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¿El gas hidrógeno está presente en el biogás y se enciende espontáneamente?

¿El gas hidrógeno está presente en el biogás y se enciende espontáneamente?


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¿Está presente el gas hidrógeno en el biogás? Como es altamente inflamable, ¿puede encender otros gases como el metano?


La constitución del biogás depende en gran medida de su fuente y del microbio fermentador. Pero, en general, contiene hidrógeno alrededor del 0-1%. Incluso si contuviera grandes cantidades, la mezcla sería inflamable, pero no estallaría en llamas sin ningún encendedor externo, lo que podría ser una pequeña fluctuación de calor si la mezcla es demasiado inestable. Pero, en general, un gas inflamable no comienza a arder por sí solo.


La temperatura de autoignición de una mezcla combustible de hidrógeno en el aire es fuente de 500 grados C - Wikipedia. No se encenderá espontáneamente, una parte debe alcanzar esa temperatura primero a través de una chispa, llama u otra fuente de calor. Una vez que se enciende, el metano, por supuesto, también se quemará.


Biogás: introducción

El biogás es principalmente metano (alrededor del 60%) con dióxido de carbono (alrededor del 40%) y un poco de hidrógeno y sulfuro de hidrógeno. Está hecho por bacterias anaeróbicas que descomponen la materia orgánica en ausencia de oxígeno (cuando la materia orgánica está anegada, es decir, una suspensión). El proceso también ocurre en los vertederos y en el sistema digestivo de los humanos y otros animales (sí, los pedos son biogás).

El biogás se genera naturalmente en el lodo en el fondo de las marismas y se llama gas de las marismas y puede causar pequeñas llamas sobre el agua debido a los gases producidos por bacterias que se encienden espontáneamente. e iluminando el metano.

Pequeño digestor de biogás experimental. El material de desecho se coloca en el bidón de aceite. La cubierta de neopreno se eleva cuando está llena de gas. El gas se introduce en un recipiente (bidón de plástico invertido con sello de agua) que sube a medida que entra más gas. Cuando está lleno, el gas se puede extraer y utilizar a través de un pequeño anillo de gas.

Pero podemos hacerlo nosotros mismos a partir de desechos de plantas y animales, e incluso el material blando de desechos humanos es mejor que las ramitas / material leñoso. El biogás se puede quemar para impulsar un generador, o en menor escala, para cocinar o encender lámparas de gas. Además, se han desarrollado motores de biogás para el transporte.

El equipo en el que la materia orgánica se descompone anaeróbicamente se llama digestor, y también hay una especie de contenedor de almacenamiento para el gas producido. El biogás crudo puede ser & # 8216scruped & # 8217 pasándolo a través de cal apagada, que elimina la mayor parte del CO 2 y aumenta su poder calorífico.

Experimento de mini-biogás, que funciona exactamente con el mismo principio que el digestor de arriba.

Los dos tipos principales de digestores son el continuo y el discontinuo. Los digestores continuos tienen un rendimiento constante de material, y los digestores discontinuos extraen el gas de un lote contenido de material, que luego se vacía y se agrega un nuevo lote.

Los digestores de biogás ya se utilizan ampliamente en los países en desarrollo, especialmente en India y China, ya que la leña para cocinar se vuelve escasa. Hay millones de pequeñas plantas familiares en India y China. En Occidente, los digestores tienden a ser de mayor escala y toman purines de animales y aguas residuales humanas. Pero también pueden ser a escala doméstica, para personas que buscan reducir su dependencia de los combustibles fósiles.

¡Un pequeño digestor de biogás, que funciona con estiércol animal y desechos de cocina, que produce gas para cocinar y escurrimiento de abono para el jardín, y utiliza la cámara de aire de un automóvil para almacenar el gas!

¿Cuáles son los beneficios del biogás?

Reduce las emisiones de CO 2

Porque es un sustituto del gas natural. Debido a que el CO 2 del biogás proviene de materia vegetal recientemente viva (incluso si se alimentó a los animales), es parte de un ciclo, es decir, el CO 2 emitido al quemar biogás es absorbido por las plantas que proporcionarán biogás en el futuro, y así sobre.

Reduce las emisiones de metano

La ganadería es responsable de alrededor del 40% del metano liberado a la atmósfera por la actividad humana. Cuando se quema metano, libera CO 2, pero el metano es alrededor de 30 veces más potente como gas de efecto invernadero que el CO 2, por lo que es una buena idea quemarlo en lugar de liberarlo. Sin embargo, es mejor que los desechos orgánicos se separen y se coloquen en un digestor anaeróbico en lugar de recolectar metano de los vertederos y ahorraría más energía si todos los desechos orgánicos, incluido el papel, se reciclaran en lugar de verterlos en vertederos; además, se evitaría la lixiviación. de contaminantes en el agua subterránea y el suelo.

Sección transversal simplificada de un tipo de digestor utilizado para desechos animales y humanos en toda China y el lejano oriente. Se puede incorporar un inodoro a este sistema. Imagen: Tkarcher, CC BY-SA

Reduce el uso de recursos

El biogás no necesita millones de millas de tuberías para distribuirlo, y no necesita licuarse y enviarse por todo el mundo, con todos los recursos y la energía que esto implica. Además, salva árboles (para leña). El gas natural es finito, por lo que los ganados y # 8217t duran para siempre, y probablemente habrá guerras por él a medida que se agote.

Digestor un poco más grande, lleno de estiércol animal recolectado de pequeñas propiedades locales, con un filtro de lana de acero para eliminar el sulfuro de hidrógeno y tanques de almacenamiento de gas con un sello de agua más una demostración de cocción con el gas.

Crea dos recursos renovables

Los lodos de aguas residuales y los lodos animales generalmente terminan como fertilizante de todos modos, por lo que es mejor obtener combustible de ellos primero y evitar la escorrentía y las emisiones de metano al mismo tiempo, y aún así obtener fertilizante al final del proceso. Es el eslabón perdido para aquellos que quieren cambiar de combustibles fósiles - muchas personas calientan sus hogares con madera y su agua con energía solar, y obtienen su electricidad de la energía eólica y solar - pero cocinar es un problema, es demasiado caro con la electricidad. y los agas son caros, tardan mucho en encenderse y harán que su espacio sea demasiado caluroso en el verano. El gas es mejor para cocinar, pero con biogás se puede hacer sin facturas de gas.

NB: al igual que con otros biocombustibles, pensamos que la materia prima (materias primas) debería ser material de desecho. No creemos que sea una buena idea reservar grandes extensiones de tierra para el cultivo de combustibles cuando gran parte del mundo no tiene suficientes alimentos (aunque los desechos de los cultivos alimentarios están bien). Ver Biofuel Watch. Además, los digestores a gran escala deben ser alimentados por operaciones grandes como granjas industriales o plantas de alcantarillado. Estos traen sus propios problemas, como hormonas, crueldad hacia los animales y transporte y productos químicos que consumen mucha energía. Creemos que la mejor solución suele ser la escala más pequeña posible, en este caso la escala agrícola o doméstica.

Añadiendo desperdicios de comida a un pequeño digestor.

¿Qué puedo hacer?

Configurar

Los digestores por lotes basados ​​en algún tipo de tambor / contenedor son factibles a escala doméstica. Los digestores continuos son populares en Asia y # 8211 un pozo de entrada y salida con un contenedor de gas de hormigón o acero. Puede crear el suyo propio: leer un libro, ver nuestra página de enlaces o asistir a un curso.

Cómo construir un digestor de biogás a escala doméstica / agrícola.

Dimensionamiento

En la India, para una familia de 8 personas con pocos animales (digamos de 8 a 10 vacas), se recomienda un digestor de 10 m³, con 2 m³ de almacenamiento de gas. Pero un digestor familiar pequeño típico tendrá alrededor de un metro cúbico. Para cocinar e iluminar, no necesita mucho. Cada kg de material biodegradable producirá alrededor de 0,4 m³ (400 l) de gas, y las luces de gas necesitan alrededor de 100 l por hora. 2 anillos de gas durante un par de horas al día usarán entre 1 y 2 m³, por lo que si tiene algo de ganado, además de desechos de cocina y humanos, puede hacerlo fácilmente. Cuando se trata de conducir cualquier tipo de motor (por ejemplo, un generador o una bomba), es un asunto diferente y está mucho más allá de la escala doméstica. El tiempo que deje el material en un digestor por lotes depende de la temperatura (2 semanas a 50 ° C hasta 2 meses a 15 ° C). El promedio es de alrededor de 1 mes, así que mida cuánto material agregará cada día y multiplíquelo por 30 para calcular el tamaño del digestor.

Digestores de biogás en una granja familiar en la India, no hay razón para que no se puedan utilizar con éxito también en Occidente.

Lo que no apoyamos es la construcción de gigantescos digestores para tomar grandes cantidades de maíz, cultivado especialmente para alimentar a los digestores. Vea aquí y aquí para más información sobre esto. Esto no significa que el biogás sea una mala idea, es solo un problema de que lo pequeño es hermoso y que se utiliza mejor para llevar desechos para producir energía y abono a escala de granjas. Es la escala la que es el problema, no la tecnología. Del segundo de esos dos artículos:

& # 8220 El primer y más obvio problema es que significa sacar tierra de la producción de alimentos. Una planta de biogás con una capacidad de un megavatio & # 8216requiere 20.000-25.000 toneladas [de maíz] al año, lo que representa 450-500 hectáreas de tierra & # 8217. Cuando lea eso, considere que la capacidad promedio de una turbina eólica marina es de cuatro megavatios. Cuatrocientas cincuenta hectáreas de tierra o un pilar de hormigón en el lecho marino: ¿puede haber alguna duda sobre cuál es la mejor opción? & # 8221

Agua hirviendo con biogás.

Usar

La entrada de desechos debe ser una lechada, así que agregue agua si es demasiado sólida. Trate de mantener la temperatura lo más alta posible, ya que genera un poco de calor, pero en los países más fríos el digestor necesitará aislamiento e incluso un poco de calor adicional en el invierno (que podría ser proporcionado por parte del biogás). Un invernadero es un buen lugar para ello.

La seguridad

El metano es explosivo; consulte el sitio web de la Universidad de Adelaide & # 8217 para conocer las consideraciones de seguridad.

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Biohidrógeno

23.2.1 Biohidrógeno por gasificación

Además de la producción de biohidrógeno a partir de biogás, también se puede producir mediante gasificación de biomasa, similar a la producción de bio-SNG. Debe utilizarse un método de gasificación que produzca un gas con mayor contenido de hidrógeno. De lo contrario, se necesita un reformado con vapor adicional para convertir el metano en hidrógeno. El desplazamiento de gas de agua se utiliza para aumentar la producción de hidrógeno. Entonces el CO restante 2 se elimina mediante adsorción por cambio de presión o separación por membrana cerámica, lo que deja biohidrógeno, que se utilizará como combustible para automóviles. Para usarlo de esta manera, debe comprimirse o licuarse o almacenarse en hidruros metálicos. El hidrógeno se puede utilizar en motores de combustión interna o en pilas de combustible. Dado que los vehículos de pila de combustible aún no están disponibles comercialmente y no se puede realizar una infraestructura de distribución de hidrógeno a corto plazo, el biohidrógeno se considera una opción a más largo plazo para el sector del transporte. Los principales desafíos para un mayor desarrollo del biohidrógeno son similares a los de otros biocombustibles derivados de la gasificación (excepto SNG).

La gasificación supercrítica, una opción para la producción de SNG, también es una tecnología útil para la producción de biohidrógeno. Sin embargo, en ese caso, el reformado con vapor es necesario para convertir el metano formado en hidrógeno, lo que encarece el proceso. Otra opción para producir hidrógeno a partir de biomasa húmeda, que también se encuentra todavía a escala de laboratorio, es una tecnología llamada fermentación oscura y fotoeléctrica. El hidrógeno se puede producir directamente por digestión anaeróbica (biogás). La fermentación oscura es un proceso similar, sin embargo, se manipula de tal manera que el hidrógeno del producto final deseado se produce directamente sin la formación de metano, mientras que el hidrógeno es normalmente un producto intermedio en la digestión anaeróbica. Durante la fermentación oscura, además del hidrógeno, se producen ácidos orgánicos, que pueden convertirse en hidrógeno mediante un proceso llamado foto fermentación.


¿El gas hidrógeno está presente en el biogás y se enciende espontáneamente? - biología

La fermentación de metano es una biotecnología versátil capaz de convertir casi todos los tipos de materiales poliméricos en metano y dióxido de carbono en condiciones anaeróbicas. Esto se logra como resultado de la descomposición bioquímica consecutiva de polímeros en metano y dióxido de carbono en un ambiente en el que una variedad de microorganismos que incluyen microbios fermentativos (acidógenos) productores de hidrógeno, microbios formadores de acetato (acetógenos) y microbios productores de metano. (metanógenos) crecen armoniosamente y producen productos finales reducidos. Los anaerobios juegan un papel importante en el establecimiento de un ambiente estable en varias etapas de la fermentación del metano.

La fermentación de metano ofrece un medio eficaz de reducción de la contaminación, superior al que se consigue mediante los procesos aeróbicos convencionales. Aunque se practica durante décadas, el interés en la fermentación anaeróbica se ha centrado sólo recientemente en su uso en la recuperación económica de gas combustible de los excedentes industriales y agrícolas.

La bioquímica y microbiología de la degradación anaeróbica de materiales poliméricos a metano y las funciones de los diversos microorganismos implicados se discuten aquí. Se revisan los avances recientes en la biología molecular de los metanógenos, se describen nuevos digestores y también se discuten las mejoras en el funcionamiento de varios tipos de biorreactores.

