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LA ENERGÍA DEL HIDRÓGENO PROCEDENTE DE LOS RESIDUOS ORGÁNICOS

Autores: •

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Dra. Juana Fernández Rodríguez. - Universidad de Cádiz. CeiA3, Campus Científico Internacional Agroalimentario. [email protected] - Dirección actual: Universidad de Navarra. Facultad de Ciencias. Departamento de Química y Edafología. [email protected] Dr. Luis I. Romero García. - Universidad de Cádiz. Facultad de Ciencias. Departamento de Ingeniería Química y Tecnología de Alimentos. [email protected]

Palabras clave: hidrógeno, pila de combustible, motor eléctrico, biogás, residuos

Introducción: El Hidrógeno

El hidrógeno es considerado, por determinados colectivos, como el vector energético del futuro. El hidrógeno es el elemento más abundante del Universo, representando el 92% en peso de la materia conocida. Según las previsiones actuales, se estima que en 2020 existirán en Europa nueve millones de vehículos propulsados por hidrógeno (5% del parque automovilístico). Para atender la demanda de hidrógeno de dichos vehículos se requerirá un mínimo de 5.000 a 10.000 estaciones de servicio de hidrógeno, llamadas Hidrogeneras. Pero se plantea una cuestión: ¿por qué usar hidrógeno en lugar de combustibles fósiles? Las principales propiedades del hidrógeno para ser utilizado como combustible pueden resumirse en: - Reservas prácticamente ilimitadas, lo que lo convierte en una fuente de energía de origen renovable. - Facilidad de combustión completa, que incrementa el rendimiento que se obtiene de este combustible. - Baja generación de contaminantes atmosféricos como consecuencia de su utilización. Como resultado del proceso se obtiene H2O y nada de CO2 como ocurre en el uso de los combustibles fósiles, que contribuiría a potenciar el efecto invernadero.

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- Los motores alimentados con H2 generan menos ruidos.

Entonces, ¿por qué no está tan extendido su uso? Las principales limitaciones de este combustible son: - No existe libre en la naturaleza, sino que hay que generarlo para usarlo como combustible. - Durante el ciclo de vida del H2, con la tecnología que hay actualmente, los esquemas tradicionales de obtención presentan un balance energético desfavorable. - Elevado coste de producción, motivado quizás por el balance negativo indicado anteriormente. - Escasa densidad energética por unidad de volumen, propiedad que dificulta y encarece la manipulación del H2.

Lamentablemente, hasta ahora los inconvenientes han sido más importantes que sus ventajas. De cualquier manera en muchos planes energéticos sigue apareciendo como una potente alternativa al sistema energético actual basado en los combustibles fósiles.

Una de las principales alternativas para extraer H2 es a partir de los combustibles fósiles (habitualmente hidrocarburos, compuestos de carbono e hidrógeno) por medio de procesos químicos. El hidrógeno también puede ser obtenido a partir de la electrolisis del agua (H2O), que es la descomposición de agua en oxígeno (O2) e hidrógeno (H2) por medio de una corriente eléctrica. Además en el panorama científico actual se plantea como alternativa viable la obtención de H2 a partir de la degradación de residuos orgánicos, concretamente de la digestión anaerobia de los mismos. Durante las primeras etapas de este proceso, Hidrólisisacidogénesis se genera este valioso gas. Estos métodos están menos desarrollados en comparación con la generación a partir de hidrocarburos pero su crecimiento aumenta ya que, por sus bajas emisiones en dióxido de carbono permiten reducción la contaminación, concretamente la disminución del efecto invernadero.

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A su vez, el H2 generado puede ser utilizado en diferentes procesos industriales como la hidrogenación del petróleo para obtención de gasolinas, la conversión de aceites en grasas saturadas sólidas, en talleres y metal-mecánica para soldadura y corte de Aluminio, Magnesio y Plomo, etc. Otro de sus principales usos, aún en estudio y optimización, es su uso en pilas de combustibles. En este estudio se plantea el uso de hidrógeno para mover un coche conectado a una pila de combustible. Los alumnos podrán experimentar con una tecnología que se plantea como de futuro fundamentada en un vector energético del futuro.

