El Hidrogeno y Las Pilas de Combustible

EL H HIDRÓGENO Y Y LLAS PILAS D DE C COMBUSTIBLE X av i ie r E y L E l lí í a s y Lor ena Jur ad o ( E monogr a f í ía e es u un cca pí t d el l T R AT AMIE NT O Y Y Es t a m tu l o d l i ib r o T V ALORI Z E NE RGÉ T DE R Z AC IÓN E TI C A D RE SIDUOS )

C ol ecci ón: M Monogr a f í ía s Ser i ie : E NE RGÍ A , M ME DIO AMBIE NT E T R AT AMIE NT O DE R E , T RE SIDUOS

Esta monografía está formada por algunos capítulos del libro:

TRATAMIENTO Y VALORIZACIÓN de ENERGÉTICA DE RESIDUOS de

Xavier Elías Castells. (Obra completa publicada por Ediciones Díaz de Santos). Puede ocurrir que en el texto de esta monografía se haga referencia o citen otras páginas que correspondan a otros capítulos de la obra completa, esto sería normal al haberse respetado la paginación original. Obra completa: ISBN 978-84-9969-141-1 (Libro electrónico) Obra completa: ISBN 978-84-7978-694-6 (Libro en papel)

©Xavier Elías Castells y Lorena Jurado, 2012 Reservados todos los derechos No está permitida la reproducción total o parcial de esta publicación, ni su tratamiento informático, ni la transmisión de ninguna forma o por cualquier medio, ya sea electrónico, mecánico por fotocopia, por registro u otros métodos, sin el permiso y por escrito de los titulares del Copyright. Ediciones Díaz de Santos Albasanz, 2 28037 Madrid

www.diazdesantos.com.es [email protected] ISBN 978-84-9969-139-8

15

El hidrógeno y las pilas de combustible Xavier Elias y Lorena Lorena Jurado Jurado

ÍNDICE 1. Introducció Introducción........ n............. ......... ......... .......... .......... .......... ........ ... 1034 1.1. Genera Generalidades lidades..... .......... .......... ......... ......... .......... ..... 1034 1.2. Modelo actual de gestión gestión energética.................................... energética....................... ............. 1034 2. Energí Energíaa a partir de de biomasa...... biomasa.......... ......... ....... 1037 2.1.. La biomasa 2.1 biomasa como como fuente fuente de energía limpia ..... .......... .......... .......... .......... ..... 1037 2.2. Ren Rendim dimien iento to real real de la la fotosín fotosíntesi tesiss ... 1038 2.3. Biomas Biomasaa transf transformabl ormablee en electri electricidad cidad ..... ......... ......... .......... .......... .......... ..... 1039 2.4. Bioco Biocombustib mbustibles.... les........ ......... .......... .......... .......... ..... 1041 2.5. Biocar Biocarburan burantes tes a partir de biomasa........................... biomasa.................................. ....... 1043 2.6. Metano Metanoll a partir de biomas biomasa....... a........... 1047 3. El hidrógen hidrógenoo como combusti combustible ble ... ...... ...... ....... 104 10499 3.1.. La produc 3.1 producción ción de de hidróge hidrógeno no ... ...... ...... ... 1050 3.2. Almacen Almacenamiento amiento y transpo transporte rte de hidróg hidrógeno eno ..... .......... .......... .......... ......... ......... ......... 1056 3.3. Transp Transporte orte y distrib distribución.... ución........ ......... ......... 1061 4. Introd Introducción ucción a las las pilas pilas de combustible....................... combustible.................................... ............. 1062 4.1. El mecanismo mecanismo de oxidación oxidación-reducción..................................... reducción.................... ................. 1063

4.2. Electr Electroqu oquímic ímicaa y pila pilass de combustible .................. ............................. ........... 1065 4.3. Comporta Comportamiento miento ideal de la pila de combustible .................. ............................. ........... 1066 4.4. Eficie Eficiencia ncia de las las pilas pilas de combustible .................. ............................. ........... 1067

5. Tipos de pilas pilas de de combustib combustibles....... les............ ....... 1070 5.1. Pilas de combustibl combustiblee de baja baja temperatura .................. ................................. ............... 1070 5.2. Pilas de combustibl combustiblee de alta alta temperatura .................. ................................. ............... 1077 5.3. Compar Comparación ación de las las pilas pilas de combustible .................. ............................. ........... 1082 6. Aplicaciones Aplicaciones de las las pilas pilas de combustible......................... combustible.................................... ........... 1082 6.1. Aplica Aplicaciones ciones estacio estacionaria nariass ..... .......... ......... 1082 6.2. Aplicac Aplicaciones iones portátil portátiles....... es............ .......... ....... 1084 6.3. El hidró hidrógeno geno y la automo automoción..... ción........ ... 1085 6.4. Proye Proyectos ctos de la UE...... UE........... .......... .......... ........ ... 1087 Bibliografía ................. ..................................... ............................ ........ 1091

RESUMEN Las pilas de combustible, y el hidrógeno como el el combustible que las alimenta, representan una tecnología que genera una energía energía limpia y adecuada para diferentes aplicaciones, utilizando combustibles alternativos a los tradicionales y con una eficiencia mayor a la que las máquinas térmicas ofrecen. Esto ha motivado motivado el interés de la comunidad internacional en esta esta tecnología, con numerosos proyectos de investigación tanto en el ámbito público como privado para optimizarla y alcanzar el umbral de rentabilidad que la incluya en el mercado. El interés suscitado puede obedecer a tres factores: la dependencia energética del exterior, exterior, sobre todo en Europa, la escasez escasez de recursos energétienergéticos y la necesidad de frenar fr enar el aumento de los niveles de contaminación.

1034

Tratamiento y valorización energética de residuos

1. Introducción

1.1.. Gen 1.1 Genera eralid lidade adess El incremento del consumo energético y la emisión de gases contaminantes se consideran factores indicativos del grado de desarrollo industrial de un país. país. Esta tendencia, tendencia, ampli ampliamente amente aceptada hasta hasta finales finales de los años 90, está cambiando debido a las políticas de protección del medio ambiente que impulsan cada vez más los países desarrollados. De esta manera se puede observar en la Tabla 15.1 cómo Alemania o los Países Bajos emiten menos gases contaminantes con relación relación a su PIB, PIB, a pesar de estar fuertefuertemente industria industrializad lizados, os, que España España o Grecia. Las emisiones corresponden a actividades antropogénicas relativas al año 1997 (o últimos datos disponibles). El elevado consumo energético de los países desarrolla desarrollados, dos, en constante constante aumento, aumento, la necesidad de protección del medio ambiente como medio de proteger la salud pública y la dependencia energética del del exterior, exterior, sobre todo en el caso de Europa, Europa, han sentado sentado las bases para el interés mostrado por la comuniTabla 15.1. Emisiones contaminantes en diferentes países por unidad de PIB. (Fuente: OCDE, Environmental Data. Compendium 1999).

kg/1.000 US$ SOx NOx Alemania 1,5 2,4 Australia 5,2 6,1 España 3,7 2,4 Finlandia 1,1 2,9 Francia 0,9 1,5 Grecia 4,6 3,4 Holanda 0,4 1,5 Portugal 3,3 3,4 Reino Unido 2 2 EE UU 2,6 3

CO 8,7 42,5 8,4 5,4 7,5 12,5 2,9 12 4,5 10

Compuestos orgánicos Par tículas volátiles 0,5 2,6 – 4,8 – 2,2 0,6 2,1 0,2 2,2 – 4 0,2 1,2 – 3,1 0,2 2 0,5 2,4

Emisiones por actividades humanas para 1997 o últimos datos disponibles. En las cifras expresadas hay algunos detalles y particularidades. Véase fuente.

dad internacional en el hidrógeno y las pilas de combustible. La nueva nueva tecnolo tecnología, gía, acci accionad onadaa por el hidrógeno,, incide directamente hidrógeno directamente en el transporte, responsable de aproximadamen aproximadamente te el 30% de las emisiones de CO2 y el 35% del consumo energético, energético, ofreciend ofreciendoo la posibilidad de un transporte prácticamente sin emisiones contaminantes y energéticamente más eficiente. Como toda nueva nueva tecnología, tecnología, esta también tiene grandes detractores y devotos seguidores, pero es indudab indudable le que, aunque quedan aún muchos inconvenientes inconvenientes por resolver, resolver, el interés suscitado ha supuesto un esfuerzo por parte tanto del sector público como del privado para investigarla y hacer de ella una realidad.

1.2.. Modelo 1.2 Modelo actu actual al de gesti gestión ón energética Para poder calibrar la magnitud del problema energético y ambiental es preciso avanzar algunas cifras relativas al sector energético y, en particular, particular, al sector de la automoción automoción como uno de los principales protagonistas. El consumo de energía energía en la industria, servicios públicos y sector doméstico se produce en forma forma de electricidad, electricidad, energ energía ía térmica y carburant carb urantes, es, pues son las formas formas de energía energía de mayor y más fácil fácil disponibilid disponibilidad, ad, ya sea para generar calor o energía mecánica. La estructura de consumo de energía primaria en España es la indicada en la Tabla 15.2. Las industrias que consumen más energía siderurgia, siderurg ia, química y petroquím petroquímica, ica, papeleras y cementeras, cementeras, suman alreded alrededor or del 45% del consumo energético industrial total. En el sector servicios y vivienda se estima en un 30-50% el ahorro energético potencial si los hábitos de uso fuesen fuesen más respetuosos respetuosos y, y, sobre todo, si se mejorase la eficiencia de los aparatos aparatos eléctricos y si se utilizase un aislamiento térmico apropiado en las edificaciones. Esto último es especialmente relevante en España donde, debido al clima cálido, no se ha invertido invertido lo sufisuficiente en una climatización eficiente. El transporte es el sector de mayor consumo de energía y se considera fuente de gran parte de las emisiones emisiones contaminantes, contaminantes, solo en Europa Europa

El hidrógeno y las pilas de combustible 1035

Tabla 15.2. Consumo de energía final (en ktep) por sectores y fuentes en España. (Fuente: Ministerio de Ciencia y Tecnología e IDAE). Industria Transporte Residencial Servicios Agricultura TOTAL

Carbón 665 0 134 9 0 808

....... ....... ....... ....... .......

Petróleo 5.180 31.568 3.952 1.444 1.712 43.856

Gas 7.369 10 1.774 537 81 9.772

Electricidad 6.575 307 3.908 4.060 394 15.244

Renovables 1.423 0 1.999 21 4 3.448

TOTAL 21.212 31.885 11.768 6.072 2.192 73.128

Datos en ktep para 2000 (avance).

hay 290 millones de vehículos pero la relevancia de este sector y el aumento continuado de su uso hace difícil incidir en su control. Las regulaciones que intentan reducir el impacto de las emisiones del transporte se circunscriben a obligaciones de eficiencia y al uso de catalizadores en los vehículos impuestos a los fabricantes y sobre la composición de los carburantes; pero, por ejemplo, queda fuera del mercado de emisiones de efecto invernadero que se pretende poner en funcionamiento en 2005, y que sí afectará a la industria y a la generación eléctrica. Actualmente se generan unos 16 kg por persona y día de gases de combustión procedentes de los vehículos (las estadísticas son bastante confusas porque los fabricantes solo hacen referencia al CO 2 emitido, pero este gas viene acompañado del exceso de aire, el vapor de agua y otros contaminantes; por tanto, es el conjunto de gases lo que ha de tenerse en

cuenta). En la UE el transporte es el responsable del 7% de las emisiones de SOx, el 28% de CO2, el 87% de CO y del 66% de NOx. En el sector de la automoción el consumo crece un 2% anualmente y acapara el 45% de los derivados del petróleo. No hace falta hacer números ni extrapolarlos para comprender que, teniendo en cuenta tan solo el parque automovilístico de los países industrializados, este incremento, junto con la generación de energía, acabará con el petróleo en menos de 50 años. La eficiencia de los motores de combustión interna se considera poco mejorable en el estado actual de tecnología; por este motivo el hidrógeno y las pilas de combustible se perciben como una gran solución para el ahorro energético de este sector y, sobre todo y si el combustible proviene de fuentes renovables, para la reducción de emisiones contaminantes.

Hidrógeno líq. (electricidad renov) Hidrógeno gas (electricidad renov) Hidrógeno gas (gas natural) Metanol (madera) Metanol (gas natural)

Figura 15.1. Consumo de energía no renovable en el uso de vehículos con motor de combustión interna.

Diésel Gasolina 0

0,5

1

Distribución y consumo de combustible

1,5 2 2,5 MJ PCS/km Producción del vehículo

3

3,5

1036


Hidrógeno líq. (electricidad renov) Hidrógeno gas (electricidad renov) Hidrógeno gas (gas natural) Metanol (madera) Metanol (gas natural) 0

0,5

1

1,5

2

2,5

MJ PCS/km Distribución y consumo de combustible

Producción del vehículo

Las Figuras 15.1 y 15.2 muestran una estimación realizada por el Instituto de Investigación Energética y Ambiental de Heidelberg ( Institut für Energie und Umweltforschung, Heidelberg) del ciclo de vida de máquinas estacionarias o móviles de baja potencia, asumiendo unas pérdidas de combustible durante su transporte y unos valores de peso de los materiales homogéneos que permiten comparar pilas de combustible y motores de combustión interna utilizando diferentes fuentes de extracción de los combustibles. Los gráficos indican el consumo energético total por kilómetro, expresado en Megajoules, referido al PCS. El gráfico de la Figura 15.1 muestra, para los vehículos con motor de combustión interna, un consumo energético idéntico en la producción de los vehículos (0,45 MJ/km). Sin embargo, para los automóviles con pilas de combustible (Figura 15.2) el consumo en la manufactura es superior, casi el doble (0,75 MJ/km). Esto es debido a que la tecnología de pilas de combustible implica materiales y métodos de fabricación no solo de mayor coste económico sino también energético, frente a la optimización de los procesos de fabricación de vehículos convencionales. Este es uno de los factores de difícil evaluación en el futuro, entendiéndose que una generalización del uso de coches con pilas de combustible podría suponer una automatización de su fabricación y por tanto una optimización de su coste, tanto energéti-

3

3,5

Figura 15.2. Consumo de energía no renovable en el uso de vehículos con pila de combustible.

co como económico, que disminuyera esta diferencia. El consumo de energía primaria no renovable no depende del tipo de propulsión sino de la fuente de extracción del combustible. Las mayores diferencias de consumo de energía no renovable en la distribución y consumo de combustible se dan principalmente entre las diferentes fuentes de extracción del combustible. La generación de hidrógeno a partir de electricidad supone un gasto de energía mucho menor que la obtención mediante reformado de gas natural, independientemente de que el hidrógeno sea usado en un motor de combustión interna o en una pila de combustible. Así, se observan costes energéticos similares entre la distribución y consumo de metanol o hidrógeno procedentes de energías renovables, tanto si el combustible se usa en un motor de combustión interna como en una pila de combustible. Las ligeras diferencias que se aprecian, en las que el consumo en pilas de combustible es siempre ligeramente menor, se deben a la mayor eficiencia energética de este sistema respecto a las máquinas de combustión interna. El gráfico de la Figura 15.3 muestra el impacto en términos de calentamiento global (en mg de CO 2 equivalente/km) para máquinas de combustión interna, mientras que el gráfico de la Figura 15.4 se refiere a las pilas de combustible. Conviene destacar que las pilas de metanol, si el combustible procede de fuentes no renovables, suponen una elevada aportación de CO 2, lo que contribuye a


Hidrógeno líq. (electricidad renov) Hidrógeno gas (gas natural) Metanol (gas natural)

Figura 15.3. Emisiones de CO 2 a lo largo del ciclo de vida de un vehículo con motor de combustión interna.

Gasolina 0

20

40

Distribución de combustible

60

80 100 120 MJ PCS/km

Emisiones directas

140 160 180 200


Hidrógeno líq. (electricidad renov) Hidrógeno gas ( electricidad renov) Hidrógeno gas (gas natural) Metanol (madera)

Figura 15.4. Emisiones de CO 2 a lo largo del ciclo de vida de un vehículo de pila de combustible.

Metanol (gas natural) 0

20

Distribución de combustible

incrementar significativamente el efecto invernadero. En cambio, si el metanol proviene directamente de la madera, estas emisiones no se contabilizan, puesto que no es CO 2 antrópico añadido a la atmósfera sino CO 2 fijado previamente por la biomasa. En el caso de las pilas de hidrógeno no se emite CO 2 en su operación pero se observan grandes emisiones de CO2 en la producción del hidrógeno a partir de fuentes no renovables de energía. Las tecnologías del hidrógeno y del metanol se encuentran todavía en fase de investigación, por lo que no son fácilmente contrastables los resultados obtenidos a partir de análisis de ciclo de vida y análisis económicos de los combustibles convencionales y de dichas tecnologías en estadio de desarrollo.

40

60

80 100 MJ PCS/km

Emisiones directas

120

140

160

180


2. Energía a partir de biomasa

2.1. La biomasa como fuente de energía limpia El Sol ha sido y será el origen de la energía que el hombre pueda transformar y utilizar, a excepción de la energía geotérmica y mareomotriz. Además: • Se considera el origen de toda la energía primaria que abastece plantas y animales que posteriormente se convierten en combustibles fósiles o biomasa (y residuos).

1038


• Genera corrientes calentando las masas de aire. • Aporta la energía necesaria para el ciclo del agua. • Puede ser utilizada directamente como energía solar térmica o mediante celdas fotovoltaicas. La biomasa es una fuente de energía renovable, cuyo uso está siendo favorecido por la legislación, que puede ser utilizada como combustible en diferentes sistemas tal como se ha descrito en capítulos anteriores. Es también una fuente potencial de gases precursores del hidrógeno y de metanol, los combustibles utilizados por las pilas de combustible que se tratan este capítulo. Parece lógico hacer referencia a la biomasa como eslabón para la obtención del hidrógeno a través de la función fotosintética. O explorar las posibilidades de los biocarburantes como combustibles renovables, a la vez que se agotan las fuentes energéticas no renovables y se ponen a punto las pilas de hidrógeno. La PAC (Política Agraria Común de la Unión Europea) ha contribuido al excedente de producción agrícola para alimentación en la UE. La falta de rentabilidad de los cultivos subvencionados y los grandes excedentes hacen previsible una modificación a la baja de la PAC, que desprotegerá la agricultura con el objetivo de potenciar los cultivos económicamente viables. Todo ello, unido a la carencia de recursos energéticos de la UE, hace que la producción agrícola para usos energéticos cobre nuevas posibilidades. Según la FAO1, la biomasa se define como «el conjunto de plantas terrestres y acuáticas junto con sus derivados, subproductos y residuos producidos en su transformación». Cabe añadir que la biomasa debe su formación a la fotosíntesis y por lo tanto ha fijado el CO 2 atmosférico obteniendo la energía necesaria 1

del Sol; por tanto, es una energía renovable que no aporta CO 2 antropogénico a la atmósfera con su oxidación. A través de la función clorofílica, las plantas sintetizan el tejido vegetal según la reacción básica: 6CO2 + 6H2O + λ → 6O2 + C6H12O6 (H = 2.802,1kJ/mol) Mediante esta reacción endotérmica se evalúa la producción total de biomasa en la biosfera en 140·10 9 toneladas/año, lo que equivale a 2,425·10 18 kJ/año, que representa aproximadamente 5,8·10 10 tep/año, seis veces el consumo energético mundial en el año 2002. El valor teórico del rendimiento fotosintético resulta ser, aproximadamente, de un 30%. A pesar de que la cantidad realmente aprovechable será, necesariamente, una fracción muy reducida, el potencial continúa siendo muy importante.

2.2. Rendimiento real de la fotosíntesis Del total de la radiación solar que llega a la Tierra, 3.000·1021 J/año, solo algo más del 40% es fotosintéticamente activa, ya que solo una parte del espectro de la luz solar puede ser absorbido en la función fotosintética. Además, escasamente el 70% de esta es absorbida por las hojas, ya que el resto suele ser reflejada, con lo cual, la eficacia máxima teórica de este proceso es: EMT = RF × RFA × RA donde: EMT: eficacia máxima teórica. RF: rendimiento fotosintético (30%). RFA: radiación solar fotosintéticamente activa (40%).

FAO son las siglas de Food and Agriculture Organization (Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura).


RA: radiación absorbida por las hojas (70%). 30 40 70 EMT = (  × 4  ×  ) × 100 = 100 100 100 = 8,4% Las pérdidas de energía debido a la respiración vegetal se estiman en un 40%, pero a menudo estas cifras corresponden a periodos cortos de crecimiento y cuando se derivan los valores medios para el año completo, se obtienen valores entre el 0,5 y el 2,5%, siendo el rendimiento real efectivo de un 1%. Aún así hay grandes cantidades de biomasa residual de cultivos y explotaciones forestales que puede ser aprovechada y, paralelamente, los cultivos energéticos complementan esta disponibilidad de biomasa. Aplicando este porcentaje a la cifra antes calculada, resulta que la energía real solar aprovechada por la biomasa es de 30·1021J/año. Desde el punto de vista del aprovechamiento energético, la biomasa contiene poco carbono y mucho oxígeno y compuestos volátiles, que aportan más del 60% de su PCI, del orden de 4.000 kcal/kg (4,65 kWh/kg). Ambientalmente la biomasa se considera un recurso energético muy favorable; está exenta de azufre, por lo que su combustión no emite óxidos de azufre, responsables de la formación de ácido sulfúrico y posterior lluvia ácida. En cuanto a las emisiones de efecto invernadero, el CO2 emitido por la combustión equivale al que ha sido previamente capturado. Cada kg de madera captura 1,47 kg de CO2 y genera a su vez 1,07 kg de O 2. La Tabla 15.3 compara el potencial energético que ofrece la biomasa respecto a los combustibles fósiles. Tabla 15.3. Potencial energético de la biomasa comparado con el de los combustibles fósiles. TIPO DE ENERGÍA (1021 J) Almacenada en combustibles fósiles (comprobada) 30 Almacenada en combustibles fósiles (estimado) 300 Almacenada en la biomasa 30

2.3. Biomasa transformable en electricidad La biomasa puede ser convertida en electricidad mediante la transformación de la energía química que contiene o extrayendo un combustible a partir de ella. Actualmente el aprovechamiento energético de la biomasa es bajo, aunque la legislación y los planes energéticos cuentan con este recurso para la generación energética en el futuro y pretenden incrementar su uso. El origen de la biomasa para su aprovechamiento energético puede ser diverso: • Residuos agrícolas. De las plantaciones actuales se calculan unas 2,5 t materia seca/ha. • Residuos forestales. Tomando los residuos in situ y los elaborados se puede aplicar 1 t ms/ ha. • Cultivos energéticos. La ratio es de 10 t ms/ha. • Fracción orgánica de los residuos municipales. Se estima una media de 500 kg/habitante·año. Cabe destacar que hay otros materiales residuales, como los residuos ganaderos, que aunque no pueden ser incinerados para recuperar la energía y producir electricidad, pueden generar energía mediante otros sistemas, como la metanización. Asimismo,la fracción orgánica de los residuos municipales que se contabiliza en estas estimaciones, está estipulado por la política de la UE que sea tratada mediante compostaje. Se puede decir que hay un cierto solapamiento entre los recursos y sus posibles usos y los intereses de diferentes sectores, que abogan por la idoneidad de una u otra vía de valorización de los materiales residuales que pueden ser objeto de valorización energética. Una visión más global de las posibilidades de valorización se expone en el Apartado 2.4 del presente capítulo.

2.3.1. Residuos agrícolas Las grandes cantidades de residuos existentes apuntan hacia la incineración o a la conver-

1040


sión en carburantes como vía de valorización energética. Para dar una idea de la desproporción entre producto agrícola y la cantidad de residuo que se genera, la Tabla 15.4 estima el coeficiente de generación de residuos de biomasa, es decir, la relación entre el residuo generado por tonelada de producto, según el tipo de cultivo. Tabla 15.4. Coeficiente de generación de la biomasa procedente de diversos tipos de cultivo. Tipo de cultivo CEREALES GRANO Trigo Cebada Avena Centeno Maíz Arroz Sorgo FRUTALES Cítricos F. pepita F. hueso F. seco Olivar Viñedo INDUSTRIALES Girasol Algodón Caña azúcar

Coeficiente de generación (t residuo/t producto) 1,20 1,35 1,35 1,35 2,00 1,50 1,70 0,15 0,25 0,25 3,15 1,55 0,85 2,00 2,00 1,50

Atendiendo solo a los residuos procedentes de los cereales, la media aritmética indica una generación de 1,5 kg de residuos por kg de cereal, lo que da una idea del enorme potencial de explotación.

2.3.2. Cultivos energéticos Los cultivos para la obtención de biomasa, para presentar una mayor rentabilidad, idealmente deben cumplir una serie de condiciones que los haga aptos para el aprovecha-

miento energético, tanto directamente en calderas como para la obtención de biocarburantes, y que ofrezcan también la mayor rentabilidad económica. Estos requisitos se pueden resumir en: • Especies de alta productividad, que produzcan el máximo de biomasa por unidad de superficie y tiempo. • Especies que almacenen gran cantidad de energía, con alto PCI. • Capacidad de reproducción de cultivos sin invertir en siembra, es decir, cultivos que rebroten. • Resistencia y adaptabilidad a terrenos de poca calidad agrícola. De entre los cultivos que pueden ser utilizados como fuente de energía destacan los siguientes: • Azucareros: para la obtención de alcohol mediante fermentación y su uso como combustible en motores y pilas de combustible; los restos vegetales pueden ser asimismo combustible para el propio proceso de destilación o producción de electricidad. • Oleaginosos: para la extracción de aceite y su uso en motores específicos o para esterificarlos y usarlos en motores diésel mezclados o puros, el llamado biodiésel. Los restos vegetales pueden servir de aporte de energía en el proceso, tanto térmica como eléctrica. • Forestales: especies de crecimiento rápido para usar como combustible en calderas de pequeña y media potencia (briquetas, carbón, etc.) para obtención de energía térmica o en calderas de 30-50 MW para generar electricidad. • Cultivos de crecimiento rápido para metanización, gasificación o pirólisis y obtención de combustible gaseoso. Este gas puede alcanzar un PCI de 2025MJ/m3. En la UE, teniendo en cuenta residuos y cultivos energéticos la biomasa potencial-


mente transformable en energía se distribuye tal como indica la Figura 15.5:

Cultivos energéticos 16%

Agricultura 53%

RSU 11% Residuos forestales 20% Figura 15.5. Origen de la biomasa utilizable como fuente potencial de energía en la UE.

Como era de esperar, la mayor cantidad de biomasa potencialmente valorizable proviene de la agricultura. Sin embargo el factor de recolección y transporte es el que más negativamente influye a la hora de ponerlo en práctica.

2.3.3. Potencial de transformación de la biomasa en la UE La UE en su Libro Blanco sobre la energía (Energía para el futuro: Fuentes de Energías Renovables. Libro Blanco para una Estrategia y un Plan de Acción Comunitarios) presenta diversos escenarios de valores potenciales de transformación de biomasa en

Figura 15.6. Potencial de generación eléctrica a partir de biomasa en la UE.

electricidad que se hallan reflejados en la gráfica de la Figura 15.6, donde las cifras están expresadas en TWh e. La gráfica demuestra que España es el país europeo con un mayor potencial de aprovechamiento, en particular por lo que hace referencia a los cultivos energéticos de rápido crecimiento debido a las especiales características orográficas y climáticas del país. En contraste, la realidad indica lo contrario, ya que las políticas oficiales no favorecen, a partir de las primas a la producción de electricidad como instrumento de promoción, la instalación de plantas de conversión energética.