La fermentación del metano es la consecuencia de una serie de interacciones metabólicas entre varios grupos de microorganismos. En la figura 4-1 se resume una descripción de los microorganismos implicados en la fermentación del metano, basada en un análisis de bacterias aisladas de los digestores de lodos de depuradora y del rumen de algunos animales. El primer grupo de microorganismos secreta enzimas que hidrolizan materiales poliméricos a monómeros como glucosa y aminoácidos, que posteriormente se convierten en ácidos grasos volátiles más altos, H2 y ácido acético (fig. 4-1, etapa 1). En la segunda etapa, las bacterias acetogénicas productoras de hidrógeno convierten los ácidos grasos más volátiles, por ejemplo, los ácidos propiónico y butírico, producidos, en H2, CO2 y ácido acético. Finalmente, el tercer grupo, las bacterias metanogénicas, convierten el H 2, el CO 2 y el acetato en CH 4 y CO 2.

Los materiales poliméricos como lípidos, proteínas y carbohidratos son hidrolizados principalmente por hidrolasas extracelulares, excretadas por microbios presentes en la etapa 1 (fig. 4-1). Las enzimas hidrolíticas (lipasas, proteasas, celulasas, amilasas, etc.) hidrolizan sus respectivos polímeros en moléculas más pequeñas, principalmente unidades monoméricas, que luego son consumidas por microbios. En la fermentación de metano de aguas residuales que contienen altas concentraciones de polímeros orgánicos, la actividad hidrolítica relevante para cada polímero es de suma importancia, ya que la hidrólisis del polímero puede convertirse en un paso limitante para la producción de sustratos bacterianos más simples que se utilizarán en los pasos de degradación posteriores. .

Las lipasas convierten los lípidos en ácidos grasos de cadena larga. Se ha informado de una densidad de población de 104-105 bacterias lipolíticas por ml de líquido digestor. Los clostridios y los micrococos parecen ser responsables de la mayoría de los productores de lipasa extracelular. Los ácidos grasos de cadena larga producidos se degradan aún más por p-oxidación para producir acetil CoA.

Las proteínas generalmente se hidrolizan a aminoácidos mediante proteasas, secretadas por Bacteroides, Butyrivibrio, Clostridium, Fusobacterium, Selenomonas y Streptococcus. Los aminoácidos producidos luego se degradan a ácidos grasos tales como acetato, propionato y butirato, y a amoníaco como se encuentra en Clostridium, Peptococcus, Selenomonas, Campylobacter y Bacteroides.

Los polisacáridos como la celulosa, el almidón y la pectina son hidrolizados por celulasas, amilasas y pectinasas. La mayoría de las celulasas microbianas se componen de tres especies: (a) endo- (3-l, 4-glucanasas (b) exo-pl, 4-glucanasas (c) celobiasa o p-glucosidasa. Estas tres enzimas actúan sinérgicamente sobre la celulosa hidrolizar eficazmente su estructura cristalina, para producir glucosa. La hidrólisis microbiana del almidón crudo a glucosa requiere actividad amilolítica, que consta de 5 especies de amilasas: (a) a-amilasas que endoescisan a & plusmn1-4 enlaces (b) p-amilasas que exocilan a enlaces & plusmn1-4 (c) amiloglucosidasas que exoculan enlaces a & plusmnl-4 y a & plusmnl-6 (d) enzimas desramificantes que actúan sobre los enlaces a & plusmnl-6 (e) maltasa que actúa sobre la glucosa liberadora de maltosa. Las pectinas son degradadas por las pectinasas, incluyendo pectinesterasas y depolimerasas, los xilanos se degradan con a & sup2-endo-xilanasa y a & sup2-xilosidasa para producir xilosa.

Las hexosas y pentosas generalmente se convierten en intermedios C 2 y C 3 y en portadores de electrones reducidos (por ejemplo, NADH) a través de rutas comunes. La mayoría de las bacterias anaeróbicas experimentan un metabolismo de hexosa a través de la vía Emden-Meyerhof-Parnas (EMP) que produce piruvato como intermedio junto con NADH. El piruvato y NADH así generados se transforman en endoproductos de fermentación tales como lactato, propionato, acetato y etanol mediante otras actividades enzimáticas que varían enormemente con las especies microbianas.

Por tanto, en la hidrólisis y acidogénesis (figura 4-1, etapa 1), los azúcares, aminoácidos y ácidos grasos producidos por la degradación microbiana de biopolímeros son metabolizados sucesivamente por endoproductos de fermentación como lactato, propionato, acetato y etanol por otros actividades enzimáticas que varían enormemente con las especies microbianas.

Así, en la hidrólisis y acidogénesis (figura 4-1, etapa 1), los azúcares, los aminoácidos y los ácidos grasos producidos por la degradación microbiana de los biopolímeros son metabolizados sucesivamente por grupos de bacterias y se fermentan principalmente a acetato, propionato, butirato, lactato, etanol, dióxido de carbono e hidrógeno (2).

Aunque algo de acetato (20%) y H2 (4%) se producen directamente por fermentación acidógena de azúcares y aminoácidos, ambos productos se derivan principalmente de la acetogénesis y deshidrogenación de ácidos grasos volátiles superiores (fig. 4-1 Etapa 2 ).

Las bacterias acetogénicas productoras de H2 obligadas son capaces de producir acetato y H2 a partir de ácidos grasos superiores. Solo Syntrophobacter wolinii, un descomponedor de propionato (3) y Sytrophomonos wolfei, un descomponedor de butirato (4) se han aislado hasta ahora debido a las dificultades técnicas involucradas en el aislamiento de cepas puras, ya que el H 2 producido inhibe severamente el crecimiento de estas cepas. Por tanto, el uso de técnicas de cocultivo que incorporan consumidores de H 2, como los metanógenos y las bacterias reductoras de sulfato, puede facilitar el esclarecimiento de la degradación bioquímica de los ácidos grasos.

Las reacciones generales de degradación de los ácidos grasos de cadena larga se presentan en las Tablas 4-1 y 4-2. La producción de H2 por los acetógenos es generalmente desfavorable desde el punto de vista energético debido a los altos requisitos de energía libre (a & # 148G o, & gt 0 Tabla 4-1 y 4-2).Sin embargo, con una combinación de bacterias consumidoras de H 2 (cuadro 4-2, 4-3), los sistemas de cocultivo proporcionan condiciones favorables para la descomposición de ácidos grasos en acetato y CH 4 o H 2 S (a & # 148G o , & lt 0). Además de la descomposición de los ácidos grasos de cadena larga, el etanol y el lactato también se convierten en acetato y H2 mediante un acetógeno y Clostridium formicoaceticum, respectivamente.

En la figura 4-2 se muestra el efecto de la presión parcial de H 2 sobre la energía libre asociada con la conversión de etanol, propionato, acetato y H 2 / CO 2 durante la fermentación del metano. Una presión parcial extremadamente baja de H 2 (10-5 atm) parece ser un factor significativo en la degradación del propionato a CH 4. Se puede lograr una presión parcial tan baja en un cultivo conjunto con bacterias consumidoras de H 2, como se describió anteriormente (cuadro 4-2,4-3).

Los metanógenos están fisiológicamente unidos como productores de metano en la digestión anaeróbica (Fig. 4-1 Etapa 3). Aunque el acetato y el H 2 / CO 2 son los principales sustratos disponibles en el entorno natural, el formiato, el metanol, las metilaminas y el CO también se convierten en CH 4 (Tabla 4-3).

Cuadro 4-1 Reacciones propuestas implicadas en el catabolismo de ácidos grasos por Syntrophomonas wolfei

+ 2 H 2 O 2 CH 3 COO - + 2H 2 + H +

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO -

+ 4 H 2 O 3 CH 3 COO - + 4H 2 + 2H +

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO -

+ 6 H 2 O 4 CH 3 COO - + 6H 2 + 3H +

+1 H 2 O CH 3 CH 2 COO - + CH 3 COO - +2 H 2 + H +

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO -

+ 4 H 2 O CH 3 CH 2 COO - + 2 CH 3 COO - +4 H 2 + 2H +

CH 3 CHCH 2 CH 2 CH 2 COO -
|
CH 3

+ 2 H 2 O CH 3 CHCH 2 COO - + CH 3 COO - + 2H 2 + H +
|
CH 3

Cuadro 4-2 Cambios de energía libre para reacciones que involucran oxidación anaeróbica en cultivos puros o en co-cultivos con metanógenos que utilizan H 2 o Desulfovibrio spp.

1. Bacterias acetogénicas reductoras de protones (productoras de H2)

A. CH 3 CH 2 CH 2 COO - + 2H 2 O 2 CH 3 COO - + 2H 2 + H +

B. CH 3 CH 2 COO - + 3H 2 O CH 3 COO - + HCO 3 - + H + + 3H 2

2. H2 que utilizan metanógenos y desulfovibrios

C. 4H 2 + HCO 3 - + H + CH 4 + 3 H 2 O

D. 4H 2 + S0 4 2- + H + HS - + 4 H 2 O

A + C 2 CH 3 CH 2 CH 2 COO - + HCO 3 - + H 2 O 4 CH 3 COO - + H + + CH 4

A + D 2 CH 3 CH 2 CH 2 COO - + S0 4 2- 4 CH 3 COO - + H + + HS -

B + C 4 CH 3 CH 2 COO - + 12H 2 4 CH 3 COO - + HCO 3 - + H + + 3 CH 4

B + D 4 CH 3 CH 2 COO - + 3 S0 4 2 "4 CH 3 COO - + 4 HCO 3 - + H + + 3 HS -

Tabla 4-3 Reacciones generadoras de energía de los metanógenos

CO 2 + 4 H 2 y reg CH 4 + 2H 2 O

HCO 3 - + 4 H 2 + H + & reg CH 4 + 3 H 2 O

CH 3 COO - + H 2 O y reg CH 4 + HCO 3 -

HCOO - + H + & reg 0.25 CH 4 + 0.75 CO 2 + 0.5 H 2 O

CO + 0.5 H 2 O & reg 0.25 CH 4 + 0.75 CO 2

CH 3 OH & reg 0,75 CH 4 + 0,25 CO 2 + 0,5 H 2 O

CH 3 NH 3 + + 0,5 H 2 O & reg 0,75 CH 4 + 0,25 CO 2 + NH 4 +

(CH 3) 2 NH 2 + + H 2 O & reg 1.5 CH 4 + 0.5 CO 2 + NH 4 +

(CH 3) 2 NCH 2 CH 3 H + + H 2 O & reg 1.5 CH 4 + 0.5 CO 2 + + H 3 NCH 2 CH 3

(CH 3) 3 NH + 1.5H 2 O & reg 2.25 CH 4 + 0.75 CO 2 + NH 4 +

Dado que los metanógenos, como anaerobios obligados, requieren un potencial redox de menos de -300 mV para el crecimiento, su aislamiento y cultivo fue algo elusivo debido a las dificultades técnicas encontradas para manipularlos en condiciones completamente libres de O 2. Sin embargo, como resultado de técnicas de aislamiento de metanógeno muy mejoradas desarrolladas por Hungate (6), se han aislado más de 40 cepas de metanógenos puros. Los metanógenos se pueden dividir en dos grupos: consumidores de H 2 / CO 2 y de acetato. Aunque algunos de los consumidores de H 2 / CO 2 son capaces de utilizar formato, el acetato es consumido por un número limitado de cepas, como Methanosarcina spp. y Methanothrix spp. (ahora, Methanosaeta), que son incapaces de usar formiato. Dado que se produce una gran cantidad de acetato en el entorno natural (fig. 4-1), Methanosarcina y Methanothrix desempeñan un papel importante en la finalización de la digestión anaeróbica y en la acumulación de H2, que inhibe los acetógenos y metanógenos. Los metanógenos que consumen H 2 también son importantes para mantener niveles bajos de H 2 atmosférico.

Los metanógenos que consumen H 2 / CO 2 reducen el CO 2 como aceptor de electrones a través de los niveles de formilo, metenilo y metilo mediante la asociación con coenzimas inusuales, para finalmente producir CH 4 (7) (Fig. 4-3). La reacción acetoclástica general se puede expresar como:

Dado que una pequeña parte del CO 2 también se forma a partir del carbono derivado del grupo metilo, se sospecha que el potencial reducido producido por el grupo metilo puede reducir el CO 2 a CH 4 (8).

Sobre la base del análisis de secuencia homóloga de ARNr 16S, los metanógenos se han clasificado en uno de los tres reinos primarios de los organismos vivos: las Archaea (Archaebacteria). Las Archaea también incluyen grupos importantes de organismos como termófilos y halófilos. Aunque las arqueas poseen una estructura y organización de células procariotas, comparten una característica común con los eucariotas: secuencias homólogas en ARNr y ARNt, presencia de inn-ones en sus genomas, organización de subunidades de ARN polimerasa similar, homologías inmunológicas y sistemas de traducción.

La tecnología del ADN recombinante es una de las técnicas más poderosas para caracterizar la regulación bioquímica y genética de la metanogénesis. Esto requiere la selección de marcadores genéticos, un sistema de transformación genética eficiente y un sistema de vector para la recombinación genética como requisitos previos.

Las cepas marcadas genéticamente son requisitos previos para los estudios genéticos: estas cepas pueden emplearse para desarrollar un sistema de intercambio genético en metanógenos basado en un sistema de selección eficiente. Dado que el fluorouracilo inhibe el crecimiento de M. thermoautotrophicum, se aislaron cepas resistentes a los análogos por mutación espontánea. Otros mutantes resistentes a DL-etionina o 2-bromoetanosulfonato (análogo de coenzima M), además de mutantes autótrofos, se obtuvieron mediante tratamiento mutagénico. También se obtuvieron varias cepas autótrofas para el metanógeno acetoclástico, M. voltae. Estas cepas mutantes se enumeran en la tabla 4-4.