Objetivos

Los objetivos principales que se han planteado en este estudio son: • • •

Comprobar como una energía renovable, la biomasa, puede convertirse en energía eléctrica y mover un motor acoplado a un coche. Comparar la producción de H2 comparando el generado a través de la electrolisis del agua y el generado por un proceso de digestión anaerobia de los residuos orgánicos. Concienciar al alumnado de la importancia del tratamiento de los residuos orgánicos en sí, así como su aprovechamiento energético, haciendo especial hincapié en la comparación de esta fuente de energía frente a los combustibles fósiles.

Obtención de H2 a partir de la digestión anaerobia de residuos

Uno de los tratamientos que propulsa la legislación vigente en materia de residuos (PNIR 2008-2015) es la digestión anaerobia, con el fin de disminuir el depósito de los mismos en vertederos. El proceso de la digestión anaerobia está fundamentado en la actividad biológica en ausencia de oxígeno que usa como sustrato la fracción orgánica de los residuos y comprende varias etapas: •

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Hidrólisis: Es una etapa enzimática que supone la ruptura de las moléculas complejas. Los compuestos orgánicos complejos, no pueden ser utilizados directamente por los microorganismos a menos que se hidrolicen en compuestos solubles que puedan atravesar la membrana celular. Acidogénesis: Es una etapa de transformación de los compuestos solubles a, principalmente, ácidos grasos volátiles de cadena corta (acético, propiónico, butírico, etc.), así como dióxido de carbono e hidrógeno. Acetogénesis: Es la etapa de transformación de los ácidos grasos volátiles en acetato, uno de los sustratos de las arqueas metanogénicas. Metanogénesis: En esta etapa tienen lugar dos rutas metabólicas: aquellas en las que el dióxido de carbono y el hidrógeno se combinan para producir metano y agua y las que convierten el acetato en metano y dióxido de carbono.

La separación en origen es una actividad fundamental en el proceso, pues va a permitir tener una fracción de materia orgánica no contaminada por impropios, como pueden ser vidrios o metales, que dificultan la valorización posterior.

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Si se pretende optimizar la obtención de metano, los microorganismos metanogénicos pueden ser considerados como los más importantes dentro del consorcio de microorganismos anaerobios, pero si, como es el caso, se pretende potenciar la producción de H2, los microorganismos metanogénicos deben ser inhibidos para que los hidrolíticos y los acidogénicos puedan desarrollar su actividad sin el consumo posterior del H2 para formar CH4.

La pila de combustible y el coche

Para el desarrollo de la experiencia, se han adquirido dos vehículos movidos por sus respectivas pilas de combustible que a su vez son alimentadas con H2. Se pretende mostrar cómo uno de los coches es movido con H2 obtenido de la electrolisis del agua y el otro con H2 obtenido de la fase hidrolítica-acidogénica de un sistema en el que se lleva a cabo la digestión anaerobia de residuos orgánicos.

Los coches de H2 son modelo Hydrocar dotados de panel fotovoltaico (para realizar la electrolisis) y operan a una tensión de 0,7V y una corriente de 100mA corriente alterna, con una autonomía de 4 minutos. Se recomienda usar H2 de una riqueza igual o superior al 99%. El equipo está dotado de una pila reversible que funciona alternativamente en dos modalidades, electrólisis (divide la molécula de agua destilada en hidrógeno y oxigeno) y la

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electrólisis inversa (recombina el hidrógeno y el oxigeno obteniendo energía eléctrica para mover el coche). •

Modo electrólisis (electrolizador): +

- Reacción Anódica (oxidación): H2O → ½ O2 + 2 H + 2 e +

-

-

- Reacción Catódica (reducción): 2 H + 2 e → H2

•

Modo electrólisis inversa (pila de combustible): 2

+

- Reacción Anódica: H → 2 H +e +

-

-

- Reacción Catódica: ½ O2 + 2 H + 2 e → H2O

Uso del biogás enriquecido en H2 en la pila de combustible

La generación del biogás en un proceso de digestión anaerobia presenta además de los gases combustibles como CH4 y H2 otros como CO2 y trazas de H2S, que es necesario eliminar del biogás para su posterior valorización.