2.4. Biocombustibles Por biocombustible se entiende toda aquella materia orgánica de origen no fósil con potencial para generar energía, ya sea a través de su incineración o mediante otro proceso de conversión energética que genere gases o líquidos combustibles, como la gasificación o la fermentación anaerobia. Los biocombustibles pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos. Tradicionalmente, los sólidos se han usado en los hogares para producir energía. Además de la combustión directa de la biomasa, también se puede extraer energía mediante la producción de biocombustibles líquidos, evitando así los inconvenientes de almacenamiento de los sólidos. Aquí se puede contemplar un rango más

R. Unido España Italia Alemania Francia Dinamarca 0 Agricultura

50.000 Forestal

100.000 RSU

150.000

Cul. energ.

1042


Combustión

Procesos de conversión de la biomasa

Procesos de conversión pirolíticos

Procesos de conversión bioquímicos

amplio de materiales residuales que pueden ser valorizados energéticamente o utilizados como materia prima para la generación de biocombustibles. Los biocombustibles pueden tener orígenes diversos: • Cultivos energéticos agrícolas o forestales: cardo, sorgo, girasol, maíz, soja, chopos, eucaliptos, robinias, etc. • Residuos de cultivos agrícolas y de la industria agroalimentaria: paja, restos de cereales, especies herbáceas y cultivos leñosos, vid, frutales, frutas, etc. • Residuos silvícolas y forestales: podas y clareo de bosques, cortas finales, etc. y restos de la industria de la transformación de la madera. • Residuos ganaderos. • Residuos orgánicos industriales procedentes de la industria agroalimentaria, animales, vegetales y grasas. • Residuos sólidos urbanos: materia orgánica combustible de origen animal o vegetal, descartando papel y plásticos. A partir de estos materiales se puede obtener energía mediante diversos procesos. La Figura 15.7 sintetiza las principales conversiones energéticas: La idoneidad de cada proceso según el material que se deba tratar viene condicionada por la humedad del residuo. Así, según su

Gasificación Pirólisis Fermentación metánica Fermentación alcohólica

Figura 15.7. Procesos de conversión energética.

humedad, se pueden obtener los biocombustibles que muestra la Tabla 15.5. Tabla 15.5. Resultado de las conversiones. A partir de biomasa seca A partir de biomasa húmeda Procesos termoquímicos Procesos bioquímicos Combustión Calor/ Fermentación Metanol electricidad alcohólica Gasificac. Gas síntesis/ Esterificación Metiéster electricidad Pirólisis Carbón Digestión Metano vegetal/Aceites anaerobia

La Tabla 15.6 muestra el PCI de algunos combustibles obtenidos por transformación, ya sea mecánica, como la compactación en Tabla 15.6. Resultado de las conversiones energéticas. Biocombustible Leñas y astillas Pelets y briquetas de madera Carbón vegetal y briquetas de carbón vegetal Líquido piroleñoso Líquido de hidrólisis Bioetanol Bioaceite Metiléster Biogas

Poder calorífico (kcal/kg materia seca) 4.500-5.300 4.500-5.3001 7.200-7.800 8.000-8.500 8.000-8.500 9.700-10.500 9.700-10.500 9.700-10.500 Variable


forma de briquetas de residuos de madera, o química, como la fermentación para obtener bioetanol. Hay que indicar que el bioetanol se obtiene a partir de la fermentación alcohólica de la biomasa y, por lo tanto, se debe valorar la rentabilidad energética de transformar la biomasa en alcohol. Tomando como ejemplo la caña de azúcar, esta tiene un PCI inferior al etanol, por lo que el proceso de transformación absorberá energía. Es fundamental, por lo tanto, conocer el PCI de la biomasa, el del combustible obtenido y la energía gastada en el proceso.

2.5. Biocarburantes a partir de biomasa Se denominan biocarburantes al conjunto de combustibles líquidos elaborados a partir de materia vegetal y que pueden sustituir a los combustibles convencionales en motores de combustión. La relación de biocarburantes, según la UE, es: • Bioetanol: etanol producido, para uso como biocarburante, a partir de la biomasa o de la fracción biodegradable de los residuos. • Biodiésel: éster metílico producido a partir de un aceite vegetal o animal de calidad similar al gasóleo, para su uso como biocarburante. • Biogas: combustible gaseoso producido a partir de la biomasa y/o a partir de la fracción biodegradable de los residuos y que puede ser purificado hasta alcanzar una calidad similar a la del gas natural, para uso como biocarburante o gas de madera. • Biometanol: metanol producido para uso como biocarburante a partir de la biomasa. • Biodimetiléter: dimetiléter producido para uso como biocarburante a partir de la biomasa. • BioETBE (etil ter -butil éter): producido a partir del bioetanol. La fracción volumétrica de bioETBE que se computa como biocarburante es del 47%.

• BioMTBE (metil ter -butil éter): producido a partir del biometanol. La fracción volumétrica de bioMTBE que se computa como biocarburante es del 36%. • Biocarburantes sintéticos: hidrocarburos sintéticos o sus mezclas, producidos a partir de la biomasa. • Biohidrógeno: hidrógeno producido a partir de la biomasa y/o a partir de la fracción biodegradable de los residuos para su uso como biocarburante. • Aceite vegetal puro: aceite obtenido a partir de plantas oleaginosas mediante presión, extracción o procedimientos comparables, crudo o refinado, pero sin modificación química, cuando su uso sea compatible con el tipo de motor y las exigencias correspondientes en materia de emisiones. ( Nota : la legislación actual española no incluye los productos de origen animal u otros derivados de la gasificación de la madera excepto el metanol). Las metodologías actuales de obtención de biocarburantes se enumeran en la Tabla 15.7. Los biocarburantes con mayor potencial de desarrollo comercial se exponen en la Tabla 15.8. Se han desarrollado dos biocarburantes básicos: el bioetanol, que sustituye a la gasolina, y el biodiésel, que hace lo propio con el gasoil. Tabla 15.7. Procesos de obtención de biocarburantes. Proceso Biomasa utilizada Hidrogenación Indiferente Pirólisis Indiferente Fermentación Cultivos que contengan azúcar Hidrólisis + Biomasa fermentación lignocelulósica Extracción + Cultivos que esterificación contengan aceite Gasificación Indiferente

Biocombustible Biocrudo Aceites de pirólisis Bioetanol Bioetanol Biodiésel Hidrógeno o metanol

1044


Tabla 15.8. Biocarburantes de desarrollo comercial y origen. Materia prima Azúcares – Caña y remolacha Almidones – Cereales Lípidos – Aceites vegetales – Vírgenes o usados – Grasas animales Residuo orgánico – Aguas residuales – Residuo sólido urbano – Residuos de granjas Celulosa Biomasa genérica

Biomasa genérica Biomasa especial

Proceso de fabricación BIOCARBURANTES PRODUCIDOS EN LA ACTUALIDAD

Biocarburante

Fermentación alcohólica

bioetanol

Sacarificación y fermentación alcohólica

bioetanol

Esterificación con metanol

biodiésel

Fermentación anaerobia BIOCARBURANTES EN INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO Hidrólisis y fermentación Gasificación por oxidación parcial Síntesis específica Síntesis específica Reacción de Fischer y Tropsch Desplazamiento del CO Pirólisis Fermentación selectiva

2.5.1. Bioetanol Se obtiene a partir de cultivos tradicionales, como cereales (trigo, cebada, maíz), caña de azúcar y remolacha. Esto es debido al contenido en hidratos de carbono de estas plantas, que permite realizar una fermentación alcohólica con la que obtener etanol. El etanol se puede utilizar directamente en motores especialmente adaptados. En caso contrario se realizan mezclas con gasolinas convencionales a un máximo del 5-10% en zonas frías y templadas y no más del 20% en zonas cálidas. Para poder realizar esta mezcla y utilizar motores convencionales, el etanol no debe tener ningún contenido en agua. Actualmente el bioetanol se utiliza para elaborar ETBE, un aditivo para gasolinas que, al igual que el etanol, aumenta el índice octano, es decir, la explosividad de la gasolina y por tanto la facilidad para su ignición. El ETBE es un producto que realiza la misma

metano (1) bioetanol metanol dimetil ester (DME) hidrocarburos hidrógeno biodiésel hidrógeno

función que el aditivo MTBE, utilizado actualmente para aumentar el octanaje de las gasolinas sin plomo en sustitución de las sales de plomo. En la actualidad, el MTBE se obtiene de la destilación del petróleo; es, por lo tanto, de origen fósil. El ETBE se obtiene por síntesis del etanol con isobutileno, un subproducto de la destilación de petróleo, y se añade como aditivo en proporciones también del 5-10%, siendo más miscible en la gasolina que el etanol. El proceso de fabricación se compone de una compleja sucesión de reacciones que, desde el punto de vista tecnológico, puede reducirse a: C6H12O6 D 2 C2H5OH + 2 CO 2 + calor (H = -217,7 kJ/mol) De acuerdo con esta reacción, 1 kg de glucosa genera 0,51 kg de etanol y 0,49 de CO 2, si bien en la práctica los rendimientos reales


Energía solar 183,0 GJ/ha

Medios técnicos 26,2 GJ/ha

Paja 104,1 GJ/ha o v i t l u C

y o a d Grano d a n t e e l 78,9 GJ/ha l i o a M m

Energía del proceso 29,9 GJ/ha

n ó i c a t a r d i h s e D

n ó i c a t n e m r e F

Secado en almacen Deshidratación del etanol Etanol de la plana

Etanol 44,5 GJ/ha (2.080 l/ha) Almacenamiento 10,1 GJ/ha Biogas 9,6 GJ/ha Pérdidas de energía 70,8 GJ/ha Tratamientos aneróbicos y aeróbicos

Figura 15.6. Balance de masa de obtención de etanol a partir de trigo. (Fuente: Camps Michelena, M. y Marcos

Martín, F. Los biocombustibles).

de etanol son menores. La Figura 15.8 reproduce el diagrama de Shankey para la generación de etanol a partir de trigo. El balance de masa concluye que se pueden obtener 2.080 litros por hectárea cultivada. Suponiendo una productividad de 3.000 kg de grano por hectárea y una generación de residuos aproximada de 1,2 kg por cada kg de producto, se estima que por cada tonelada de grano se obtienen casi 700 litros de etanol. En el caso de la remolacha azucarera, respecto al trigo, el rendimiento es más del doble, aunque en Europa la opción más realista es el trigo, ya que en la última década del siglo XX, el coste ha descendido de 0,95 a 0,30 € /l. Es interesante señalar que el subproducto de la reacción de fermentación, CO 2, se vende, lo que además de constituir una fuente de ingresos contribuye al ahorro de energía ya que no debe fabricarse de manera explícita. En el año 1996 se creó en España la empresa Ecocarburantes Españoles, S.A., participada por el IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de Energía) y la empresa privada Abengoa. Tenía como objetivo la construcción y operación de una planta de

obtención de etanol a partir de cereales en Cartagena (Murcia, España). La materia prima utilizada en esta planta es el cereal, principalmente cebada y trigo, con un consumo anual de unas 300.000 toneladas, lo que requeriría una superificie a cultivar superior a las 60.000 Ha. De esta materia prima se obtienen, anualmente: • 100 millones de litros de bioetanol cuyo destino es su incorporación a las gasolinas sin plomo en forma de ETBE. • 120.000 toneladas de alimento proteico cuyo destino es materia prima para la elaboración de piensos animales. • 80.000 toneladas de CO2 cuyo destino es la producción de carbonato de estroncio (en la empresa Química del Estroncio) y producción de bebidas carbónicas. Asimismo la mencionada empresa construyó y opera otra planta en Galicia (Bioetanol Galicia, SA) con una capacidad de producción de 168 millones de litros anuales y una tercera en Salamanca (Biocarburantes de Castilla y León, SA) donde desarrolla una nueva tecnología para producir 200 millones de litros anuales.

1046


El objetivo en la UE es que el bioetanol pueda mezclarse en un 3-4% en el volumen actual de consumo de gasolina sin plomo.

2.5.2. Biodiésel Este término puede resultar ambiguo ya que engloba toda una serie de productos que pueden ser usados como combustibles. Se debe distinguir entre: • El aceite vegetal usado, típicamente de freír, en el ámbito tanto doméstico y hostelería como industrial, es tóxico y difícilmente biodegradable. El generado en la industria alimentaria de procesado y la hostelería es gestionado obligatoriamente y recogido por empresas especializadas: gestores de residuos. El doméstico y el procedente del comercio no gestionado correctamente, en cambio, presentan un gran problema en las depuradoras de aguas residuales urbanas y está siendo objeto de iniciativas para su recogida. • Aceites vegetales mezclados con gasóleo o disolventes (microemulsiones). • Ésteres metílicos o etílicos preparados a partir de aceites vegetales o grasas animales. Solos o mezclados con gasóleo.

s a d a l e n o T

500 400 300 200 100 0

Francia Alemania Italia España Austria Países productores Producción total de biodiésel

2

Además, hay que destacar la definición de biodiésel según la ASTM2, que lo describe como: ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de lípidos renovables o grasas animales, y que se emplean en motores diésel o en calderas . El biodiésel se obtiene mayoritariamente a partir de cultivos convencionales de oleaginosas, girasol y colza, pues son los cultivos más extendidos de la UE, pero se puede producir también a partir de otras especies como la soja. El gráfico de la Figura 15.9, en el que se aprecia la predominancia del biodiésel sobre el etanol, muestra la distribución por países de la producción de biocarburantes en la UE. Mediante operaciones de esterificación y refino se obtiene un combustible que puede ser utilizado directamente en motores diésel convencionales sin ninguna modificación, mezclándolo con el combustible convencional en proporciones no superiores al 50%. Son metilesteres obtenidos de los aceites vegetales mediante reacción de transesterificación con metanol. El biocarburante más utilizado es el éster metílico, obtenido a partir del aceite de colza. La mezcla de biodiésel al 20%, estándar de uso habitual de comprobada eficacia que da nombre al Biodiésel 20 , aumenta en 2 °C la temperatura a la que debe mantenerse el

ASTM: American Society for Testing and Materials

Suecia Bélgica

Producción total de etano

Figura 15.9. Producción de biocarburantes en la UE.


combustible respecto a la temperatura del petrodiésel. En climas fríos esta diferencia podría hacer que el biodiésel presentara problemas en el filtro del motor o de escanciado desde el depósito de almacenado al ser demasiado viscoso con respecto al petrodiésel. Esto, aunque es bastante improbable, puesto que se ha demostrado operativo sin inconvenientes a temperaturas ambientales de hasta –32 °C, se podría subsanar con depósitos no expuestos a la intemperie o mecanismos de precalentado del combustible en el motor. Es de interés para los consumidores saber el porcentaje de biodiésel que incorpora el combustible que se vende bajo ese nombre, ya que un diésel con el 3% de biodiesel será también vendido bajo la etiqueta de biodiésel pero sus beneficios ambientales serán bastante inferiores a los del Biodiésel 20.

2.6. Metanol a partir de biomasa 2.6.1. El metanol como fuente de hidrógeno Aunque no relacionado con los biocarburantes que sustituyen a los carburantes convencionales, gasolina y gasoil, el biometanol,

entendido como metanol extraído de biomasa, es de gran importancia desde el enfoque de las pilas de combustible. Algunas pilas de combustible utilizan directamente metanol y, sobre todo, la importancia radica en que es una fuente de hidrógeno: • Se puede transformar industrialmente para la obtención de hidrógeno. • Se puede utilizar como combustible en los depósitos de las pilas de combustible, con las ventajas que un líquido tiene sobre un gas en cuanto a manipulación y transporte, y ser transformado insitu para la obtención del hidrógeno necesario para las pilas. Actualmente, el metanol se obtiene predominantemente a partir del gas natural; es por lo tanto un combustible de origen fósil. Sin embargo, se puede obtener metanol a partir de otros gases que contengan metano u otros gases hidrocarbonados, que es el compuesto principal del gas natural. Los gases de vertedero (biogas), o el gas de síntesis que se produce mediante la gasificación de biomasa, pueden dar origen a metanol mediante un

Reformador C y Hz → CO + Hz

Shift reaction CO + H2O → CO2 + H2

Scrubber

Gasificador CO2 Biomasa Figura 15.10. Obtención del metanol a partir de la biomasa por gasificación.

Síntesis CO + 2H2 → CH3OH Metanol

1048


proceso industrial tal como muestra la Figura 15.10. Tomando como ejemplo la digestión anaerobia de residuos, este proceso se puede resumir en tres etapas: 1. Digestión de la biomasa: se pueden gasificar restos vegetales o digerir anaerobiamente restos orgánicos de procedencia animal y vegetal, como por ejemplo los residuos orgánicos municipales. Este proceso responde a la reacción básica: CxHyOz + H2O → COOH-(CH 2)n-CH3 → CH4 + CO2 En el digestor se produce aproximadamente un 65% de CH 4, un 34% de CO2 y un 1% de trazas de otros gases, como NH3 y H2S. 2. Obtención de hidrógeno: después de depurar el gas con sosa para eliminar los compuestos de azufre, que ocasionan problemas de corrosión, el gas se eleva a una temperatura de 700 °C junto a vapor de agua supercalentado, que hace reaccionar el metano según las reacciones: CH4 + H2O → 3H2 + CO CH4 + 2H2O → 4H2 + CO2 Mediante el control de la temperatura y la elección del catalizador se mantiene la reacción inversa del gas de agua, o más conocida como water gas shift reaction (WGSR), para conseguir una ratio de H2 y CO2 favorable a la síntesis de metanol, idealmente 2H 2:CO. La WGSR se describe como: CO + H2O i CO2 + H2 El gas de agua es el resultante del clásico proceso de hacer pasar agua por carbón incandescente, según la reacción: C + H2O → CO + H2

Utilizando un catalizador de óxido de hierro, cromo y torio, el hidrógeno queda inalterado pero el CO responde a la reacción inversa anterior. Estas reacciones, y la de metano escrita previamente, son la clave de la obtención de hidrógeno a partir de fuentes carbonosas. El biogas contiene una gran proporción de CO 2 de la que no dispone el gas natural que aporta los elementos para la WGSR sin necesidad de añadir este gas; es por tanto más apropiado en este aspecto. Este es el proceso de obtención de hidrógeno que se utiliza habitualmente y se describe en el Apartado 3.1.3.2 del presente capítulo. 3. Síntesis de metanol: a partir de estos gases, después de eliminar el CO2 en un scrubber, se produce la reacción catalítica de síntesis de metanol, que opera a unos 200 °C de temperatura y alta presión con catalizadores basados en níquel, liberando calor: CO + 2H2 → CH3OH CO2 + 3H2→ CH3OH + H2O De esta manera se puede simplificar el proceso globalmente como esquematiza la Figura 15.11. Existen ya en el mercado prototipos de automóviles que funcionan con pilas de combustible de hidrógeno, en cuyo interior disponen de una «pequeña refinería» para la síntesis del hidrógeno a partir del metanol. El metanol es un líquido y, si en el futuro pudiese usarse como carburante «portador de hidrógeno», sería muy conveniente conservar toda infraestructura actual de tuberías, sistemas de transporte y almacenamiento. No obstante, se están llevando a cabo muchos esfuerzos para que la pila de metanol sea directamente operativa sin necesidad de conversión alguna.


Biomasa

Metanol

Síntesis CH3OH ⇔ CO + 2H2 H2 Bateria

Motor eléctrico

H2O

Figura 15.11. Síntesis del H 2 a partir del metanol.

2.6.2. Proceso general de generación de energía por conversión energética de la biomasa La Figura 15.12 muestra esquemáticamente el proceso íntegro de transformación de biomasa, residual o no, en gas de síntesis a partir del cual se puede obtener energía, en caso de la combustión de los gases, o vectores energéticos como el metanol y el hidrógeno mediante reformado.

Célula de combustible

cenada en la gasolina. En cambio, por unidad de volumen, se necesita 4 veces el volumen de la gasolina para almacenar la misma cantidad de energía en forma de hidrógeno. Como combustible es no contaminante y no tóxico, aunque su difusión en ambientes confinados puede provocar problemas debido a su explosividad. El poder calorífico del hidrógeno es: • PCI =120 MJ/kg (28.669 kcal/kg) • PCS=142 MJ/kg (33.887 kcal/kg)

3. El hidrógeno como combustible El hidrógeno es el elemento más abundante de la naturaleza, aunque no se encuentra en estado libre, y es el elemento más ligero, de peso atómico 1. El hidrógeno líquido tiene una densidad de 0,07 g/m 3, muy inferior comparativamente con el agua (1 g/m 3) o con la gasolina (0,75 g/m 3). Esto le confiere la ventaja de almacenar por unidad de masa aproximadamente 2,6 veces la cantidad de energía alma-

Su densidad de energía gravimétrica es de 120 MJ/kg, notablemente superior a la del petróleo (45 MJ/kg). Sin embargo la densidad de energía volumétrica es menor, puesto que 1 litro de petróleo equivale a 4,6 litros de hidrógeno comprimido a 700 bar. • PCSv = 11,7 kJ/l • PCIv = 9,9 kJ/l Actualmente, la industria europea produce del orden de 65 billones de metros cúbicos de

1050


Biomasa

Celulosa Hemicelulosa Lignina 20-30% humedad

Secado

Materia seca: C6H7 O4

Calor

120-150°C Calor

Gas: CO-CO2-CH4-H2 Condensables: agua, ácido acético, ácido fórmico, acetona, metanol, metilacetato, feno, creosota alquitranes

Pirólisis 500-600°C

Carbón: carbono + sales minerales Calor

Gasificación Exceso de nitrógeno Exceso de CO2

Aire u oxígeno o vapor de agua

C + CO2 ⇒ 2 CO C + H2O ⇒ CO + H2 CO + HO ⇒ CO2 + H2 Inicio de fusión de las cenizas Final del craqueo de ácidos y alquitranes

900-1100°C

Gas de síntesis

Combustión Calor Electricidad Energía mecánica

Síntesis Calor Combustible líquido (metanol)

Purificación Calor Hidrógeno

Figura 15.12. Esquema general de obtención de energía a partir de bi omasa.

hidrógeno. Aproximadamente el 48% del hidrógeno procede del reformado de gas natural, el 30% de procesos a partir del petróleo, el 18% del carbón y el 3% restante de los procesos de cloro-álcali. Teniendo en cuenta su uso como combustible se puede comparar con otros combustibles

de origen fósil ampliamente utilizados en la actualidad, como se muestra en la Tabla 15.8.

3.1. La producción de hidrógeno En la actualidad, se pueden considerar dos formas básicas de producción de hidrógeno a


Tabla 15.8. Propiedades comparativas de combustibles. PCI (kJ/kg) Densidad en condiciones estándar (g/l) Estado en condiciones estándar Temperatura de autoignición en aire (°C) Concentración de inflamabilidad en aire (% en volumen) Coeficiente de difusión en el aire (cm2/s) Toxicidad para las personas

partir de combustible fósil, el reformado de hidrocarburos y la producción electrolítica. Hay además, una gran variedad de procedimientos alternativos de obtención.

3.1.1. Reformado de hidrocarburos Se realiza a partir de combustibles convencionales como gas natural, metano, metanol u otros hidrocarburos, que a su vez pueden provenir de combustibles fósiles o de la biomasa mediante metanización o formación de bioalcoholes, ya comentada anteriormente. Actualmente, la industria de producción de hidrocarburos, y especialmente el sector gasista, se ha involucrado en el desarrollo de tecnologías que utilicen el hidrógeno como combustible. El gas natural ya tiene presencia tanto en el sector de la automoción, con vehículos que funcionan con gas natural, como en el de la generación eléctrica, mediante las centrales de ciclo combinado. Para la obtención del hidrógeno existen dos procesos principales, el Steam Methane Re forming (SMR), con eficiencias de 70-80% y la oxidación parcial de hidrocarburos pesados.

3.1.1.1. El proceso de reformado del gas natural El Steam Methane Reforming genera también CO2, que resulta una impureza sin importancia en el hidrógeno para según qué aplicaciones pero, en el caso de las pilas de combustible, envenena los catalizadores. Por ese

Hidrógeno 120 0,086 Gas 565 - 582 4,1 - 74 0,61 No tóxico Asfixiante

Gas natural 49,5 0,598 Gas 540 5,3 - 15 0,16 No tóxico Asfixiante

Gasolina 42 - 44 718 - 778 Líquido 257 1,4 - 7,6 0,051 Venenoso Irritante para pulmones, estómago y piel

Propano 44 505 Líquido 454 - 510 2,2 - 9,5 0,109 No tóxico Asfixiante

motivo, y para reducir emisiones de gases de efecto invernadero, se están desarrollando tecnologías para capturar ese CO 2 resultante inyectando carbón activo en el SMR. El gas natural contiene aproximadamente un 90% en volumen de metano pero tiene trazas de gases sulfurados que actúan envenenando los catalizadores, por lo que debe ser desulfurado. Este proceso también se lleva a cabo en algunas aplicaciones de pilas de combustible añadiendo un módulo de eliminación de compuestos sulfurados a la propia pila. En el SMR los gases desulfurados se mezclan con vapor sobrecalentado (entre 600-900 °C) para ser reformado en tubos con un catalizador a base de níquel o cobre-zinc. El gas reformado consistente en vapor, hidrógeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono se enfría, y se hace pasar de nuevo por un catalizador de hierro que hace que el CO reaccione con el vapor para formar más hidrógeno y CO 2. De esta manera se puede pasar del 10-14% en volumen de CO a aproximadamente 50 ppm. El CO 2 se elimina de la corriente gaseosa mediante un lavado con aminas y el CO remanente pasa a convertirse en metano. Las grandes unidades de reformado alcanzan producciones de hasta 100.000 m 3 /h.

3.1.1.2. Oxidación parcial de hidrocarburos pesados Los hidrocarburos pesados no se pueden craquear mediante el SMR porque a temperatu-

1052


ras de unos 800 °C rápidamente colapsan los catalizadores e impiden el flujo de gas. A diferencia del SMR, no se necesitan materias primas de alta calidad; el fuelóleo pesado y los aceites residuales se pueden utilizar con la oxidación parcial. Este proceso requiere el aporte de aire u oxígeno y unas temperaturas entre 1.300 y 1.500 °C a una presión entre 30 y 100 bar que evita el uso de catalizadores. Se ha calculado aproximadamente el coste de producción de hidrógeno en 5 € /GJ a partir de gas natural y 10 € /GJ a partir de carbón.

3.1.2. Producción electrolítica de hidrógeno

3.1.2.1. Generalidades La producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua fue ampliamente utilizada hasta la década de 1950 cuando la obtención de hidrógeno a partir de hidrocarburos se generalizó por su inferior coste. Actualmente solo se utiliza este sistema para producir hidrógeno y oxígeno de muy elevada pureza. Si el hidrógeno debe ser utilizado para generar energía, como en el caso de las pilas de combustible, no es eficiente este proceso puesto que se consume más electricidad en el proceso de electrólisis de la que se obtiene al usar el H 2 resultando como combustible. Actualmente, entre el 1 y el 2% del hidrógeno del mercado se produce a partir de electrólisis, en la que el coste de la electricidad supone los dos tercios del coste total de operación. Debido a los costes, se utiliza este sistema mayoritariamente de manera descentralizada, generando el H 2 de alta pureza en aquellos lugares o instalaciones donde se necesita. La producción a mayor escala se hace más rentable mediante electrólisis alcalina a presión.