Aunque se han clonado algunos genes de metanógeno, como los genes biosintéticos de aminoácidos y purinas, los genes de la maquinaria de transcripción y traducción y los genes de proteínas estructurales, los genes que codifican las enzimas implicadas en la metanogénesis se eligieron aquí como "genes de metano".

La metil CoM reductasa (MR Fig. 4-3) constituye aproximadamente el 10% de la proteína total en cultivos metanogénicos. La importancia y abundancia de MR inevitablemente centró la atención inicial en dilucidar su estructura y los mecanismos que dirigen su síntesis y regulación. Se han clonado y secuenciado genes que codifican MR a partir de Methanococcus vanielli, M. voltae, Methanosarcina barkeri, Methanobacterium thermoautotrophicum y M. fervidus.

La formilmetanofurano transferasa (FTR) cataliza la transferencia de un grupo formilo de formilmetanofurano (MFR) a tetrahidrometanopterina (H 4 MPT) (fig. 4-3, 4-2). El gen que codifica FTR de M. thermoautotrophicum se ha clonado, secuenciado y expresado funcionalmente en E. coli. La formiato deshidrogenasa (FDH) a veces puede representar del 2 al 3% del total de proteínas solubles en cultivos metanogénicos. Los dos genes que codifican las subunidades a & plusmn y a & sup2 de FDH se han clonado y secuenciado a partir de M. formicicum. Además, también se han clonado los genes que codifican la hidrogenasa reductora de F 420 (figura 4-3), ferredoxina y ATPasa.

Cuadro 4-4 Mutantes auxotróficos y resistentes a fármacos aplicables a experimentos de transferencia de genes


Contenido

Los motores HCCI tienen una larga historia, aunque HCCI no se ha implementado tan ampliamente como el encendido por chispa o la inyección diésel. Es esencialmente un ciclo de combustión Otto. El HCCI era popular antes de que se usara el encendido por chispa electrónico. Un ejemplo es el motor de bulbo caliente que usaba una cámara de vaporización caliente para ayudar a mezclar el combustible con el aire. El calor adicional combinado con la compresión indujo las condiciones para la combustión. Otro ejemplo es el motor de avión modelo "diesel".

Métodos Editar

Una mezcla de combustible y aire se enciende cuando la concentración y temperatura de los reactivos es suficientemente alta. La concentración y / o la temperatura se pueden aumentar de varias formas diferentes:

  • Aumento de la relación de compresión
  • Precalentamiento de gases de inducción
  • Inducción forzada
  • Gases de escape retenidos o readmitidos

Una vez encendido, la combustión ocurre muy rápidamente. Cuando la autoignición ocurre demasiado pronto o con demasiada energía química, la combustión es demasiado rápida y las altas presiones dentro del cilindro pueden destruir un motor. Por esta razón, el HCCI se opera típicamente en mezclas de combustible en general pobres.

Ventajas Editar

  • Dado que los motores HCCI son pobres en combustible, pueden operar a relaciones de compresión similares al diesel (& gt15), logrando así eficiencias un 30% más altas que los motores de gasolina SI convencionales. [2]
  • La mezcla homogénea de combustible y aire conduce a una combustión más limpia y menos emisiones. Debido a que las temperaturas máximas son significativamente más bajas que en los motores SI típicos, los niveles de NOx son casi insignificantes. Además, la técnica no produce hollín. [3]
  • Los motores HCCI pueden funcionar con gasolina, combustible diesel y la mayoría de los combustibles alternativos. [4]
  • HCCI evita las pérdidas por aceleración, lo que mejora aún más la eficiencia. [5]

Desventajas Editar

  • Lograr la capacidad de arranque en frío.
  • Las altas tasas de liberación de calor y aumento de presión contribuyen al desgaste del motor.
  • La autoignición es difícil de controlar, a diferencia del evento de ignición en motores SI y diesel, que son controlados por bujías e inyectores de combustible en cilindros, respectivamente. [6]
  • Los motores HCCI tienen un rango de torque pequeño, limitado a cargas bajas por límites de inflamabilidad pobre y cargas altas por restricciones de presión en el cilindro. [7] Las emisiones de precatalizador de (CO) e hidrocarburos (HC) son más altas que las de un motor típico de encendido por chispa, causadas por una oxidación incompleta (debido al evento de combustión rápida y bajas temperaturas en el cilindro) y los gases de hendidura atrapados, respectivamente. [8]

Control Editar

El HCCI es más difícil de controlar que otros motores de combustión, como el SI y el diésel. En un motor de gasolina típico, se utiliza una chispa para encender el aire y el combustible premezclado. En los motores diésel, la combustión comienza cuando el combustible se inyecta en aire precomprimido. En ambos casos, el tiempo de combustión se controla explícitamente. En un motor HCCI, sin embargo, la mezcla homogénea de combustible y aire se comprime y la combustión comienza siempre que se alcanza la presión y temperatura suficientes. Esto significa que ningún iniciador de combustión bien definido proporciona un control directo. Los motores deben diseñarse de modo que las condiciones de encendido se produzcan en el momento deseado. Para lograr un funcionamiento dinámico, el sistema de control debe gestionar las condiciones que inducen la combustión. Las opciones incluyen la relación de compresión, la temperatura del gas inducido, la presión del gas inducido, la relación aire-combustible o la cantidad de escape retenido o reinstalado. A continuación se analizan varios enfoques de control.

Relación de compresión Editar

Dos relaciones de compresión son significativas. los relación de compresión geométrica se puede cambiar con un émbolo móvil en la parte superior de la culata de cilindros. Este sistema se utiliza en motores de aviones modelo diesel. los relación de compresión efectiva se puede reducir de la relación geométrica cerrando la válvula de admisión muy tarde o muy temprano con la activación variable de la válvula (sincronización variable de la válvula que habilita el ciclo Miller). Ambos enfoques requieren energía para lograr una respuesta rápida. Además, la implementación es cara, pero eficaz. [9] El efecto de la relación de compresión sobre la combustión de HCCI también se ha estudiado ampliamente. [10]

Temperatura de inducción Editar

El evento de autoignición de HCCI es muy sensible a la temperatura. El método de control de temperatura más simple utiliza calentadores de resistencia para variar la temperatura de entrada, pero este enfoque es demasiado lento para cambiar en una frecuencia de ciclo a ciclo. [11] Otra técnica es gestión térmica rápida (FTM). Se logra variando la temperatura de carga de entrada mezclando corrientes de aire frío y caliente. Es lo suficientemente rápido como para permitir el control de ciclo a ciclo. [12] También es costoso de implementar y tiene un ancho de banda limitado asociado con la energía del actuador.

Porcentaje de gases de escape Editar

El gas de escape está muy caliente si se retiene o se vuelve a inducir del ciclo de combustión anterior o se enfría si se recircula a través de la admisión como en los sistemas EGR convencionales. El escape tiene un doble efecto sobre la combustión de HCCI. Diluye la carga fresca, retrasa el encendido y reduce la energía química y la potencia del motor. Los productos de combustión calientes aumentan a la inversa la temperatura del gas en el cilindro y avanzan el encendido. El control de los motores HCCI de sincronización de combustión que utilizan EGR se ha demostrado experimentalmente. [13]

Actuación de la válvula Editar

Accionamiento variable de la válvula (VVA) extiende la región operativa de HCCI al brindar un control más preciso sobre la envolvente de temperatura-presión-tiempo dentro de la cámara de combustión. VVA puede lograr esto a través de:

  • Control de la relación de compresión efectiva: VVA en la admisión puede controlar el punto en el que se cierra la válvula de admisión. Retardando más allá del punto muerto inferior (BDC), cambia la relación de compresión, alterando la envolvente de presión-tiempo en el cilindro.
  • Controlar la cantidad de gas de escape caliente retenido en la cámara de combustión: VVA puede controlar la cantidad de EGR caliente dentro de la cámara de combustión, ya sea mediante la reapertura de la válvula o cambios en la superposición de la válvula. Al equilibrar el porcentaje de EGR externo refrigerado con el EGR interno caliente generado por un sistema VVA, es posible controlar la temperatura en el cilindro.

Si bien los sistemas VVA electrohidráulicos y sin leva ofrecen control sobre el evento de la válvula, los componentes para tales sistemas son actualmente complicados y costosos. Sin embargo, los sistemas mecánicos de elevación y duración variables, aunque más complejos que un tren de válvulas estándar, son más baratos y menos complicados. Es relativamente sencillo configurar tales sistemas para lograr el control necesario sobre la curva de elevación de la válvula.

Mezcla de combustible Editar

Otro medio para extender el rango de operación es controlar el inicio de la ignición y la tasa de liberación de calor [14] [15] manipulando el propio combustible. Por lo general, esto se lleva a cabo mezclando varios combustibles "sobre la marcha" para el mismo motor. [16] Los ejemplos incluyen la mezcla de gasolina comercial y combustibles diesel, [17] adoptando gas natural [18] o etanol. [19] Esto se puede lograr de varias formas:

  • Mezcla aguas arriba: Los combustibles se mezclan en la fase líquida, una con baja resistencia a la ignición (como el diesel) y una segunda con mayor resistencia (gasolina). El tiempo de encendido varía con la proporción de estos combustibles.
  • Mezcla en la cámara: se puede inyectar un combustible en el conducto de admisión (inyección en el puerto) y el otro directamente en el cilindro.

Inyección directa: Edición de combustión PCCI o PPCI

La combustión de inyección directa de encendido por compresión (CIDI) es un medio bien establecido para controlar el tiempo de encendido y la tasa de liberación de calor y se adopta en la combustión de motores diesel. El encendido por compresión de carga parcialmente premezclada (PPCI), también conocido como encendido por compresión de carga premezclada (PCCI), es un compromiso que ofrece el control de la combustión CIDI con la reducción de las emisiones de gases de escape de HCCI, específicamente menos hollín. [20] La tasa de liberación de calor se controla preparando la mezcla combustible de tal manera que la combustión se produzca durante un período de tiempo más largo, lo que la hace menos propensa a los golpes. Esto se hace cronometrando el evento de inyección de manera que un rango de relaciones aire / combustible se extienda por el cilindro de combustión cuando comienza el encendido. La ignición ocurre en diferentes regiones de la cámara de combustión en diferentes momentos, lo que reduce la velocidad de liberación de calor. Esta mezcla está diseñada para minimizar el número de bolsas ricas en combustible, reduciendo la formación de hollín. [21] La adopción de combustibles diésel y de alta EGR con una mayor resistencia a la ignición (más "similar a la gasolina") permite tiempos de mezcla más prolongados antes de la ignición y, por lo tanto, menos bolsas ricas que producen hollín y NO
X [20] [21]

Presión máxima y tasa de liberación de calor Editar

En un ICE típico, la combustión se produce a través de una llama. Por lo tanto, en cualquier momento, solo se quema una fracción del combustible total. Esto da como resultado presiones máximas bajas y tasas de liberación de energía bajas. Sin embargo, en HCCI, toda la mezcla de combustible / aire se enciende y se quema durante un intervalo de tiempo mucho más pequeño, lo que resulta en presiones máximas elevadas y tasas de liberación de energía elevadas. Para soportar las presiones más altas, el motor tiene que ser estructuralmente más fuerte. Se han propuesto varias estrategias para reducir la velocidad de combustión y la presión máxima. La mezcla de combustibles, con diferentes propiedades de autoignición, puede reducir la velocidad de combustión. [22] Sin embargo, esto requiere una infraestructura significativa para su implementación. Otro enfoque utiliza la dilución (es decir, con los gases de escape) para reducir la presión y las tasas de combustión (y la salida). [23]

En el cámara de combustión dividida enfoque [1], hay dos cámaras de combustión que cooperan: una auxiliar pequeña y una principal grande.
Se utiliza una alta relación de compresión en la cámara de combustión auxiliar.
Se utiliza una relación de compresión moderada en la cámara de combustión principal en la que se comprime / calienta una mezcla homogénea de aire y combustible cerca, pero por debajo del umbral de autoignición.
La alta relación de compresión en la cámara de combustión auxiliar provoca la autoignición de la mezcla homogénea pobre de aire y combustible en la misma (no se requiere bujía) el gas quemado estalla - a través de algunos "puertos de transferencia", justo antes del TDC - hacia la combustión principal cámara activando su autoencendido.
El motor no necesita ser estructuralmente más fuerte.

Poder Editar

En los ICE, la potencia se puede aumentar introduciendo más combustible en la cámara de combustión. Estos motores pueden soportar un aumento de potencia porque la tasa de liberación de calor en estos motores es lenta. Sin embargo, en los motores HCCI, el aumento de la relación combustible / aire da como resultado presiones máximas y tasas de liberación de calor más altas. Además, muchas estrategias viables de control de HCCI requieren un precalentamiento térmico del combustible, lo que reduce la densidad y, por lo tanto, la masa de la carga de aire / combustible en la cámara de combustión, reduciendo la potencia. Estos factores dificultan el aumento de la potencia en los motores HCCI.

Una técnica consiste en utilizar combustibles con diferentes propiedades de autoignición. Esto reduce la tasa de liberación de calor y las presiones máximas y permite aumentar la relación de equivalencia. Otra forma es estratificar térmicamente la carga para que diferentes puntos de la carga comprimida tengan diferentes temperaturas y se quemen en diferentes momentos, reduciendo la tasa de liberación de calor y haciendo posible aumentar la potencia. [24] Una tercera forma es hacer funcionar el motor en modo HCCI solo en condiciones de carga parcial y hacerlo funcionar como un motor diesel o SI en condiciones de carga más alta. [25]

Emisiones Editar

Debido a que el HCCI funciona con mezclas pobres, la temperatura máxima es mucho más baja que la que se encuentra en los motores diésel y SI. Esta baja temperatura máxima reduce la formación de NO
X , pero también conduce a una combustión incompleta del combustible, especialmente cerca de las paredes de la cámara de combustión. Esto produce emisiones de monóxido de carbono e hidrocarburos relativamente altas. Un catalizador oxidante puede eliminar las especies reguladas, porque el escape todavía es rico en oxígeno.

