnologías y retos Eficiencia Energética y Descarbonización EED 2 Hidrógeno y pilas de combustible No hay una única solución post-fósil sistemas híbridos Almacenamiento energético para intermitencia renovables, puente entre generación y demanda Tipos principales: - Térmico: aprovechar electricidad para enfriar o calentar un medio de almacenaje - Mecánico: o Bombeo hidráulico: eficiencia 70-85% o Compressed Air Energy Storage: 70-80% o Flywheel: 70-95% - Electroquímico: baterías Li-ion (90-98% eficiencia) - Químico: hidrógeno, NH3, LOHC - Eléctrico: supercondensadores, Superconducting Magnetic Energy Storage (alta potencia, corta duración) ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA 3 Hidrógeno y pilas de combustible madera carbón petróleo hidrógeno C/H: 9:1 1,5:1 1:2 1:4 0:1 gas natural extracción física extracción química Vector energético HIDRÓGENO COMO VECTOR ENERGÉTICO 4 Hidrógeno y pilas de combustible Electricidad Hidrógeno Característica Movimiento de electrones Moléculas H2 Naturaleza Eléctrica Química Tipo de energía Muy limitado (baterías, supercondensadores) Estable y a largo plazo Almacenamiento Solo a través de redes eléctricas Gas, líquido, compuestos (NH3, MeOH, LOHC) Transporte Debe coincidir generación-demanda en tiempo real Se puede combinar con otros elementos combustibles más fáciles de manejar Adaptabilidad Alta, depende del suministro y almacenamiento limitado Baja frente a interrupciones Vulnerabilidad Se producen a partir de diversas fuentes y se pueden usar para múltiples aplicaciones Su uso no genera gases contaminantes, partículas ni ozono localmente Emisiones indirectas de CO2 pueden ser altas si se producen a partir de combustibles fósiles Electricidad H2 transporte/almacenamiento reconversión, eficiencia global ~25-50% Pérdidas se acumulan en cada etapa ELECTRICIDAD VS HIDRÓGENO 5 Hidrógeno y pilas de combustible ECONOMÍA DEL HIDRÓGENO 6 Hidrógeno y pilas de combustible Introducido por John Bockris (1972) Sustituir combustibles fósiles por H2 como portador universal Ciclo cerrado: producción renovable consumo "sin emisiones" Requiere infraestructura integrada: producción, transporte y uso J.
O. M.
Bockris, "The hydrogen economy: Its history", 2013 http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.12.026 ECONOMÍA DEL HIDRÓGENO 7 Hidrógeno y pilas de combustible European Commission, European Green Deal, 2019 https://www.consilium.europa.eu/en/policies/european-green-deal/ European Green Deal (2019): hoja de ruta hacia la neutralidad climática 2050 Reducción de emisiones 2030: -55% vs 1990 European Climate Law (2021): objetivo legalmente vinculante de cero emisiones netas Prioridades: - Energías de fuentes renovables >40% en 2030 - Eficiencia energética -32,5% consumo final 2030 - Eliminación de subsidio fósiles ~50 mil M€ - Hidrógeno renovable: tecnología estratégica - Movilidad cero emisiones electrificación de transporte pesado y vehículos de celdas de combustible - Integración: energía, transporte, industria, edificación, agricultura POLITICAS EUROPEAS 8 Hidrógeno y pilas de combustible POLITICAS EUROPEAS Plan REPowerEU (2022) Respuesta a crisis energética y dependencia del gas ruso Objetivo principal: reducir importaciones fósiles y acelerar transición verde Meta 2030: 20 Mt H2 renovable (10 Mt UE + 10 Mt importadas) Inversiones estimadas: - Gasoductos internos: 28-38 mil M€ - Almacenamiento: 6-11 mil M€ - Horizon Europe: +200 M€ duplicar Hydrogen Valleys European Hydrogen Strategy (2020, parte del European Green Deal) Objetivos principales: - 6 GW de electrolizadores instalados (2024) - 40 GW de electrolizadores (2030) - Mercado del hidrógeno totalmente integrado en la UE (2050) Enfoque en hidrógeno verde Desarrollo de Hydrogen Valleys Impulso a los sectores difíciles de descarbonizar (industria, transporte pesado) Fomento de la I+D en electrolizadores, almacenamiento y pilas de combustible European Commission, Hydrogen Strategy, 2020 https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX:52020DC0301 European Commission, REPowerEU, 2022 https://commission.europa.eu/topics/energy/repowereu_es 9 Hidrógeno y pilas de combustible Unión Europea (Hydrogen Strategy): - Hidrógeno gris: 1,5 €/kg (dependiente del precio del gas natural, sin incluir coste CO2) - Hidrógeno azul: 2 €/kg - Hidrógeno verde: entre 2,5 y 5,5 €/kg - Objetivo 