3.1.2.2. Electrólisis del agua La electrólisis alcalina a presión atmosférica es fiable y ha sido utilizada mayoritariamente

durante décadas. La reacción se inicia aplicando una corriente de 1,5 V a dos electrodos situados en un electrolito ion conductor, normalmente potasa cáustica (KOH). En el ánodo se genera oxígeno, y en el cátodo hidrógeno, que se mantienen separados por una membrana permeable a los iones que mantiene el equilibrio de cargas. Industrialmente se apilan estas celdas electrolíticas para hacer un stack (apilamiento, en terminología inglesa) donde se separan los gases y se bombea la solución electrolítica. Se opera principalmente a presión atmosférica, aunque trabajar a presiones superiores supone la ventaja de obtener un hidrógeno ligeramente comprimido que necesita posteriormente menos aporte de energía para comprimirlo al almacenarlo y reduce el volumen de las celdas. Este sistema llega a eficiencias del 70%. El sistema más efectivo consiste en aprovechar las puntas de energía de la red, entre otras, para generar hidrógeno, operando a una presión de 3 MPa. Para menores capacidades de producción también se utilizan celdas electrolíticas PEM ( Proton Exchange Membrane), de membrana polimérica de intercambio de protones o de electrolito de polímero. La eficiencia es todavía menor que con el sistema anterior debido a que aún no está totalmente desarrollado ya que es más reciente. Se usa, por tanto, para pequeñas producciones, teniendo en cuenta que tiene los mismos inconvenientes económicos que las PEMFC ( Proton Exchange Membrane Fuel Cell) el coste de los catalizadores y de la membrana protónica. El coste de obtención de hidrógeno mediante electrólisis se estima en 18 € /GJ. Mientras la Figura 15.13 muestra de manera elemental que el proceso de electrólisis del agua representa el inverso del de una celda de combustible, la Tabla 15.9 muestra unos parámetros comerciales de operación de estos dos tipos de electrolizador. La electrólisis se realiza mediante energía eléctrica, pudiendo ser producida a partir de energías renovables. Para producir 1 kWh de hidrógeno utilizable son necesarios, en función del rendimiento de las conversiones eléctricas, 3,3 kWh si la energía es de origen


Electrólisis del agua

Pila de combustible

Alimentación con corriente contínua e– H2 C á t o d o d e p l a t i n o

e–

e– O2

H2 C á t o d o d e p l a t i n o

Á n o d o d e p l a t i n o

H+ Solución ácida acuosa (H 2SO4, etc.)

e– O2 Á n o d o d e p l a t i n o

H+ Solución ácida acuosa (H 2SO4, etc.)

Solución catódica: 2H+ + 2e– → H2 Reacción anódica: H 2O → 1/202 + 2H+ + 2e–

Reacción anódica: H 2 → 2H+ + 2e– Reacción anódica: 1/20 2 + 2H+ + 2e– → H2O

H2O → H2 + 1/202

H2 + 1/202 → H2 O

Figura 15.13. Esquema de funcionamiento de un electrolizador y una pila de combustible.

Tabla 15.9. Parámetros de operación de un electrolizador y una pila de combustible. Tecnología Electrólisis alcalina con potasa como electrolito PEM celda electrolítica

Parámetro de operación/proceso T: aproximadamente 80°C P: atmosférica - 12 MPa Uso comercial aproximadamente 3 MPa T: aproximadamente 80 °C P: atmosférica - 12 MPa Uso comercial aproximadamente 3 MPa

hidráulico, 8 si es de origen nuclear (menos si se utilizan reactores de alta temperatura y se aprovecha el vapor) y 20 kWh si procede de paneles fotovoltaicos.

3.1.3. Otros métodos de obtención de H 2 3.1.3.1. Hidrógeno a partir de biomasa A partir de la biomasa se puede obtener hidrógeno de diversas maneras. Mediante

Aplicación Todo tipo de capacidades de producción, aplicando del orden de kW a MW Para pequeñas producciones, celdas de aproximadamente 100 kW, para aproximadamente 20 Nm3 H2/h

gasificación, pirólisis o metanización se generan gases ricos en metano a partir de los que se obtendría hidrógeno mediante SMR. Se puede conseguir metanol a partir de la materia orgánica, como se ha explicado anteriormente, y utilizar el metanol como precursor del hidrógeno. Estas técnicas, aunque conocidas de otras aplicaciones, no se han implementado todavía a escala comercial. En el Apartado 2.6 se explican los procesos de conversión de biomasa mediante gasificación para la obtención

1054


de metanol o hidrógeno a partir del gas de síntesis (véase Figura 15.10).

3.1.3.2. Reformado de metanol El hidrógeno puede obtenerse por tres vías catalíticas diferentes a partir del metanol: oxidación parcial con oxígeno o aire [Ecuación 1], reformado con vapor de agua [Ecuación 2] y descomposición [Ecuación 3]: CH3OH + 1/2 O2 → CO2 + 2 H2 [Ecuación 1] CH3OH + H2O → CO2 + 3 H2 [Ecuación 2] CH3OH → CO + 2 H2 [Ecuación 3]

Oxidación parcial. Es una reacción exotérmica, que alcanza una eficiencia térmica aproximada del 82% y no requiere vapor, por lo que el coste es menor al utilizar únicamente aire. La cantidad de hidrógeno producida, sin embargo, es menor según su relación estequiométrica. Este proceso es de gran interés desde el punto de vista de la transformación in-sit u de metanol a hidrógeno para su uso en pilas de combustible, sobre todo en automóviles. La principal dificultad está en conseguir catalizadores que operen a bajas temperaturas y que permitan una oxidación del metanol a H2 y CO2, pero que no oxiden el hidrógeno a agua. Asimismo, el catalizador debe procurar una mínima formación de CO y, en caso de formarse, debe poder oxidar el CO a CO 2 generando a su vez más hidrógeno mediante la reacción inversa del gas de agua. Los catalizadores investigados son, principalmente los de Cu/ZnO y de Pd/ZnO, óxido de zinc enriquecido con cobre o paladio, que a pesar de sus buenos resultados no evitan que en la corriente final haya pequeñas cantidades de agua y CO, además de hidrógeno. Estos gases, a la salida del reactor parcial de metanol, deben ser depurados para rebajar la concentración de CO por debajo de 50 ppm. Esta eliminación se puede dar por tres vías, aunque ninguna de ellas es óptima: • Metanación, es decir, haciendo reaccionar el CO con H 2 para obtener metano,

aunque esto consume parte del hidrógeno y en caso de muchas impurezas de CO haría el proceso inviable y una incorrecta operación metanaría también el CO2 agotando el hidrógeno formado. • Oxidación : es poco efectiva aún; se estudian catalizadores de Pd/Pt y de Ni/Pd que puedan catalizar la oxidación de CO a CO 2 sin oxidar el H 2. • Separación con membranas : es una solución aparentemente sencilla ya que el hidrógeno es el compuesto de menor tamaño de la corriente gaseosa resultante del reformador; es de hecho la molécula más pequeña que existe. La diferencia de tamaño entre el H 2 y el CO es pequeña, lo que dificulta la obtención de un material con un tamaño de poro tan pequeño que pueda discriminar ambos compuestos.

Reformado con vapor de agua . El reformado con vapor de agua responde al mismo esquema que el Steam Methane Reforming o el reformado explicado anteriormente. Una combinación de este sistema, endotérmico, con el de oxidación parcial del metanol, exotérmico, permitiría la obtención de hidrógeno con un balance de energía casi nulo. Este proceso combinado se puede dar a altas temperaturas, poco operativas; por ello se investiga con catalizadores que bajen la temperatura de operación basados en Cu, Ni, Pd y Pt. Los gases resultantes del reformado con vapor tienen un poder calorífico un 8% mayor que el metanol puro, lo que supone una eficiencia térmica del reactor del 108%. Si se compara con el poder calorífico del metanol líquido, que siempre contiene agua, se alcanza el 114% de eficiencia térmica. Estos supuestos de eficiencia ideal sólo se darían en caso de recuperar una parte del calor de los gases resultantes como aporte energético para realizar la reacción de reformado, que es endotérmica. Actualmente, el metanol se obtiene habitualmente a partir del gas natural, por lo que no hay una producción industrializada de


hidrógeno a partir de metanol. Esto tendría su lógica si se obtuviera metanol a partir de biomasa. El metanol es un líquido mucho más fácil de transportar que el hidrógeno y que podría solventar muchos problemas relacionados con el transporte y almacenaje. Por ello diversos programas de investigación se han centrado en diseñar módulos de reformado de metanol que puedan ensamblarse directamente a las pilas de combustible, ya sea en aplicaciones estacionarias o móviles. Uno de estos programas es Mercatox , que parte del programa de la Unión Europea Ecojoule III , y estudia sistemas catalíticos metálicos para el reformado de metanol con vapor y la combustión de metanol y el gas con contenido en hidrógeno de la pila de combustible. Hasta ahora, este tipo de dispositivos genera problemas debido a la formación de puntos fríos y calientes en el lecho del reactor ofreciendo pobres resultados de funcionamiento. Además requiere demasiado tiempo para alcanzar la temperatura de traba jo, resultando inaplicables en automoción. El objetivo de este proyecto es desarrollar un prototipo de reformador catalítico de metanol integrado y un sistema de limpieza de gases por oxidación selectiva a alta temperatura para obtener un gas rico en hidrógeno en cantidad suficiente para alimentar una pila de combustible de 20 kW. Estas dos reacciones se dan en el reactor para poder compensar la energía necesaria para el reformado, como indica la Tabla 15.10. En la Figura 15.14 se muestra una foto del prototipo para la combustión y reformado Tabla 15.10. Reacciones en el sistema de reformado/combustión de metanol. Steam reforming

(reformado con vapor) Reaccion endotérmica: libera calor CH3OH + vapor → → H2 + CO2 CH3OH + H2O → → 3H2 + CO2

Combustión Reacción exotérmica: consume calor 2CH3OH + 3O2 → → 2CO2 + 4H2O 2H2 + O2 → 2H2O

Figura 15.14. Imagen de un prototipo para la combustión y reformado integrados en un intercambiador de calor comercial recubierto con catalizador para el reforming de metanol. (Fuente: www.ecn.nl).

integrados en un intercambiador de calor comercial recubierto con catalizador para el reformado del metanol.

3.1.3.3. Producción mediante algas Es ampliamente conocida la capacidad de algunas bacterias y algas fotosintéticas de producir hidrógeno bajo el efecto de la luz. Esta línea de investigación se inició con sistemas fotosintéticos constituidos artificialmente: con cloroplastos aislados con la enzima hidrogenasa y una ferredoxina, con cianobacterias que fotodisocian el agua y con bacterias fotosintéticas. La evolución y la búsqueda de nuevas soluciones han avanzado en la obtención de hidrógeno a partir de microalgas, capaces de fotooxidar moléculas de agua a oxígeno y a ferredoxinas, especies muy reductoras. Este potencial de reducción generado lo utiliza la microalga para la fijación de CO 2 en forma de azúcar en su ciclo de Calvin. La ferredoxina, bajo ciertas condiciones, interactúa con la hidrogenasa, una enzima que cataliza la producción de hidrógeno a partir de dos protones y el potencial de reducción de la ferredoxina, que aporta electrones. Este proceso se ve limitado biológicamente como sistema de producción de hidrógeno de manera continuada. Por un lado la hidrogenasa es muy sensible al oxígeno formado en la fotodisociación. El potencial de reduc-

1056


hidrofóbicos que son capaces de dejar pasar también el oxígeno y otros inhibidores, como el CO. La saturación parcial de estos canales podría suponer el paso de hidrógeno, de mucho menor tamaño y la retención del oxígeno. La producción de hidrógeno a partir de bacterias fotosintéticas empleando sistemas controlados y con catalizadores puede alcanzar una eficiencia del 24%.

3.2. Almacenamiento y transporte de hidrógeno

Figura 15.15. Sección al microscopio electrónico de una alga unicelular, Chlamidomonas, de longitud aproximada de 10 micras. Las letras cp indican los cloroplastos. (Fuente: www.cea.fr).

ción formado en el fotosistema I, primera cadena de reacciones de la fotosíntesis, tiene como función la de reducir el CO 2 a azúcar, es por tanto necesario evitar esta reacción apartando esta substancia y desviándola para que actúe con la hidrogenasa. Estos son los principales obstáculos que se están intentando salvar, a base de modificar las expresiones de las enzimas, su estructura, para hacer a la hidrogenasa insensible al O 2. Esto se puede conseguir eliminando gradualmente el oxígeno a medida que aparece arrastrándolo con un gas inerte como el nitrógeno, aunque es bastante caro y complejo. Por otro lado se está investigando en modificar la estructura química de la hidrogenasa para hacerla resistente al oxígeno. El Instituto de Biología Estructural Jean-Pierre Ebel de Grenoble ha obtenido la estructura molecular de las hidrogenasas. Estas proteínas están divididas en dos familias principales, las hidrogenasas Fe-Ni, consumidoras de hidrógeno y la hidrogenasas de solamente hierro, productoras de hidrógeno. El centro activo de las enzimas que aceptan el hidrógeno puede ser modificado por mutación. El hidrógeno llega al centro activo a través de canales

Para el almacenamiento y transporte de hidrógeno, teniendo en cuenta la rentabilidad y, por tanto, las perspectivas de futuro de su uso como combustible, es muy importante considerar su poder calorífico volumétrico. El hidrógeno debe ser comprimido o licuefactado para su almacenamiento y transporte, y posterior comercio. A cualquier presión, el hidrógeno contiene menos energía por unidad de volumen que el metano (entendido como gas natural), metanol, propano u octano (entendido como gasolina), tal como muestra el gráfico de la Figura 15.16. A 800 bar el hidrógeno alcanza la misma densidad de energía que el hidrógeno líquido, pero el metano alcanza una densidad energética superior a la del hidrógeno en un factor de 3,2. El metanol la sobrepasa en un factor de 1,7 a presión atmosférica. El hidrógeno a 800 bar o licuefactado, que sería lo más efectivo, solamente puede ser almacenado en tanques a presión de alta tecnología y tanques criogénicos, lo que supone un alto coste, mientras que los líquidos a presión atmosférica son fácilmente transportables. Esto hace del metanol un vehículo energético ideal. La molécula de hidrógeno es tan sumamente pequeña que se difunde y escapa muy fácilmente. Esto se traduce en que los tanques para contener hidrógeno son muy especiales y caros. Para que el hidrógeno se erija como un combustible ampliamente utilizado es imprescindible que el coste, tanto energético como económico, de síntesis, de almacena-


Figura 15.16. Densidad de energía para diversos combustibles.

) ? ¿ ( e l b i t s u b m o c e d o r t i l r o p S C P

40 35 30 25 20 15 10 5 0

Hidrógeno Metano Hidrógeno Metano Hidrógeno Metano (200 bar) (200 bar) (800 bar) (800 bar) líquido líquido

miento y transporte sea menor que la ganancia reportada en su uso, tanto energética como económicamente. Se puede diferenciar entre el almacenamiento en grandes tanques, a gran escala, y en pequeñas cantidades para su uso, como un depósito de combustible en un vehículo. En función de este aspecto se pueden utilizar diferentes métodos para el almacenaje. Debido a la importancia de este aspecto, el proyecto europeo STORHY (Sistema de almacenamiento de hidrógeno para la aplicación en automoción), que dió comienzo en marzo de 2004, pretende desarrollar un sistema fiable de almacenamiento de hidrógeno para vehículos. Este programa explorará las posibilidades del almacenamiento a alta presión, criogénico y en forma de hidruros metálicos.

Figura 15.17. Energía precisa para licuefactar el hidrógeno, en MJ/kg H 2 .

250 200 150 100 50 0

1

10

Propano líquido

Octano líquido

3.2.1. Mantenimiento a baja temperatura Se necesita mantener el hidrógeno a una temperatura de 20 K, lo que provoca un gran gasto energético y se producen pérdidas entre 0,1-0,01% diariamente. Teóricamente, se necesitan absorber 4 MJ/kg para enfriar el hidrógeno hasta 20 K, pero el proceso de enfriamiento tiene una eficiencia gobernada por el ciclo de Carnot del 7%, por lo que el consumo real, en función de la capacidad de la planta de licuaefacción, varía tal como muestra la Figura 15.17. Una planta con una capacidad de 100 kg/h requiere 60 MJ de energía eléctrica para licuefactar 1 kg de hidrógeno, lo que supone aproximadamente el 50% del PCS del hidrógeno.

100

1000

Capacidad de la planta de licuefacción (kg/h)

10000

1058


3.2.2. Mantenimiento a alta presión La energía necesaria para comprimir los gases depende del proceso termodinámico de compresión, que se aproxima a la ecuación de compresión adiabática para gases ideales: n W= p0 V 0 n–1



p1  p0

n–1  n

  –1

Donde: W: trabajo específico de compresión (J/kg). Este parámetro depende de la naturaleza del gas. p0: presión inicial (Pa). p1: presión final (Pa). n: coeficiente adiabático. V0: volumen específico (m3 /kg). El coeficiente adiabático y el volumen específico dependen del gas: H2: n=1,41; V 0=11,11 m3 /kg He: n=1,66; V0=5,56 m3 /kg CH4: n=1,31; V0=1,39 m3 /kg Se puede comparar la energía necesaria para la compresión adiabática de estos gases como muestra la gráfica de la Figura 15.18. Actualmente los compresores multietapa con refrigeración consiguen realizar la com ) g k / J M ( n ó i s e r p m o c e d a í g r e n E

presión con un gasto energético intermedio entre la compresión adiabática e isotérmica, ya que el calor de compresión del gas pasa a las paredes del compresor. Un compresor de 5 etapas necesita el 7,2% del PCS del hidrógeno para comprimir 1.000 kg/h desde 1 bar hasta 200 bar. Para alcanzar una presión final de 800 bar se necesitaría aproximadamente un 10%. La gráfica de la Figura 15.19 muestra la energía necesaria para la compresión, adiabática e isotérmica, en % de energía respecto al PCS:

3.2.2.1. Tanques de alta presión Actualmente se consiguen buenos resultados a presiones entre 400 y 450 bar, pero las investigaciones se orientan a conseguir presiones de hasta 700 bar para optimizar el espacio y rentabilizarlo económicamente. Estos tanques deben ser los apropiados para almacenar el hidrógeno previamente a su uso en vehículos, unidades generadoras eléctricas o pequeñas aplicaciones. Estos tanques, debido a las altas presiones, deben estar fabricados con materiales de gran resistencia, como aleaciones metálicas o polímeros reforzados con fibra de carbono, para evitar que se difunda el hidrógeno. La investigación para el almacenamiento del gas está actualmente orientada al desarro-

25 20 15 10 5 0

0

200

400

600

800

Capacidad de la planta de licuefacción (kg/h) Hidrógeno Helio Metano

Figura 15.18. Energía necesaria para la compresión adiabática del H 2 .


n ó ) i s % ( e r S p C m P o l c a e o d t c a e í p g r s e e n r E

20 15 10 5 0 0

Figura 15.19. Energía comparada entre la compresión adiabática y la isoterma.

llo de materiales de construcción de los tanques para aumentar prestaciones, disminuir el volumen y la cantidad de material utilizado, y abaratar los costes. Las aleaciones de aluminio y el acero austenítico (enriquecido con cromo y níquel) ofrecen gran resistencia a la presión y la corrosión. Sin embargo, conviene observar que sólo el 2-3% del peso del tanque lleno corresponde al combustible. Otra posibilidad es mantener un recubrimiento interior metálico, para evitar la difusión del hidrógeno soportado por un tanque de polímero reforzado. Este sistema permitiría una relación de capacidad de almacenamiento del combustible del 5%. Los tanques enteramente realizados en polímeros multicapa para controlar la permeabilidad, resistir la presión y corrosión, y reducir el peso están aún en fase de experimentación. Podrían suponer una capacidad de almacenamiento del 5-10% en peso de combustible y una considerable reducción de costes. Cabe recordar que, para aplicaciones móviles, como vehículos, la resistencia de estos tanques al choque, en conjunto con sus válvulas, es de gran importancia para la seguridad. 3

CEA: Comisariado para la Energía Nuclear, Francia.

200

400 Presión final (bar)

600

800

Adiabática Isoterma

3.2.2.2. Microesferas de vidrio Se trata de una investigación desarrollada por la CEA3 en el contexto de experimentos físicos con láser. Las microesferas tienen un diámetro aproximado de 1 mm y un grosor del orden de decenas de micras. Se llenan a alta temperatura (400 °C) por permeabilidad y posteriormente liberan el gas por fractura de las esferas o por difusión al exterior al calentarlas. Es una tecnología que no se considera actualmente como opción de futuro para el almacenaje, aunque supone una ventaja desde el punto de vista de la reducción de los riesgos de explosión.

3.2.3. Almacenamiento a baja presión

3.2.3.1. En forma de hidruros metálicos Se evitan los riesgos asociados a la explosividad del hidrógeno y se conciben como una opción de futuro a desarrollar para los depósitos de alimentación de las pilas. Actualmente la velocidad de absorción-desorción de hidrógeno es demasiado baja.

1060


Los experimentos realizados con diversos compuestos presentan unas características que limitan sus usos potenciales según las condiciones de operación, como que la aplicación sea estacionaria o móvil, o la temperatura a la que operará. La velocidad de absorción-desorción del hidrógeno, su estabilidad a la temperatura ambiente de operación o la presión de equilibrio determinarán la seguridad del almacenamiento sin sufrir pérdidas ni producir impurezas en el hidrógeno. Estas características se detallan para algunos casos estudiados en la Tabla 15.11. Por ser un sistema compacto y de baja presión, el almacenamiento en forma de hidruros metálicos presenta una gran ventaja en cuanto a seguridad. La capacidad de almacenamiento es en general insuficiente, entre 1-2% en peso, cuando se considera necesario un mínimo del 6% para que sea viable en aplicaciones móviles. El hidruro de magnesio ofrece una capacidad de absorción del 7%, pero su baja velocidad de desorción limita su uso en las aplicaciones consideradas de futuro actualmente. El coste es actualmente elevado, unos 20 € /kg de material. La investigación se dirige a conseguir hidruros de aleaciones metálicas que ofrezcan una mayor capacidad de absorción y una cinética más favorable, para lo que también se experimenta con el grado de fragmentación o dispersión de las partículas del hidruro. Los sistemas convencionales de almacenamiento en hidruros metálicos requieren altas temperaturas, entre

300-350 °C, de las que no se dispone en las aplicaciones de transporte de las pilas de combustible donde son más habituales. Se está trabajando para obtener sistemas de baja temperatura con una capacidad de almacenamiento en peso de H 2 del 3-5%, puesto que el principal problema es el gran volumen que ocupan y su peso con relación al combustible almacenado. Los hidruros de aleaciones metálicas son los que mejores resultados han dado. Los alanatos, hidruros de Al y Na han ofrecido buenos resultados. En el caso del hidruro de litio, se ha estudiado la posibilidad de que un fluido estabilizador mantenga el hidruro sin reaccionar y sea bombeable. En el momento de obtener el H2 se añade agua para que tenga lugar la reacción: 2LiH + 2H2O i 2LiOH + 2H2 El hidruro de litio agotado se podría regenerar en una planta específica.

3.2.3.2. Nanotubos de carbono Al igual que las microesferas de vidrio, este sistema tiene un muy alto coste actualmente y está en fase inicial de desarrollo. Esta tecnología se desarrolla sobre el descubrimiento de los nanotubos de carbono realizado por Sumio Iijima en 1991. Científicamente se considera que las nanoestructuras de carbono pueden alcanzar una capaci-

Tabla 15.11. Características para el almacenaje de hidrógeno de diferentes hidruros metálicos. Hidruro de magnesio 7,6

Capacidad de absorción de masa(%) Presión de equilibrio a 20 °C 10 -6 Temperatura a 1 bar (°C) 279 Nivel de sensibilidad a las Altamente impurezas en el hidrógeno sensible al oxígeno y al agua Cinética de absorción/ Muy lenta desorción

Hidruro de paladio 0,72 8,2·10-3 147 Sensible al CO Rápida

Hidruro de Fe-Ti 1,86

Hidruro de Mg-Ni 3,6

4,1 10-5 –8 255 Altamente Relativamente sensible baja al oxígeno, sensibilidad agua y CO Rápida Intermedia

Hidruro de Mn-Zr 1,77 10-3 167 Sensible al SO 2

Hidruro de Ni-La 1,5 1,8 15 Sensible al oxígeno, agua y CO

Muy rápida Muy rápida


Figura 15.20. Imagen de microscopio electrónico de barrido de un cristal de hidruro de sodio y aluminio.

dad de almacenaje de hasta el 65%. Es una tecnología muy incipiente, dado que no se domina la formación de las nanoestructuras de carbono y los fundamentos de la capacidad de absorción de hidrógeno de los diferentes materiales tampoco han sido enteramente desvelados.

3.3. Transporte y distribución Las opciones para el transporte y distribución de hidrógeno como combustible están condicionadas por sus características fisicoquímicas, que dificultan el uso de las infraestructuras ya establecidas para el transporte de combustibles convencionales. Tanto si se utilizaran gaseoductos como si se produjera in situ, el transporte por carretera sería también de gran relevancia y, para que el hidrógeno sea viable como combustible, el coste de transporte y distribución debería llegar a ser competitivo con el de los combustibles de gran difusión no solamente en términos económicos sino también de seguridad. Hay muchas variables para hacer un cálculo estimativo del coste de transporte, por lo que los resultados son polémicos y discutidos por diversos estudios, aceptándose unánimemente la imprecisión de los resultados y las posibilidades de variar en función de los

avances tecnológicos y los beneficios que pudiera reportar a las empresas. Según Eliasson y Bossel, a partir de los datos de las tres principales distribuidoras gasistas alemanas, es inviable la distribución de hidrógeno mediante camiones para abastecer las gasolineras por razones económicas y de seguridad. Estiman que una estación de servicio necesitaría la llegada de 21 camiones de 40 toneladas para vender 25 toneladas de combustible diariamente, en comparación con un solo camión de gasolina. Este tráfico supondría que, si hoy el 1% de camiones circulando es de gasolina o gasoil, aumentaría hasta el 17% los camiones que transportarían hidrógeno y generarían uno de cada seis accidentes de carretera relacionados con camiones. El gráfico de la Figura 15.21 muestra comparativamente el coste energético del transporte de hidrógeno a presión, asumiendo los siguientes parámetros: • La presión del gas para transportarlo en cisternas es de 200 bar en camiones de 40 toneladas que consumen de media 40 kg de gasoil por cada 100 km, es decir, 1 kg de gasoil por cada tonelada de hidrógeno transportado 100 km. • Las cisternas solo pueden ser vaciadas desde 200 bar a 42 bar aproximadamente, que es la presión a la que el gas deja de salir al abrir las válvulas sin bombear, por lo que el hidrógeno (y el metano) entregado en la estación de servicio ocuparía el 80% de la capacidad del tanque. Un camión presurizado a 200 bar puede suministrar 3,2 toneladas de metano pero solo entre 320 y 500 kg de hidrógeno, a causa de su baja densidad. El transporte mediante gaseoductos está ampliamente extendido actualmente para el transporte de gas natural, pero esta red de transporte no podría ser utilizada para el hidrógeno, ya que su diferencia de viscosidad provocaría muchas pérdidas por difusión. Para que el gas fluya por los gasoductos se instalan bombas cada 150 km aproximada-

1062


l 40 a i c i n i l 30 e d o d 20 i m u s n 10 o c %

0 0

1000

2000

3000

4000

5000

Distancia desde el origen (km) Hidrógeno Metano

mente, que se alimentan con el propio gas que impulsan, suponiendo este gasto el 0,3% aproximadamente en el caso del gas natural. No hay datos reales relativos al hidrógeno, por lo que los cálculos son una aproximación; se estima que el coste energético de las bombas supondría el 1,4% de la energía transportada en forma de hidrógeno cada 150 km. Si se desea mover a través de los conductos un flujo energético equivalente, el hidrógeno debería ser impulsado a mayor velocidad; es decir, para igual flujo energético, el caudal de hidrógeno tendría que ser superior al de gas natural y por tanto la velocidad debería ser unas tres veces superior. Esto supondrá un mayor coste energético, que se representa en la Figura 15.21 como porcentaje consumido en el transporte del PCS de los gases.

3.3.1. Estándares de seguridad en el manejo del hidrógeno El desarrollo y consolidación de estándares de seguridad son esenciales para la expansión del uso de las tecnologías de producción, almacenamiento y transporte del hidrógeno y sus aplicaciones. Se consideran necesarios para garantizar la seguridad y calidad a los usuarios. La ISO creó en 1990 el comité técnico 197 para cubrir las carencias de normalización en las tecnologías del hidrógeno y en

Figura 15.21. Coste energético del transporte de gases.