Diferencia de golpe Editar

La detonación o el ruido sordo del motor se producen cuando algunos de los gases no quemados delante de la llama en un motor SI se encienden espontáneamente. Este gas se comprime a medida que se propaga la llama y aumenta la presión en la cámara de combustión. La alta presión y la correspondiente alta temperatura de los reactivos no quemados pueden hacer que se enciendan espontáneamente. Esto hace que una onda de choque atraviese desde la región del gas final y que una onda de expansión atraviese la región del gas final. Las dos ondas se reflejan en los límites de la cámara de combustión e interactúan para producir ondas estacionarias de alta amplitud, formando así un dispositivo termoacústico primitivo donde la resonancia se amplifica por el aumento de la liberación de calor durante el viaje de la onda similar a un tubo de Rijke.

Un proceso de ignición similar ocurre en HCCI. Sin embargo, en lugar de que parte de la mezcla de reactivos se encienda por compresión delante de un frente de llama, la ignición en los motores HCCI se produce debido a la compresión del pistón más o menos simultáneamente en la mayor parte de la carga comprimida. Se producen pocas o ninguna diferencia de presión entre las diferentes regiones del gas, lo que elimina cualquier onda de choque y golpe, pero el rápido aumento de presión todavía está presente y es deseable desde el punto de buscar la máxima eficiencia de la adición de calor isocórica casi ideal.

Simulación de motores HCCI Editar

Los modelos computacionales para simular la combustión y las tasas de liberación de calor de los motores HCCI requieren modelos químicos detallados. [17] [26] Esto se debe en gran parte a que la ignición es más sensible a la cinética química que a los procesos de turbulencia / pulverización o chispas como son típicos en motores SI y diesel. Los modelos computacionales han demostrado la importancia de tener en cuenta el hecho de que la mezcla en el cilindro es en realidad no homogénea, particularmente en términos de temperatura. Esta falta de homogeneidad es impulsada por la mezcla turbulenta y la transferencia de calor de las paredes de la cámara de combustión. La cantidad de estratificación de temperatura dicta la tasa de liberación de calor y, por lo tanto, la tendencia a golpear. [27] Esto limita la utilidad de considerar la mezcla en el cilindro como una zona única, lo que resulta en la integración de códigos de dinámica de fluidos computacionales 3D como el código CFD KIVA del Laboratorio Nacional de Los Alamos y códigos de modelado de función de densidad de probabilidad de resolución más rápida. [28] [29]

A partir de 2017, no se produjeron motores HCCI a escala comercial. Sin embargo, varios fabricantes de automóviles tenían prototipos de HCCI en funcionamiento.

  • La motocicleta Honda EXP-2 de 1994 utilizaba "combustión ARC". Este tenía un motor de dos tiempos que usa una válvula de escape para imitar un modo HCCI. Honda vendió un CRM 250 AR.
  • En 2007–2009, General Motors demostró HCCI con un motor Ecotec 2.2 L modificado instalado en Opel Vectra y Saturn Aura. [30] El motor opera en modo HCCI a velocidades por debajo de 60 millas por hora (97 km / h) o cuando navega, cambiando a SI convencional cuando se abre el acelerador y produce una economía de combustible de 43 millas por galón imperial (6.6 L / 100 km 36 millas por galón-NOSOTROS) y emisiones de dióxido de carbono de aproximadamente 150 gramos por kilómetro, mejorando las 37 millas por galón imperial (7,6 L / 100 km 31 mpg-NOSOTROS) y 180 g / km de la versión convencional de inyección directa de 2,2 L. [31] GM también está investigando motores Familia 0 más pequeños para aplicaciones de HCCI. GM ha utilizado KIVA en el desarrollo de motores de gasolina de carga estratificada de inyección directa, así como motores de gasolina de carga homogénea de combustión rápida. [29] desarrolló un motor prototipo llamado DiesOtto, con encendido automático controlado. Se exhibió en su concept car F 700 en el Auto Show de Frankfurt 2007. [32] están desarrollando dos tipos de motor para operación HCCI. El primero, llamado Sistema de combustión combinada o CCS, se basa en el motor diésel de 2.0 litros del Grupo VW, pero utiliza una carga de admisión homogénea. Requiere combustible sintético para lograr el máximo beneficio. El segundo se llama encendido por compresión de gasolina o GCI; utiliza HCCI cuando se navega y se enciende por chispa al acelerar. Ambos motores se han demostrado en prototipos de Touran. [33]
  • En noviembre de 2011, Hyundai anunció el desarrollo del motor GDCI (encendido por compresión de inyección directa de gasolina) en asociación con Delphi Automotive. [34] El motor eliminó por completo las bujías de encendido y, en su lugar, utiliza el sobrealimentador y el turbocompresor para mantener la presión dentro del cilindro. El motor está programado para la producción comercial en un futuro próximo. [35]
  • En octubre de 2005, el Wall Street Journal informó que Honda estaba desarrollando un motor HCCI como parte de un esfuerzo por producir un automóvil híbrido de próxima generación. [36]
  • Oxy-Gen Combustion, una empresa de tecnología limpia con sede en el Reino Unido, produjo un motor conceptual HCCI de carga completa con la ayuda de Michelin y Shell. [37]
  • El SkyActiv-G Generation 2 de Mazda tiene una relación de compresión de 18: 1 para permitir el uso de combustión de HCCI. [38] Un modelo de motor llamado SKYACTIV-X ha sido anunciado por Mazda en agosto de 2017 como un gran avance en la tecnología de motores. [39]
  • Mazda está investigando con HCCI con motores Wankel. [40]

Hasta la fecha, pocos prototipos de motores funcionan en modo HCCI, pero la investigación de HCCI ha dado como resultado avances en el desarrollo de motores y combustibles. Ejemplos incluyen:


Temperatura de ignición espontánea

Se debe conocer la temperatura de autoignición (AIT) del material peligroso en una instalación para completar su EAC. NFPA 497 proporciona valores AIT para varias sustancias combustibles.

Una clasificación de área típica para el gas propano sería: Clase I, División 2, Grupo D, 450C AIT. Aquí:

  • La clase I indica la presencia de vapor.
  • La división 2 indica que el vapor está presente solo en condiciones anormales.
  • El grupo D indica que el propano es miembro de este grupo.
  • 450C es la temperatura de autoignición del propano.

Una vez que se ha clasificado un área, el NEC proporciona requisitos muy específicos y estrictos sobre el equipo eléctrico y el cableado asociado que se puede instalar dentro de esa área. Los requisitos están destinados a evitar que los equipos eléctricos sean la fuente de ignición de una mezcla inflamable. En consecuencia, la propia instalación debe ser a prueba de explosiones.

Obviamente, se debe conocer el EAC de una instalación antes de que se pueda especificar, diseñar o instalar cualquier equipo eléctrico. En muchos proyectos de energía de CTG, los equipos mecánicos de propósito especial con largos plazos de entrega (motores y sistemas y componentes de control e instrumentación, por ejemplo) deben especificarse y solicitarse con anticipación. No determinar el EAC para la instalación y dicho equipo de manera oportuna puede resultar en instalaciones inseguras, reelaboración, confusión, demoras y sobrecostos.


Contenido

Las primeras referencias a las pilas de combustible de hidrógeno aparecieron en 1838. En una carta fechada en octubre de 1838 pero publicada en la edición de diciembre de 1838 de Revista Filosófica y Revista de Ciencia de Londres y Edimburgo, El físico y abogado galés Sir William Grove escribió sobre el desarrollo de sus primeras pilas de combustible en bruto. Usó una combinación de planchas de hierro, cobre y porcelana, y una solución de sulfato de cobre y ácido diluido. [6] [7] En una carta a la misma publicación escrita en diciembre de 1838 pero publicada en junio de 1839, el físico alemán Christian Friedrich Schönbein discutió la primera pila de combustible cruda que había inventado. Su carta discutió la corriente generada a partir de hidrógeno y oxígeno disueltos en agua. [8] Grove posteriormente esbozó su diseño, en 1842, en la misma revista. La celda de combustible que hizo utilizó materiales similares a la celda de combustible de ácido fosfórico actual. [9] [10]

Los británicos que reforzaron los aterrizajes en la Luna, Archivos de la BBC. [11]

En 1932, el ingeniero inglés Francis Thomas Bacon desarrolló con éxito una pila de combustible estacionaria de 5 kW. [11] La pila de combustible alcalina (AFC), también conocida como pila de combustible Bacon en honor a su inventor, es una de las tecnologías de pila de combustible más desarrolladas, que la NASA ha utilizado desde mediados de la década de 1960. [11] [12]

En 1955, W. Thomas Grubb, un químico que trabajaba para General Electric Company (GE), modificó aún más el diseño original de la celda de combustible utilizando una membrana de intercambio iónico de poliestireno sulfonado como electrolito. Tres años más tarde, otro químico de GE, Leonard Niedrach, ideó una forma de depositar platino en la membrana, que sirvió como catalizador para las reacciones necesarias de oxidación de hidrógeno y reducción de oxígeno. Esto se conoció como la "pila de combustible Grubb-Niedrach". [13] [14] GE pasó a desarrollar esta tecnología con la NASA y McDonnell Aircraft, lo que llevó a su uso durante el Proyecto Gemini. Este fue el primer uso comercial de una pila de combustible. En 1959, un equipo dirigido por Harry Ihrig construyó un tractor de celda de combustible de 15 kW para Allis-Chalmers, que se demostró en todo Estados Unidos en ferias estatales. Este sistema utilizó hidróxido de potasio como electrolito e hidrógeno y oxígeno comprimidos como reactivos. Más tarde, en 1959, Bacon y sus colegas demostraron una unidad práctica de cinco kilovatios capaz de alimentar una máquina de soldar. En la década de 1960, Pratt & amp Whitney obtuvo la licencia de las patentes estadounidenses de Bacon para su uso en el programa espacial estadounidense para suministrar electricidad y agua potable (el hidrógeno y el oxígeno están fácilmente disponibles en los tanques de las naves espaciales). En 1991, Roger Billings desarrolló el primer automóvil con pila de combustible de hidrógeno. [15] [16]

UTC Power fue la primera empresa en fabricar y comercializar un gran sistema de pila de combustible estacionaria para su uso como planta de cogeneración en hospitales, universidades y grandes edificios de oficinas. [17]

En reconocimiento de la industria de las pilas de combustible y el papel de Estados Unidos en el desarrollo de las pilas de combustible, el Senado de los Estados Unidos reconoció el 8 de octubre de 2015 como el Día Nacional del Hidrógeno y las Pilas de Combustible, aprobando la S. RES 217. La fecha se eligió en reconocimiento del peso atómico del hidrógeno (1.008 ). [18]

Las pilas de combustible vienen en muchas variedades, sin embargo, todas funcionan de la misma manera general. Están formados por tres segmentos adyacentes: el ánodo, el electrolito y el cátodo. Se producen dos reacciones químicas en las interfaces de los tres segmentos diferentes. El resultado neto de las dos reacciones es que se consume combustible, se crea agua o dióxido de carbono y se crea una corriente eléctrica, que se puede utilizar para alimentar dispositivos eléctricos, normalmente denominados carga.

En el ánodo, un catalizador oxida el combustible, generalmente hidrógeno, convirtiendo el combustible en un ion cargado positivamente y un electrón cargado negativamente. El electrolito es una sustancia diseñada específicamente para que los iones puedan pasar a través de él, pero los electrones no. Los electrones liberados viajan a través de un cable creando la corriente eléctrica. Los iones viajan a través del electrolito hasta el cátodo. Una vez que llegan al cátodo, los iones se reúnen con los electrones y los dos reaccionan con un tercer químico, generalmente oxígeno, para crear agua o dióxido de carbono.

Las características de diseño de una celda de combustible incluyen:

  • La sustancia electrolítica, que generalmente define la escribe de pila de combustible, y puede estar hecho de una serie de sustancias como hidróxido de potasio, carbonatos de sal y ácido fosfórico. [19]
  • El combustible que se utiliza. El combustible más común es el hidrógeno.
  • El catalizador del ánodo, generalmente un polvo fino de platino, descompone el combustible en electrones e iones.
  • El catalizador de cátodo, a menudo níquel, convierte los iones en productos químicos de desecho, siendo el agua el tipo de desecho más común. [20]
  • Capas de difusión de gas diseñadas para resistir la oxidación. [20]

Una pila de combustible típica produce un voltaje de 0,6 a 0,7 V a plena carga nominal. El voltaje disminuye a medida que aumenta la corriente, debido a varios factores:

Para entregar la cantidad deseada de energía, las celdas de combustible se pueden combinar en serie para producir un voltaje más alto y en paralelo para permitir que se suministre una corriente más alta. Tal diseño se llama pila de pila de combustible. El área de la superficie de la celda también se puede aumentar para permitir una mayor corriente de cada celda.

Pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) Editar

En el diseño arquetípico de celda de combustible de membrana de intercambio de protones de óxido de hidrógeno, una membrana de polímero conductor de protones (típicamente nafión) contiene la solución de electrolito que separa los lados del ánodo y del cátodo. [25] [26] Esto se llamaba pila de combustible de electrolito de polímero sólido (SPEFC) a principios de la década de 1970, antes de que se comprendiera bien el mecanismo de intercambio de protones. (Note que los sinónimos membrana de electrolito de polímero y 'mecanismo de intercambio de protones resultar en el mismo acrónimo.)

