TFG hidrógeno

UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID FACULTAD  DE  CIENCIAS  F´ISICAS

DEPARTAMENTO DE ESTRUCTURA DE LA MATERIA, F´ISICA TE´RMICA Y ELECTRO´NICA

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TRABAJO DE FIN DE GRADO

Co´digo de TFG: ETE51

El hidr´ogeno como fuente directa de energ´ıa: aplicaciones Hydrogen as direct energy source: applications Supervisor/es: Carlos Armenta D´eu

Violeta  Hern´andez  Pen˜acoba

Grado en F´ısica Curso acad´emico 2021-22

Convocatoria de julio

Resumen:

El cambio clim´atico y el agotamiento de los combustibles f´osiles son las razones principales por las  que  el  modelo  energ´etico  actual,  basado  en  las  fuentes  de  energ´ıa  no  renovables,  debe  cambiar cuanto  antes.  En  este  trabajo,  se  evaluar´a  el  hidr´ogeno  como  fuente  alternativa  de  energ´ıa  y  su aptitud  como  sustituto  de  los  combustibles  f´osiles  a  trav´es  de  una  comparaci´on  directa  de  sus potenciales energ´eticos. Tambi´en se estudiar´an las consideraciones que habr´ıa que tener en cuenta para  adoptar  el  hidr´ogeno  como  fuente  principal  de  energ´ıa,  las  posibilidades  de  integraci´on  tanto solo como junto a otras fuentes (renovables y no renovables), sus ventajas y sus inconvenientes.

Abstract:

Climate change and the shortage of fossil fuels are the main reasons why the current energetic model, based on non-renewable energy sources, needs to change as soon as possible. In this work, hydrogen as an alternative energy source will be evaluated, and its aptitude to replace fossil fuels as a main energy supplier through a direct comparison of their energetic potentials. In addition, the considerations which need to be taken into account to adopt hydrogen as the main energy source will be studied, as well as the possibilities of integration on its own and alongside other sources, both renewable and non-renewable, and the prons and cons.

´Indice

1. Introducci´on         2

1. Combustibles f´osiles y los problemas que presentan         2
2. El hidr´ogeno como alternativa         2

1. Potencial energ´etico del H2         3
2. Aplicaciones energ´eticas         3
3. Problem´atica del hidr´ogeno         5

1. Obtenci´on  del  H2         7

1. Obtenci´on a partir de gas natural         7

1. Reacciones qu´ımicas del reformado con vapor de agua        7
2. Metodolog´ıa         8
3. Ventajas e inconvenientes        8
4. Otros m´etodos         9

1. Obtenci´on a partir de carb´on         9

1. Reacciones qu´ımicas de la gasificaci´on         9
2. Metodolog´ıa         10
3. Ventajas e inconvenientes        10
4. Otros m´etodos         10

1. Obtenci´on a partir de agua         10

1. Reacci´on qu´ımica de electrolisis         11
2. Metodolog´ıa         11
3. Ventajas e inconvenientes        11

1. An´alisis  DAFO         12
2. Conclusiones        13

1. Introduccio´n

1. Combustibles  f´osiles  y  los  problemas  que  presentan

Desde  la  Revoluci´on  Industrial,  el  uso  de  energ´ıas  f´osiles  como  el  carb´on,  el  gas  natural  o  el petr´oleo ha ido incrementando poco a poco [1], acentu´andose este crecimiento en la segunda mitad del  siglo  XX:  en  los  an˜os  50,  el  petr´oleo  crudo  y  el  gas  natural  conformaban  aproximadamente el 35 % de las fuentes de energ´ıa primaria mundiales [2]; pero en el 2000 ya sumaban un 60 % del  total,  mientras  que  el  carb´on  conformaba  aproximadamente  un  25 %[3].  Es  decir,  las  energ´ıas f´osiles  totalizaban  el  90 %  de  todo  el  suministro  primario  de  energ´ıa.  En  la  actualidad,  esto  no ha  cambiado  mucho:  segu´n  [4],  en  2019  las  fuentes  mencionadas  sumaban  el  79 %  del  total  del suministro mundial.

Esto es un problema porque casi el 100 % de la emisi´on de CO2, principal gas de efecto invernadero [5],  es  producido  por  estos  combustibles  f´osiles  [6].  El  efecto  invernadero  [7]  es  un  fen´omeno  de  la atm´osfera  por  el  cual  esta  retiene  la  energ´ıa  solar  recibida  por  la  Tierra  cuando  es  reflejada  en  su superficie gracias a ciertos gases llamados gases de efecto invernadero (GEI) [8]. Es el causante de que la temperatura superficial de la Tierra sea mayor que si solo influyese la recibida por el Sol, por tanto  no  es  inherentemente  malo  ya  que  sin ´el  la  temperatura  media  del  planeta  ser´ıa  -18ºC  [9]  y no 15ºC, imposibilitando la existencia de vida tal y como la conocemos [10]. Sin embargo, el exceso de  este  gas  en  la  atm´osfera  ha  provocado  que  incremente  la  temperatura  global  del  planeta  1ºC desde  la  Revoluci´on  Industrial  hasta  2022  [11],[12]  en  un  fen´omeno  conocido  como  calentamiento global [13]. Sus efectos [14] son negativos para el ser humano [15], algunos de estos son un aumento del  nivel  del  mar,  incremento  de  la  acidificaci´on  de  los  oc´eanos,  eventos  clim´aticos  cada  vez  m´as

extremos como huracanes, sequ´ıas u olas de calor, entre otros [16],[17], por no hablar del impacto de  todo  esto  en  la  biodiversidad  [18].  Por  tanto,  cuanto  m´as  tarde  ocurra  el  pico  de  emisiones  de CO2,  m´as  graves  y  duraderas  ser´an  las  consecuencias  del  cambio  clim´atico,  mientras  que  si  este llega cuanto antes, podremos no superar los 2ºC de incremento global y por tanto contener sus efectos [19],[20],[21],[22].

Por u´ltimo, estas fuentes de energ´ıas no son inagotables: se estima que hacia 2050 [23],[24],[25],[26] se  acabar´a  el  petr´oleo  barato  [27],  m´as  adelante  le  seguir´a  el  gas  natural  [28],[29]  y  finalmente  el carb´on,  aunque  este  u´ltimo  tardar´a  m´as  en  agotarse  [28],[29].  Por  tanto,  est´a  claro  que  hay  que implementar alternativas eficientes y rentables a estas fuentes cuanto antes, como por ejemplo las llamadas  energ´ıas  renovables.  Estas  son  la  fotovoltaica,  la  e´olica,  la  geot´ermica,  la  hidr´aulica,  o tambi´en  la  biomasa  y  la  energ´ıa  del  mar  [30],[31].  Las  energ´ıas  renovables  son  eficientes,  tienen bajo coste de mantenimiento y potencial para ser baratas si se invierte en ellas [31]; sobre todo, son  limpias,  y  esto  es  lo  m´as  importante  si  queremos  paliar  cuanto  antes  los  efectos  del  cambio clim´atico [19]-[22].

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