2030: <2 €/kg H2 verde competitividad con hidrógeno gris Incentivos fiscales y subsidios siguen siendo fundamentales COSTE DEL HIDRÓGENO 10 Hidrógeno y pilas de combustible HIDRÓGENO VERDE CAPEX: electrolizadores, compresores, infraestructura OPEX: electricidad, mantenimiento, agua, reposición catalizadores LIMITACIONES Dependencia de metales críticos Baja eficiencia y durabilidad de electrolizadores Escasez de infraestructura de transporte/almacenamiento Baja densidad energética del H2 alto coste de transporte/almacenamiento Necesidad de marcos regulatorios unificados Seguridad y aceptación social COSTE DEL HIDRÓGENO 11 Hidrógeno y pilas de combustible "Hydrogen in a low-carbon economy" Committee on Climate Change, 2019 Producción (2021), Fuente: IRENA, 2022 PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO 12 Hidrógeno y pilas de combustible Hydrogen in a low-carbon economy, Committee on Climate Change, 2019 Consumo (2021), Fuente: Global Hydrogen Review, IEA, 2022 43% NH3: 36% MeOH: 16% Steel: 5% 0.05% DEMANDA DE HIDRÓGENO 13 Hidrógeno y pilas de combustible APLICACIONES INDUSTRIALES DEL HIDRÓGENO Industria química: - Producción de amoníaco (NH3) fertilizantes - Producción de metanol (CH3OH) químicos Refinería de petróleo: - Hidrotratamiento e hidrocraqueo eliminación de azufre y mejora de combustibles Siderurgia: - Acero: reducción de mineral de hierro con H2 Industria general: - Semiconductores: atmósfera reductora y limpieza - Vidrio: atmósfera controlada para calidad óptica - Hidrogenación de grasas/aceites: transformación a sólidos/semisólidos - Refrigeración de generadores eléctricos: alta conductividad térmica y baja densidad USOS DEL HIDRÓGENO 14 Hidrógeno y pilas de combustible MOTORES DE H2 Combustión del hidrógeno: 2H2 + O2 2H2O + energía Velocidad de combustión ~6 veces mayor que la gasolina Amplio rango de inflamabilidad (4-75% en aire) permite mezclas pobres Únicos contaminantes relevantes: NOX, O3 Eficiencia demostrada +5% superior a motor diésel convencional Prototipo: eficiencia 44,5% Aplicaciones: aviación ligera, motores estacionarios, transporte pesado, cohetes (TRL 7-8) Limitaciones: almacenamiento de H2, seguridad Zbigniew Stępień, "A Comprehensive Overview of Hydrogen-Fueled Internal Combustion Engines: Achievements and Future Challenges", 2021 https://doi.org/10.3390/en14206504 15 Hidrógeno y pilas de combustible PILAS DE COMBUSTIBLE Conversión electroquímica: 2H2 + O2 2H2O + electricidad Reacción espontanea Sin combustión alta eficiencia, sin NOX Eficiencia eléctrica: 40-60% Cogeneración: hasta 90% Energía específica superior a baterías Respuesta rápida, modularidad Vida útil: 5.000-35.000 h P.
Shuhayeu et al., "Investigating PEM Fuel Cells as an Alternative Power Source for Electric UAVs: Modeling, Optimization, and Performance Analysis", 2024 DOI: 10.3390/en17174427 16 Hidrógeno y pilas de combustible PILAS DE COMBUSTIBLE La primera aplicación NASA programa Gemini Sistema que genera electricidad para la nave y produce agua potable como subproducto 17 Hidrógeno y pilas de combustible PILAS DE COMBUSTIBLE https://www.cnh2.es/pilas-de-combustible/ Ali Habib, "Power-to-Hydrogen-to-Power: Technology, Efficiency, and Applications", 2025 https://www.oxfordenergy.org/publications/power-to-hydrogen-to-power-technology-efficiency-and-applications/ 18 Hidrógeno y pilas de combustible PILAS DE COMBUSTIBLE PEMFC Membrana electrolítica, polímeros de perfluorosulfonato (como Nafion) Catalizadores: ánodo y cátodo de Pt/C microporoso Eficiencia hasta 65% LIMITACIONES Costo elevado: catalizadores y pureza de H2 Sensibilidad a impurezas: envenenamiento por CO u otras partículas contaminantes Durabilidad limitada según condiciones de operación y pureza del hidrógeno Electrodos: ánodo se reduce el H2 en dos protones H+, cátodo reaccionan los protones H+ y O2 Electrolito: separa los gases, permite el paso de iones H+ al cátodo y separa los e- Placas bipolares: separan las celdas, conducen los gases y evacúan H2O 19 Hidrógeno y pilas de combustible PILAS DE COMBUSTIBLE 20 Hidrógeno y pilas de combustible PILAS DE COMBUSTIBLE AFC Electrolito: solución acuosa alcalina (KOH, NaOH) Catalizadores: ánodo de Ni, Pt, Pd y cátodo de Ni, óxidos de Ag o Mn Eficiencia: 50-60% Coste menor que PEMFC, no necesita Pt puro en ambos electrodos Tecnología madura LIMITACIONES Sensibilidad