En el lado del ánodo, el hidrógeno se difunde al catalizador del ánodo donde luego se disocia en protones y electrones. Estos protones a menudo reaccionan con oxidantes, lo que hace que se conviertan en lo que comúnmente se conoce como membranas de protones de facilitación múltiple. Los protones se conducen a través de la membrana hasta el cátodo, pero los electrones se ven obligados a viajar en un circuito externo (suministrando energía) porque la membrana es eléctricamente aislante. En el catalizador de cátodo, las moléculas de oxígeno reaccionan con los electrones (que han viajado a través del circuito externo) y los protones para formar agua.

Además de este tipo de hidrógeno puro, existen combustibles de hidrocarburos para celdas de combustible, incluido el diésel, el metanol (ver: pilas de combustible de metanol directo y pilas de combustible de metanol indirecto) e hidruros químicos. Los productos de desecho con este tipo de combustible son el dióxido de carbono y el agua. Cuando se usa hidrógeno, el CO2 se libera cuando el metano del gas natural se combina con vapor, en un proceso llamado reformado de metano con vapor, para producir el hidrógeno. Esto puede tener lugar en una ubicación diferente a la celda de combustible, lo que potencialmente permite que la celda de combustible de hidrógeno se use en interiores, por ejemplo, en carretillas elevadoras.

Los diferentes componentes de un PEMFC son

  1. placas bipolares
  2. membrana, y
  3. el hardware necesario como colectores de corriente y juntas. [27]

Los materiales utilizados para las diferentes partes de las pilas de combustible difieren según el tipo. Las placas bipolares pueden estar hechas de diferentes tipos de materiales, como metal, metal revestido, grafito, grafito flexible, compuesto C – C, compuestos carbono-polímero, etc. [28] El conjunto de electrodos de membrana (MEA) se conoce como el corazón del PEMFC y generalmente está hecho de una membrana de intercambio de protones intercalada entre dos papeles de carbón recubiertos con catalizador. El platino y / o un tipo similar de metales nobles se utilizan generalmente como catalizador para PEMFC. El electrolito podría ser una membrana de polímero.

Problemas de diseño de la celda de combustible de membrana de intercambio de protones Editar

Pila de combustible de ácido fosfórico (PAFC) Editar

Las pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC) fueron diseñadas e introducidas por primera vez en 1961 por G. V. Elmore y H. A. Tanner. En estas celdas, el ácido fosfórico se usa como electrolito no conductor para pasar iones de hidrógeno positivos del ánodo al cátodo. Estas células suelen trabajar a temperaturas de 150 a 200 grados centígrados. Esta alta temperatura causará pérdida de calor y energía si el calor no se quita y se usa correctamente. Este calor se puede utilizar para producir vapor para sistemas de aire acondicionado o cualquier otro sistema de consumo de energía térmica. [37] El uso de este calor en la cogeneración puede mejorar la eficiencia de las pilas de combustible de ácido fosfórico de un 40 a un 50% a aproximadamente un 80%. [37] El ácido fosfórico, el electrolito utilizado en los PAFC, es un ácido líquido no conductor que obliga a los electrones a viajar de ánodo a cátodo a través de un circuito eléctrico externo. Dado que la tasa de producción de iones de hidrógeno en el ánodo es pequeña, el platino se utiliza como catalizador para aumentar esta tasa de ionización. Una desventaja clave de estas celdas es el uso de un electrolito ácido. Esto aumenta la corrosión u oxidación de los componentes expuestos al ácido fosfórico. [38]

Pila de combustible de ácido sólido (SAFC) Editar

Las pilas de combustible de ácido sólido (SAFC) se caracterizan por el uso de un material ácido sólido como electrolito. A bajas temperaturas, los ácidos sólidos tienen una estructura molecular ordenada como la mayoría de las sales. A temperaturas más cálidas (entre 140 y 150 ° C para CsHSO4), algunos ácidos sólidos experimentan una transición de fase para convertirse en estructuras "superprotónicas" altamente desordenadas, lo que aumenta la conductividad en varios órdenes de magnitud. Los primeros SAFC de prueba de concepto se desarrollaron en 2000 utilizando hidrógeno sulfato de cesio (CsHSO4). [39] Los sistemas actuales de SAFC utilizan dihidrogenofosfato de cesio (CsH2correos4) y han demostrado una vida útil de miles de horas. [40]

Pila de combustible alcalina (AFC) Editar

La pila de combustible alcalina o pila de combustible de hidrógeno-oxígeno fue diseñada y demostrada públicamente por Francis Thomas Bacon en 1959. Se utilizó como fuente primaria de energía eléctrica en el programa espacial Apolo. [41] La celda consta de dos electrodos de carbono poroso impregnados con un catalizador adecuado como Pt, Ag, CoO, etc. El espacio entre los dos electrodos se llena con una solución concentrada de KOH o NaOH que sirve como electrolito. H2 gas y O2 el gas se burbujea en el electrolito a través de los electrodos de carbono poroso. Por tanto, la reacción global implica la combinación de gas hidrógeno y gas oxígeno para formar agua. La celda funciona continuamente hasta que se agota el suministro de reactivo. Este tipo de celda funciona de manera eficiente en el rango de temperatura 343-413 K y proporciona un potencial de aproximadamente 0,9 V. [42] AAEMFC es un tipo de AFC que emplea un electrolito de polímero sólido en lugar de hidróxido de potasio acuoso (KOH) y es superior a AFC acuoso.

Pilas de combustible de alta temperatura Editar

Pila de combustible de óxido sólido Editar

Las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC) utilizan un material sólido, más comúnmente un material cerámico llamado zirconia estabilizada con itria (YSZ), como electrolito. Debido a que las SOFC están hechas completamente de materiales sólidos, no se limitan a la configuración de plano plano de otros tipos de celdas de combustible y, a menudo, están diseñadas como tubos enrollados. Requieren altas temperaturas de funcionamiento (800–1000 ° C) y pueden funcionar con una variedad de combustibles, incluido el gas natural. [5]

Las SOFC son únicas ya que en ellas, los iones de oxígeno cargados negativamente viajan desde el cátodo (lado positivo de la celda de combustible) al ánodo (lado negativo de la celda de combustible) en lugar de iones de hidrógeno cargados positivamente que viajan desde el ánodo al cátodo, como es el caso de todos los demás tipos de pilas de combustible. El gas oxígeno se alimenta a través del cátodo, donde absorbe electrones para crear iones de oxígeno. Los iones de oxígeno luego viajan a través del electrolito para reaccionar con el gas hidrógeno en el ánodo. La reacción en el ánodo produce electricidad y agua como subproductos. El dióxido de carbono también puede ser un subproducto dependiendo del combustible, pero las emisiones de carbono de un sistema SOFC son menores que las de una planta de combustión de combustibles fósiles. [43] Las reacciones químicas del sistema SOFC se pueden expresar de la siguiente manera: [44]

Reacción del ánodo: 2H2 + 2O 2− → 2H2O + 4e - Reacción del cátodo: O2 + 4e - → 2O 2− Reacción celular general: 2H2 + O2 → 2H2O

Los sistemas SOFC pueden funcionar con combustibles distintos del gas hidrógeno puro. Sin embargo, dado que el hidrógeno es necesario para las reacciones enumeradas anteriormente, el combustible seleccionado debe contener átomos de hidrógeno. Para que funcione la pila de combustible, el combustible debe convertirse en gas hidrógeno puro. Las SOFC son capaces de reformar internamente hidrocarburos ligeros como el metano (gas natural), [45] propano y butano. [46] Estas pilas de combustible se encuentran en una etapa temprana de desarrollo. [47]

Existen desafíos en los sistemas SOFC debido a sus altas temperaturas de funcionamiento. Uno de esos desafíos es la posibilidad de que se acumule polvo de carbono en el ánodo, lo que ralentiza el proceso de reforma interna. La investigación para abordar este problema de "coquización de carbono" en la Universidad de Pensilvania ha demostrado que el uso de cermet a base de cobre (materiales resistentes al calor hechos de cerámica y metal) puede reducir la coquización y la pérdida de rendimiento. [48] ​​Otra desventaja de los sistemas SOFC es el tiempo de inicio lento, lo que hace que las SOFC sean menos útiles para las aplicaciones móviles. A pesar de estas desventajas, una temperatura de funcionamiento alta proporciona una ventaja al eliminar la necesidad de un catalizador de metal precioso como el platino, lo que reduce el costo. Además, el calor residual de los sistemas SOFC puede capturarse y reutilizarse, aumentando la eficiencia general teórica hasta un 80–85%. [5]

La alta temperatura de funcionamiento se debe en gran parte a las propiedades físicas del electrolito YSZ. A medida que la temperatura disminuye, también lo hace la conductividad iónica de YSZ. Por tanto, para obtener un rendimiento óptimo de la pila de combustible, se requiere una temperatura de funcionamiento elevada. Según su sitio web, Ceres Power, un fabricante de celdas de combustible SOFC del Reino Unido, ha desarrollado un método para reducir la temperatura de funcionamiento de su sistema SOFC a 500-600 grados Celsius. Reemplazaron el electrolito YSZ de uso común con un electrolito CGO (óxido de gadolinio y cerio). La temperatura de funcionamiento más baja les permite usar acero inoxidable en lugar de cerámica como sustrato de la celda, lo que reduce el costo y el tiempo de puesta en marcha del sistema. [49]

Pila de combustible de carbonato fundido (MCFC) Editar

Las celdas de combustible de carbonato fundido (MCFC) requieren una temperatura de funcionamiento alta, 650 ° C (1200 ° F), similar a las SOFC. Los MCFC usan sal de carbonato de litio y potasio como electrolito, y esta sal se licua a altas temperaturas, lo que permite el movimiento de la carga dentro de la celda, en este caso, iones de carbonato negativos. [50]

Al igual que las SOFC, las MCFC son capaces de convertir el combustible fósil en un gas rico en hidrógeno en el ánodo, eliminando la necesidad de producir hidrógeno externamente. El proceso de reforma crea CO
2 emisiones. Los combustibles compatibles con MCFC incluyen gas natural, biogás y gas producido a partir del carbón. El hidrógeno del gas reacciona con los iones de carbonato del electrolito para producir agua, dióxido de carbono, electrones y pequeñas cantidades de otras sustancias químicas. Los electrones viajan a través de un circuito externo creando electricidad y regresan al cátodo. Allí, el oxígeno del aire y el dióxido de carbono reciclado del ánodo reaccionan con los electrones para formar iones de carbonato que reponen el electrolito, completando el circuito. [50] Las reacciones químicas de un sistema MCFC se pueden expresar de la siguiente manera: [51]

Reacción del ánodo: CO3 2− + H2 → H2O + CO2 + 2e - Reacción del cátodo: CO2 + ½O2 + 2e - → CO3 2− Reacción celular general: H2 + ½O2 → H2O

Al igual que con las SOFC, las desventajas de las MCFC incluyen tiempos de inicio lentos debido a su alta temperatura de funcionamiento. Esto hace que los sistemas MCFC no sean adecuados para aplicaciones móviles y es muy probable que esta tecnología se utilice para celdas de combustible estacionarias. El principal desafío de la tecnología MCFC es la corta vida útil de las células. El electrolito de alta temperatura y el carbonato provocan la corrosión del ánodo y el cátodo. Estos factores aceleran la degradación de los componentes de MCFC, disminuyendo la durabilidad y la vida útil de la celda. Los investigadores están abordando este problema explorando materiales resistentes a la corrosión para componentes, así como diseños de celdas de combustible que pueden aumentar la vida útil de las celdas sin disminuir el rendimiento. [5]

Los MCFC tienen varias ventajas sobre otras tecnologías de pilas de combustible, incluida su resistencia a las impurezas. No son propensos a la "coquización de carbono", que se refiere a la acumulación de carbono en el ánodo que da como resultado un rendimiento reducido al ralentizar el proceso interno de reforma del combustible. Por lo tanto, los combustibles ricos en carbono como los gases hechos a partir del carbón son compatibles con el sistema. El Departamento de Energía de los Estados Unidos afirma que el carbón, en sí mismo, podría incluso ser una opción de combustible en el futuro, asumiendo que el sistema puede hacerse resistente a impurezas como el azufre y las partículas que resultan de convertir el carbón en hidrógeno. [5] Las MCFC también tienen eficiencias relativamente altas. Pueden alcanzar una eficiencia de combustible a electricidad del 50%, considerablemente más alta que la eficiencia del 37% al 42% de una planta de celdas de combustible de ácido fosfórico. Las eficiencias pueden llegar al 65% cuando la celda de combustible está emparejada con una turbina, y al 85% si el calor se captura y se usa en un sistema combinado de calor y energía (CHP). [50]

FuelCell Energy, un fabricante de celdas de combustible con sede en Connecticut, desarrolla y vende celdas de combustible MCFC. La compañía dice que sus productos MCFC van desde sistemas de 300 kW a 2,8 MW que logran un 47% de eficiencia eléctrica y pueden utilizar la tecnología CHP para obtener eficiencias generales más altas. Un producto, el DFC-ERG, se combina con una turbina de gas y, según la empresa, alcanza una eficiencia eléctrica del 65%. [52]

Pila de combustible de almacenamiento eléctrico Editar

La pila de combustible de almacenamiento eléctrico es una batería convencional que se puede cargar mediante la entrada de energía eléctrica, utilizando el efecto electroquímico convencional. Sin embargo, la batería incluye además entradas de hidrógeno (y oxígeno) para, alternativamente, cargar la batería químicamente. [53]