Durante la etapa hidrolítica se genera H2 en una concentración del 50% dependiendo de las condiciones impuestas al reactor y del residuo que se esté digiriendo. Para su valorización en la pila de combustible es necesaria una eliminación de las impurezas en el biogás y un enriquecimiento en la concentración de H2. Para ello se propone una limpieza del gas haciéndolo pasar por una solución alcalina que consiga retirar del medio gaseoso los compuestos como CO2 y H2S.

Una vez que se ha ejecutado este proceso, se pueden conseguir concentraciones de H2 en el biogás que superan el 95%, siempre dependiendo de la eficacia del tratamiento alcalino.

Puesta en marcha de los Hydrocar

Con el biogás enriquecido en H2 procedente de los residuos y con el H2 generado por la electrolisis del agua (a través de la placa fotovoltaica que se suministra con el equipo), se ponen en marcha ambos coches, conectando la pila de combustible al motor del mismo. De

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esta manera el alumno pueda comprobar que el H2 generado por ambos procesos suministra energía al motor que a su vez está acoplado a la estructura del Hydrocar.

Resultados finales

Con la actividad que se propone, se pretende demostrar al alumnado el valor energético del H2, así como la fuente de energía renovable de la que se obtiene, los residuos orgánicos. Además se obtienen aportaciones positivas en cuanto a: •

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Potenciación en el desarrollo de experiencias en el ámbito de las Energías Renovables y la Educación Ambiental, facilitando la compresión y sensibilizando sobre los valores ambientales. Participación del alumnado y fomento del espíritu crítico. Aprendizaje activo y participativo pues se pretende que el alumno se involucre en la actividad y que no sea algo meramente demostrativo. Además se propone como herramienta efectiva el trabajo en equipo y cooperativo.

Agradecimientos Esta actividad, desarrollada en la Universidad de Cádiz, ha sido impulsada por el Campus de Excelencia Internacional Agroalimentario (ceiA3), que tiene como entidades organizadoras a los Ministerios de Educación, Cultura y Deporte y de Economía y Competitividad, así como a la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (FECYT) y la Obra Social “La Caixa”, que actúa como entidad patrocinadora. Además los autores desean mostrar su agradecimiento a los proyectos de investigación, CTM2010-17654 del Ministerio de Ciencia e Innovación; P07-TEP-02472 de la Consejería de Innovación, Ciencia y Empresa de la Junta de Andalucía y a los Fondos Europeos de Desarrollo Regional (FEDER).

“Educa para que eduquen”

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Bibliografía •

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José Ignacio Linares Hurtado, Beatriz Yolanda Moratilla Soria. El hidrógeno y la energía. Análisis de situación y prospectiva de nuevas tecnologías energéticas. Colección: Avances de Ingeniería. Universidad Pontificia Comillas. 2007. 185 p. ISBN: 978-84-932772-9-1. Mónica Alegría, coordinado por Juan Manuel Kirschenbaum. Pila de combustible. Ministerio de Educación, Ciencia y Tecnología de la Nación. Instituto Nacional de Educación Tecnológica, Buenos Aires, 2005. 112 p. ISBN 950-00-0528-X.

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PNIR 2008-2015, Plan Nacional Integrado de Residuos: 2008-2015, aprobado en Consejo de Gobierno el 26 de diciembre de 2008. Publicado en el BOE el 26 de febrero de 2009.

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User Manual: Hydrocar. The clean energy education kit. www.horizonfuelcell.com