1999 se publicaron las dos primeras Normas ISO respecto a los sistemas de llenado de hidrógeno líquido y la pureza del hidrógeno como combustible para pilas de combustible. En cuanto al almacenamiento de hidrógeno a bordo de vehículos, comprimido y líquido, se han autorizado diversos sistemas. Tanques de hidrógeno comprimido, entre 35.000 kPa y 70.000 kPa han sido certificados de acuerdo a la ISO 11439 en Europa, el NGV en EE UU, el Reijukijun Betten en Islandia y aprobados por la TÜV alemana y el Instituto de Seguridad para Gases a Alta Presión japonés (KHK). Asimismo, la Organización de Estandarización Internacional (ISO) ha publicado en 2004 un informe técnico titulado ISO/TR 15916:2004: consideraciones básicas para la seguridad de los sistemas de hidrógeno, donde establece directrices para mejorar la seguridad y ayudar a reducir los riesgos asociados al uso del hidrógeno en plantas energéticas, sistemas de calefacción y transporte.

4. Introducción a las pilas de combustible Un proceso químico puede suministrar no solo calor sino también cualquier otra forma de energía, y si la reacción se lleva a cabo de


manera que se produzca energía eléctrica, el sistema constituye una pila galvánica o pila voltaica. Puesto que en un proceso de oxidación se liberan electrones que se consumen en el proceso de reducción, una pila ha de consistir en un circuito eléctrico formado en parte por los conductores metálicos para la aparición, consumo y flujo de electrones y en parte por conductores electrolíticos para el doble flujo de iones.

cationes, se oxidan y reducen respectivamente generando un flujo de electrones que constituyen la electricidad. Habitualmente se utiliza el término semicelda para designar el conjunto de electrodo más electrolito. • Ánodo. Es el electrodo donde tiene lugar la reacción de oxidación, liberando electrones que fluirán a través de un material conductor, un cable eléctrico, hacia el cátodo. Puede ser de Zn. La oxidación del material provoca la liberación de electrones y por tanto los átomos de Zn quedan cargados positivamente, se repelen entre sí y se disgregan entrando a formar parte de la disolución que baña el electrodo. De esta manera el electrodo se va agotando a lo largo de la vida de la pila. • Cátodo. Es el electrodo en el que ocurre la reacción de reducción, aceptando los electrones provenientes del ánodo. Puede ser de Cu. Los electrones cargan negativamente el cátodo, que atrae los cationes de Cu que hay en la disolución

4.1. El mecanismo de oxidación-reducción El funcionamiento básico de una pila tradicional está basado en la propiedad electroquímica de los materiales para oxidarse o reducirse (Fig. 15.22). El esquema básico de una pila Daniell consta de: • Electrodos. Son dos piezas de diferentes materiales que, sumergidos en sendas disoluciones de sales que contienen sus

V e–

e–

Puente salino

Zn

CI– Zn2+

Figura 15.22. Celda de Daniell. (Fuente:

http://www.geocities.com/ bioelectrochemistry/daniell. htm).

K + Cu2+

Ánodo Zn

Cu

Cátodo 2e– + Zn2+

Cu2+ + 2e–

Cu

1064


que baña al electrodo, formándose Cu metálico que se deposita en el cátodo. • Electrolito. Es la disolución que baña los electrodos. Es una disolución salina del metal respectivo: en el ánodo una disolución de sulfato de zinc (ZnSO 4) y en el cátodo una disolución de sulfato de cobre (CuSO 4). El electrolito actúa en el cátodo como aporte de cationes de Cu que se van depositando en el electrodo, quedándose cargado negativamente por la presencia de aniones SO 42-. Asimismo, en el ánodo la liberación de cationes de Zn por parte del electrodo cargaría positivamente la solución e impediría, debido a la repulsión eléctrica, que la reacción de oxidación siguiera produciéndose. En ambos casos se debe conseguir la neutralidad de cargas en cada una de las semiceldas de la pila para que pueda seguir funcionando. • Puente salino . Para permitir la neutralidad de cargas es necesario permitir el paso de aniones hacia el ánodo y de cationes hacia el cátodo. Esto ocurre con un puente salino. El puente salino es un tubo que une los dos recipientes sin dejar circular ni mezclarse las dos disoluciones. Contiene un electrolito que puede ser KCl, NH4NO3, KNO3, etc., y que aporta, por ejemplo, cationes K+ a la solución catódica y aniones Cl - a la solución aniónica para mantener la neutralidad. La representación de esta celda voltaica se resume como: Zn (s) ZnSO4 (ac)  CuSO4(ac)  Cu(s) Donde  representa el puente salino que separa las dos semiceldas. Si se tienen en consideración solamente las especies que reaccionan: Zn (s)  Zn2+ (ac)  Cu2+ (ac)  Cu(s) En esta celda el tipo de electrodos (o semiceldas) utilizados es el de metal-ión

metálico. Hay otros tipos de electrodos, como el electrodo gas-ión, en el que un gas, típicamente hidrógeno, está en contacto con su ión mediante un conductor eléctrico inerte, típicamente platino, y que suponen la base de funcionamiento de las pilas de combustible. Cuando actúa como ánodo, sigue la siguiente reacción: H2 (g) → 2 e- + 2 H+ (ac) Pt (s)  H2 (g) 1atm  H+ (ac) 1M E = 0 V Si actúa como cátodo: 2 H+ (ac)+ 2 e- → 2 H2 (g) H+ (ac) 1M  H2 (g) 1atm  Pt (s) E = 0 V Este electrodo es asimismo el considerado como base para el cálculo del potencial redox (reducción-oxidación) del resto de sustancias, y se le ha asignado el potencial 0 en condiciones estándar, tanto si actúa de ánodo como de cátodo. De esta manera se miden los potenciales estándar, de electrodo o potenciales de reducción estándar (E°) de diversos materiales y se puede obtener la diferencia de potencial de una pila sin medirlo directamente, a partir de los E° de cada uno de sus electrodos. En caso de que la E resultara negativa, supondría que la reacción no se puede producir de manera espontánea, sino que necesita de energía externa para poderse realizar. Los materiales utilizados como electrodos actuarán como cátodo o ánodo según su potencial redox respectivo, es decir, en función de su capacidad reductora, o tendencia a oxidarse de cada material respecto al otro. Así, el Zn actuará como ánodo en combinación con un cátodo de Cu pero actuará como cátodo en combinación con un ánodo de Li. Asimismo, el Cu actuará como ánodo en combinación con un electrodo de plata, que actuará como cátodo. Con respecto a los electrodos estándar de hidrógeno (EEH), el


zinc actuará como ánodo, teniendo un E° negativo, y el Cu como cátodo, teniendo un E° positivo. Cuanto mayor sea la capacidad del reductor del ánodo y mayor la del oxidante del cátodo a ceder y aceptar, respectivamente, electrones, mayor será la fuerza electromotriz de la pila (fem). Esta fem se podrá apreciar con un voltímetro en el conductor como la diferencia de potencial eléctrico o voltaje (E)4. Merece ser mencionado que la unidad básica, la celda electroquímica, recibe por asimilación el nombre de pila de combustible. Es conveniente especificar que el apilamiento de diversas celdas electroquímicas forma lo que se denomina un stack , que a su vez pueden ser conectados en paralelo para obtener la potencia deseada de lo que comercialmente se entiende por pila de combustible.

4.2. Electroquímica y pilas de combustible 4.2.1. Generalidades El hidrógeno y el oxígeno se pueden combinar dando agua y gran cantidad de energía: H2 + 1 / 2 O2 ⇒ H2O + energía Desde 1839, gracias a los trabajos de Sir William Groves se sabe que la reacción puede realizarse en un dispositivo de pila galvánica, de modo que la energía liberada se desprenda como energía eléctrica. En esencia, en estos dispositivos, denominados pilas de combustión de hidrógeno, la reacción que tiene lugar es la inversa de la que tiene lugar en la electrólisis del agua. Tal como muestra el esquema de la pila, en el ánodo, en el que es indispensable la presencia de un catalizador (que general-

A 2e–

2e–

Ánodo

Cátodo

H2

2H2

H2

2OH– H2O

O2 O2

Electrolito Figura 15.23. Diagrama de pila de combustible. 4

El voltaje, potencial eléctrico o fuerza electromotriz, hace referencia a la fuerza con la que pasan los electrones. (1 V = 1 J/1 C). La intensidad eléctrica hace referencia a la cantidad de electrones que forman el flujo eléctrico y su unidad de medida es el Amperio (A).

1066


mente es el platino) el hidrógeno se oxida disociándose en protones H +, y electrones, e – : H2 ⇒ 2H+ + 2e – Los protones se incorporan al líquido electrolítico y los electrones entran en el circuito eléctrico. En el cátodo, gracias también a la presencia del catalizador, el oxígeno, introducido generalmente como aire, se reduce adquiriendo electrones y convirtiéndose, en presencia de agua, en aniones hidróxido: 1 / O2 + H2O + 2e – ⇒ 2OH – 2 Los aniones hidróxido se incorporan al líquido electrolítico, donde reaccionan con los protones dando lugar a agua. En el siglo XIX y principios del XX se trabajó mucho en las pilas de combustión de hidrógeno, y de otros materiales, pero no fue sino hasta 1960 cuando empezaron a adquirir relevancia, pues fueron escogidas por el programa espacial norteamericano para proporcionar electricidad y agua para las aeronaves de los programas Géminis y Apolo.

4.2.2. Funcionamiento de las pilas Comparadas con las técnicas tradicionales de generación de energía que usan procesos de combustión antes de convertir el combustible en calor y energía mecánica, las pilas de combustible convierten la energía química del combustible directamente en energía eléctrica sin procesos de conversión intermedios. Más del 80% de la energía obtenida a partir de combustibles en las pilas de combustible puede ser convertida en electricidad y calor útil, además, pueden operar a la mitad de su capacidad sin disminuir su alta eficiencia en el uso de combustible. Las pilas de combustible trabajan como una batería, con la diferencia de que jamás se descargan ya que en la medida en que se les suple hidrógeno y oxígeno, se mantendrán produciendo electricidad indefinidamente. El oxígeno requerido es fácilmente obtenible del aire. En lo referente al combustible, el

sistema puede utilizar hidrógeno obtenido por algunos de los procedimientos indicados en el Apartado 3.1. Como las pilas de combustible se basan en procesos químicos y no de combustión, las emisiones de este tipo de sistemas son mucho menores que las emisiones de los más limpios procesos de combustión. Comparadas con las convencionales fuentes de energía, estas pilas son excepcionalmente limpias y eficientes. Su único residuo es agua; de hecho, en algunos tipos de pilas de combustible, dependiendo de qué tipo de electrolito se use, el agua producida es totalmente potable. Para que el funcionamiento de estos dispositivos sea operativo, se deben utilizar catalizadores y electrólitos que solo actúan con hidrógeno muy puro, caro de producir y complicado de almacenar y transportar. El hidrógeno es además un elemento muy volátil y en determinadas circunstancias, peligroso. Por todo ello, para que las pilas de combustible puedan llegar a ser implantadas masivamente, deberán utilizar otro tipo de combustibles. Uno de estos candidatos es el alcohol metílico o metanol. Aunque los combustibles fósiles son empleados directamente mediante combustión como fuente de energía, las pilas de combustible son mucho más eficientes a la hora de extraerla. El metanol es además compatible con los actuales sistemas de transporte de combustibles y ya se usa en algunos motores. Sin embargo, la oxidación del metanol contamina la superficie del electrodo catalítico (platino) en las pilas. Por eso, los científicos están desarrollando nuevos catalizadores formados por aleaciones más apropiadas, aleaciones que contienen varios elementos, incluido el iridio, el propio platino y otros.

4.3. Comportamiento ideal de la pila de combustible La energía, definida como la capacidad de producir un trabajo W, permite realizar las siguientes precisiones: • Al darse una reacción espontánea, como sucede con la oxidación/reducción en una


pila, se libera una energía que se expresa como una variación de entropía ( ∆S) negativa. No toda esta energía liberada podrá ser aprovechada puesto que parte será destinada a las reacciones que se producen según su entalpía (∆H). • La energía que queda «libre» para poder realizar trabajo es la energía libre de Gibbs (G), que a P y T constantes será el máximo trabajo útil:

∆G = –Wútil máx (P y T constantes) • En las celdas voltaicas, el W aprovechable será el trabajo eléctrico derivado del paso de electrones por el circuito externo, que depende de la carga (Q) transportada y la diferencia de potencial según la siguiente expresión: Weléctrico = Q · Ecelda Si la carga de 1 mol es 1 Faraday (1 F = 9,6485·104 C/mol): Weléctrico = n·F·Ecelda • Teniendo en cuenta la ecuación isoterma de una reacción:

∆G = ∆G° + R·T·lnQ donde Q representa el cociente de la reacción y se expresa como relación de las concentraciones o presiones parciales de los productos y reactivos, según su estado físico, y teniendo en cuenta:

∆G = –n · F · E celda ∆G° = –n · F · E°celda se obtiene la ecuación de Nernst: E = E° –

R·T Pp ln    n·F Pp reducido oxidado

4.4. Eficiencia de las pilas de combustible La máquina de vapor ideal fue descrita por Carnot, y está basada en el proceso cíclico de

la expansión isotérmica con aporte de calor a temperatura más elevada, seguido de expansión adiabática, compresión isoterma con liberación de calor a menor temperatura y compresión adiabática. Las dos temperaturas, T1 y T2, ayudan a expresar la máxima eficiencia de este proceso cíclico, η, que es la relación entre la energía mecánica ganada a partir de la energía calorífica empleada:

η = (T1 - T2) / T1 El ciclo de Carnot asume que el proceso lo realiza un gas ideal y que el ciclo es reversible, pero en la práctica el comportamiento es diferente y las eficiencias son menores. Las pilas de combustible permiten la conversión directa de energía química a eléctrica y su máxima eficiencia η teórica es la relación entre ∆G y la entalpía, puesto que la energía de Gibbs es la energía teóricamente disponible para generar un trabajo y ∆H es el total de energía contenida en el combustible.

∆G = ∆H - T∆S T · ∆S ∆G η=  =1– ∆H ∆H



La Tabla 15.12 compara la eficiencia teórica de diversos métodos de generación eléctrica: Tabla 15.12. Eficiencia de los diversos sistemas de generación de electricidad. Fuente de energía Eficiencia termodinámica (%) Hidroeléctrica 70 - 90 Fotovoltaica 7 - 11 Solar térmica 10 - 25 Turbinas: – de gas 15 - 65 – de vapor 25 - 38 Aerogeneradores 30 - 45 Nuclear 32 - 34 Combustión interna (ignición) 25 - 35 Combustión interna (diésel) 35 - 47 Ciclo combinado 50 - 55 Ciclo combinado de gasificación 40 - 42

1068


4.4.1. Comportamiento real de la pila de combustible Para determinar el comportamiento real se necesitan modelos informáticos complejos, aunque para simplificar la modelización se pueden aplicar ajustes a un funcionamiento de referencia en condiciones de operación conocidas. En este caso existen pérdidas irreversibles, también conocidas como polarización (h) que hacen que el potencial de celda real disminuya respecto de su potencial de equilibrio: V = E – Pérdidas Las polarizaciones pueden ser de tres tipos: de activación (hact), óhmica (hohm) y de concentración (h conc). El comportamiento de las pilas de combustible viene determinado por diversas variables: presión, temperatura, densidad de corriente, impurezas, etc., por lo que conviene seleccionar las mejores condiciones para obtener un rendimiento óptimo en función de la operación: vehículos, plantas de potencia estacionaria, etc.

4.4.2. Consumo de las pilas de combustible El grado de utilización (U) se define como el cociente entre el combustible consumido (H2,entrada – H 2,salida) y el combustible de entrada. Determinar U en las celdas de baja tem peratura es relativamente fácil, ya que el H2 es el único combustible. Sin embargo, el H 2 puede consumirse por otros caminos: fuga hacia el exterior, reacción química, etc., lo que incrementa su consumo sin que ello contribuya proporcionalmente a la producción de energía eléctrica. En las pilas de alta temperatura , el CO también puede utilizarse como combustible: CO + H2O i H2 + CO2 En este caso, U viene definido por la relación entre el H 2 consumido y el combustible de entrada (H 2,ent + COent). A medida que se consume el H2, la reacción se desplaza a la

Figura 15.23. Stack de IRD Denmark a partir del que comercializan sistemas de 50 kW.

derecha, ya que el H2O y el CO 2 se producen en igual cantidad. Los datos contenidos en la Tabla 15.12 corresponden a una pila de combustible PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) comercializada por IRD Denmark, y el sistema de cogeneración de 50 kW a partir de ella se detalla en la Tabla 15.13. Tabla 15.12. Parámetros de operación de un stack de PEMFC. Número de celdas

Nominal

70

Rango Eléctrico Potencia del stack, kW 2,5 2,35-2,65 Intensidad del stack, A 81 78 - 86 Voltaje stack, V 31 29 - 33 Eficiencia eléctrica (%) >45 Presión del aire, bar (g) 1,5 1,5 – 2,0 Presión del hidrógeno, bar (g) 1,5 1,5 – 2,0 λ -Aire 3,0 2,0 – 4,0 λ -H2 2,0 1,5 – 2,5 Caudal aportado de hidrógeno, 3,6 Nm3/h Caudal consumido de hidrógeno, 1,8 Nm3/h Caudal aportado de aire, Nm 3/h 12,9 O2 consumido, Nm3/h 1,0 Agua producida, kg/h 1,4 Mecánico Dimensiones del stack, mm 185,7 × 213,7 × 531,2 Ambiente Temperatura de operación, °C 20 - 50 Humedad, (RH)% 0 - 90


Tabla 15.13. Parámetros de operación de un sistema de cogeneración de 50 kW. Tipo de stack

FC2500 (el anteriormente descrito) 20 100

Cantidad de stacks Total de energía generada, calor y electricidad, kW Potencia eléctrica del stack, kW 50 Intensidad del stack, ADC 81 Voltaje del stack, VDC 620 Eficiencia del stack, % >45 Presión del aire, bar(g) 1,5 Presión del hidrógeno, bar(g) 1,5 λ - Aire 3,0 λ -H2 2,0 3 Caudal aportado de hidrógeno, Nm /h 72 Caudal consumido de hidrógeno, Nm 3/h 36 Caudal aportado de aire, Nm 3/h 258 3 Caudal consumido de aire, Nm /h 20 Agua producida, kg/h 28 Ambiente Temperatura de operación, °C 20 - 50 Humedad, (RH)% 0 - 90 Mecánico Dimensiones del generador, mm 2.024 × 1.546 × 746

4.4.3. La eficiencia real La eficiencia térmica también se puede expresar como la relación entre la tensión de la celda en operación y la tensión ideal: Para una celda electroquímica de hidrógeno: Videal (1 atm, 25 °C) = 1,229 V ∆G 237,2 ηH2 =  =  = 0,83 ∆H 285,8 Así pues, una pila de combustible puede operar a diferentes densidades de corriente (en A/m2). La tensión de la celda determina la eficiencia de la pila de combustible: si disminuye la densidad de corriente, aumenta la tensión y se incrementa la eficiencia de la celda. Si se reduce la densidad de corriente, el área debe aumentar para obtener la potencia requerida.

4.4.4. Sistema de pila de combustible El sistema generador de electricidad tiene principalmente tres componentes: procesador del combustible, generador y acondicionador de potencia.

4.4.4.1. Procesador del combustible Transforma el combustible en el gas apropiado para el correcto funcionamiento de la pila en función del tipo del que se trate. En las PEMFC, por ejemplo, el gas debe ser muy rico en hidrógeno, con el menor grado de impurezas posible para evitar el envenenamiento del catalizador de platino. Las impurezas que se pueden encontrar habitualmente son CO, NOx, NH3, compuestos de azufre y compuestos halogenados. En caso de no procesarse el combustible in situ, el depósito de combustible debe considerarse también una parte del sistema.

4.4.4.2. Generador de potencia

Figura 15.24. Sistema de cogeneración de 50 kW a partir de stacks como el mostrado en la Figura 15.19.

Es la propia pila de combustible. Transforma la energía química del combustible en energía eléctrica. La potencia generada depende del número de celdas apliladas y de la densidad de potencia y voltaje que proporcione ese tipo de celda.

1070


4.4.4.3. Acondicionador de potencia Las pilas generan en corriente continua, si bien se puede acondicionar en corriente alterna, ajustar el nivel de voltaje e imponer un nivel de armónicos determinado. Comercialmente se considera una pila de combustible a todo el sistema.

5. Tipos de pilas de combustibles Los diferentes tipos de pilas tienen un nivel de desarrollo tecnológico variado. Los programas de investigación sobre pilas de combustible suelen ir dirigidos a la concepción de pilas que den resultados en condiciones de operación que correspondan a una aplicación real. Las pilas más desarrolladas actualmente son la PEMFC y la SOFC (Solid Oxid Fuel Cell).

5.1. Pilas de combustible de baja temperatura Las pilas de combustible que operan a baja y media temperatura ofrecen propiedades de fácil y rápido arranque y enfriamiento, lo que las hace apropiadas para las aplicaciones móviles o en automoción. En cambio, requieren una gran pureza del combustible.

5.1.1. PEMFC (Pilas de combustible de membrana de polielectrolito) También llamadas de membrana de intercambio protónico (o Proton Exchange Membrane, en terminología inglesa). Su gran avance se debe no tanto a su elevada eficiencia, puesto que no es la más eficiente de todas las pilas de combustible, sino a la operación a bajas temperaturas y al hecho de tener un electrolito sólido. Ofrecen una alta densidad de potencia que las hace ideales para aplicaciones en automoción, el sector que más se ha volcado en el desarrollo de esta tecnología dándole un impulso consolidador.

Las principales características de este tipo de pilas son: • Combustible utilizado: hidrógeno. • Polielectrolito: sustitución del tradicional líquido electrolítico que separa el ánodo del el cátodo por una membrana intercambiadora de protones. El material utilizado generalmente para la construcción de la membrana es un poliestireno entrecruzado, perfluorado y sulfonado que tiene como característica básica el no ser conductor de electricidad, no deja pasar los electrones pero sí los protones. Su grosor oscila entre 0,10,5 mm. Con fines de eficiencia la membrana debe permanecer húmeda, por lo que la temperatura de operación queda limitada por debajo de los 100 °C. • Electrodos: son piezas porosas de carbono con partículas de platino, que actúa de catalizador acelerando las reacciones de oxidación y reducción. Inicialmente, la cantidad de platino era bastante elevada, entre 4-5 g/cm2, pero se ha ido reduciendo hasta los 0,2 g/cm 2 de la actualidad. A través de los poros del ánodo fluye el combustible, H 2, que se oxida pasando a H + y dos electrones, que pasan al circuito eléctrico y acaban

Hidrógeno PEM (membrana) Placas bipolares

Ánodo/Catalizador Cátodo/ Catalizador Agua/Calor

Oxígeno

Figura 15.25. Conjunto de pila de combustible PEMFC. ( Fuente: http://www.eere.energy.gov/hydro-

genandfuelcells/).


por reducir, en el cátodo, al oxígeno. El oxígeno reducido en combinación con los protones da agua, que es evacuada por los canales de las placas bipolares. Si el combustible utilizado no es hidrógeno puro, el CO (impureza muy frecuente) a concentraciones por encima de 10 ppm puede fácilmente envenenar el catalizador. Para evitarlo, el catalizador se enriquece con rutenio, llegando a tolerar los 100 ppm de CO. El catalizador es resistente al CO 2 aunque una elevada concentración puede impedir la difusión del hidrógeno a través del ánodo. Pueden, sin embargo, presentarse problemas de envenenamiento en presencia de azufre, especialmente cuando el combustible no es puro y proviene de hidrocarburos. • Placas bipolares: están fabricadas a base de un material conductor, soportan estructuralmente la celda, dirigen el flujo de H2 y O2 hacia los electrodos y evacuan los electrones del ánodo. En la actualidad son de grafito, si bien se está investigando con otros materiales alternativos que ofrezcan una buena conductividad térmica y eléctrica, mejoren la resistencia a la corrosión y sean a la vez más ligeros y económicos. Representan el 50% del coste total de la pila y el 90% de su peso. Este tipo de pilas puede trabajar a elevadas densidades de corriente y ofrecen una respuesta rápida a variaciones en la demanda de potencia. Son, por tanto, muy adecuadas para el transporte. Se consigue una densidad de corriente de hasta 3 A/cm2 y potencial superior a 0,4 V con oxígeno; y D = 1 A/cm 2 y V = 0,65 V con aire a presión. Los programas de investigación de pilas de combustible para vehículos se basan todos en esta tecnología. También puede resultar de interés para fuentes de energía estacionarias de hasta 1 MW, portátiles de hasta 100 W y móviles de hasta 5 kW. Las características más sobresalientes son:

• La temperatura de operación relativamente baja, a unos 80 °C, facilita la rápida disipación de la energía en el ambiente, favoreciendo un arranque y enfriamiento rápidos necesarios para los vehículos. • La presencia de CO2 en el aire reactante no afecta al catalizador. • Es compacta y todos sus componentes son sólidos, lo que alarga la vida útil con respecto a las pilas que tienen componentes líquidos, como la AFC, y facilita su producción a escala industrial. La eficiencia es del 50% para hidrógeno puro y del 45% para combustible con impurezas. Actualmente se han conseguido pilas de combustible de hasta 1.000 W/kg o 1.000 W/l de densidad de potencia. En los últimos tiempos se han realizado importantes avances en la formulación de membranas PE. El material de referencia, el «Nafion®» de Du Pont de Nemours, tiene un coste de 700 € /m2, aunque la automatización y el volumen de producción para un mercado generalizado bajarían sensiblemente los precios. Esta membrana de polímero perfluorado es de difícil reciclaje y de alto coste, por lo que las investigaciones avanzan para proponer otros materiales alternativos.

Figura 15.26. Imagen de un stack de PEMFC de 1 kW de estudio en la CEA en de Grenoble, con la membrana en la izquierda y la placa bipolar de grafito en la derecha. (Fuente: www.cea.fr).

1072


5.1.1.1. Poliamida sulfonada Los polímeros termoestables heterocíclicos aromáticos aceptan con facilidad los radicales sulfonados en los ciclos aromáticos. A partir de esta propiedad, la CEA, el CNRS (Centro Nacional de Investigación Científica) y el Laboratorio de Materiales Orgánicos Franceses, han desarrollado un programa de investigación que experimenta con la distribución de monómeros sulfonados a lo largo de las cadenas poliméricas. Se utilizaron dianhídridos naftalénicos por las propiedades de resistencia química que confieren a los polímeros resultantes. Se utilizan diferentes diaminas en secuencias no sulfonadas que se añaden a la cadena polimérica sulfonada para favorecer la migración iónica y la estabilidad de la membrana. La capacidad de intercambio depende de la ratio de diaminas sulfonadas y no sulfonadas. El proceso de fabricación se ha probado a escala industrial, generando piezas de varios metros cuadrados tanto homogéneas como reforzadas con fibra de vidrio. Se realizaron pruebas de operación de más de 3.000 horas en pilas de combustible, obteniendo resultados de operación similares a los del Nafion . A partir de estas membranas se están desarrollando pruebas de envejecimiento y de funcionamiento en las pilas de combustible por la empresa francesa fabricante, Sorapec. La Figura 15.27 muestra la formulación de las poliamidas sulfonadas, en un esquema divulgado por la CEA.

5.1.1.2. Desarrollo de las placas bipolares Las placas bipolares más comunes son las de grafito, que se mecanizan para realizar los canales por los que circulará el gas. Este proceso encarece ostensiblemente estas piezas e impide un uso industrial. El laboratorio de la CEA desarrolla un programa de investigación de materiales alternativos, basándose en compuestos orgánicos y metal laminado, tal como muestra la Figura 15.28.