a CO2: el gas forma carbonatos que degradan el electrolito Mantenimiento elevado por corrosión del electrolito y vida útil limitada Cátodo se reduce el oxigeno y genera OH- Ánodo H2 se adsorbe en el catalizador y se disocia en 2H+ Electrolito alcalino separa los gases, permite el paso de iones OH- al ánodo y separa los e- 21 Hidrógeno y pilas de combustible PILAS DE COMBUSTIBLE SOFC Electrolito: ZrO2 dopado con Y2O3 (YSZ) o con CeO2 Catalizadores: ánodo NiO/YSZ, cátodo perovskitas Tolerancia a varios combustibles CH4, CO Alta eficiencia: 60-80% Cogeneración: eficiencia >85% Respuesta lenta uso estacionario Limitaciones: degradación térmica, coste elevado Cátodo adsorbe moléculas de oxígeno que se reducen a iones de oxígeno O2- Electrolito material cerámico conductor de iones de oxígeno, mantiene separación de cargas Ánodo los iones O2- reaccionan con el combustible (H2) 22 Hidrógeno y pilas de combustible PILAS DE COMBUSTIBLE Mixed ionic and electronic conductors: La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3 d (LSCF) Samarium-doped ceria (SDC) 23 Hidrógeno y pilas de combustible APLICACIONES ESTACIONARIAS Power-to-Hydrogen-to-Power (P2H2P) Electricidad renovable electrólisis almacenamiento/transporte conversión electricidad Pérdidas acumuladas (eficiencia total 25-50%): - Electrólisis: 25-30% - Transporte: 2-5% - Conversión: fuel cells (30%) o turbinas (60%) Uso óptimo: compensación picos Integración con renovables uso de excedente eléctrico Ventaja: reducción coste electricidad renovable, almacenamiento largo plazo Ali Habib, "Power-to-Hydrogen-to-Power: Technology, Efficiency, and Applications", 2025 https://www.oxfordenergy.org/publications/power-to-hydrogen-to-power-technology-efficiency-and-applications/ SOFC, MCFC, PAFC 24 Hidrógeno y pilas de combustible APLICACIONES ESTACIONARIAS C.
Wulf et al., "Review of Power-to-X Demonstration Projects in Europe", 2020 https://www.frontiersin.org/journals/energy-research/articles/10.3389/fenrg.2020.00191/full Supplementary information: https://www.frontiersin.org/api/v4/articles/547456/file/Table_1.DOCX/547456_supplementary-materials_tables_1_docx/1 Kassø, Denmark 32,000 ton de e-methanol por año 25 Hidrógeno y pilas de combustible APLICACIONES EN TRANSPORTE PEMFC mas utilizadas en coches DMFC motos pequeñas SOFC vehículos pesados COCHES CON FUEL CELL: Potencia típica: 100-130 kW Autonomía 500-700 km por carga Tiempo de repostaje 3-5 min 26 Hidrógeno y pilas de combustible Islandia APLICACIONES EN TRANSPORTE 2024: 1160 estaciones de repostaje de hidrógeno en el mundo 27 Hidrógeno y pilas de combustible APLICACIONES EN TRANSPORTE 28 Hidrógeno y pilas de combustible APLICACIONES EN TRANSPORTE 29 Hidrógeno y pilas de combustible APLICACIONES EN TRANSPORTE 30 Hidrógeno y pilas de combustible APLICACIONES EN TRANSPORTE 31 Hidrógeno y pilas de combustible APLICACIONES EN TRANSPORTE proyecto FCH2RAIL 32 Hidrógeno y pilas de combustible Helios (NASA) APLICACIONES EN TRANSPORTE e-plane FASTec 33 Hidrógeno y pilas de combustible MTU APLICACIONES EN TRANSPORTE Drassanes Dalmau 34 Hidrógeno y pilas de combustible S81, España APLICACIONES EN TRANSPORTE U31, Alemania 35 Hidrógeno y pilas de combustible APLICACIONES PORTATILES PEMFC o DMFC - MeOH es liquido: no compresión, mas compacto - PEM: mas potencia y eficiencia, no CO2 Generación de electricidad portátil: cargadores, generadores pequeños, equipos de emergencia Dispositivos electrónicos: ordenadores portátiles, teléfonos (prototipos con micro-fuel cells) Equipos militares: radios, sensores, drones y sistemas autónomos ligeros Drones y robótica: alta densidad energética autonomía prolongada 36 Hidrógeno y pilas de combustible APLICACIONES PORTATILES 37 Hidrógeno y pilas de combustible LG (DMFC) APLICACIONES PORTATILES Casio (20h seguidas) MeOH H2 PEMFC Panasonic (DMFC) 38 Hidrógeno y pilas de combustible KDDI (DMFC, 320h seguidas) APLICACIONES PORTATILES Lilliputian Systems 39 Hidrógeno y pilas de combustible SEGURIDAD HIDRÓGENO Baja energía de ignición Punto de autoignición 560ºC Gestión mezcla H2/O2 H2 muy inflamable en aire (4-75%) Alta difusividad: ventilación para evitar acumulación explosiva Sistemas de corte automático ante fugas con sensores OXÍGENO O2 concentrado o presiones elevadas: riesgo combustión de otros materiales Corrosión acelerada Formación de radicales oxidantes