Casas con hidrógeno (H2)
1.- Descripción.
En Innsystem proponemos realizar una vivienda o urbanización con hidrógeno como vector energético alternativo, de forma que sea autosuficiente, más exigente que las de consumo de energía casi nulo, a la que se tiende hoy en día.
Para ello se dispondrán de paneles fotovoltaicos (en las cubiertas de las viviendas). La electricidad que generen se enviará por una parte a los equipos de las casas y por otra a un electrolizador para que por electrolisis divida al agua (H2O), y obtengamos el hidrógeno separado. (CSIC, patente reduciendo necesidad eléctrica)
En vez de energía fotovoltaica podría ser otra energía renovable cualquiera, que produjera electricidad (eólica, undimotriz, geotérmica, etc.).
Acumulamos ahora el hidrógeno como gas en botellas o cilindros a alta presión. Se hace por medio de compresores especiales que lo almacenan a 600/700 bar (para los coches) y se trata de un proceso bastante probado y seguro siempre que se utilicen recipientes de almacenamiento de buena calidad, homologados, para evitar que el hidrógeno permee (se escape).
En una pila de combustible tipo “PEM”, introducimos este hidrógeno que al reaccionar con el oxígeno forma electricidad, calor y agua en las siguientes proporciones: electricidad r = 40 %, calor = 40 % y agua, la cual la bebían los astronautas cuando fueron a la luna. Aparte de las PEM para aplicar en estas viviendas, se complementan con baterías galvánicas (aún de mejor rendimiento) o pilas tampón (Para absorber picos y regularizar la tensión eléctrica)
De esta forma si la urbanización demanda electricidad cuando los paneles fotovoltaicos estén convirtiendo radiación solar en electricidad se toma directamente. Si no fuera así, por ejemplo, por la noche, la electricidad se toma del hidrógeno acumulado mediante la pila de combustible.
El sistema global podemos desglosarlo en los siguientes componentes o subsistemas:
1.- Fotovoltaico con placas que conduzca electricidad a equipos y a la hidrólisis.
2.- Obtención de hidrógeno por hidrólisis “CSIC”
3.- Acumulación en forma de gas contenido en depósitos o bombonas resistentes.
4.- Generación eléctrica en la pila de combustible cuando deseemos.
Una pila de combustible está formada por un ánodo (-), un cátodo (+) y un electrolito (solución alcalina o ácidos acuosos) y una membrana de plástico que deje pasar los átomos de H2 eléctricamente cargados desde el ánodo hasta el cátodo.
Al meter H2 en el ánodo, se produce una reacción química que rompe el átomo de hidrógeno en un electrón y un protón.
Los electrones liberados, salen a través del circuito eléctrico externo en forma de corriente eléctrica continua.
Los protones (iones de H2), viajan a través del electrolito hacia el cátodo cargado positivamente.
Los electrones, regresan al cátodo, reaccionan con protones de H2 y oxigeno del aire, produciendo agua.
Las pilas de combustible son caras. Existen ya empresas que comercializan pilas de combustible fijas a hogares y empresas comerciales.
Las unidades domésticas consisten en plantas energéticas de 1 a 15 Kw. de potencia. Las comerciales van de (60 a 250) Kw.
Las pilas de combustible invierten el proceso de la electrólisis, no tienen partes móviles, son silenciosas y 2.5 veces más eficientes que los motores de combustión interna. Además, solo producen electricidad, calor y agua pura destilada.
Las pilas de combustible comerciales son una suma de pilas individuales.
2.- Antecedentes y Justificación.
En 1995 se hizo la 1ª planta solar de hidrógeno. La Energía solar se transforma en eléctrica, mediante un electrolizador, por electrolisis. Obtenían 42,56 m3 de H2/día. El H2 gaseoso se comprimía hasta p = 351 Kg/cm2, secado y almacenado.
Tenemos constancia de que, en el 2022 se estaba realizando-probando en Tailandia una urbanización de este tipo, pero sin resultados todavía.
Desde hace ya mucho tiempo que se contempla el hidrógeno como vector energético para utilizarse en múltiples aplicaciones. Se habla de la Economía del hidrógeno por el cambio tan profundo que puede llegar a generarse.
El hidrógeno H2, es el elemento más abundante en el universo, de gran volatilidad. En nuestra historia, la forma de la energía ha ido pasando de sólida a lo más volátil: carbón, petróleo, gas natural. Ahora parece que le toca ya el turno al hidrógeno.
El H2, es muy buen combustible capaz de proporcionar más energía por unidad de masa, que cualquier otro combustible conocido: 33.3 Kwh/kg. frente a los 13.96 Kwh/kg del gas natural o 12 Kwh/kg del petróleo.
Primero hay que obtener hidrógeno aislado, para disponer de él, luego almacenarlo en forma sólida, liquida o gaseosa. Las 3 formas son complicadas y habrá que usar la adecuada, en función a donde vayamos a aplicarlo.
Finalmente, este hidrógeno ya almacenado lo inyectaremos cuando queramos en una pila de combustible de H2, y al mezclarlo con O2, por una reacción química nos generará electricidad, calor y agua de forma limpia y sin emitir gases contaminantes a la atmósfera.
Puede complementarse perfectamente con las intermitentes energías renovables. Es decir, nos servirá como acumulador de energía, evitando así tener que usar baterías de reducida capacidad de almacenaje, precio muy elevado y corta vida útil de 5 ó 10 años.
Como aplicación a las viviendas, curiosamente los 3 suministros de energía más importantes que necesita una vivienda: electricidad, calor y agua, son los que genera una pila de combustible de hidrógeno.
Como desventajas:
El principal inconveniente es el coste final como vector energético comparado con otros sistemas actuales. Aunque estos otros sistemas también tienen sus limitaciones o tienden a desaparecer a medio o corto plazo.
Sin embargo, hoy en día con el imparable avance tecnológico y de innovaciones, ya se está imponiendo y cada vez será más sencillo, barato y asequible.
La dificultad en la obtención del hidrógeno de forma aislada, para aplicarlo luego en una pila de combustible. Hay muchos y diferentes recursos, así como distintos procedimientos para obtenerlo.
Su almacenamiento también es complicado. En forma de gas ocupa mucho volumen ya que es muy ligero y hay que hacerlo bajo mucha presión 700-800 bar. En forma líquida tiene que ser muy frío, criogénico, porque tiene un muy bajo punto de ebullición, que llega a ser de: -226 ºC. En forma sólida, muy poco eficiente como adsorción y absorción en otros materiales.
El que puede estallar, se considera ya como un mito.
3.- Como líneas de actuación, se piensa en:
1. Realización de esquemas, gráficos y planos (con aplicación informática de AutoCAD)
2. Hacer un modelo digital y aplicarle simulaciones e Inteligencia Artificial “IA” de forma que podamos extraer conclusiones y optimizar el ingenio.
3. Hacerse con un espacio físico, como un cuarto de instalaciones en el campo, cómodo. Tendremos en cuenta que, al ser para una urbanización fija, no tendremos las restricciones específicas que hay para un móvil (tener puestos de repostajes de H2, poco peso, poco volumen, etc.) Esto nos facilitará el almacenaje.
4. Hacer un prototipo real en España, con materiales sostenibles, locales baratos y sencillos. Colocar sensores de toma de datos, mediciones, cantidades, de forma que, tras ello le apliquemos IA.
5. Probarlo, mejorarlo y comercializarlo.