Estos compuestos orgánicos se basan en el uso de cargas de carbono o grafito difundidas en todo el material termoplástico o termoestable, que confieren las características eléctricas conductoras, y el polímero matriz atribuye las características mecánicas necesarias para el montaje de los diferentes elementos y permite realizar las piezas por moldeo, evitando la mecanización. Se reduce el coste de los materiales y de la manufactura. La naturaleza y geometría de las cargas y el tipo de polímero matriz se pueden ajustar y combinar en diferentes proporciones para conseguir las propiedades requeridas para su implementación en pilas de combustibles en condiciones reales de operación. Actualmente, dos de estas composiciones están siendo desarrolladas para que alcancen el nivel comercial y puedan ser utilizadas por las empresas y los grupos de investigación que desarrollan las PEMFC, ya que se han comprobado características equivalentes a las placas de grafito en pruebas de varios cientos de horas de aplicación.

5.1.1.3. Metal laminado Los metales y aleaciones metálicas, sobre todo los aceros inoxidables, poseen unas características que los hacen apropiados para conseguir placas bipolares de bajo coste, ligeras, compactas y fáciles de producir. Tienen una excelente resistencia mecánica, rigidez, conductividad eléctrica y son fáciles de conformar en procesos industriales ampliamente conocidos y rentables. Al ser mucho más densas que el grafito, deben usarse en capas muy finas fácilmente obtenidas por presión. De esta manera el control de la temperatura y la disipación del calor puede ser controlado con las pilas de combustible en funcionamiento introduciendo un refrigerante líquido. Se han desarrollado sistemas de placas en acero inoxidable 316L mediante soldadura láser o sujetándolas en marcos precortados Los mayores problemas a los que se enfrentan los investigadores para desarrollar esta opción son los relacionados con las características del metal, la máxima elongación de la aleación para conformar los canales


Dianhídrido naftalénico O O O

R

Diamina sulfonada

SO3–+M

H2N

O

NH2 M+–O3S

O O Formación de oligómeros sulfonados Metocresol SO3–+M H2N

SO3–+M

O O N

M+–O3S

R N

N2H

O

x M+–O3S O O O

Metocresol

Continuación de la policondensación y alternancia de los olgómeros sulfonados con secuencias no sulfonadas

R

Dianhídrido naftalénico

O

O O H2N – R – NH 2

N

R

O O

SO3–+M

O O

N R N R’

N

O O

Diamina no sulfonada

M+–O3S

O O x

y

Funciones sulfona SO3–M+ convertidas mediante intercambio en medio ácido en SO 3–H+ Secuencia hidrofílica sulfonada

Secuencia hidrofóbica

Figura 15.27. Formulación de las poliamidas sulfonadas. (Fuente: www.cea.fr).

de distribución del gas, la resistencia a la corrosión in situ, puesto que la formación y liberación de cationes metálicos alteraría el funcionamiento de las pilas de combustibles reduciendo la conductividad iónica de la membrana o incluso obstruyendo los canales. La investigación se dirige a conseguir la composición, la aleación más apropiada que supere y optimice todos estos inconvenientes en aplicaciones entre 3.000 y 5.000 horas de fun-

cionamiento para aplicaciones en automoción y entre 30.000 y 50.000 horas para aplicaciones estacionarias de generación eléctrica.

5.1.2. AFC (Pilas de combustible alcalinas) El inicio de las pilas de combustible alcalinas se remonta a los años 50 del pasado siglo cuando Francis Bacon probó un sistema de 5

1074


Figura 15.28. Placa bipolar a partir de compuestos orgánicos termoconformados, con una superficie de circulación de los gases de 50 cm2 .

kW a 200 °C con una presión inferior a 5 bar para impedir la ebullición del electrolito. En los años 60 los programas espaciales Gemini y Apolo de la NASA iniciaron una implementación que llega hasta la actualidad. Las características más sobresalientes de este tipo de pilas son: • Electrolito: hidróxido de potasio en disolución al 35-50% para temperaturas de operación inferiores a 120 °C, que pueden aumentar al aumentar la concentración hasta 250 °C con una concentración de KOH del 85%. Esto es debido a que la temperatura, a consecuencia del calor desprendido, puede hacer que el electrolito vaporice o hierva, por lo que una concentración de sales más elevada permite trabajar a mayor temperatura. • Matriz: es necesario un recipiente para contener el electrolito líquido. • Electrodos: ánodo: platino/paladio; cátodo: oro/platino. Los electrodos tienen una gran cantidad de metales nobles y un gran rango de catalizadores: Ni, Ag, óxidos metálicos y espinelas (óxidos dobles de Fe y Al, y posible sustitución del magnesio por Fe 2+, Zn2+ o Mn2+. El aluminio, a su vez, puede ser sustituido por hierro, cromo, manganeso, vanadio o titanio. De propiedades refractarias). • Eficiencia: utilizando oxígeno e hidrógeno puros se alcanza una eficiencia

cercana al 63%. Si se utiliza aire la eficiencia es menor, sobre el 50%, aunque mejora en aspectos de seguridad. Se puede incrementar la eficiencia aumentando la concentración de KOH y la temperatura, mientras que la densidad de potencia se puede incrementar aumentando la presión, pero el aumento de presión necesario para que el electrolito no inicie la ebullición hace más compleja las pilas de combustible y su rentabilidad. La tecnología de las AFC está bastante desarrollada. Se ha utilizado en aplicaciones espaciales, por ejemplo a 4 bar de presión, dentro del programa Apolo, se obtuvieron 0,85 V a 150 mA/cm 2 y en el Shuttler Orbiter 470 mA/cm2 a 0,86 V, a temperaturas más bajas (entre 80 y 90°C).

5.1.3. DMFC (Pilas de combustible de metanol) Se trata de pilas de combustible de metanol como combustible directo. En la actualidad están poco desarrolladas todavía. Se pretende encontrar el material apropiado para poder trabajar a temperaturas superiores a 130 °C sin problemas de crossover (paso de los reactivos del ánodo al cátodo y a la inversa a través de la membrana). Asimismo, se debe optimizar la actividad del catalizador, realizándose experimentos combinando platino y rutenio. Utilizando aire como oxidante se han logrado densidades de corriente entre 180 y 250 mA/cm 2. Las características más sobresalientes son: • Combustible: metanol, aportado en una disolución al 3% con agua. • Eficiencia: entre el 20 y el 40% a una temperatura de operación de 90 °C. En las DMFC el metanol es transformado en el ánodo en CO 2, protones y electrones. Las Tablas 15.14 y 15.15 muestran los parámetros de funcionamiento de una celda de metanol directo típica y de una pila respectivamente.


Electricidad

Colector de corriente Placa final Conductos de gas y refrigeración Placa bipolar Aire

Metanol Ensamblaje de la membrana

Figura 15.29. Principio de funcionamiento de una pila DMFC.

Calor

Tabla 15.14. Especificaciones de una DMFC fabricada por IRM.

Tabla 15.15. Especificaciones del stack a partir de la celda DMFC fabricada por IRM.

Combustible 1,0 M CH3OH Ambiente Temperatura de operación, °C 20-90 Humedad % 0-90 Presión del aire 0,5 bar(g) Eléctrico Voltaje de la celda, V 0,1 - 1,0 0,1 - 1,0 Voltaje de la celda, nominal, V 0,43 0,45 Intensidad, A 0 - 70 0 - 100 Intensidad, nominal, A 36 36 Potencia de la celda, nominal, W 15 16 Densidad de potencia, nominal; mW/cm2 75 90

Número de celdas: 51 Mecánicas: Dimensiones del stack, mm 175,6 x 147,6 x 254,0 peso, kg 16 Aporte de combustible: 0,5 - 2,0 M metanol 2 0 - 4,0 λ Aire 3 0 - 6,0 λ Metanol Presión del aire, Bar ambiente 0,5 bar(g) Electricidad: Nominal Rango Potencia del stack, nominal, kW 0,70 0,85 Potencia del stack, máx., kW 0,90 1,10 Intensidad del stack, A 36 36 Voltaje del stack, V 21 23,6 Eficiencia, % 35 39 Ambiente Temperatura de operación, °C: 20 - 90 Humedad % 0 - 90

5.1.4. PAFC (Pilas de combustible de ácido fosfórico) Las pilas de combustible de ácido fosfórico se han desarrollado desde hace 20 años y han alcanzado el nivel comercial con empresas como ONSI, que las comercializan en sistemas de 200kW. El gran impulso en su desarrollo comenzó en los años 60, cuando Estados Unidos promovió un gran apoyo institucional a la tecnología de las pilas de combustible. Las características más sobresalientes son:

• Combustible: hidrógeno. Suele aportarse como combustible gas procedente del reformado de gas natural, con un contenido aproximado de un 80% de hidrógeno y un 20% de CO 2 • Electrolito: ácido fosfórico concentrado, retenido por una matriz de carburo de silicio. El hecho de ser un electrolito ácido hace que tolere mayor propor-

1076


trodos ha reducido los 9 mg/cm 2 de platino hasta 0,1-0,5 mg/cm 2 en la actualidad. Están separados por una placa de carbón vítreo que permite la conducción eléctrica e impide la mezcla de los gases reactivos. • Eficiencia: suele estar alrededor del 40%, aunque si se tiene en cuenta la obtención de vapor se puede alcanzar hasta el 80%. Por la capacidad de generar energía y vapor suelen destinarse a aplicaciones de cogeneración, como hospitales o hoteles. • Características de la corriente producida: entre 100-400 mA/cm 2 y entre 0,6-0,8V.

0,7 kW DMFC Stack Figura 15.30. Pila de combustible DMFC. (Fuente: www.ird.dk).

ción de CO 2, pudiendo suponer incluso un 20% en volumen del gas combustible. • Funcionan con una temperatura de operación entre 150 y 250°C. • Electrodos: platino sobre carbono, muy sensibles al envenenamiento por CO. Por encima de 190 °C el catalizador se hace resistente al envenenamiento de CO a concentraciones de hasta un 1%. La evolución en los elec-

A mayor presión incrementa el rendimiento al aumentar la concentración de oxígeno en la reacción, pero también aumenta la complejidad de las pilas de combustible y su coste. El calor excedente puede ser disipado mediante canales en las placas de carbono, por los que pueden hacerse pasar aire o un refrigerante como agua.

4e–

O2 Ánodo H2

Cátodo 4H+ PO4H3 2H2O + Ánodo: 2H2 → 4H + 4e– + – Cátodo: O2 + 4H + 4e → 2 H2O

Figura 15.31. Pila de combustible de ácido fosfórico.


5.2. Pilas de combustible de alta temperatura En este tipo de pilas, debido a su temperatura de operación, los tiempos requeridos para el arranque y parada son muy superiores a los de las pilas de baja temperatura. El combustible, sin embargo, no requiere tanta pureza. Su mayor potencial se asocia a la cogeneración a escala industrial y a sistemas de generación de energía.

5.2.1. MCFC (Pilas de combustible de carbonato fundido) Las principales características de las pilas de combustible de carbonato fundido son: • Combustible: hidrógeno. La temperatura de operación es lo suficientemente elevada como para transformar directamente combustible ricos en hidrógeno en el ánodo de la pila, por lo que se puede utilizar gas natural, gas de refinería, biogas o gas de agua directamente. • Electrolito: sales fundidas de carbonatos alcalinos (Li-Na, Li-K) en una matriz de aluminato de litio. La matriz es una mezcla de polvos cerámicos que garantizan una estructura sólida, aunque no interviene en las reacciones electroquímicas que se llevan a cabo, con una mezcla de carbonatos alcalinos fundidos inmovilizados en el polvo cerámico. La distribución del electrolito en la matriz debe ser homogénea y mantenerse en el tiempo por encima de unos determinados niveles. Si se generan zonas de menor concentración de electrolito, el gas fluiría hacia ellas y rápidamente la celda se deterioraría. Es uno de los parámetros a controlar en las celdas, también se debe controlar la migración, corrosión y volatilización del electolito. Este aspecto es uno de los puntos débiles de esta tecnología. • Electrodos: ánodo: Ni dopado con Cr habitualmente, con Cr hasta el 10%; cátodo: óxido de níquel litiado. La disolución del óxido a lo largo de la operación de la celda puede depositarse en el electrolito y el ánodo por migración, provocando un corto-

circuito en la celda. Para evitarlo se está investigando en otros materiales que lo sustituyan y que permitan la disminución de la temperatura de operación de la pila. Algunos de estos materiales son las sales de litio, que se intentan dopar con cobalto, cobre o manganeso para mejorar la conductividad. Estos electrodos admiten CO y CO2 en el combustible sin problemas de envenenamiento. El CO no se usa directamente en la reacción electroquímica de oxidación, pero produce hidrógeno adicional a partir del vapor de agua procedente de la reacción: CO + H2O i H2 + CO2 El combustible se alimenta directamente al ánodo, donde se produce el reformado debido a la temperatura y el catalizador presente. El cátodo es alimentado con el oxidante, el oxígeno del aire, que se mezcla con CO2. En el cátodo, el CO 2 reacciona con el oxígeno formando iones CO 32- que migran hacia el ánodo, produciendo una corriente iónica. Estos reaccionan con el hidrógeno del ánodo, y en parte también con el CO, para formar agua, CO 2 y electrones, que migrarán por la placa bipolar generando una corriente eléctrica. Las reacciones electroquímicas que se dan en la celda son: • Ánodo: H2 + CO32- i H2O + CO2 + 2e• Cátodo: 1  O2 + CO2 + 2e- i CO322 La reacción general en la celda es la que se muestra a continuación: 1 H2 +  O2 + CO2 ⇒ H2O + CO2 2 (cátodo) (ánodo) CO + H2O i H2 + CO2

1078


El uso de CO 2 es característico de este tipo de celdas y, al ser transformado en el cátodo y formado de nuevo en el ánodo, el objetivo es poder recogerlo y recircularlo, aspecto en el que se centran muchas investigaciones. Cuando se utiliza gas natural, el combustible es reformado directamente en la celda debido a la temperatura en presencia de un catalizador formando hidrógeno y CO según la reacción: CH4 + H2O i 3H2 + CO Los compuestos sulfurados deben ser lavados de la corriente de gas hasta una concentración inferior a 0,1 ppm para evitar el envenenamiento del catalizador y problemas de corrosión. Otras características son: • Corriente: 100-200 mA/cm2 y 0,75-0,90 V. • Eficiencia: 50-60% a una temperatura de operación entre 550 y 650°C, alcan-

zando el 80% si se recupera el calor. Mejoran las prestaciones al trabajar a presión. Su temperatura óptima se estima en 800-900 °C, pero los materiales convencionales para las placas bipolares no resistirían temperaturas tan elevadas y el coste de desarrollar materiales resistentes hace inviable que operen a esa temperatura. La elevada temperatura de salida del agua en forma de vapor, aproximadamente a 600 °C, permite añadir un ciclo de turbinas y aprovechar aún el calor resultante. Actualmente se han producido unidades de prueba de 2 MW, aunque se contemplan diseños para unidades entre 50 y 100 MW. En Estados Unidos estas pilas de combustible están asociadas al gas de agua como combustible. La fotografía de la Figura 15.33 corresponde a una unidad de prueba instalada en la estación de la Marina estadounidense en

e–

Combustible agotado

Oxidante agotado y gases resultantes (H2O)

H2 CO2 H2O

CO3

O2 CO2

Combustible

Oxidante

Ánodo

Electrolito

Cátodo

Figura 15.32. Principio de funcionamiento de una pila de carbonato fundido.

(Fuente: http://www.dodfu elcell.com/molten. html).


de corrosión y manejo del electrolito. Las principales características son:

Figura 15.33. Pila de combustible de carbonatos fundidos. (Fuente:http://fuelcells.si.edu/mc/mcfc3.htm).

Miramar, San Diego. Es una planta de cogeneración de calor y electricidad formada por una pila de 250 celdas de carbonato fundido de 1,02 m2 de área activa. La unidad alcanza los 210 kW y genera 158,7 kg/h de vapor usado en calefacción. La prueba se realizó en 1997, alcanzando un total de 158 MWh de electricidad durante las 2.350 horas de operación. Esta planta fue puesta en marcha por la compañía M-C Power Corporation que, dos años más tarde, instaló un nuevo stack de 75 kW para continuar las pruebas de operación y conseguir una planta de 300 kW que sea el prototipo de una planta comercial. Actualmente la comercialización de estas pilas de combustible está siendo impulsada por varias compañías: Energy Research Corporation, International Fuel Cells y MC Power Corporation (EE UU), Brandstofel Nederland, Deutsche Aerospace AG y Ansaldo en Europa, e Hitachi, Ishikawajima Harima Feavy Industries y Mitsubishi en Japón.

5.2.2. SOFC (Pilas de combustible de óxidos sólidos) Las pilas de combustible de óxidos sólidos, aunque surgieron posteriormente, han tenido un gran desarrollo y numerosos programas de investigación trabajan en la mejora y optimización de sus perspectivas económicas y de aplicación. El hecho de que todos sus componentes sean sólidos disminuye los problemas

• Combustible: hidrógeno seco o humedecido. La alta temperatura, igual que sucede en las MCFC, permite reformar in situ el gas aportado sin necesidad de catalizador, por lo que se puede introducir directamente gas natural o gas de gasificación de carbón previa desulfurización, aunque admite concentraciones de S muy superiores a las de las pilas de baja temperatura. El CO reacciona asimismo como en las MCFC, no suponiendo ningún problema. • Electrolito: óxido metálico no poroso que sea un buen conductor iónico (de oxígeno en forma de O 2-), habitualmente óxido de circonio estabilizado con ytrio. • Temperatura de operación: entre 900 y 1.000 °C. La alta temperatura de operación permite aprovechar fácilmente el calor, por lo que se utilizan en gran medida para aplicaciones de cogeneración, igual que las MCFC. Los inconvenientes de la alta temperatura de operación son el tiempo de arranque y de parada necesarios para alcanzar la temperatura y la pérdida de rendimiento ante caídas de la temperatura. Una caída del 10% de la temperatura puede provocar un descenso del 12% del funcionamiento de la pila debido al ralentizamiento de la difusión de los iones oxígeno a través del electrolito. • Ánodo: habitualmente una mezcla de material cerámico y metal (Ni) en un esqueleto de ZrO 2 estabilizado con Y2O3. El material cerámico impide la sinterización del metal y aporta un coeficiente de expansión térmica similar al del resto de pila. La estructura es de una porosidad del 20-40% para facilitar el paso de los gases reactivos y los productos. • Cátodo: habitualmente de manganato de lantano dopado con estroncio o selenio. Su estructura también es porosa, igual que la del ánodo.

1080


O2 + 4e– → 2 O2– Aire Cátodo

e–

Electrolito

O2– O2– O2–

A

Ánodo Fuel 2 H2 + 2 O2– → 2 H2O + 4 e– 2 CO + 2 O 2– → 2 CO2 + 4 e– Figura 15.34. Principio de funcionamiento de una pila de óxidos sólidos. (Fuente:http://www.cea.fr/gb/publi-

cations/Clefs44/an-clefs44/fig_58).

El electrolito es depositado en una capa cubriendo el cátodo y finalmente una capa de material de ánodo encima del electrolito para formar una celda. Las diferentes celdas se unen mediante materiales semiconductores resistentes a las altas temperaturas. El oxígeno es disociado en el cátodo a O 2-, atraviesa el electrolito ion-conductor (a 800 °C) para combinarse en el ánodo con el H 2 formando vapor de agua y liberando electrones que generarán la corriente eléctrica. En operación, el hidrógeno o el CO de la corriente de combustible reacciona con los iones O2- del electrolito para producir H 2O o CO2, y depositar electrones en el ánodo, que circulan por el conductor generando la corriente eléctrica y yendo al cátodo. En el cátodo los electrones se combinan con el oxígeno del aire para formar los iones O 2- que pasarán al electrolito. Tanto el CO como el CH 4 pueden ser utilizados como combustibles en las SOFC, ya que debido a las altas temperaturas se puede dar la reacción inversa del gas de agua (WGSR):

Mediante estas reacciones se produce el H2 que es fácilmente oxidable en el ánodo. La oxidación del CO ha sido comprobada, formando parte este CO del flujo de combustible de entrada a la celda. El gas natural, en cambio, no se ha experimentado con profundidad a causa de los problemas de los compuestos sulfurados inherentes a la corriente gaseosa y que deben ser eliminados hasta niveles inferiores a 0,1 ppm para evitar el envenenamiento del catalizador. La eficiencia de las pilas SOFC es del 5055%, pudiendo alcanzar el 70-80% en caso de recuperar el calor. Su temperatura de operación dificulta el arranque y parada, por lo que no la hace apropiada para aplicaciones de ciclos cortos, sino para aplicaciones estacionarias de generación continua, optimizada con cogeneración, con unidades desde 1 kW a varias decenas de MW. Siendo una de las pilas con mayor potencial de avance y de ofrecer ventajas para la cogeneración, debido a la alta temperatura de operación, su desarrollo tecnológico ha quedado actualmente relegado en favor de las PAFC y las MCFC para las aplicaciones estacionarias. Se han desarrollado diversos tipos de estructura de las SOFC. Existen tres tipos: tubular, planar y monolítica.

CO + H2O i H2 + CO2 y el reformado de vapor: CH4 + H2O i 3H2 + CO

Figura 15.35. Pila de combustibles de óxidos sólidos. Prototipo de SOFC desarrollado en el centro alemán de investigación Jülich (ForschungZentrum Jülich). (Fuente: http://www.cea.fr).

El hidrógeno y las pilas de combustible 1081 Convertidor ac/dc UPS sistema de alimentación ininterrumpida

Alimentación ininterrumpida

Turbina de gas Cabina eléctrica SOFC

Figura 15.36. Unidad de cogeneración de 100 kW instalada por Siemens-Westinghouse en Werstervoort, Holanda. (Fuente: Siemens-Westinghouse).

Figura 15.37. Diagrama de sistema híbrido SOFC/ turbina de gas. (Fuente: http://www.siemenswesting-

5.2.2.1. Geometría tubular

rrollo a escala comercial de estas pilas. En Australia, la Ceramic Fuel Cells Ltd. fabrica generadores de 25 a 100 kW. Las empresas Sofco o Ztek en EE UU proponen generadores de 250 kW con turbinas de recuperación. El Departamento de Energía de EE UU (DOE) impulsa un programa de I+D para desarrollar pilas que ofrezcan un coste de 500 € /kW y que puedan ser competitivas en el mercado. En Europa, Sulzer Hexis comercializa pilas basadas en gas natural para aplicaciones residenciales. Las características técnicas de su producto son las que se muestran en la Tabla 15.16.

El grupo Siemens-Westinghouse, ha desarrollado la tecnología de geometría tubular durante los últimos 20 años en EE UU. Desde 1998 el grupo ha hecho una gran inversión para poder introducir en el mercado un modelo comercial de generador de 250 kW a un precio entre 1.000 y 1.500 € /kW. Asimismo, junto al Departamento de Energía de EE UU realiza pruebas para determinar los sistemas que ofrezcan un mayor rendimiento, lo que ha llevado al desarrollo de un sistema híbrido de pila de combustible y turbina como el mostrado en la Figura 15.37. Si se opera a presión (aprox. 3 atm) la SOFC el gas exhausto a presión puede ser utilizado directamente para generar electricidad mediante una turbina (sin vapor) alcanzando rendimientos del 55% en sistemas de 220 kW con pequeñas turbinas y de hasta el 70% en sistemas de 3 MW con turbinas de mayor sofisticación y coste. Las pruebas llevadas a cabo en Pittsburgh con un sistema híbrido de este tipo de 300 kW auguran un gran portencial de desarrollo de estos sistemas, de muy elevado coste.

house.com).

5.2.2.2. Geometría plana Esta tecnología está más avanzada y ofrece mejores niveles de operación, aunque es más compleja. Varias compañías, junto a grandes grupos de investigación, han iniciado el desa-

Figura 15.38. Unidad de SOFC para aplicación residencial. (Fuente: http://www.hexis.ch/eprise/

SulzerHexis/Sites/Fuelcell/HXS1000/HXS1000.html).

1082


200 l

Investigación de la Energía, Holanda), el DLR (Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt, Alemania), la Universidad de Keele (Reino Unido) y el Jülich Centre (Alemania). Entre las empresas implicadas destacan: industrias gasistas (Gas de France y British Gas), compañías eléctricas (Electricité de France), grupos automovilísticos (BMW, Renáult), fabricantes de calderas (Vaillant, Alemania) y fabricantes de componentes industriales (Houvenaghel-Hennequin, Francia).

Carbono activo Reformador de vapor, CPO (catalytic partial oxidation)

5.3. Comparación de las pilas de combustible

Tabla 15.16. Características técnicas de pilas Sulzer. Datos técnicos Datos de operación Potencia eléctrica Potencia térmica generada Potencia térmica de la caldera auxiliar Eficiencia eléctrica Eficiencia total Tipo de pila Volumen del tanque de almacenaje de calor Procesado del combustible Desulfurización Tipo de reformador Connection data Combustible Conexión eléctrica Dimensiones ancho × prof. × altura Requisitos de espacio Peso total instalado

1 kW máx. 2,5 kW máx. 12, 16, 22 kW 25-30% (objetivo: >30%) Aproximadamente 85% Sulzer Hexis SOFC

Gas natural 230 V AC, (13A), 50 Hz 1.080 × 720 × 1.800 mm 4 m 2 (incl. service room) vacío: aprox. 350 kg lleno: aprox. 550 kg.

La eficiencia, tanto eléctrica como total, teniendo en cuenta que es un sistema de cogeneración con recuperación de calor, se basa en el PCI del combustible. Este sistema se conecta a la red y absorbe el exceso en horas de bajo consumo y debe ser gestionado, en un principio, por la compañía eléctrica. El tiempo de vida de estas pilas de combustibles se estima en 5 años (40.000 horas). Este tipo de pilas de combustible son producto de un programa de investigación de esta empresa de nueve años de duración, apoyado económicamente al 25% por el gobierno suizo.

5.2.2.3. Geometría monolítica Son más compactas y ofrecen mayores densidades de corriente. El desarrollo de estas pilas de combustible corresponde al grupo estadounidense Honeywell (Allied Signal) y no hay información disponible sobre su desarrollo, salvo que están hechas de finas capas de material corrugado. La I+D de SOFC en Europa está menos desarrollada que en EE UU y hay pocas compañías o grupos de investigación dedicados a ello. Se pueden destacar el ECN (Centro de

Eficiencia de los diferentes tipos de pilas: La eficiencia termodinámica tabulada en la Tabla 15.17 hace referencia a la eficiencia de cada una de las celdas por defecto o se especifica que la eficiencia es con relación a un conjunto de celdas o a un sistema híbrido.

6. Aplicaciones de las pilas de combustible Por el momento, las aplicaciones de las pilas de combustible se circunscriben a tres ámbitos: • Aplicaciones estacionarias para la generación de electricidad y cogeneración. • Aplicaciones de sistemas de pequeña energía en aparatos móviles. • Aplicaciones en automoción. Tabla 15.17. Eficiencia termodinámica de los diversos tipos de pilas. Tipo

Eficiencia Densidad de Temperatura de termodinámica potencia operación (%) (kW/m2) (°C) PAFC 40 - 50 0,8 - 1,9 160 - 210 41 (sistema híbrido) PEMFC 40 - 55 3,8 - 6,5 50 - 100 DMFC 40 50 - 200 MCFC 50 - 60 0,1 - 1,5 650 - 800 55 - 70 (sistema híbrido) SOFC 1,5 - 2,6 600 - 1.000


Tabla 15.18. Características generales de las pilas de combustible . Tipo

Eficiencia

Aplicaciones

Ventajas

Inconvenientes

PEMFC

Temperatura de operación 50 - 85 °C

50 - 60%

– Tracción – Generación de potencia – Aplicaciones militares

– Elevado coste de catalizador y membrana – Gestión del agua y compresor

AFC

50 - 200 °C

40%

– Tracción – Especiales – Aplicaciones militaresen

– Funcionamiento a baja temperatura – Equipo simple y compacto – Tolerante al CO 2 – Facilidad puesta en marcha – Rápida puesta marcha – Baja corrosión – No presurizado

PAFC

160 - 200 °C

40 - 47%

MCFC

SOFC

– Generación (50-100 kW) – Gama amplia – Tracción de potencia – Opción ciclo combinado – Alta densidad de corriente – Tolerante al CO 2 – Larga vida 650 - 700 °C 54% – Plantas de generación – Empleo de (25 kW) y 60% (1 a 1.000 kW) catalizadores con recuperación – Ciclo combinado no-preciosos de calor – Tolerante a CO y CO2 – Construcción simple 800 - 1.000 °C 65% – Generación de – Posibilidad de usar electricidad varios combustibles – Plantas de ciclo – Densidad de potencia combinado elevada – Ciclo combinado

6.1. Aplicaciones estacionarias Las pilas de combustible son aptas para la producción de energía, tanto en plantas como en industrias, incluyendo la cogeneración. Aplicable a demandas de potencia muy variadas, desde pocos vatios hasta decenas de MW. Constan de equipos estacionarios para el suministro de energía en lugares apartados o donde no es posible hacer llegar el fluido eléctrico. Suponen una alternativa a los generadores en regiones apartadas o en las que por razones ambientales no se puede disponer de instalaciones eléctricas, como refugios de montaña, parajes naturales, etc. Las pilas de combustible de 1 kW de potencia pueden suponer una buena alternativa al suministro de energía.