Comparación de tipos de pilas de combustible Editar

Nombre de la pila de combustible Electrólito Potencia calificada (W) Temperatura de trabajo (° C) Eficiencia Estado Costo (USD / W)
Celda Sistema
Pila de combustible de hidruro metálico Solución acuosa alcalina & gt −20
(50% Pcima @ 0 ° C)
Comercial / Investigación
Pila de combustible electrogalvánica Solución acuosa alcalina & lt 40 Comercial / Investigación
Pila de combustible de ácido fórmico directo (DFAFC) Membrana de polímero (ionómero) & lt 50 W & lt 40 Comercial / Investigación
Batería de zinc-aire Solución acuosa alcalina & lt 40 Producción en masa
Pila de combustible microbiana Membrana de polímero o ácido húmico & lt 40 Investigar
Pila de combustible microbiana de flujo ascendente (UMFC) & lt 40 Investigar
Pila de combustible regenerativa Membrana de polímero (ionómero) & lt 50 Comercial / Investigación
Pila de combustible de borohidruro directo Solución acuosa alcalina 70 Comercial
Pila de combustible alcalina Solución acuosa alcalina 10-200 kW & lt 80 60–70% 62% Comercial / Investigación
Pila de combustible de metanol directo Membrana de polímero (ionómero) 100 mW - 1 kW 90–120 20–30% 10–25% [54] Comercial / Investigación 125
Pila de combustible de metanol reformada Membrana de polímero (ionómero) 5 W - 100 kW 250–300 (reformador)
125-200 (PBI)
50–60% 25–40% Comercial / Investigación
Pila de combustible de etanol directo Membrana de polímero (ionómero) & lt 140 mW / cm² & gt 25
? 90–120
Investigar
Pila de combustible de membrana de intercambio de protones Membrana de polímero (ionómero) 1 W - 500 kW 50-100 (Nafion) [55]
120-200 (PBI) [56]
50–70% 30–50% [54] Comercial / Investigación 50–100
Pila de combustible redox (RFC) Electrolitos líquidos con lanzadera redox y membrana de polímero (ionómero) 1 kW - 10 MW Investigar
Pila de combustible de ácido fosfórico Ácido fosfórico fundido (H3correos4) & lt 10 MW 150–200 55% 40% [54]
Cogeneración: 90%
Comercial / Investigación 4.00–4.50
Pila de combustible de ácido sólido Sal de oxianión conductora de H + (ácido sólido) 10 W - 1 kW 200–300 55–60% 40–45% Comercial / Investigación
Pila de combustible de carbonato fundido Carbonato alcalino fundido 100 MW 600–650 55% 45–55% [54] Comercial / Investigación
Pila de combustible de óxido sólido tubular (TSOFC) Óxido cerámico conductor de O 2− & lt 100 MW 850–1100 60–65% 55–60% Comercial / Investigación
Pila de combustible de cerámica protónica Óxido cerámico conductor de H + 700 Investigar
Pila de combustible de carbono directo Varios diferentes 700–850 80% 70% Comercial / Investigación
Pila de combustible de óxido sólido plana Óxido cerámico conductor de O 2− & lt 100 MW 500–1100 60–65% 55–60% [54] Comercial / Investigación
Células de biocombustible enzimático Cualquiera que no desnaturalice la enzima & lt 40 Investigar
Pila de combustible de magnesio-aire Agua salada −20 a 55 90% Comercial / Investigación

Glosario de términos en tabla:

Máxima eficiencia teórica Editar

La eficiencia energética de un sistema o dispositivo que convierte energía se mide por la relación entre la cantidad de energía útil producida por el sistema ("energía de salida") y la cantidad total de energía introducida ("energía de entrada") o por energía de salida útil como porcentaje de la energía de entrada total. En el caso de las pilas de combustible, la energía de salida útil se mide en energía eléctrica producida por el sistema. La energía de entrada es la energía almacenada en el combustible. Según el Departamento de Energía de EE. UU., Las celdas de combustible generalmente tienen entre un 40 y un 60% de eficiencia energética. [61] Esto es más alto que algunos otros sistemas de generación de energía. Por ejemplo, el motor de combustión interna típico de un automóvil tiene una eficiencia energética de aproximadamente un 25%. [62] En los sistemas combinados de calor y energía (CHP), el calor producido por la celda de combustible se captura y se utiliza, lo que aumenta la eficiencia del sistema hasta en un 85–90%. [5]

La eficiencia máxima teórica de cualquier tipo de sistema de generación de energía nunca se alcanza en la práctica, y no considera otros pasos en la generación de energía, como la producción, transporte y almacenamiento de combustible y conversión de la electricidad en energía mecánica. Sin embargo, este cálculo permite comparar diferentes tipos de generación de energía. La eficiencia máxima teórica de una pila de combustible se acerca al 100%, [63] mientras que la eficiencia máxima teórica de los motores de combustión interna es aproximadamente del 58%. [64]

En la práctica Editar

En un vehículo de pila de combustible, la eficiencia del tanque a la rueda es superior al 45% con cargas bajas [65] y muestra valores medios de alrededor del 36% cuando se utiliza un ciclo de conducción como el NEDC (Nuevo ciclo de conducción europeo) como procedimiento de prueba. . [66] El valor NEDC comparable para un vehículo diésel es del 22%. En 2008, Honda lanzó un vehículo eléctrico de pila de combustible de demostración (el Honda FCX Clarity) con una pila de combustible que afirmaba una eficiencia del 60% entre el tanque y la rueda. [67]

También es importante tener en cuenta las pérdidas debidas a la producción, el transporte y el almacenamiento de combustible. Los vehículos de pila de combustible que funcionan con hidrógeno comprimido pueden tener una eficiencia de la planta de energía a la rueda del 22% si el hidrógeno se almacena como gas a alta presión y del 17% si se almacena como hidrógeno líquido. [68] Las pilas de combustible no pueden almacenar energía como una batería, [69] excepto como hidrógeno, pero en algunas aplicaciones, como las centrales eléctricas independientes basadas en fuentes discontinuas como la energía solar o eólica, se combinan con electrolizadores y sistemas de almacenamiento. para formar un sistema de almacenamiento de energía. A partir de 2019, el 90% del hidrógeno se utilizó para el refinado de petróleo, la producción de productos químicos y fertilizantes, y el 98% del hidrógeno se produce mediante el reformado de metano con vapor, que emite dióxido de carbono. [70] La eficiencia global (de electricidad a hidrógeno y de vuelta a electricidad) de tales plantas (conocidas como eficiencia de ida y vuelta), el uso de hidrógeno puro y oxígeno puro puede ser "de 35 a 50 por ciento", dependiendo de la densidad del gas y otras condiciones. [71] El sistema de celda de combustible / electrolizador puede almacenar cantidades indefinidas de hidrógeno y, por lo tanto, es adecuado para un almacenamiento a largo plazo.

Las pilas de combustible de óxido sólido producen calor a partir de la recombinación del oxígeno y el hidrógeno. La cerámica puede alcanzar temperaturas de hasta 800 grados centígrados. Este calor se puede capturar y usar para calentar agua en una aplicación micro combinada de calor y energía (m-CHP). Cuando se captura el calor, la eficiencia total puede alcanzar el 80-90% en la unidad, pero no considera las pérdidas de producción y distribución. Las unidades de cogeneración se están desarrollando hoy para el mercado doméstico europeo.

El profesor Jeremy P. Meyers, en la revista Electrochemical Society Interfaz en 2008, escribió: "Si bien las celdas de combustible son eficientes en relación con los motores de combustión, no son tan eficientes como las baterías, principalmente debido a la ineficacia de la reacción de reducción de oxígeno (y. la reacción de desprendimiento de oxígeno, si el hidrógeno se forma por electrólisis de agua). [T] o tienen más sentido para la operación desconectada de la red, o cuando se puede suministrar combustible de forma continua. Para aplicaciones que requieren arranques frecuentes y relativamente rápidos. donde las emisiones cero son un requisito, como en espacios cerrados como como almacenes, y donde el hidrógeno se considera un reactivo aceptable, una [pila de combustible PEM] se está convirtiendo en una opción cada vez más atractiva [si el cambio de baterías es un inconveniente] ". [72] En 2013, las organizaciones militares estaban evaluando las pilas de combustible para determinar si podían reducir significativamente el peso de la batería que llevaban los soldados. [73]

Poder Editar

Las celdas de combustible estacionarias se utilizan para la generación de energía primaria y de respaldo comercial, industrial y residencial. Las pilas de combustible son muy útiles como fuentes de energía en ubicaciones remotas, como naves espaciales, estaciones meteorológicas remotas, grandes parques, centros de comunicaciones, ubicaciones rurales, incluidas estaciones de investigación, y en ciertas aplicaciones militares. Un sistema de pila de combustible que funciona con hidrógeno puede ser compacto y ligero, y no tiene partes móviles importantes. Debido a que las celdas de combustible no tienen partes móviles y no involucran combustión, en condiciones ideales pueden alcanzar hasta un 99,9999% de confiabilidad. [74] Esto equivale a menos de un minuto de tiempo de inactividad en un período de seis años. [74]

Dado que los sistemas de electrolizadores de pila de combustible no almacenan combustible en sí mismos, sino que dependen de unidades de almacenamiento externas, se pueden aplicar con éxito en el almacenamiento de energía a gran escala, por ejemplo en las zonas rurales. [75] Hay muchos tipos diferentes de pilas de combustible estacionarias, por lo que las eficiencias varían, pero la mayoría tiene una eficiencia energética de entre el 40% y el 60%. [5] Sin embargo, cuando el calor residual de la pila de combustible se utiliza para calentar un edificio en un sistema de cogeneración, esta eficiencia puede aumentar al 85%. [5] Esto es significativamente más eficiente que las centrales eléctricas de carbón tradicionales, que son solo alrededor de un tercio de eficiencia energética. [76] Suponiendo una producción a gran escala, las pilas de combustible podrían ahorrar entre un 20% y un 40% en costes de energía cuando se utilizan en sistemas de cogeneración. [77] Las pilas de combustible también son mucho más limpias que la generación de energía tradicional. Una planta de energía de pila de combustible que utiliza gas natural como fuente de hidrógeno crearía menos de una onza de contaminación
2) por cada 1.000 kW · h producidos, en comparación con 25 libras de contaminantes generados por los sistemas de combustión convencionales. [78] Las pilas de combustible también producen un 97% menos de emisiones de óxido de nitrógeno que las centrales eléctricas convencionales de carbón.

Uno de esos programas piloto está operando en Stuart Island en el estado de Washington. Allí, la Stuart Island Energy Initiative [79] ha construido un sistema completo de circuito cerrado: los paneles solares alimentan un electrolizador, que produce hidrógeno. El hidrógeno se almacena en un tanque de 500 galones estadounidenses (1,900 L) a 200 libras por pulgada cuadrada (1,400 kPa) y funciona con una celda de combustible ReliOn para proporcionar respaldo eléctrico completo a la residencia fuera de la red. Otro circuito de sistema cerrado se dio a conocer a finales de 2011 en Hempstead, Nueva York. [80]

Las pilas de combustible se pueden utilizar con gas de baja calidad procedente de vertederos o plantas de tratamiento de aguas residuales para generar energía y reducir las emisiones de metano. Se dice que una planta de pila de combustible de 2,8 MW en California es la más grande de su tipo. [81] Se están desarrollando pilas de combustible a pequeña escala (menos de 5 kWh) para su uso en instalaciones residenciales fuera de la red. [82]

Cogeneración Editar

Los sistemas de celdas de combustible combinados de calor y energía (CHP), incluidos los sistemas micro combinados de calor y energía (MicroCHP), se utilizan para generar electricidad y calor para hogares (ver celda de combustible para el hogar), edificios de oficinas y fábricas. El sistema genera energía eléctrica constante (vendiendo el exceso de energía a la red cuando no se consume) y, al mismo tiempo, produce aire caliente y agua a partir del calor residual. Como resultado, los sistemas de cogeneración tienen el potencial de ahorrar energía primaria, ya que pueden aprovechar el calor residual que generalmente es rechazado por los sistemas de conversión de energía térmica. [83] Un rango de capacidad típico de una pila de combustible doméstica es de 1 a 3 kW.el, 4–8 kWth. [84] [85] Los sistemas de cogeneración conectados a enfriadores de absorción utilizan su calor residual para la refrigeración. [86]

El calor residual de las pilas de combustible se puede desviar durante el verano directamente al suelo, proporcionando un mayor enfriamiento, mientras que el calor residual durante el invierno se puede bombear directamente al edificio. La Universidad de Minnesota es propietaria de los derechos de patente de este tipo de sistema [87] [88]

Los sistemas de cogeneración pueden alcanzar un 85% de eficiencia (40-60% eléctricos y el resto como térmicos). [5] Las pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC) constituyen el segmento más grande de productos de cogeneración existentes en todo el mundo y pueden proporcionar eficiencias combinadas cercanas al 90%. [89] [90] El carbonato fundido (MCFC) y las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) también se utilizan para la generación combinada de calor y energía y tienen eficiencias de energía eléctrica de alrededor del 60%. [91] Las desventajas de los sistemas de cogeneración incluyen tasas lentas de aceleración y disminución, alto costo y corta vida útil. [92] [93] También su necesidad de tener un tanque de almacenamiento de agua caliente para suavizar la producción de calor térmico fue una seria desventaja en el mercado doméstico, donde el espacio en las propiedades domésticas es muy importante. [94]

Los consultores de Delta-ee declararon en 2013 que con el 64% de las ventas mundiales, la energía y el calor microcombinados de celdas de combustible superaron a los sistemas convencionales en ventas en 2012. [73] El proyecto japonés ENE FARM superará los sistemas de 100.000 FC mCHP en 2014, 34.213 En el período 2012-2014 se instalaron PEMFC y 2.224 SOFC, 30.000 unidades en GNL y 6.000 en GLP. [95]

Vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV) Editar

Automóviles Editar

Para fines de 2019, se habían alquilado o vendido alrededor de 18,000 FCEV en todo el mundo. [96] Se han introducido tres vehículos eléctricos de pila de combustible para arrendamiento comercial y venta: el Honda Clarity, el Toyota Mirai y el Hyundai ix35 FCEV. Los modelos de demostración adicionales incluyen el Honda FCX Clarity y el Mercedes-Benz F-Cell. [97] En junio de 2011, los FCEV de demostración habían recorrido más de 4.800.000 km (3.000.000 millas), con más de 27.000 repostajes. [98] Los vehículos eléctricos de pila de combustible tienen una autonomía promedio de 314 millas entre repostajes. [99] Se pueden repostar en menos de 5 minutos. [100] El Programa de Tecnología de Celdas de Combustible del Departamento de Energía de EE. UU. Establece que, a partir de 2011, las celdas de combustible lograron una eficiencia del 53% al 59% a un cuarto de potencia y una eficiencia del vehículo del 42% al 53% a plena potencia, [101] y una durabilidad de más de 120.000 km (75.000 millas) con menos del 10% de degradación.[102] En un análisis de simulación Well-to-Wheels de 2017 que "no abordó las limitaciones económicas y del mercado", General Motors y sus socios estimaron que por milla recorrida, un vehículo eléctrico de pila de combustible que funciona con hidrógeno gaseoso comprimido producido a partir de gas natural podría utilizar aproximadamente un 40% menos de energía y emitir un 45% menos de gases de efecto invernadero que un vehículo de combustión interna. [103]

En 2015, Toyota presentó su primer vehículo de celda de combustible, el Mirai, a un precio de $ 57,000. [104] Hyundai introdujo el Hyundai ix35 FCEV de producción limitada en virtud de un contrato de arrendamiento. [105] En 2016, Honda comenzó a arrendar el Honda Clarity Fuel Cell. [106] En 2020, Toyota introdujo la segunda generación de su marca Mirai, mejorando la eficiencia de combustible y ampliando el rango en comparación con el modelo Sedan 2014 original. [107]

Crítica Editar

Algunos comentaristas creen que los coches de pila de combustible de hidrógeno nunca serán económicamente competitivos con otras tecnologías [108] [109] [110] o que pasarán décadas antes de que sean rentables. [72] [111] Elon Musk, director ejecutivo del fabricante de vehículos eléctricos de batería Tesla Motors, declaró en 2015 que las pilas de combustible para uso en automóviles nunca serán comercialmente viables debido a la ineficiencia de producir, transportar y almacenar hidrógeno y la inflamabilidad del gas, entre otras razones. [112]

En 2012, Lux Research, Inc. publicó un informe que decía: "El sueño de una economía del hidrógeno no está más cerca". Concluyó que el "costo de capital. Limitará la adopción a solo 5,9 GW" para 2030, lo que proporcionará "una barrera casi insuperable para la adopción, excepto en aplicaciones específicas". El análisis concluyó que, para 2030, el mercado estacionario de PEM alcanzará los mil millones de dólares, mientras que el mercado de vehículos, incluidas las carretillas elevadoras, alcanzará un total de 2 mil millones de dólares. [111] Otros análisis citan la falta de una amplia infraestructura de hidrógeno en los EE. UU. Como un desafío continuo para la comercialización de vehículos eléctricos de celda de combustible. [sesenta y cinco]

En 2014, Joseph Romm, autor de El bombo sobre el hidrógeno (2005), dijo que los FCV aún no habían superado el alto costo de combustible, la falta de infraestructura de suministro de combustible y la contaminación causada por la producción de hidrógeno. "Se necesitarían varios milagros para superar todos esos problemas simultáneamente en las próximas décadas". [113] Concluyó que la energía renovable no se puede utilizar económicamente para producir hidrógeno para una flota de FCV "ni ahora ni en el futuro". [108] El analista de Greentech Media llegó a conclusiones similares en 2014. [114] En 2015, Técnica limpia enumeró algunas de las desventajas de los vehículos de pila de combustible de hidrógeno. [115] También lo hizo Acelerador de coche. [116]

Un video de 2019 de Ingeniería real señaló que, a pesar de la introducción de vehículos que funcionan con hidrógeno, el uso de hidrógeno como combustible para los automóviles no ayuda a reducir las emisiones de carbono del transporte. El 95% del hidrógeno que todavía se produce a partir de combustibles fósiles libera dióxido de carbono, y producir hidrógeno a partir del agua es un proceso que consume energía. El almacenamiento de hidrógeno requiere más energía, ya sea para enfriarlo al estado líquido o para ponerlo en tanques a alta presión, y entregar el hidrógeno a las estaciones de servicio requiere más energía y puede liberar más carbono. El hidrógeno necesario para mover un FCV por kilómetro cuesta aproximadamente 8 veces más que la electricidad necesaria para mover un BEV a la misma distancia. [117] Una evaluación de 2020 concluyó que los vehículos de hidrógeno todavía tienen solo un 38% de eficiencia, mientras que los vehículos eléctricos con batería tienen una eficiencia del 80%. [118]

Autobuses Editar

En agosto de 2011 [actualización], había alrededor de 100 autobuses de celda de combustible en servicio en todo el mundo. [119] La mayoría de estos fueron fabricados por UTC Power, Toyota, Ballard, Hydrogenics y Proton Motor. Los autobuses de UTC habían recorrido más de 970.000 km (600.000 millas) en 2011. [120] Los autobuses de pila de combustible tienen entre un 39% y un 141% más de ahorro de combustible que los autobuses diésel y los autobuses de gas natural. [103] [121]

A partir de 2019, el NREL estaba evaluando varios proyectos de autobuses de celdas de combustible actuales y previstos en los EE. UU. [122]

Montacargas Editar

Una carretilla elevadora de pila de combustible (también llamada carretilla elevadora de pila de combustible) es una carretilla elevadora industrial impulsada por pila de combustible que se utiliza para levantar y transportar materiales. En 2013, se utilizaron más de 4.000 carretillas elevadoras de pila de combustible en la manipulación de materiales en los EE. UU. [123], de las cuales 500 recibieron financiación del DOE (2012). [124] [125] Varias empresas operan flotas de pilas de combustible, incluidas Sysco Foods, FedEx Freight, GENCO (en Wegmans, Coca-Cola, Kimberly Clark y Whole Foods) y H-E-B Grocers. [126] Europa demostró 30 carretillas elevadoras de pila de combustible con Hylift y las amplió con HyLIFT-EUROPE a 200 unidades, [127] con otros proyectos en Francia [128] [129] y Austria. [130] Pike Research proyectó en 2011 que las carretillas elevadoras accionadas por pilas de combustible serían el mayor impulsor de la demanda de combustible de hidrógeno para 2020. [131]

La mayoría de las empresas en Europa y los EE. UU. No utilizan carretillas elevadoras a petróleo, ya que estos vehículos funcionan en interiores donde las emisiones deben controlarse y, en su lugar, utilizan carretillas elevadoras eléctricas. [132] [133] Los montacargas de pila de combustible pueden proporcionar beneficios sobre los montacargas de batería, ya que pueden repostar en 3 minutos y pueden usarse en almacenes refrigerados, donde su rendimiento no se ve afectado por temperaturas más bajas. Las unidades FC a menudo se diseñan como reemplazos directos. [134] [135]

Motos y bicicletas Editar

En 2005, un fabricante británico de pilas de combustible impulsadas por hidrógeno, Intelligent Energy (IE), produjo la primera motocicleta en funcionamiento que funciona con hidrógeno llamada ENV (Emission Neutral Vehicle). La motocicleta tiene suficiente combustible para funcionar durante cuatro horas y viajar 160 km (100 millas) en un área urbana, a una velocidad máxima de 80 km / h (50 mph). [136] En 2004 Honda desarrolló una motocicleta de pila de combustible que utilizaba el Honda FC Stack. [137] [138]

Otros ejemplos de motocicletas [139] y bicicletas [140] que utilizan pilas de combustible de hidrógeno incluyen el scooter de la empresa taiwanesa APFCT [141] que utiliza el sistema de alimentación de la italiana Acta SpA [142] y el scooter Suzuki Burgman con pila de combustible IE que recibió la UE Aprobación de tipo de vehículo completo en 2011. [143] Suzuki Motor Corp. e IE han anunciado una empresa conjunta para acelerar la comercialización de vehículos de emisión cero. [144]

Aviones Editar

En 2003, voló el primer avión propulsado por hélice del mundo que funcionaba íntegramente con una pila de combustible. La pila de combustible era un diseño de pila que permitía que la pila de combustible se integrara con las superficies aerodinámicas del avión. [145] Los vehículos aéreos no tripulados (UAV) propulsados ​​por celdas de combustible incluyen un UAV de celda de combustible Horizon que estableció el récord de distancia volada para un UAV pequeño en 2007. [146] Investigadores de Boeing y socios industriales de toda Europa realizaron pruebas de vuelo experimentales en febrero de 2008 de un avión tripulado propulsado únicamente por una pila de combustible y baterías ligeras. El avión demostrador de pila de combustible, como se le llamaba, utilizaba un sistema híbrido de pila de combustible / batería de iones de litio con membrana de intercambio de protones (PEM) para alimentar un motor eléctrico, que estaba acoplado a una hélice convencional. [147]

En 2009, el Ion Tiger del Laboratorio de Investigación Naval (NRL) utilizó una celda de combustible impulsada por hidrógeno y voló durante 23 horas y 17 minutos. [148] También se están probando y considerando las pilas de combustible para proporcionar energía auxiliar en las aeronaves, reemplazando los generadores de combustibles fósiles que se utilizaban anteriormente para arrancar los motores y alimentar las necesidades eléctricas a bordo, al tiempo que reducen las emisiones de carbono. [149] [150] [ verificación fallida ] En 2016, un dron Raptor E1 realizó un vuelo de prueba exitoso utilizando una celda de combustible que era más liviana que la batería de iones de litio que reemplazó. El vuelo duró 10 minutos a una altitud de 80 metros (260 pies), aunque, según los informes, la celda de combustible tenía suficiente combustible para volar durante dos horas. El combustible estaba contenido en aproximadamente 100 gránulos sólidos de 1 centímetro cuadrado (0,16 pulgadas cuadradas) compuestos de un producto químico patentado dentro de un cartucho sin presión. Los gránulos son físicamente robustos y funcionan a temperaturas tan cálidas como 50 ° C (122 ° F). La celda era de Arcola Energy. [151]

Lockheed Martin Skunk Works Stalker es un UAV eléctrico impulsado por una celda de combustible de óxido sólido. [152]

Barcos Editar

El primer barco de pila de combustible del mundo, el HYDRA, utilizó un sistema AFC con una potencia neta de 6,5 kW. Ámsterdam introdujo barcos propulsados ​​por pilas de combustible que transportan a la gente por los canales de la ciudad. [153]

Submarinos Editar

Los submarinos Tipo 212 de las marinas alemana e italiana utilizan pilas de combustible para permanecer sumergidos durante semanas sin necesidad de salir a la superficie.

El U212A es un submarino no nuclear desarrollado por el astillero naval alemán Howaldtswerke Deutsche Werft. [154] El sistema consta de nueve pilas de combustible PEM, que proporcionan entre 30 kW y 50 kW cada una. El barco está en silencio, lo que le da una ventaja en la detección de otros submarinos. [155] Un artículo naval ha teorizado sobre la posibilidad de un híbrido de pila de combustible nuclear mediante el cual la pila de combustible se usa cuando se requieren operaciones silenciosas y luego se repone desde el reactor nuclear (y agua). [156]

Sistemas de energía portátiles Editar

Los sistemas portátiles de pilas de combustible se clasifican generalmente como con un peso inferior a 10 kg y una potencia de menos de 5 kW. [157] El tamaño del mercado potencial para las celdas de combustible más pequeñas es bastante grande con una tasa de crecimiento potencial de hasta el 40% anual y un tamaño de mercado de alrededor de $ 10 mil millones, lo que lleva a que se dedique una gran cantidad de investigación al desarrollo de celdas de energía portátiles. . [158] Dentro de este mercado se han identificado dos grupos. El primero es el mercado de celdas de microcombustible, en el rango de 1 a 50 W para alimentar dispositivos electrónicos más pequeños. El segundo es la gama de generadores de 1 a 5 kW para la generación de energía a mayor escala (por ejemplo, puestos militares, campos petrolíferos remotos).