– Intolerancia a CO 2 – Catalizador de platino. – Funcionamiento: H2 puro y O2 – Coste alto – Lenta puesta 7en marcha – Bajo voltaje de celda – Precisa reformador externo – Vida limitada – Electrolito corrosivo – Baja tolerancia a sulfuros – Coste elevado – Puesta en marcha lenta

La liberalización energética y el fomento de las energías renovables pueden fomentar el uso de pilas de combustible como generadores en la industria. Las mayores perspectivas se dan en la generación eléctrica comercial/colectiva, con potencias desde 200 kW a varios MW, y la producción doméstica, con potencias entre 2 y 7 kW. La firma canadiense Ballard ha instalado un centro de producción de prueba con Alstom en Europa y otro con la firma japonesa Ebara. El objetivo consiste en distribuir cogeneradores de PEMFC con una potencia eléctrica de 250 kW y térmica de 230 kW. Actualmente, se está desarrollando un cogenerador en Treptow (Berlín, Alemania), en el marco de un programa europeo de investigación junto a EDF (Electricité de France) y

1084


cuatro compañías alemanas (Bewag, HEW, Preussen Elektra y VEA). La firma americana ONSI Corp. lleva varios años comercializando unidades de PAFC de 200 kW eléctricos con un aporte de 200 kW térmicos. Existen otras tecnologías que están siento testadas pero no se encuentran todavía en el mercado. La firma alemana MTU y la japonesa Hitachi están comprobando la operación de una MCFC de 1 MW. La firma Siemens-Westinghouse participa en varios proyectos de investigación, principalmente de SOFC de 100 kW eléctricos para generación eléctrica domiciliaria. El potencial del mercado internacional de pilas de combustible para aplicaciones estacionarias se estima en 45 billones de euros para el año 2030. El coste que comenzará a

Figura 15.39. Imagen de una PAFC pionera instalada en el año 2000 por EDF que abastece a un grupo de apartamentos en Chelles (Seine-et-Marne, Francia).

ser competitivo se estima en 1.000 € /kW instalado y la tecnología actualmente está ya bastante cerca de conseguir esa meta; por ese motivo varios fabricantes, principalmente americanos, calculan cercana la introducción en el mercado de esta tecnología.

6.2. Aplicaciones portátiles Se han desarrollado principalmente para telefonía móvil o comunicaciones, inicialmente en el ejército, donde se requieren equipos de gran autonomía. Teléfonos móviles y ordenadores portátiles, de uso común y creciente, son los objetivos del desarrollo de pilas de pequeño tamaño y potencia. Un teléfono requiere una potencia entre 50 y 400 mW en reposo y de 1 W en conversación. Se pueden definir las diferencias y rangos de potencia de acuerdo con la siguiente gama de potencia: • Potencia inferior a 10 W para cámaras fotográficas digitales, teléfonos móviles, agendas electrónicas (PDA). • 11-50 W para cámaras de vídeo digital, cargadores de baterías. • 51-100 W para ordenadores portátiles. Los ordenadores funcionan actualmente con baterías que han demostrado su techo en una densidad de potencia de 160 Wh/kg y volumétrica en 450 Wh/l. Para estas aplicaciones se están desarrollando PEMFC que debido a su baja temperatura de operación y a que sus componentes son sólidos ofrecen más ventajas para estos dispositivos, pudiendo proporcionar densidades de potencia de hasta 5.600 Wh/kg y 4.300 Wh/l. Con minidepósitos recambiables o rellenables la autonomía de estos aparatos solo depende de la disponibilidad de combustible, hidrógeno o metanol. Se estima que este sistema será rentable cuando sea competitivo en el mercado de las baterías, es decir, cuando alcance un coste de 1 € /Wh, que es el precio de las baterías de litio. Los aspectos a tener en cuenta en las aplicaciones portátiles de pilas de combustible son: • La variación en la demanda de energía de estos dispositivos en los diferentes


• El almacenaje seguro del combustible es, como en otras aplicaciones, una de las mayores dificultades. Es necesario que los tanques estén integrados en el dispositivo y sean fáciles y seguros de cambiar o rellenar. Una de las opciones que está siendo intensamente estudiada es el aporte de metanol almacenado a alta concentración y transformado mediante catálisis en el momento de ser utilizado. La Figura 15.41 muestra una pila de combustible PEM portátil de AirGen-Ballard de 1 kW de potencia que, por sus características, puede utilizarse para la generación eléctrica de aparatos de pequeña potencia domésticos en zonas donde no llegue la red de suministro. El voltaje es de 120 V de corriente alterna, con un peso de 50 kg y unas dimensiones de 69 × 40 × 48 cm, y trabaja a una temperatura entre 5 y 32 °C. El estado de desarrollo comercial de diferentes pilas de combustible se refleja en la Tabla 15.19.

6.3. El hidrógeno y la automoción Figura 15.40. Imagen de un teléfono con pilas de combustible en miniatura creado en octubre de 2000 por la firma americana Energy Related Devices, con la pequeña carga de metanol y ordenador portátil de Casio con carga y reformado de metanol.

momentos de uso, en reposo o transmitiendo datos, requiere una variación en el flujo de combustible. Esto es todavía inviable, por lo que de momento se diseñan baterías intermedias «tampón», que almacenan una cierta cantidad de energía para disponer de ella de manera inmediata. • Los productos de la reacción deben ser gestionados de manera fácil y práctica. Es muy sencillo evacuar el agua en una pilas de combustible estacionarias de gran tamaño, pero en un dispositivo portátil hay más dificultades.

6.3.1. El uso del hidrógeno en términos de eficiencia El rendimiento de los motores eléctricos es muy superior al de los motores térmicos. Aplicados a la automoción, la desmultiplicación en cuatro motores eléctricos, uno por

Figura 15.41. Pila de combustible PEM portátil de AirGen-Ballard de 1 kW.

1086


Tabla 15.19. Desarrollo comercial de diferentes pilas de combustible. (Fuente: http://fuelcellworld.org) . Tipo PAFC PEMFC SOFC/MCFC

Aplicación Cogeneración comercial <5MW Automoción Cogeneración residencial y comercial <500kW Generadores no estacionarios Generación distribuida/cogeneración Cogeneración industrial Generación centralizada

rueda, que evita las pérdidas de eficiencia del sistema de transmisión mecánica, hace que la eficiencia sea próxima al 100% en transmisión eléctrica, y alrededor del 90% para la mecánica. Una batería tampón, presente en los vehículos con motor eléctrico aunque también aplicable a los de motor térmico, supone un 10% de ahorro de energía total debido a que conserva la energía que se disiparía en los procesos de frenado. El rendimiento del motor térmico y eléctrico marca la mayor diferencia, con unos rendimientos del 35% y 40% para los motores térmicos de gasolina y diésel, respectivamente, y del 90 y 95% para el eléctrico. Los térmicos, además, varían su rendimiento en función del régimen de funcionamiento (velocidad, aceleración, ralentí del vehículo...); no así los eléctricos, que tienen un rendimiento constante. Teniendo en cuenta el régimen habitual de funcionamiento (o tráfico) y las diferentes eficiencias, se puede ponderar un rendimiento global medio de transformación de la energía del 20-25% para la automoción basada en motores térmicos y del orden del 85% la basada en tecnologías eléctricas. Pero la electricidad debe tener una fuente. Estas estimaciones parten de la base de una electricidad inicial; por ejemplo proveniente de una batería previamente cargada, como se iniciaron los prototipos de vehículos eléctricos. La electricidad que alimentará los motores de las ruedas puede ser generada también a partir de pilas de combustible o de motores térmicos con un alternador.

Disponibilidad comercial 1996 2002 2003 1999 2005 2005 desconocido

Basándose en esta valoración de la eficiencia, algunos fabricantes de automóviles han investigado y comercializado alternativas híbridas, como Toyota (modelo Prius) u Honda (modelo Civic). Estos vehículos utilizan un motor térmico convencional para generar electricidad y su eficiencia en transformar la energía contenida en el combustible en energía eléctrica es del 35-42%. En comparación, las pilas de combustible tienen una eficiencia del 40-55%. Comparativamente, pues, la diferencia de eficiencia entre estos dos sistemas disminuye considerablemente. Estas valoraciones hacen referencia a la eficiencia a partir de tener un combustible en el vehículo, solo valora la eficiencia de los procesos que intervienen para propulsar el vehículo. Una visión más global obliga a considerar asimismo la eficiencia o las pérdidas de energía que se producen en la obtención del combustible, su acondicionamiento, transporte y almacenamiento hasta que llega al vehículo. En las siguientes valoraciones se tiene en cuenta también la energía necesaria para poner a disposición del vehículo el combustible. En el caso de gasoil o gasolina es despreciable, pero en el caso del hidrógeno es considerable, puesto que se comprime o licúa. El rendimiento de todas las operaciones para obtener carburante a disposición de los vehículos (extracción, transporte, refino, distribución) es del 85-90%. El rendimiento de obtención de hidrógeno varía según el sistema:


• Electrólisis: teniendo en cuenta el rendimiento de la generación de energía eléctrica (35-60%), de la electrólisis industrial (inferior al 60%) y de la compresión y almacenamiento (75%), la obtención de hidrógeno disponible como combustible a bordo de un vehículo tiene un rendimiento del 15-25%. • Metano: a partir de metano se puede obtener hidrógeno con un rendimiento del 75%. Tras su almacenamiento el rendimiento global es del orden del 55% • Metanol: a partir del reformado de metanol directamente en el vehículo, con lo se ahorra la pérdida de eficiencia del almacenamiento. Se obtiene un rendimiento del 48-60% En la Tabla 15.20 se muestran estos datos. De acuerdo con esta comparativa, los sistemas más eficientes serían el híbrido diésel y la pila de combustible con sistema de reformado de metanol a bordo del vehículo.

6.3.2. El uso del hidrógeno en términos económicos Teniendo en cuenta el rendimiento inferior al 60% de los grandes electrolizadores, EDF estima en 600 € el precio de fábrica por tep de hidrógeno obtenido por electrólisis a partir de energía eléctrica nuclear en horas de bajo consumo, que supone la opción más barata de electrólisis. El hidrógeno obtenido a partir del reformado de hidrocarburos oscila entre 500 y 600 €.

Las membranas de intercambio protónico tienen un coste muy elevado. La más utilizada, el Nafion» de Du Pont de Nemours, tiene un coste de 700 € /m2, aunque la automatización y el volumen de producción para un mercado generalizado bajarían sensiblemente los precios. Un vehículo medio, al que se le calcula una potencia aproximada de 60 kW, tendría una pila de aproximadamente 60 l y 60 kg de peso, que necesitaría unos 10 m2 de membrana. Las investigaciones orientadas a encontrar materiales de altas prestaciones a bajo coste se centran en todos los componentes del sistema, las pilas y el almacenaje del combustible. Las placas bipolares de grafito son también otro de los componentes de mayor coste, para los que se investiga con compuestos orgánicos y metálicos.

6.4. Proyectos de la UE La Unión Europea promueve la investigación con relación a las pilas de combustible mediante los programas de investigación que subvenciona. Asimismo, ha creado un grupo de alto nivel para el hidrógeno, es decir, un panel de expertos para fomentar el desarrollo tecnológico de las pilas de combustible y de la tecnología del hidrógeno que permita situar la UE a la vanguardia de esta tecnología. El gran interés depositado se basa en los objetivos medioambientales y de desarrollo definidos en la UE.

Tabla 15.20. Rendimiento de los vehículos. (Fuente: Benjamin Dessu, Mundo Científico, núm. 241) . Tecnología Convencional gasolina Convencional diésel Pila de hidrógeno (electrólisis) Pila de hidrógeno (metanol) Pila de hidrógeno (metano) Híbrido diésel

Rendimiento de obtención de combustible disponible (%) 80 - 85 85 - 90 15 - 25 48 - 60 40 - 60 85 - 90

Rendimiento del sistema de propulsión del vehículo (%) 20 25 37 - 52 37 - 52 37 - 52 32 - 39

Rendimiento global (%) 16 - 17 21 - 23 5,5 - 13 18 - 31 15 - 31 27 - 34

1088


Figura 15.42. El prototipo Necar4 de DaimlerChrysler utiliza hidrógeno líquido como combustible. Actualmente se ha desarrollado el prototipo Necar 5, con un reformador de metanol a bordo.

En el 5º Programa Marco de Medio Ambiente se hace especial referencia a la energía y las fuentes de energía, marcando unas prioridades: • Reducir el nivel de CO2 un 8% respecto a 1990 para el periodo 2008-2012. • Doblar, del 6 al 12%, la demanda de energía cubierta por las energías renovables. • Incrementar la eficiencia energética un 18% respecto a los niveles de 1995.

de la Comisión Europea, se encuentran dos iniciativas relativas a la aplicación de pilas de combustible a los transportes públicos urbanos, con la intención de reducir la contaminación y el ruido en las ciudades. El proyecto Fuel Cell Bus para Lisboa, Copenhague y Berlín, de menor envergadura, y el CUTE, para nueve ciudades europeas.

6.4.1. Proyecto CUTE

• Optimizar las tecnologías de combustión, utilizando combustibles hidrocarbonados más limpios u otros combustibles alternativos, como el hidrógeno. • Desarrollar y demostrar sistemas híbridos de funcionamiento de vehículos y nuevos mecanismos, como las pilas de combustible o las baterías. • Comprobar la viabilidad, seguridad y funcionamiento de estos sistemas y sus beneficios.

El proyecto CUTE ( Clean Urban Transport for Europe) supone la primera producción en cadena de un vehículo propulsado por pila de hidrógeno. Las ciudades en las que estos vehículos se probarán son: Barcelona, Madrid, Oporto, Londres, Luxemburgo, Stuttgart, Hamburgo, Amsterdam, Estocolmo y Reijkiavik. De esta manera se pretende estudiar el funcionamiento de los autobuses en diferentes condiciones climatológicas y con diferentes sistemas de obtención y abastecimiento de combustible. El sistema de obtención y abastecimiento de combustible se encuentra en la Figura 15.43.

Se pueden consultar todos los proyectos en la página web de la UE http://eur opa. eu.int/comm/research/energy y en el buscador CORDIS de la CE. En los apartados siguientes se exponen los datos de algunos de estos proyectos. Dentro del programa ENERGIE de la Dirección General de Energía y Transportes

Obtención del hidrógeno . El hidrógeno puede extraerse a partir de combustibles fósiles, como el gas natural, o de la electrólisis del agua. La electrólisis requiere mucha energía, por lo que se pretende que sean energías renovables que no supongan un perjuicio para el medio. Así, se pretende conseguir la electrólisis del agua en climas cálidos, como el de

Para ello se hace especial hincapié en el transporte, con el ánimo de:


Almacenamiento a alta presión (450 bar) Módulo de transformación de alta presión

Figura 15.43. Esquema general de almacenamiento de hidrógeno. (Fuente: http://www.fuelcell-busclub.com/hydroge n_refueling_c1.ht ml).

Módulo de compresión

Válvula del dispensador

Dispensador de hidrógeno

Almacenamiento a media presión (50 bar)

Barcelona, mediante energía solar, y en climas fríos, como Islandia, a partir de energía geotérmica. Abastecimiento de combustible. Para repostar los vehículos es necesario una estación de servicio con un compresor. Una «hidrogenera» es bastante similar a una estación de servicio de gas natural, con los siguientes componentes principales: • Tanque de almacenaje de media presión: en caso de una distribución centralizada por carretera este sería el tanque de almacenaje del hidrógeno con capacidad para abastecer durante varios días los autobuses que repostan hasta la llegada de más combustible. En el caso de generación in situ sería de tamaño más reducido y actuaría de tanque intermedio entre el generador de hidrógeno y el compresor. Se encuentra a una presión de 50 bar, prácticamente la presión de vaciado de los tanques de transporte. • Módulo de compresión: comprimirá el hidrógeno de 50 bar hasta los 450 bar de las bombonas de alta presión, la presión a la que se reposta el combustible

en las bombonas del autobús que se aprecian ne la Figura 15.44. Este módulo debe ser de operación prácticamente constante. • Módulo de transformación de alta presión: es un banco de válvulas que debe permitir el cambio de presión del flujo de hidrógeno de media a alta presión hacia las bombonas de almacenamiento y a alta presión hacia el dispensador de hidrógeno.

Figura 15.44. Aspecto de los tanques de hidrógeno de los autobuses de CUTE.

1090


• Bombonas de almacenamiento de alta presión: contienen el hidrógeno a 450 bar. En el momento de repostar, esa misma presión hará fluir el combustible hasta los tanques del vehículo hasta que estén llenos sin necesidad de la intervención del compresor. • Dispensador de combustible: de similar aspecto a un dispensador de combustible líquido convencional. • Válvulas de presión: compartimentadas en módulos para permitir la reparación y el mantenimiento. En Barcelona, con un clima muy cálido buena parte del año, se obtendrá hasta un 10% del hidrógeno por electrólisis del agua a partir de electricidad de la red y proveniente de paneles solares fotovoltaicos, principalmente instalados en el propio garaje de estacionamiento de los autobuses, donde también se generará el hidrógeno, se comprimirá, almacenará y suministrará. El coste del proyecto en Barcelona se ha estimado para los dos años iniciales en 3,75 millones de € para la compra de dos autobuses y su mantenimiento y operación, entre 250.000 y 1.100.000 € para infraestructuras, y entre 100.000 y 200.000 € para el combustible, suponiendo una media de 50.000 km anuales. Actualmente hay ya tres unidades en servicio. Los autobuses del proyecto CUTE han sido expresamente fabricados por la firma alemana Daimler-Chrysler a partir de tecnología de la firma canadiense Ballard. Esta empresa fabricó pilas de combustible de 200 kW para 6 autobuses que han sido probados en Chicago y Vancouver.

rísticas comerciales y de operación equiparables a un vehículo con motor de combustión interna, añadiendo las ventajas de eficiencia y medioambientales de los vehículos híbridos. La principal característica es el uso de metanol, procedente de diversas fuentes primarias de energía, como combustible. La base es un vehículo eléctrico con una PEMFC que alimenta la batería utilizando hidrógeno como combustible y aire como reactante. El hidrógeno procede de un reformador a bordo de metanol, y se genera mediante un proceso de reacción autotérmica. El proyecto investiga todos los componentes del vehículo excepto las pilas de combustible en sí y la unidad de separación de gases. Los mayores retos de este proyecto son: • Desarrollar el reformador y los catalizadores que permitan el reformado de la solución de metanol en el proceso autotérmico y sean extremadamente selectivos con el hidrógeno. Deben ser compactos y dar una rápida respuesta a la demanda de combustible. • Controlar y monitorizar el comportamiento térmico de las pilas de combustible y el reformador, también integrado en el vehículo. • Conseguir unos parámetros de operación de 35 kW eléctricos proporcionados por la batería y 15 kW por las pilas de combustible alimentada por metanol puro. El objetivo en cuanto emisiones son 0,15 gramos de CO por km y 0,02 gramos de hidrocarburos y NO x por km recorrido.

6.4.2. Proyecto CAPRI

6.4.3. Programa EFFECTIVE

En el proyecto CAPRI ( Car Autothermal Process Reactor Initiative) el Energy research Centre of the Netherlands (ECN) diseña el sistema de pila de combustible para un vehículo híbrido. Este proyecto forma parte del programa de la UE JOULE III. El principal objetivo de este proyecto es crear un vehículo de pasajeros, con caracte-

Consiste en la integración de la tecnología de las MCFC para la máxima eficiencia, utilizando biogas como fuente de energía renovable. El principal objetivo es probar el uso de biogas como combustible de una pilas de combustible y obtener una eficiencia mínima del 49 %. Para ello, uno de los puntos clave del proyecto


es eliminar los compuestos traza presentes en el biogas que pueden impedir el buen funcionamiento de las pilas de combustible a un precio competitivo. La unidad de limpieza de gases será desarrollada en este proyecto a partir de principios químicos y biológicos. Los resultados del proyecto que se persiguen son: • Integración de las MCFC y el biogas. • Desarrollo de una unidad de limpieza de biogas. • Desarrollo de una unidad de monitorización de la durabilidad y predicciones del funcionamiento de las pilas de combustible y la unidad de limpieza de gases. • Encontrar socios para una comercialización posterior. Este proyecto está coordinado por la firma austríaca Profactor Produktionsforschungs GmbH y finalizará en junio de 2004, habiendo recibido unos fondos de 2 millones de € de la UE.

• Diseñar e integrar sistemas que permitan la reducción de costes de operación, desarrollando unidades de hidrólisis y aerogeneradores que se puedan integrar de manera óptima y acondicionadores de potencia que faciliten la operación. • Desarrollar una planta de desalación por ósmosis inversa, en España, integrada al sistema eólico-hidrógeno. En España, la potencia eólica a utilizar será aproximadamente de 450kW, que proporcionaran corriente alterna directamente a la red y a la planta desaladora de 40kW de potencia y el exceso de potencia se convertirá en corriente continua que alimentará un electrolizador de 100kW de potencia. Este electrolizador tiene una capacidad de producción de 50 m3 de hidrógeno y 25 m 3 de oxígeno a 25 bar de presión. Este hidrógeno será utilizado para alimentar una pila de combustible PEMFC modular que se pretende que alcance los 40kW.

6.4.4. El Proyecto RES2H2 El título oficial del proyecto es Cluster Pilot Project for the integration of Renewable Energy sources into European Energy Sectors using Hydrgen, es decir, explora las posibilidades de integrar las tecnologías de energía renovable, concretamente la eólica, con la producción de hidrógeno para optimizar la generación eléctrica al conseguir almacenar el vector energético hidrógeno. El presupuesto del proyecto es de 5.358.000 �, con una aportación de la CE de 2,5 millones de euros, a desarrollarse entre 2002 y 2006 en dos parques eólicos emplazados en España y Grecia. Cuenta con la participación de 14 socios, básicamente españoles, griegos, chipriotas y también alemanes, suizos y portugueses, coordinados por Inabensa, una filial de la empresa española Abengoa. Los principales objetivos del proyecto son: • Probar la viabilidad de producción de hidrógeno a partir de energía eólica.

Bibliografía Asociación española del hidrógeno. www.aeh2.org. Australian & International Hydrogen Energy Conference - Broome W. A. (2003). Mayo. Brey, J.J. El proyecto RES2H2 como demostración de la integración de fuentes de energía renovable con el “vector hidrógeno”. Energía, febrero 2003. Varios, Handbook of fuel cells: Fundamentals, Technology and Applications. Marzo 2003. Burns, L. D., McCormick, Byron, J. y BorroniBird, C. E. (2002). El vehículo del cambio. Investigación y Ciencia, diciembre. Camps Michelena, M. y Marcos Martín, F. (2002). Los biocombustibles. Castells, J. Polución cero: pilas de combustion de hidrógeno. QUIBAL, octubre 2001.CEA. Comisión para la Energía Atómica, Francia. www.cea.fr. Construction Engineering Research Laboratory, Egineer Research and Development Center; US Army Corps of Engineers. www.dodfuelcell.com/molten.html.

1092


Elias, X., Jurado, L. El hidrógeno, combustible de futuro. ECOengen, diciembre 2003. Energy Efficiency and Renewable Energy Programme; US Energy Department. www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/. Energy Research Center of the Netherlands. www.ecn.nl/bct/products/fuel_proc/mercatox.en.html. European Hydrogen Association. www.h2euro.org. Fuel Cell Technology Status and Prospects. (1998). École Polytechnique fédérale de Lausanne. IRD Denmark. www.ird .dk. Konrad, G., Sommer, M. et al. (2003). System design for vehicle aplications: Daimleer Chrysler. Las Energías Renovables (2003). Julio-agosto, 1231. L-B-Systemtechnik GmbH. The Acceptance of Hydrogen Technologies. www.hyweb.de y www.lbst.de. Lindblom, M. Berglin, N. Efficient production of methanol from biomass via black liquor gasification. Nykomb Synergetics AB. Martínez, J. A y Santos García,A. (2003). El hidrógeno como combustible. Ingeniería Química. Milne, T.A., Elan, C.C. y Evans, R.J. Hydrogen from biomass: State of the art and research challenges. IEA Report 2001.

Ministerio de Ciencia y Tecnología e IDAE. Norsk Hydro, Hydro Oil and Energy Newsletter. www.hydrooilandenergy.com. OCDE Enviromental Data (1999). Compendium 1999. Ortega Rodríguez, M. (2002). Energías renovables. Pehnt, M. Assessing Future Energy and Transport Systems: The Case of Fuel Cells. Institute for Energy and Environmental Research Heidelberg (Ifeu). Power Journal, Magazine of the SiemensWestinfghouse Power Generation Group. www.pg.siemens.de. Primeras Jornadas de pilas de combustible para generación de electricidad . (2002). Institute for International Research. Madrid, noviembre. Smithsonian Institution. Behring Cener. http://fuelcells.si.edu/. Specht, M. Bandi, A. Baumgart, F. Murray, C.N. and Gretz. J. Synthesis of methanol from biomass/co2 resources. Sulzer Hexis Division of Sulzer Corp., Switzerland. www.hexis.com. Varios autores. El coche de hidrógeno. Monografía. Mundo Científico, 241. World Fuel Cell Council. http://fuelcellworld.org.

GLOSARIO

A

Abatir. En la terminología de tratamiento de gases: eliminar un contaminante contenido en los gases y confinarlo en el filtro de mangas o en los lodos. Absorción. Operación química básica por medio de la cual se separa uno o más componentes de una mezcla gaseosa por medio de un líquido en el que son solubles. Proceso por el que una sustancia se integra en otra a escala molecular y se difunde homogéneamente. Acetileno. Hidrocarburo insaturado del grupo de los alquinos, también llamado etino, de fórmula química C2H2. Obtenido por la acción del agua sobre el carburo cálcico, es un compuesto muy empleado en la industria química. Adiabático. Transformación termodinámica que experimenta un sistema sin que se produzca intercambio de calor. Aditivo antidetonante. Compuesto que se añade a los carburantes para evitar la autoignición en las máquinas de combustión interna. El más utilizado era el tetraetilo de plomo, actualmente sustituido habitualmente por el MTBE (metil terbutil éter) en la mayoría de aplicaciones. Adsorción. Fenómeno utilizado en numerosos métodos de control de contaminación mediante el cual se incorpora una sustancia a la superficie de un sólido o disolución debido a las fuerzas en superficie, o fuerzas de Van der Waals. Aerobio. Proceso desarrollado en presencia de oxígeno. Aerobiosis. Forma de vida de organismos aerobios que, para mantener la actividad metabólica, obtienen la energía a partir de procesos de oxidación en los que el oxígeno molecular interviene como oxidante final.

Aerogenerador . Máquina que utiliza la energía cinética del viento para mover las palas de un rotor y generar energía eléctrica. Aerosol. Dispersión o suspensión de partículas muy finas de un líquido o un sólido en el aire o en un gas con una velocidad de caída insignificante. Agencia Internacional de la Energía Atómica (AIEA). Organización fundada en 1957, con el objetivo de promover la cooperación para usos específicos de la energía nuclear y evitar la proliferación de armas nucleares a través de un programa de inspecciones, auditoría y contabilidad de materiales nucleares, para garantizar que los materiales bajo la supervisión de la Agencia no sean desviados para el desarrollo de armas nucleares. Agenda 21. Conjunto de principios y declaraciones suscritos por la mayoría de los Gobiernos reunidos en la Cumbre de Río de Janeiro en 1992, encaminadas a conseguir un desarrollo más sostenible. Agente oxidante. Sustancia que se reduce y gana electrones. Agente reductor. Sustancia que se oxida y pierde electrones. Agua blanda. Agua sometida a un proceso de reducción de dureza. Agua dura. Agua que en disolución contiene cantidades importantes de calcio y magnesio, normalmente en forma de cloruro, sulfato o bicarbonato. Agua residual urbana . Combinación del agua residual doméstica, comercial e industrial, generada en un área urbana determinada. Agua supercrítica. Agua a una presión y temperatura superiores a 218 atm y 370 °C, respectiva-

1184

Glosario

mente, utilizada para eliminar la carga contaminante mediante oxidación húmeda. Agujero de la capa de ozono . Área de la capa de ozono estratosférica, cercana a los polos, que disminuye significativamente de manera estacional debido a la acción de gases clorados. Esta disminución implica que la capa tiene menor capacidad de retención de los rayos ultravioletas procedentes del Sol, aumentando la radiación UV sobre la Tierra. (Ver capa de ozono, ozono). Aire. Mezcla de gases que constituye la capa de la atmósfera terrestre en la que se desarrolla la vida. De manera natural contiene un 78% de N2, un 21% de O2 y un 1% de otros gases de composición variable dependiente de las condiciones atmosféricas. Aire de combustión. Aporte del oxígeno necesario para la combinación con el hidrógeno, carbono y azufre presente en un combustible. En las plantas de incineración se introduce en la cámara-horno mediante una aspiración desde la fosa de recepción de residuos. Aireo. Incorporación de oxígeno en la pila de compostaje. Aislamiento acústico. Capacidad de reducir la transmisión y propagación de las ondas sonoras. Aislante térmico . Material que se coloca en techos, tabiques y muros, y que reduce o impide el flujo de calor entre un sistema y su entorno. Los aislantes térmicos pueden ser de origen vegetal (corcho, fibra de madera), sintéticos (poliestireno, poliuretanos) o minerales (fibra de vidrio, arcilla expandida). Albedo. Medida de la fracción de radiación solar incidente que es reflejada por la superficie terrestre y la atmósfera. El albedo de la Tierra es de 0,3. La nieve y las superficies de las nubes tiene un albedo próximo a la unidad, mientras que la vegetación y el mar presentan un valor bajo, absorbiendo una gran cantidad de energía. Alcano. Hidrocarburo que no presenta ningún grupo funcional y que únicamente posee enlaces sencillos. Los alcanos más comunes son metano, etano, propano y butano. Alcohol. Nombre genérico que se da a los compuestos orgánicos que contienen el grupo hidroxilo unido a un radical alifático o a alguno de sus derivados. La fórmula química general es R-OH. Aldehído. Cada uno de los compuestos orgánicos ternarios que se forman como primeros pro-

ductos de la oxidación de ciertos alcoholes. Se utilizan en la industria y en laboratorios químicos por sus propiedades reductoras. Alifático. Compuesto orgánico cuya estructura molecular es una cadena abierta. Almidón. Hidrato de carbono que constituye la principal reserva energética de casi todos los vegetales, y que se sintetiza gracias a la clorofila. Alotropía. Propiedad de algunos elementos químicos de presentarse bajo estructuras moleculares diferentes (oxígeno atmosférico y ozono), o con características físicas distintas (grafito y diamante). Alpechín. Residuo líquido oscuro que sale de las aceitunas cuando están apiladas en las almazaras antes de la molienda, y, cuando al extraer el aceite, se las exprime junto con agua hirviendo. Alquitrán. Líquido oscuro que a baja temperatura condensa en una masa negra y de olor desagradable. El más estudiado procede de la destilación seca de la hulla. De su destilación se obtienen aceites ligeros, medios y pesados, y aceites de antraceno. Altura de la capa de mezcla . Nivel hasta el que pueden dispersarse verticalmente los contaminantes. Delimita superiormente la zona atmosférica donde tienen lugar los fenómenos de dispersión, conocida como capa de mezcla. Altura efectiva. Equivale a la suma de la alternativa de la chimenea y la sobreelevación del penacho. Es la altura a la que principalmente se va a transportar el centro del penacho a lo largo de su trayectoria. Alúmina. Óxido de aluminio. Compuesto químico muy refractario con punto de fusión superior a 2.000 °C. Amina. Compuesto orgánico muy abundante derivado del amoniaco, en el que uno (amina primaria), dos (amina secundaria) o tres hidrógenos (amina terciaria) se han sustituido por grupos alquilo o arilo. Aminoácido. Compuesto químico orgánico en cuya composición molecular entran un grupo amino y otro carboxilo. 20 de tales sustancias son los componentes fundamentales de las proteínas. Amoniaco. Gas incoloro y brillante, soluble en agua y alcohol, de fórmula química NH3. Se forma por descomposición bacteriológica de proteínas, purines y urea. También se genera a causa de la combustión de combustibles fósiles. La vida media estimada oscila entre 1 y 24 días. Anaerobio. Proceso desarrollado en ausencia de oxígeno.

B

Anaerobiosis. Forma de vida de microorganismos anaerobios que, para desarrollar la actividad metabólica, obtienen la energía a partir de procesos de oxidación en los que el receptor final de electrones es un compuesto orgánico. Análisis de ciclo de vida (ACV). Proceso objetivo que permite evaluar las cargas ambientales asociadas a un producto, proceso o actividad, identificando y cuantificando el uso de materia y energía y los vertidos al entorno, para determinar el impacto que producen en el medio ambiente el uso de esos recursos y los vertidos, y para evaluar y llevar a la práctica las estrategias adecuadas de mejora ambiental. Anemómetro. Instrumento que permite medir la velocidad del aire. Anergía. Parte de la energía de un sistema que no puede ser transformada en trabajo mecánico. Anhídrido. Producto químico formado por la combinación del oxígeno con un elemento no metálico que, al reaccionar con agua da un ácido. Anhidrita. Sulfato cálcico anhidro. Roca de mayor densidad y dureza que el yeso, que a diferencia de este no está hidratada. Anión. Partícula cargada negativamente. Ánodo. Electrodo de una celda electroquímica o par galvánico que experimenta una oxidación, dando electrones. Antracita. Variedad de carbón, poco bituminoso, con un contenido en carbono del orden del 90%. Es de color negro intenso y brillo metálico. Tiene un poder calorífico superior a 8.700 kcal/kg. Se emplea como combustible industrial y en la fabricación de carbono amorfo. Antropogénico. Relativo a la actividad humana. Aromaticidad. Propiedad que designa a las moléculas cuya estructura es de tipo insaturado, con una estabilidad superior a la de las estructuras de cadena abierta con igual número de enlaces múltiples. El tráfico y la industria petroquímica son fuentes de emisión de hidrocarburos aromáticos. Atomización. Operación de mezcla de un líquido con un tamaño de gota muy pequeño en el seno de un gas. Reducir un líquido a tamaño de gota muy fina. Autoclave . Aparato utilizado para la esterilización de instrumentación quirúrgica. La acción se obtiene a partir del calor húmedo que se consigue al hacer hervir el agua dentro de un depósito cerrado a una presión superior a la atmosférica.

Glosario 1185

Bacteria termófila. Bacteria que puede trabajar a altas temperaturas. Bagazo. Residuo lignocelulósico, separado mediante una operación de tamizado, resultante de la elaboración de cerveza y malta o de la obtención de azúcar de caña, entre otros. Puede emplearse como fertilizante, para la extracción de proteínas, como alimento para el ganado o como combustible. Balance de masa. Principio de la física según el cual la masa total de los materiales que entran en un proceso (input ) es igual a la masa total de la materia de salida (output ). Barril de petróleo . Unidad de volumen empleada para medir el petróleo crudo. Un barril de petróleo equivale a 42 galones, o a 158,9 litros. Becquerel . Unidad de radiactividad del Sistema Internacional, que equivale a una desintegración por segundo. Benceno. Hidrocarburo aromático de fórmula química C6H6, cuyo punto de ebullición es 80,1 °C. Es el hidrocarburo aromático más característico, del que pueden considerarse derivados todos los demás. Es tóxico e inflamable. Se emplea como disolvente y en la fabricación de productos intermedios: fenol, tolueno, anilina, estireno, etc. Como componente de la gasolina su contenido ha sido limitado en las Directivas 85/210 y 87/416: el contenido en benceno en gasolina no debe exceder del 5% en volumen desde 1 de octubre de 1989. Bifenilo policlorado (PCB). Compuesto organoclorado formado por dos fenilos y entre dos y diez átomos de cloro que sustituyen a los hidrógenos. Considerados como muy tóxicos, se emplean como dieléctricos en aparatos transformadores. Bioacumulación. Acumulación en los seres vivos de sustancias no metabolizadas, que provoca un efecto multiplicador en la concentración de contaminantes a lo largo de la cadena trófica. Biocarburante. Combustible producido a partir de residuos, generalmente, vegetales. Los principales son los bioalcoholes y los ésteres. Biocombustible. Combustible, apto para su uso en quemadores o motores de combustión interna, de origen orgánico no fósil. Biodegradable. Sustancia química que puede transformarse en compuestos más sencillos por la acción biológica de bacterias y microorganismos. Biofiltro . Filtro compuesto de microorganismos aerobios empleado para eliminar el olor de gases y mezclas malolientes.

1186

Glosario

Biogas. Gas combustible que se produce debido a la degradación anaerobia de los residuos orgánicos biodegradables. Está compuesto básicamente de metano y dióxido de carbono. Su poder calorífico es notable. Biomasa. Conjunto de materia orgánica procedente de la actividad de los seres vivos acumulada en un ecosistema. Bioquímica. Ciencia que estudia la estructura, la composición y las funciones de los seres vivos. Biosfera. Regiones de la superficie de la Tierra y la atmósfera donde se desarrollan los seres vivos. Biosólido . Fango originado en cualquier proceso de depuración de aguas residuales, susceptible de valorización (abono agrícola, ecobrick®, etc.). Biota. Conjunto de la fauna y flora de una región. Blanco. Muestra que carece del compuesto de interés y que se utiliza como referencia en análisis ambientales. British Thermal Unit (BTU). Cantidad de calor para elevar 1 °F la temperatura de 1 libra de agua. Una BTU equivale a 252 calorías. Buenas prácticas . Conjunto de procedimientos destinados a evitar la formación de residuos generados por causas organizativas de la propia empresa o por motivos humanos. Son fáciles de aplicar y no aumentan considerablemente los costes económicos, al mismo tiempo que tampoco interfieren en los procesos de producción. Butadieno. Gas empleado para la producción de caucho sintético y pinturas de látex basadas en agua. Obtenido por deshidrogenación de butanos y butenos, polimeriza fácilmente y es muy inflamable. Cal. Óxido de calcio (CaO). Sustancia alcalina de color blanco o blanco grisáceo que, que al contacto con el agua, se hidrata o se apaga, con desprendimiento de calor, y, mezclada con arena, forma la argamasa o mortero. Se forma por descomposición del carbonato de calcio. Cal apagada. Polvo blanco, compuesto principalmente por hidróxido de calcio, obtenida mediante el tratamiento de cal con agua. Se emplea en la purificación de gases y en la estabilización de fangos. También se utiliza en agricultura como sustitutivo de la cal pura para aumentar el pH del suelo. Calcín. Cascote de vidrio fragmentado, que puede ser acondicionado para una nueva fabricación de vidrio. Calcinación. Efecto prolongado de calentamiento a alta temperatura de los minerales para eliminar el agua y descomponer los carbonatos.

C

Calibración. Conjunto de operaciones que establece, bajo condiciones específicas, la relación entre los valores indicados por instrumentos o sistemas de medición y que están representadas por una unidad de medida y los valores conocidos correspondientes a una medición. Los resultados de la calibración permiten estimar errores en los instrumentos o sistemas de medición. Calor. Energía en tránsito debido a una diferencia de temperaturas entre dos sistemas. Calor de condensación. Calor asociado al cambio de estado de una sustancia cuando esta pasa del estado gaseoso al líquido. Calor específico. Cantidad de calor que por unidad de masa necesita una sustancia para que su temperatura se eleve un grado centígrado. Calor latente. Calor asociado al cambio de estado de una sustancia, sin que haya variación de temperatura. Calor sensible. Calor asociado al cambio de nivel térmico de una sustancia. Depende del calor específico y de la temperatura. Caloría. Unidad de energía térmica equivalente a la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado centígrado, de 14,5 °C a 15,5 °C. Equivale a 4,184 julios. Cámara de combustión. Parte de un hogar de caldera dentro de una instalación térmica en la que se efectúa la combustión de los productos volátiles y gaseosos del combustible. Cámara de postcombustión. Zona de una instalación térmica donde se mantienen las condiciones de temperatura, tiempo de residencia y exceso de oxígeno necesarias para asegurar la completa combustión de los gases obtenidos mediante craqueo previo. Cámara de sedimentación . Recinto donde se separan las partículas de un fluido por la acción de la fuerza de gravedad. Cambio climático. Modificación en el clima debido a la creciente concentración de gases de efecto invernadero en la atmósfera, principalmente CO2, N2O y CH4. Esta transformación se traduce en frecuentes situaciones meteorológicas extremas: incremento del nivel del mar, olas de calor, sequía, etc. Cañote. Residuo del tallo resultante de la recolección del maíz, que puede ser empleado como combustible o como materia prima para elaboración de alcoholes. Capa de ozono . Estrato donde se concentra el ozono atmosférico, de espesor variable y situa-

Glosario 1187

do entre 10 y 50 km de altura. Tiene gran importancia biológica porque atenúa los efectos de la radiación ultravioleta. Caracterización de residuos . Determinación del tipo, composición y proporción de los diferentes compuestos de una muestra de residuo. La caracterización de los residuos puede servir para clasificar los residuos como inertes o tóxicos y peligrosos, y determinar su poder calorífico, las vías más correctas de gestión, su aplicación más correcta, etc. Carbón. Combustible fósil, compuesto mayoritariamente por carbono, producido por la acumulación de materia orgánica que, a causa de variaciones de presión y temperatura, ha sufrido un proceso de carbonización. Los tipos principales de carbón, de menor a mayor edad geológica, contenido en carbono y poder calorífico son la turba, el lignito, la hulla y la antracita. Carbón activo. Carbón amorfo, en polvo o granulado, caracterizado por una gran superficie específica a causa de su porosidad, utilizado como adsorbente de determinados gases, vapores, líquidos y sólidos coloidales. Carbonización. Proceso mediante el cual la materia orgánica se convierte en carbón. Carbono orgánico total (COT) . Parámetro que indica la cantidad de materia orgánica biodegradable y no biodegradable presente en el agua. Se obtiene analizando el CO 2 de una muestra en la que se han eliminado previamente los compuestos inorgánicos carbonados. Carburante. Mezcla de hidrocarburos que se emplea en los motores de explosión y de combustión interna. Carga contaminante. Nivel de contaminación indicado en alguno de sus parámetros más significativos: DBO, DQO, MES, etc. Carga térmica. Cantidad de calor que se debe añadir o eliminar por el equipo de acondicionamiento o de calefacción. Energía entrante en un horno o caldera. Carnaza. Residuo procedente de la industria del curtido de la piel. Es la cara de la piel que ha estado en contacto con la carne y opuesta a la flor. Se puede aprovechar para fabricar proteínas para piensos. Catalizador de tres vías . Convertidor catalítico provisto de un soporte cerámico recubierto de metales nobles (Pt, Rh o Pd), que favorece simultáneamente la oxidación de hidrocarburos y monóxido de carbono, y la reducción de NOx a nitrógeno.

Catalizador. Sustancia que permite la aceleración o retraso de una reacción química, no experimentando por sí misma la menor alteración, y pudiendo recuperarse cuando se ha complementado la reacción. Catálogo Europeo de Residuos (CER) . Clasificación de los residuos sobre la base de las analogías fisicoquímicas de sus componentes o a las analogías entre los procesos productivos de procedencia. Catión. Partícula cargada positivamente. Cátodo. Electrodo de una célula electroquímica o par galvánico donde ocurre una reacción de reducción. Caudal de gases. Volumen de gases que sale por la boca de la chimenea por unidad de tiempo. El caudal equivale a la velocidad de salida de los gases multiplicada por la sección. Cavitación . Formación de discontinuidades, en forma de burbujas de vapor o de gas, en el seno de un líquido, causada por las variaciones de presión. Célula fotovoltaica . Dispositivo formado por metales sensibles a la luz que desprenden electrones al incidir la radiación solar sobre ellos, convirtiendo la energía luminosa en eléctrica. Celulosa. Polisacárido que forma parte de la pared de las células vegetales. La celulosa pura se obtiene eliminando toda incrustación de lignina, resina y otras materias orgánicas, mediante tratamiento con álcalis, ácidos, sulfuro sódico, etc. Es la materia prima para fabricar papel, seda artificial, lacas de celulosa y películas. Ceniza volante. Partícula de naturaleza amorfa no combustible arrastrada por los gases de combustión. Puede contener contaminantes, como restos de combustible que no se haya quemado completamente y metales procedentes del propio combustible. Central minihidráulica. Pequeña central hidroeléctrica que tiene una potencia instalada inferior a 5 MW. Central térmica. Centro de producción de electricidad a partir de combustibles convencionales. En el caso de emplear uranio, se denomina central nuclear. Cerámica. Compuesto arcilloso modelado y cocido, que puede contener elementos metálicos y no metálicos, en el que el enlace interatómico suele ser iónico. Ceramización. Proceso en el que se confina a los metales pesados en una estructura vítrea, convirtiendo el producto tóxico y peligroso en un producto inocuo.

1188

Glosario

Ciclo de Brayton . Ciclo termodinámico que, en condiciones ideales, se compone de dos procesos isentrópicos y dos procesos isobáricos. Ciclo de Carnot . Ciclo termodinámico reversible de máximo rendimiento constituido por dos procesos isotérmicos y dos procesos adiabáticos. Ciclo de Rankine. Ciclo que sigue una máquina de vapor, donde el fluido se hace recircular según un ciclo cerrado reversible. Es muy utilizado en la mayoría de las conversiones energéticas de la biomasa. Ciclo del carbono . Ciclo biológico esencial de la respiración animal y vegetal, que contribuye además al mantenimiento de las constantes atmosféricas y climáticas necesarias para la vida en la Tierra. Ciclón . Separador inercial formado por un tubo cilíndrico-cónico en el que entran los gases a depurar de forma tangencial. Debido a la trayectoria que sigue el gas, las partículas se ven sometidas a una fuerza centrífuga que, al cabo de un cierto número de revoluciones, las hace chocar contra las paredes y depositarse en la parte inferior del cono. Citostático. Con capacidad de frenar el crecimiento celular. Clausura de vertedero . Cierre definitivo de un vertedero con el fin de impedir su utilización. Clean Air Act (CAA). Legislación estadounidense establecida en 1970, cuyo objetivo es reducir la contaminación atmosférica. Clínquer . Producto que se obtiene de calcinar, hasta la fusión total o parcial, los principales constituyentes del cemento antes de triturarlos y añadirle otras sustancias. Clorina. Emisión producida cuando los rayos solares actúan sobre los CFC’s en la estratosfera, contribuyendo a la destrucción de la capa de ozono. Tienen una elevada estabilidad molecular. Clorofuorocarbono (CFC) . Molécula orgánica estable, fácil de convertir al estado líquido. Formada por átomos de cloro y flúor unidos a carbono, está considerada como la principal responsable de la destrucción de la capa de ozono. Tiene una vida media superior a 30 años. Cloruro de polivinilo (PVC). El más conocido y más usado de los plásticos de vinilo. Se usa en forma rígida para la fabricación de tuberías en las que es necesario una gran resistencia química. En forma plastificada se usa en láminas, cubiertas de cables, moldes y como fibra textil. Desprende cloruro de hidrógeno al ser quemado. Es inestable al calor y a los rayos ultravioletas.

Coeficiente de absorción acústica . Relación entre la energía sonora absorbida por una superficie en contacto con un sonido y la energía sonora total que llega. Cogeneración. Producción conjunta de electricidad de electricidad y calor en una planta termoeléctrica, para su utilización industrial. Los sistemas más habituales son los basados en turbinas de vapor, ciclo combinado y motores alternativos de combustión interna. Coliforme. Nombre aplicado genéricamente a todas las bacterias de la familia de las enterobacterias, parásitos y saprófitos del intestino humano y de otros animales superiores. Comburente. Sustancia oxidante capaz de producir combustión bajo las condiciones apropiadas. Combustión. Combinación de materia combustible y oxígeno con desprendimiento de calor. La combustión se considera completa cuando los únicos productos son dióxido de carbono y agua. Compost. Humus obtenido artificialmente por descomposición bioquímica aerobia o anaeróbica de la fracción orgánica de los residuos, parcialmente estabilizado. Compostaje. Reciclado completo de la materia orgánica biodegradable mediante el cual se la somete a fermentación controlada para obtener el compost, un producto estable de características definidas y útiles para actividades agrícolas. Compuesto orgánico halogenado (AOX) . Parámetro que designa la cantidad total de hidrocarburos clorados. Es una medida de la concentración de cloro vinculado a las sustancias orgánicas. Compuesto orgánico volátil (COV) . Sustancia orgánica que participa en las reacciones fotoquímicas de la atmósfera. En los vehículos y calderas se emite a partir de la combustión de petróleo y gas natural, tanto por efectos de la evaporación, como por combustión incompleta. Es responsable de la niebla de verano, o smog fotoquímico. Están presentes en otras sustancias orgánicas de amplia difusión, como por ejemplo los disolventes de tintas y pinturas. Compuesto organometálico. Sustancia química en la que un átomo de carbono de un grupo orgánico se encuentra unido a un metal. Es un tipo de producto muy útil en síntesis orgánica. Compuesto químico orgánico . Sustancia que tiene como componente constante el carbono, en combinación con otros elementos, principalmente hidrógeno, oxígeno y nitrógeno.

Glosario 1189

Concentración. Magnitud que expresa la cantidad de una sustancia por unidad de volumen. Su unidad en el Sistema Internacional es el mol por metro cúbico. Concentración máxima permisible. Cantidad de sustancia que no debe excederse bajo ningún concepto. Condensación. Proceso de formación de un líquido a partir de su vapor. Cuando el aire húmedo se enfría por debajo de su punto de rocío, el vapor de agua se condensa siempre que se hallen presentes superficies o núcleos de condensación, que pueden ser partículas de polvo o iones. La niebla, los cúmulos y las nubes se originan por condensación nuclear. Conservación de la energía . Principio según el cual la energía no puede crearse ni destruirse. Contaminación. Introducción directa o indirecta, como resultado de actividades antropogénicas, de sustancias, vibraciones, calor o ruido, en aire, agua o suelo, que pueden ser perjudiciales para la salud humana o para la calidad del medio ambiente, dando como resultado un daño para la propiedad material, o deteriorando el medio ambiente. Contaminante. Sustancia que aparece en el medio ambiente como resultado de las actividades antropogénicas o naturales, y representa un efecto nocivo al alterar la composición y condición normal del entorno. Contaminación térmica . Calentamiento del medio acuático como resultado de actividades humanas que descargan aguas residuales a alta temperatura tras utilizarlas en procesos industriales. Contaminante antropogénico . Contaminante producido por la actividad humana en diferentes procesos. Contaminante de aire peligroso. Sustancia presente en la atmósfera que no está cubierta por los estándares de calidad del aire, pero que representan una amenaza para la salud humana o para el medio ambiente. Según criterios de la USEPA, se incluyen 1.890 productos químicos. Contaminante orgánico persistente (COP) . Compuesto químico a base de carbono que incluye productos químicos industriales (PCB’s), plaguicidas (DDT) y residuos no deseados (dioxinas). Los COP’s son productos y subproductos de la actividad industrial, y pueden dispersarse a lugares alejados de la fuente de emisión. Se bioacumulan en los tejidos grasos de los organismos vivos. Son persis-

tentes en el medio ambiente, y resisten los procesos de degradación fotolítica, química y biológica. Contaminante primario . Sustancia evacuada directamente al medio natural desde fuentes puntuales o móviles. Algunos ejemplos son: CO2, SO2, HCl, CH4, partículas, etc. Contaminante secundario. Originado por la interacción química entre los contaminantes primarios y los componentes normales del medio. Destacan: SO3, O3, etc. Control del aire. Aplicación de medidas o estrategias utilizadas para la reducción de emisiones contaminantes a la atmósfera. Convección . Mecanismo que designa el desplazamiento advectivo vertical de una magnitud física, como masa, electricidad o calor, debido a las diferencias de densidad. Puede ser natural o forzada mediante un sistema mecánico. Convertidor catalítico. Dispositivo que contiene uno o diversos catalizadores, utilizado como medida correctora para reducir la emisión de contaminantes atmosféricos de los automóviles o de algunas industrias. Coque. Residuo sólido, ligero y poroso, producido por la destilación destructiva de carbones, especialmente hulla. Es muy usado como combustible y como agente reductor de óxidos metálicos. Corrosión. Pérdida por deterioro de un material como consecuencia de reacciones con el medio ambiente. Cracking (Craqueo). Proceso de transformación de determinadas fracciones hidrocarbonadas del petróleo en otras más ligeras por el efecto combinado de temperatura, presión y, a veces, un catalizador. Creosota. Líquido viscoso, de color pardo amarillento y sabor cáustico, que se extrae del alquitrán. Antiguamente era muy utilizado para preservar algunas carnes y maderas de los fenómenos de putrefacción. Cresol. Compuesto orgánico empleado como conservante, herbicida, desinfectante y agente de limpieza en la industria textil. Se obtiene a partir de la hulla o del petróleo y se encuentra en la madera y en otros materiales biogénicos. Se expulsa al medio ambiente a partir de procesos de combustión en vehículos y en sistemas de calefacción domésticos. Es tóxico y tiene la misma aplicación que los fenoles. Cromatografía. Método de análisis químico para la separación de los componentes de una mezcla por distribución entre dos fases, una esta-

1190

Glosario

cionaria y otra móvil, utilizada en un principio para separar sustancias coloreadas. Crudo. Petróleo que se conserva en estado natural, sin purificar o refinar. Cultivo energético . Tipo de cosecha de rápido crecimiento cuyo fin es exclusivamente el aprovechamiento energético, bien directamente o mediante procesos de conversión energética. Curio. Unidad de radiactividad, equivalente a 3,7·1010 becquerels, o desintegraciones por segundo. Curva de potencia . Representación gráfica de la potencia suministrada por un aerogenerador en función de la velocidad del viento incidente. Chimenea. Conducto cerrado a través del cual se desplazan los gases residuales o humos generados en los procesos industriales o energéticos hasta producirse su descarga a la atmósfera. Choque térmico . Rotura de un material frágil, como consecuencia de la tensión causada por un súbito cambio de temperatura. DBO5. Valor de la DBO a los cinco días. Declaración de Impacto Ambiental (DIA) . Documento que identifica y analiza detalladamente los impactos ambientales de una acción concreta. Deflector. Pieza mecánica empleada para modificar la dirección normal de un fluido. Demanda bioquímica de oxígeno (DBO) . Cantidad de oxígeno que necesitan las bacterias para descomponer las sustancias orgánicas biodegradables presentes en un agua residual. Los ensayos suelen hacerse a 20 °C y durante 5 días. Demanda química de oxígeno (DQO) . Cantidad necesaria de oxígeno para oxidar los componentes orgánicos presentes en un agua residual. Depuración aerobia. Tratamiento de aguas residuales mediante la actividad de microorganismos que solo pueden vivir en presencia de oxígeno. Depuración anaerobia . Tratamiento de aguas residuales mediante la actividad de microorganismos capaces de vivir en ausencia de oxígeno. Depuración biológica. Asimilación de la materia orgánica biodegradable presente en las aguas residuales a partir de reacciones redox por parte de microorganismos. Desarrollo sostenible. Proceso que tiende a mejorar la calidad de vida, y que está basado en medidas apropiadas de preservación del equilibrio ecológico, protección del medio ambiente