Las celdas de microcombustible están destinadas principalmente a penetrar en el mercado de teléfonos y computadoras portátiles. Esto se puede atribuir principalmente a la densidad de energía ventajosa proporcionada por las pilas de combustible sobre una batería de iones de litio, para todo el sistema. En el caso de una batería, este sistema incluye el cargador y la propia batería. Para la pila de combustible, este sistema incluiría la pila, el combustible necesario y los accesorios periféricos. Teniendo en cuenta el sistema completo, se ha demostrado que las pilas de combustible proporcionan 530 Wh / kg en comparación con los 44 Wh / kg de las baterías de iones de litio. [158] Sin embargo, aunque el peso de los sistemas de pilas de combustible ofrece una clara ventaja, los costes actuales no les favorecen. mientras que un sistema de batería generalmente cuesta alrededor de $ 1,20 por Wh, los sistemas de pilas de combustible cuestan alrededor de $ 5 por Wh, lo que los coloca en una desventaja significativa. [158]

A medida que aumenta la demanda de energía para los teléfonos celulares, las celdas de combustible podrían convertirse en opciones mucho más atractivas para una mayor generación de energía. La demanda de más tiempo en teléfonos y computadoras es algo que los consumidores demandan a menudo para que las pilas de combustible puedan comenzar a dar grandes pasos en los mercados de computadoras portátiles y teléfonos celulares. El precio seguirá bajando a medida que se acelera el desarrollo de las pilas de combustible. Las estrategias actuales para mejorar las micro celdas de combustible es mediante el uso de nanotubos de carbono. Girishkumar et al. que depositar nanotubos en las superficies de los electrodos permite un área de superficie sustancialmente mayor aumentando la tasa de reducción de oxígeno. [159]

Las pilas de combustible para su uso en operaciones a gran escala también son muy prometedoras. Los sistemas de energía portátiles que utilizan pilas de combustible se pueden utilizar en el sector del ocio (es decir, vehículos recreativos, cabinas, marino), el sector industrial (es decir, energía para ubicaciones remotas, incluidos pozos de gas / petróleo, torres de comunicación, seguridad, estaciones meteorológicas) y en el sector militar. SFC Energy es un fabricante alemán de pilas de combustible de metanol directo para una variedad de sistemas de energía portátiles. [160] Ensol Systems Inc. es un integrador de sistemas de energía portátiles que utiliza el SFC Energy DMFC. [161] La principal ventaja de las pilas de combustible en este mercado es la gran generación de energía por peso. Si bien las celdas de combustible pueden ser costosas, para ubicaciones remotas que requieren energía confiable, las celdas de combustible tienen una gran potencia. Para una excursión de 72 h, la comparación en peso es sustancial, con una celda de combustible que solo pesa 15 libras en comparación con las 29 libras de baterías necesarias para la misma energía. [157]

Otras aplicaciones Editar

  • Suministro de energía para estaciones base o emplazamientos celulares [162] [163] son ​​un tipo de sistema de celdas de combustible, que puede incluir iluminación, generadores y otros aparatos, para proporcionar recursos de respaldo en una crisis o cuando fallan los sistemas regulares. Encuentran usos en una amplia variedad de entornos, desde hogares residenciales hasta hospitales, laboratorios científicos, centros de datos, [164]
  • equipos de telecomunicaciones [165] y buques de guerra modernos.
  • Una fuente de alimentación ininterrumpida (UPS) proporciona energía de emergencia y, según la topología, también proporciona regulación de línea a los equipos conectados al suministrar energía desde una fuente separada cuando la energía de la red pública no está disponible. A diferencia de un generador de reserva, puede proporcionar protección instantánea contra una interrupción momentánea de energía. , emparejando la celda de combustible con un ICE o una batería. para aplicaciones donde la carga de CA puede no estar fácilmente disponible.
  • Muelles de carga portátiles para dispositivos electrónicos pequeños (por ejemplo, un clip para el cinturón que carga un teléfono celular o PDA). , laptops y tabletas.
  • Pequeños aparatos de calefacción [166], que se consiguen agotando el oxígeno y manteniendo automáticamente el agotamiento del oxígeno en un contenedor de transporte que contiene, por ejemplo, pescado fresco. [167], donde la cantidad de voltaje generado por una celda de combustible se usa para determinar la concentración de combustible (alcohol) en la muestra. [168], sensor electroquímico.

Gasolineras Editar

Según FuelCellsWorks, un grupo industrial, a finales de 2019, 330 estaciones de repostaje de hidrógeno estaban abiertas al público en todo el mundo. [169] En junio de 2020, había 178 estaciones de hidrógeno disponibles públicamente en funcionamiento en Asia. [170] 114 de ellos estaban en Japón. [171] Había al menos 177 estaciones en Europa, y aproximadamente la mitad de ellas estaban en Alemania. [172] [173] Había 44 estaciones de acceso público en los EE. UU., 42 de las cuales estaban ubicadas en California. [174]

La construcción de una estación de servicio de hidrógeno cuesta entre $ 1 millón y $ 4 millones. [175]

En 2012, los ingresos de la industria de celdas de combustible excedieron el valor de mercado de mil millones de dólares en todo el mundo, y los países del Pacífico asiático enviaron más de 3/4 de los sistemas de celdas de combustible en todo el mundo. [176] Sin embargo, en enero de 2014, ninguna empresa pública del sector se había vuelto rentable. [177] Se enviaron 140.000 pilas de pilas de combustible a nivel mundial en 2010, frente a 11.000 envíos en 2007, y de 2011 a 2012, los envíos de pilas de combustible en todo el mundo tuvieron una tasa de crecimiento anual del 85%. [178] Tanaka Kikinzoku amplió sus instalaciones de fabricación en 2011. [179] Aproximadamente el 50% de los envíos de pilas de combustible en 2010 fueron pilas de combustible estacionarias, frente a aproximadamente un tercio en 2009, y los cuatro productores dominantes de la industria de pilas de combustible fueron los Estados Unidos. Estados, Alemania, Japón y Corea del Sur. [180] La Alianza de Conversión de Energía de Estado Sólido del Departamento de Energía descubrió que, en enero de 2011, las celdas de combustible estacionarias generaban energía a aproximadamente $ 724 a $ 775 por kilovatio instalado. [181] En 2011, Bloom Energy, un importante proveedor de celdas de combustible, dijo que sus celdas de combustible generaban energía a 9-11 centavos por kilovatio-hora, incluido el precio del combustible, el mantenimiento y el hardware. [182] [183]

Los grupos de la industria predicen que hay suficientes recursos de platino para la demanda futura, [184] y en 2007, una investigación en el Laboratorio Nacional de Brookhaven sugirió que el platino podría ser reemplazado por un revestimiento de oro y paladio, que puede ser menos susceptible al envenenamiento y, por lo tanto, mejorar la pila de combustible. toda la vida. [185] Otro método utilizaría hierro y azufre en lugar de platino. Esto reduciría el costo de una pila de combustible (ya que el platino en una pila de combustible normal cuesta alrededor de US $ 1.500 y la misma cantidad de hierro cuesta sólo alrededor de US $ 1,50). El concepto estaba siendo desarrollado por una coalición del Centro John Innes y la Universidad de Milán-Bicocca. [186] Los cátodos PEDOT son inmunes al envenenamiento por monóxido. [187]

En 2016, Samsung "decidió abandonar los proyectos comerciales relacionados con las pilas de combustible, ya que las perspectivas del mercado no son buenas". [188]


Tabla de temperaturas de llama para diferentes combustibles

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    • Abreviaturas y acrónimos
    • Ph.D., Ciencias Biomédicas, Universidad de Tennessee en Knoxville
    • Licenciatura en Física y Matemáticas, Hastings College

    Esta es una lista de temperaturas de llama para varios combustibles comunes. Se proporcionan temperaturas de llama adiabáticas para gases comunes para aire y oxígeno. (Para estos valores, la temperatura inicial del aire, el gas y el oxígeno es de 20 ° C.) MAPP es una mezcla de gases, principalmente metil acetileno y propadieno con otros hidrocarburos. En términos relativos, obtendrá el máximo provecho de su inversión con acetileno en oxígeno (3100 ° C) y acetileno (2400 ° C), hidrógeno (2045 ° C) o propano (1980 ° C) en el aire.


    Métodos en el metabolismo del metano, parte A

    Katharina Schlegel, Volker Müller, en Métodos en enzimología, 2011

    1. Introducción

    Las arqueas metanogénicas crecen en un número limitado de C1 sustratos, como metanol, metilaminas, formiato y algunos también pueden usar acetato (Deppenmeier, 2002 Ferry, 1997 Thauer et al., 2008). El centro de todas esas vías es la vía Wood-Ljundahl (Ljungdahl, 1994 Ragsdale, 2008). Durante el crecimiento en H2 + CO2, CO2 primero se une al metanofurano y, por lo tanto, se reduce a un grupo formilo (Fig. 12.1). Esta reacción endergónica es catalizada por la formilmetanofurano deshidrogenasa e impulsada por el gradiente de iones electroquímicos a través de la membrana (Kaesler y Schönheit, 1989 Winner y Gottschalk, 1989). El grupo formilo se transfiere a tetrahidrometanopterina (H4MPT) y reducido a un grupo metilo. Este grupo metilo se transfiere al cofactor M (CoM-SH) por el metil-H4MPT: HS-CoM metiltransferasa. Esta reacción exergónica (ΔGRAMO0′ = - 29 kJ / mol) se utiliza para transferir 1,7 Na + / CH4 sobre la membrana y, por lo tanto, genera un gradiente de Na + primario y electrogénico a través de la membrana (Becher et al., 1992b Gottschalk y Thauer, 2001 Lienard et al., 1996 Müller et al., 1987). En el siguiente paso, el metil-CoM sufre un ataque nucleofílico por el anión tiolato de HS-CoB (coenzima B, 7-tioheptanoil-o-fosho- l-treonina), liberando así CH4 y generar un disulfuro de CoM y CoB, el llamado heterodisulfuro. El heterodisulfuro es el aceptor de electrones terminal en la metanogénesis y se reduce y, por lo tanto, se escinde por una heterodisulfuro reductasa unida a la membrana. Los electrones necesarios para esta reacción son proporcionados por F420 (durante el crecimiento en sustratos metilados), una hidrogenasa unida a la membrana (durante el crecimiento en H2 + CO2) o ferredoxina (durante el crecimiento en acetato) y se transfiere a través de una cadena de transporte de electrones. En esta reacción, se traslocan de tres a cuatro H + sobre la membrana (Blaut et al., 1987 Deppenmeier et al., 1990 ).

    Figura 12.1. Corrientes de iones durante la metanogénesis de H2 + CO2. Tenga en cuenta que este modelo solo describe la ruta en M. mazei y M. barkeri. M. acetivorans no contiene hidrogenasas. (1) Ech / Eha hidrogenasa (2) Na + / H + antiportador (3) metil-H4MPT coenzima M metiltransferasa (4) H2: sistema heterodisulfuro oxidorreductasa (5) A1AO ATP sintasa MF, metanofurano H4MPT, tetrahidrometanopterina CoM-SH, coenzima M CoB-SH, coenzima B Fd, ferredoxina.

    Durante el crecimiento en sustratos que contienen grupos metilo, los grupos metilo se canalizan a CoM-SH mediante metiltransferasas específicas. Una cuarta parte del grupo metilo se oxida a CO2 para obtener los equivalentes reductores para reducir el otro 75% a metano (Deppenmeier, 2002 van der Meijden et al.1983 Fig. 12.2). La metanogénesis del acetato comienza con la activación del acetato a acetil-CoA, seguida de una oxidación de acetil-CoA a CO2 y un grupo metilo unido a una coenzima que se reduce a CH4 con electrones ganados durante la reacción de oxidación (Ferry, 1997 Terlesky y Ferry, 1988 Thauer, 1990).

    Figura 12.2. Corrientes de iones durante la metanogénesis del metanol. Tenga en cuenta que este modelo solo describe la ruta en M. mazei y M. barkeri. M. acetivorans no contiene una Ech hidrogenasa sino un complejo Rnf. Los electrones del hidrógeno producido por la hidrogenasa Ech / Eha se transfieren finalmente a la heterodisulfuro reductasa. Todavía es un tema de debate si esto ocurre a través de un F soluble420 reductor de hidrogenasa o directamente por el H2: sistema heterodisulfuro oxidorreductasa. (1) Ech / Eha hidrogenasa (2) Na + / H + antiportador (3) metil-H4MPT-coenzima M metiltransferasa (4) F420: sistema heterodisulfuro oxidorreductasa (5) A1AO ATP sintasa MF, metanofurano H4MPT, tetrahidrometanopterina CoM-SH, coenzima M CoB-SH, coenzima B Fd, ferredoxina.

    Una característica común de la metanogénesis encontrada en todos los metanógenos investigados hasta ahora es su requerimiento de Na +. El Na + es necesario no solo para las células en crecimiento, sino también por las células en reposo para la metanogénesis, lo que indica una participación del Na + en uno de los pasos de la vía (Müller et al., 1986, 1988 Perski et al., 1981, 1982). De hecho, resultó que el metil-H4SPT: HS-CoM-metiltransferasa es una bomba primaria de Na + (Becher et al., 1992a Müller et al., 1987). Aparte del motivo Na + metil-H4MPT: HS-CoM-metiltransferasa, el sistema de heterodisulfuro reductasa es motriz de protones. Por lo tanto, los metanógenos son los únicos organismos que generan un gradiente primario de protones e iones de sodio al mismo tiempo. La forma en que las dos fuerzas motrices de iones están conectadas a la síntesis de ATP es todavía un tema de debate, pero la A1AO La ATP sintasa es esencial para la síntesis de ATP (Deppenmeier y Müller, 2008 Müller y Grüber, 2003 Pisa et al., 2007 Saum et al., 2009 ).

    En este capítulo, describimos cómo se analiza la dependencia del Na + del crecimiento y la metanogénesis, cómo se mide el transporte de Na + en las suspensiones celulares y cómo se mide la síntesis de ATP y la hidrólisis de ATP.


    Comportamiento de los electrones

    A nivel submolecular, la razón de la diferencia en los niveles de energía entre los reactivos y los productos radica en las configuraciones electrónicas. Los átomos de hidrógeno tienen un electrón cada uno. Se combinan en moléculas de dos para que puedan compartir dos electrones (uno cada uno). Esto se debe a que la capa de electrones más interna está en un estado de menor energía (y por lo tanto más estable) cuando está ocupada por dos electrones. Los átomos de oxígeno tienen ocho electrones cada uno. Se combinan en moléculas de dos al compartir cuatro electrones de modo que sus capas de electrones más externas estén completamente ocupadas por ocho electrones cada una. Sin embargo, surge una alineación mucho más estable de electrones cuando dos átomos de hidrógeno comparten un electrón con un átomo de oxígeno. Sólo se necesita una pequeña cantidad de energía para "golpear" los electrones de los reactivos "fuera" de sus órbitas para que puedan realinearse en la alineación más estable energéticamente, formando una nueva molécula, H2O.


    Ver el vídeo: Presentación del vehículo que Funciona con Biogás (Julio 2022).


Comentarios:

  1. Kazragul

    Creo que estabas equivocado. Estoy seguro. Escríbeme en PM, habla.

  2. Vugami

    es muy curioso :)

  3. Amen

    Que encantador tema

  4. Finan

    impotente



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