D

y aprovechamiento de recursos naturales, de manera que no comprometa la satisfacción de las necesidades de las generaciones futuras. Descomposición facultativa. Transformación de la materia orgánica por microorganismos que se adaptan por sí mismos al medio en que se desarrollan, tanto en presencia como en ausencia de oxígeno. Descomposición. Transformación de sustancias orgánicas complejas en otras más simples por medios químicos o biológicos. Desgasificación. Generación de gases provenientes de reacciones anaerobias, y a veces aerobias, que tienen lugar en los vertederos. Desorción. Recuperación o disminución de la cantidad de una sustancia que se encuentra adsorbida en un medio específico. Destilación. Separación de los diferentes componentes de una mezcla líquida mediante la vaporización de la parte más volátil y su condensación posterior. Desulfuración. Tratamiento utilizado para reducir el contenido de azufre de un combustible, de unas aguas residuales antes de ser vertidas, o de unos gases antes de ser emitidos a la atmósfera. Dicloro difenil tricloroetano (DDT). Producto químico sintético clorado, notable por su alta toxicidad para los insectos, aún a pequeñas proporciones de aplicación. Actúa como insecticida por ingestión o por contacto, siendo muy persistente en comparación con los insecticidas naturales antiguos. Junto con otros compuestos clorados orgánicos, ha tenido un efecto destructivo sobre especies superiores en sus cadenas alimentarias, en particular aves de presa y peces. Difusión molecular. Mecanismo de transporte de la materia que tiene lugar a causa del gradiente de concentración. Difusor de aire. Dispositivo situado en el fondo de un reactor biológico por el que fluyen burbujas de aire que se incorporan a las aguas residuales. Digestor aerobio. Depósito en el que tiene lugar la digestión de materia orgánica en presencia de oxígeno o aire. Dilución. Operación química consistente en la disminución de la concentración de una disolución al añadir disolvente. Dinamo. Máquina destinada a transformar la energía mecánica en energía eléctrica, por inducción electromagnética, debida a la rotación de cuerpos conductores en un campo magnético. Dióxido de azufre. Gas incoloro y muy irritante, de fórmula química SO2. Es una sustancia muy

Glosario 1191

contaminante que se genera en los procesos de combustión. En la atmósfera es capaz de oxidarse a trióxido de azufre que puede reaccionar con agua para formar ácido sulfúrico, uno de los componentes de la lluvia ácida. Dióxido de carbono. Gas incoloro e incombustible, componente habitual de la atmósfera, de fórmula química CO2. Las plantas verdes lo utilizan en la fotosíntesis como fuente de carbono. Se libera a la atmósfera como resultado de la combustión, respiración y fermentación. Junto con CH4 y N2O es el principal responsable del efecto invernadero. Dioxina. Nombre genérico de un grupo de compuestos químicos orgánicos, conocidos como dibenzo-paradioxinas policloradas, que aparecen como impurezas tóxicas en los plaguicidas. Directiva. Norma dirigida a los Estados Miembros de la Unión Europea, que están obligados a incorporar su contenido en la normativa estatal. Cada Estado Miembro elegirá la forma y los medios para cumplir el objetivo establecido en la Directiva. Dispersión de contaminantes. Fenómeno mediante el cual las sustancias contaminantes se distribuyen o expanden, de forma que se ven reducidos sus niveles de concentración. DL-0. Concentración y dosis máxima de un producto sin que resulte peligroso para los organismos. DL-10. Concentración y dosis mínima para que un producto tóxico resulte venenoso para los organismos. DL-50. Concentración de un contaminante determinado capaz de producir la mortalidad en el 50% de los individuos. Eco-Management and Audit Scheme (EMAS). Sistema voluntario de gestión y verificación ambiental de ámbito europeo, regido según el Reglamento 1836/93 de 29 de junio. Edafología. Estudio de las características físicas, químicas y biológicas del suelo, y sus relaciones con la vegetación y los cultivos. Efecto fotovoltaico. Conversión directa de energía radiante en energía eléctrica. Efecto invernadero. Calentamiento de la atmósfera producido por la alteración del balance térmico al entrar más energía de la que sale, debido a la presencia de contaminantes que absorben la radiación reflejada por la superficie terrestre. Efecto NIMBY ( not in my back yard ). Reacción que puede producirse en la población de pro-

E

testa por la ubicación de plantas de tratamiento de residuos cerca de su núcleo urbano. Eficiencia energética. 1 Es la relación entre el trabajo útil obtenido por una máquina en relación a la energía invertida para producir ese trabajo; su valor oscila entre 0 y 1, o se expresa en %. También se habla de eficiencia energética al referirse a un equipo que, ofreciendo iguales o mejores prestaciones de servicio, consume menos energía. 2 Relación entre el consumo de energía final y el producto interior bruto de un país. La eficiencia disminuye cuando el consumo de energía crece proporcionalmente más que el PIB. Electrodiálisis . Procedimiento adecuado para la desalación de agua aprovechando las propiedades de unas membranas que, ayudadas por una corriente eléctrica, permiten el paso de iones de un signo determinado, mientras que impide el de los de signo contrario. Electrodo. Conductor eléctrico a través del cual entra o sale una corriente eléctrica en un sistema. Electrólisis. Descomposición de una sustancia en disolución mediante la corriente eléctrica. Electrolito . Sustancia que, en estado líquido o disolución conduce la corriente eléctrica, con transporte de materia, por contener iones libres. Electroquímica. Parte de la fisicoquímica que trata de las leyes referentes a la generación de electricidad por combinaciones químicas y de su influencia en la composición de los cuerpos. Emisión fugitiva. Liberación de contaminantes no controlados por un sistema de captura. Emisión. Liberación directa o indirecta de sustancias, vibraciones, calor o ruido, procedentes de fuentes individuales o difusas existentes en aire, agua o suelo. Emisividad. Capacidad de un material para emitir energía radiante. Es la relación entre la radiación energética emitida por una superficie real y por un radiador ideal a igual temperatura. Endotérmico. Proceso que va acompañado de absorción de calor. Energía. Capacidad de un sistema para realizar un trabajo. Energía alternativa. Nombre con el que también se conoce la energía renovable, debido a la posible sustitución o alternancia de los recursos convencionales o no renovables que actualmente son utilizadas. Energía cinética. Energía que dispone un sistema a causa de su velocidad.

1192

Glosario

Energía eólica. Energía cinética del viento, que puede utilizarse para mover las palas de un aerogenerador y producir energía eléctrica. Energía geotérmica. Energía procedente de la utilización del calor existente en el interior de la Tierra. Energía hidráulica. Energía potencial gravitatoria de una masa de agua que puede ser aprovechada para mover una turbina y generar electricidad. Energía interna . Magnitud de estado cuyo aumento en un sistema equivale a la suma del calor que recibe y el trabajo que realiza. Energía nuclear. Energía que se desprende en las reacciones entre núcleos o partículas atómicas. Se distinguen las reacciones atómicas de fisión, que suponen la rotura de núcleos de átomos para dar otros más ligeros, y las de fusión, donde se unen dos átomos ligeros para dar otro de masa mayor. En ambos casos hay desprendimiento de energía y de partículas contaminantes. Energía primaria. Fuente energética tal y como se obtiene de la naturaleza, sin sufrir transformación o conversión alguna. Energía solar. Energía transmitida desde el Sol en forma de radiación electromagnética. Entalpía. Magnitud termodinámica de un cuerpo, que equivale a la suma de su energía interna más el producto de su volumen por la presión. Se define como el calor transferido durante un proceso isobárico. Entropía. Medida del grado de desorden de un sistema. Es una magnitud termodinámica que mide la fracción no utilizable de la energía contenida en un sistema. Su variación en un proceso diferencial reversible equivale al cociente entre el calor absorbido del entorno y la temperatura absoluta del sistema. Escala de Bacharach . Graduación consistente en un conjunto de diez placas que se oscurecen gradualmente del blanco al negro y que permite medir la opacidad de un filtro al retener los humos. Escorrentía. Agua que fluye sobre la superficie del suelo en lugar de infiltrarse. Puede arrastrar materiales y por tanto sustancias contaminantes disueltas o en suspensión; puede originar erosión. Espesamiento de fangos. Separación de parte del agua contenida en los fangos por gravedad o por flotación, con un aumento de la concentración de la materia seca del lodo. Espirómetro. Instrumento destinado a la medición del flujo de aire.

Estación de muestreo. Conjunto de equipos instrumentales que resultan necesarios para medir la concentración de un contaminante en un lugar determinado. Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR). Instalación destinada a la reducción de la carga contaminante presente en las aguas residuales, antes de su abocamiento a un medio receptor, por lo general un cauce fluvial. Estado. Conjunto de los valores de las variables que definen todas las propiedades de un sistema. Estándar de calidad ambiental . Valor establecido como límite para un cuerpo receptor en un lugar determinado, y calculado en función de los objetivos de calidad ambiental y de las características particulares de dicho cuerpo receptor en el referido lugar. Estequiometría. Relación numérica entre las masas de los elementos que forman una sustancia y las proporciones en que se combinan los elementos o compuestos en una reacción química. Éster. Compuesto orgánico, insoluble en agua, que resulta de sustituir un átomo de hidrógeno de un ácido por un radical alcohol. Esterificación. Proceso de formación de un éster mediante la reacción de un ácido y un alcohol. Esta reacción se utiliza para sintetizar ciertos biocarburantes. Esterilización. Proceso de destrucción de microorganismos o de organismos indeseables por medios químicos, físicos o biológicos. Se aplica especialmente a los residuos sanitarios. Estratificación térmica. Existencia de un volumen de aire o agua con una sucesión de capas bien diferenciadas, cada una a temperatura diferente y a profundidades distintas. Estufa de secado. Instrumento utilizado para determinar la humedad de los materiales. Se basa en la introducción de una muestra a menos de 100 °C en una estufa con circulación forzada de aire hasta obtener un peso constante, comparando entonces el peso de entrada y salida. Es el sistema más fiable para determinar la humedad. Etanol. Alcohol cuya molécula tiene dos átomos de carbono. Es un líquido incoloro de sabor urente y fuerte olor, que arde fácilmente dando llama azulada y poco luminosa. Es miscible en agua y en la mayoría de disolventes orgánicos. Se obtiene por destilación de productos de fermentación de sustancias azucaradas o feculentas, como uva, remolacha o patata. Forma parte de muchas bebidas, además de ser muy empleado a escala industrial. Su fórmula química es CH3CH2OH.

Glosario 1193

La USEPA lo ha propuesto como combustible limpio, capaz de hacer funcionar vehículos en las ciudades más afectadas por smog. Éter. Compuesto químico que resulta de la unión de dos moléculas de alcohol con pérdida de una molécula de agua. Son líquidos ligeros que se emplean como disolventes. Su fórmula general es R-O-R’. Éter etílico. Líquido transparente, inflamable y volátil, de olor penetrante y sabor dulzón, que se obtiene al calentar a elevada temperatura una mezcla de alcohol etílico y ácido sulfúrico. Eutéctico. Punto de fusión de una mezcla de dos compuestos. El punto de fusión de la mezcla es inferior a los puntos de fusión de cualquiera de ellos. Eutrofización . Proceso natural en ecosistemas acuáticos, especialmente en lagos, que se caracteriza por un aumento en la concentración de nutrientes, con los consiguientes cambios en la composición de los ecosistemas. Evaporación. Proceso de transformación de un líquido en vapor. Exergía. Parte de la energía que sí puede transformarse en trabajo mecánico. Es la medida cuantitativa de la máxima cantidad de trabajo que puede obtenerse de un desequilibrio entre un sistema físico y el entorno que lo rodea. Exotérmico. Proceso que va acompañado de desprendimiento de calor. Exposición. Cantidad de radiación o de cualquier sustancia contaminante presente en un hábitat que constituye un peligro potencial para los organismos que lo habitan. Externalidad . Coste o beneficio asociado a una actividad económica concreta que, sin embargo, recaen indiscriminadamente sobre la sociedad y el medio ambiente, no encontrándose contemplados en la estructura del precio del producto o actividad que los ocasiona. Extracción. Separación de los componentes de una mezcla líquida por contacto con un disolvente adecuado inmiscible con ella. Fango. Materia sólida que se deposita en el fondo de las fosas sépticas o de los tanques de sedimentación de las plantas de tratamiento de aguas residuales. Debe procesarse mediante digestión bacteriana u otros métodos, o extraerse con bombas para su vertido, incineración o compostaje. Fango activado. Materia que contiene microorganismos capaces de estabilizar ciertos contami-

F

nantes por vía aerobia, eliminando la materia orgánica carbonosa y/o nitrogenada. Fango deshidratado. Fango que ha estado sometido a un proceso mecánico para aumentar la sequedad. Fango digerido. Lodo sometido a un proceso de fermentación aerobia o anaerobia con estabilización y reducción de la materia orgánica. Fango primario. Lodo obtenido en el proceso de decantación primaria en el tratamiento de aguas residuales. Fenol. Alcohol derivado del benceno, de fórmula química C6H5OH, obtenido por la destilación de aceites de alquitrán. Fermentación. Proceso de descomposición lenta de las sustancias orgánicas producido por microorganismos o enzimas que no se modifican a lo largo de las reacciones. La fermentación suele ir acompañada de desprendimiento de calor y gases. Fermentación aerobia. Degradación de la materia orgánica en presencia de oxígeno. Fermentación anaerobia . Degradación de la materia orgánica en ausencia de oxígeno, que da lugar al biogás. Filtro bacteriano. Recinto cerrado, recubierto por un material de alta superficie específica, por donde circula el aire o el agua proveniente de dispositivos estáticos, en sentido descendente, y se produce la depuración biológica. También llamado biofiltro o filtro biológico. Filtro biológico. Dispositivo provisto con cubierta natural o sintética, destinado a depurar biológicamente la carga contaminante mediante la acción de microorganismos situados en la superficie. Filtro electrostático. Dispositivo de depuración de gases en que las partículas se retienen cargándolas eléctricamente y atrayéndolas posteriormente hacia una superficie de carga contraria, de la que se desprenden por procedimientos mecánicos. Fisión nuclear. Rotura de un núcleo de un átomo, con liberación de energía, tal como se produce mediante el bombardeo de dicho núcleo con neutrones. Fisión nuclear. Separación de un núcleo atómico en dos o más núcleos, con la consiguiente generación de energía. Fitosanitario. Sustancia o producto utilizado con la intención de proteger a las plantas de posibles enfermedades.

1194

Glosario

Fluido caloportador. Aire, agua u otro fluido que pasa a través de un colector, o que está en contacto con él, extrayendo la energía térmica captada. Fluorocarbono. Compuestos orgánicos análogos a los hidrocarburos donde uno o más átomos de hidrógeno han sido reemplazados por átomos de flúor. Al principio eran muy utilizados como propelentes en aerosoles, mientras que actualmente se utilizan como refrigerantes en algunos procesos industriales. Formaldehído. Gas incoloro de olor picante, muy soluble en agua, resultante de la oxidación del metanol. Es tóxico a bajas concentraciones, afectando a la calidad de interiores. Su fórmula química es CH2O. Fosfato. Sal del ácido fosfórico, que forma parte de los organismos vivos. Se suele asociar a los detergentes, donde ablanda el agua al retener el calcio y el magnesio. Su vertido incontrolado produce alteraciones en el ecosistema, como el crecimiento desordenado de algas, lo que deriva en episodios de eutrofización. Fosgeno. Gas muy tóxico que interfiere en el sistema nervioso causando una inflamación pulmonar. Se produce en el calentamiento de agentes desengrasantes (por ejemplo, tricloroetileno), en procesos de plateado de metales y en la combustión de algunos compuestos clorados (cloruro de polivinilo) si la temperatura es alta y hay monóxido de carbono en la atmósfera. Su fórmula molecular es COCl2. Fotoconductor. Material cuya conductividad eléctrica varía según la intensidad de la luz que lo ilumina. Fotodegradable. Material vulnerable a los rayos ultravioletas procedentes del Sol. En el caso de algunos plásticos, la luz debilita los polímeros y rompe las cadenas en unidades más cortas. Fotón. Cada una de las partículas que constituyen la luz y, en general, la radiación electromagnética en aquellos fenómenos en que se manifiesta su naturaleza corpuscular. Fotoquímica. Parte de la química que estudia la interacción de las radiaciones luminosas y las moléculas, así como los cambios físicos y químicos que resultan de ella. Fotosíntesis. Proceso metabólico específico de ciertas células de los organismos autótrofos, por el que se sintetizan sustancias orgánicas a partir de otras inorgánicas, utilizando la energía luminosa. Freón. Nombre comercial de ciertos hidrocarburos fluorados, muy utilizados industrialmente como refrigerantes. Al principio este nombre

englobaba a los primeros derivados halogenados de metano y de etano, ampliándose posteriormente a toda la familia de CFC’s. Tienen gran estabilidad frente a los agentes químicos y tendencia a migrar hacia la estratosfera donde reaccionan con el ozono presente. Frigoría. Unidad de medida de absorción de calor, empleada en la técnica de la refrigeración. Corresponde a la absorción de una kilocaloría. Ftalato. Compuesto químico derivado del ácido ftálico, liposoluble, y muy utilizado en la fabricación de plásticos. Fuelóleo. Fracción pesada del petróleo natural obtenida por rectificación o mezcla de otras fracciones, utilizada como combustible. Fuente de emisión difusa. Foco emisor que tiene más de un punto de emisión o que no está canalizado en ningún punto de salida. Fuente de emisión estacionaria. Foco emisor de contaminación inamovible. Suele referirse a instalaciones industriales. Fuente de emisión. Instalación a través de la cual se vierten o emiten sustancias contaminantes. Fuente de energía. Recurso que permite la producción de energía útil directamente o mediante procesos de transformación. Furano. Término que engloba un grupo de compuestos químicos cuyo nombre genérico es policloro-dibenzofuranos (PCDF). Es un grupo de 135 compuestos de estructura y efectos similares a las dioxinas y cuyas fuentes de generación son las mismas. Se considera que estos compuestos son los contaminantes principales de los policlorobifenilos (PCB’s). Furfural. Derivado aldehídico del furano. Se obtiene a partir de productos ricos en azúcares (pentosas). Es muy utilizado como disolvente. Fusión nuclear. Reacción nuclear producida por la unión de dos núcleos ligeros que da lugar a un núcleo más pesado, con gran desprendimiento de energía. La energía solar se origina por la fusión nuclear del hidrógeno. Gas azul de agua. Combustible compuesto por una mezcla a partes iguales de monóxido de carbono e hidrógeno, que se obtiene haciendo pasar vapor de agua sobre coque incandescente en generadores especiales. La potencia calorífica es de 2.600 kcal/m3. También llamado gas pobre. Gas de alcantarilla. Gas combustible recogido en los tanques de digestión de fangos de alcantarilla. Este gas tiene baja propagación de llama, con potencias caloríficas que oscilan entre 5.800 y 6.700 kcal/m3.

G

Glosario 1195

Gas de altos hornos. Combustible de escaso poder calorífico, producto secundario de los procesos de obtención del hierro, empleado para calentar el aire. Puede contener hasta un 30% de CO. Su potencia calorífica aproximada es de 950 kcal/m3. Gas de efecto invernadero . Compuesto químico gaseoso cuya emisión a la atmósfera contribuye al efecto invernadero. Destacan: CO2, CH4 y N2O. Gas de hulla. Gas obtenido industrialmente por carbonización de las hullas bituminosas en las fábricas de gas de alumbrado, sea en hornos de coque o por carbonización a baja temperatura. Gas de petróleo. Gas de gran potencia calorífica obtenido por destilación de aceites minerales de elevado punto de ebullición. Consiste principalmente en metano, etileno, acetileno, y otros compuestos de número de carbono elevado. Gas licuado del petróleo (GLP) . Mezcla de hidrocarburos ligeros, básicamente propano y butano, gaseosos en condiciones normales de temperatura y presión, que se lleva al estado líquido. Gas mostaza. Compuesto químico de fórmula general (CH2CH2)2Cl2S, sulfuro de dicloro dietil. Es un gas tóxico, de color amarillento, utilizado como arma de guerra durante la Primera Guerra Mundial. Gas natural. Combustible fósil procedente de formaciones geológicas, formado principalmente de metano. Se forma en el interior de la Tierra, en cuencas sedimentarias donde puede presentarse asociado al petróleo. Gas noble. Cada uno de los elementos químicos de un grupo formado por helio, neón, argón, kriptón, xenón y radón, que por su estructura atómica son químicamente inactivos. Con excepción del radón, todos pueden encontrarse en el aire atmosférico. Gas pobre. Mezcla de gases de bajo poder calorífico, cuyos principales componentes son el hidrógeno y el óxido de carbono. Se produce por la acción del vapor de agua y del aire sobre el carbón candente. Ver gas azul de agua. Gasificación. Tratamiento térmico consistente en una oxidación parcial, entre 600 y 1.000 °C, a que se someten los residuos con un elevado contenido en carbono, obteniendo una mezcla de gases de descomposición y un residuo sólido que puede ser combustible. Gasoducto. Tubería de grueso calibre y gran longitud empleada para transportar a grandes distancias gas combustible procedente de emanaciones naturales.

Gasóleo. Fracción destilada del petróleo crudo, con punto de inflamación de 76 °C, que se purifica especialmente para eliminar el azufre. Se emplea normalmente en motores diesel y como combustible en hogares abiertos. También se conoce como aceite diesel, aceite solar o aceite de gas. Gasolina. Mezcla de hidrocarburos líquidos volátiles e inflamables obtenidos del petróleo crudo, que se usa como combustible en diversos tipos de motores. Tiene un peso específico de 0,745, y un punto de inflamación entre 21 y 38 °C. Generador fotovoltaico . Conjunto de todos los elementos que componen una instalación fotovoltaica necesarios para suministrar la energía eléctrica a partir de radiación solar. Gestión ambiental. Conjunto de acciones encaminadas a lograr la máxima racionalidad en el proceso de decisión relativo a la conservación, defensa, protección y mejora del medio ambiente, a partir de un enfoque interdisciplinario y global. Gestión de residuos. Práctica que consiste en utilizar diversas técnicas alternativas para tratar el flujo de residuos generados en las actividades antropogénicas. Las alternativas incluyen: reducción en origen, reciclaje, compostaje, valorización energética, vertido, etc. Glicol. Molécula que contiene grupos alcohólicos sobre átomos de carbono adyacentes. Es muy empleado como disolvente y anticongelante. Grado francés. Unidad de medida de la dureza del agua equivalente a 10 mg CaCO 3 /l. Gray. Unidad de dosis absorbida de radiación ionizante del Sistema Internacional, equivalente a una absorción de un julio por kilogramo. Grisú. Gas combustible que emana naturalmente de ciertas clases de hullas. En general, es una combinación de metano y otros hidrocarburos. Forma mezclas gaseosas inflamables y explosivas en combinación con el aire. Halocarbono. Hidrocarburo halogenado. Halón. Compuesto orgánico de la familia de los clorofluorocarbonos que contiene bromo en su estructura. Se caracterizan por su elevada persistencia en la atmósfera, y por contribuir a la degradación de la capa de ozono. Heptacloro. Insecticida clorado. Se descompone en el suelo en forma de heptacloroepóxido, que es una sustancia más estable y peligrosa que el heptacloro original.

H

1196 Hertz .

Glosario

Unidad de frecuencia del Sistema Internacional, que equivale a la frecuencia de un fenómeno electromagnético cuyo periodo es un segundo. Heterociclo . Estructura cíclica o en anillo en la que uno o más átomos constituyentes no son de carbono. Estos átomos pueden ser principalmente de nitrógeno, de oxígeno o de azufre. Hexaclorociclohexano. Compuesto químico estrictamente reservado a determinados usos a causa de sus efectos sobre la salud humana y el medio ambiente. La Directiva 84/491 establece valores límite, objetivos de calidad, plazos, métodos de medición y procedimientos de control para los vertidos. La Orden de 12 de noviembre de 1987 adaptó la legislación española a esa Directiva. Hidracina. Compuesto químico de fórmula general N2H4. Es un líquido aceitoso, muy inestable, venenoso y de olor semejante al amoniaco. Es muy empleado en la industria y como combustible de misiles. Hidrato de carbono. Cada una de las sustancias orgánicas formadas por carbono, hidrógeno y oxígeno, que contienen los dos últimos elementos en la misma proporción que la existente en el agua. Son ejemplos la glucosa, el almidón y la celulosa. Hidrocarburo. Compuesto orgánico resultante de la combinación de carbono e hidrógeno. Puede ser alifático, si forma cadenas abiertas, o aromático, si forma ciclos o anillos. Algunos hidrocarburos de estructura complicada construyen un problema para la salud ya que son no biodegradables y cancerígenos, como el benzopireno. Productos compuestos de hidrocarburos son el crudo del petróleo y el gas natural. Hidrocarburo aromático policíclico (PAH) . Producto químico proveniente de la combustión incompleta de combustibles sólidos y líquidos, formado por compuestos orgánicos con mas de un núcleo de benceno y cuyo punto de ebullición es superior a 100 °C. Es uno de los más peligrosos contaminantes del aire por su alta retención en los pulmones y por su efecto cancerígeno. Se origina en motores de combustión interna, hornos, incineradoras, humo de cigarrillos, estufas y calefactores, procesos de pirólisis, fundiciones, incendios forestales, quema de desechos, etc. Hidrocarburo clorado . Compuesto químico en el que uno o varios átomos de hidrógeno han sido sustituidos por cloro. Es un pesticida persisten-

te que suele acumularse en la cadena alimentaria. Destacan el DDT, el aldrín y el TCE. Hidrocarburo natural. Compuesto orgánico formado por descomposición de los restos de plantas y animales. Comprende diversos tipos de carbones, aceites minerales, petróleo, parafina, resinas fósiles y betunes sólidos que se presentan en las rocas. Hidroclorofluorocarbono (HCFC) . Compuesto químico muy utilizado a escala industrial por sus propiedades refrigerantes. Aunque en menor media que los CFC’s, también contribuye al efecto invernadero. Hidrofluorocarbono (HFC). Compuesto químico inflamable pero poco tóxico, que puede emplearse en diversas aplicaciones con el mínimo riesgo, aún en el caso de fuga accidental. Su emisión atmosférica supone el incremento del efecto invernadero. Hidrogenación . Proceso en el que se adiciona hidrógeno a compuestos orgánicos insaturados. Se usa como técnica de tratamiento de residuos, ya que las formas hidrogenadas son menos agresivas que las originales. Hidrógeno. Elemento químico de número atómico 1. Es el elemento gaseoso más ligero y abundante de la corteza terrestre. En la atmósfera se encuentra en su forma molecular H2, gas incoloro, inflamable e inodoro. Se utiliza como combustible, y en la industria química para la hidrogenación de distintos productos como grasas y petróleos. Tiene dos isótopos naturales, protio y deuterio, y uno artificial, el tritio. En la industria química se emplea en la síntesis de muchos compuestos. Sus isótopos se convierten en helio produciendo una gran cantidad de calor y emitiendo radiaciones en la reacción termonuclear. Es inflamable. Hidrólisis. Descomposición de ciertas sustancias químicas por reacción con el agua. Hidrosfera. Conjunto de partes líquidas que forman la superficie terrestre. Higrómetro. Aparato utilizado para medir la humedad del aire. Hogar. Lugar donde se produce la combustión en contacto directo con el aire, ya se trate de chimeneas, fogones o calderas. Hollín. Partículas finas de carbón, agrupadas en cadenas largas que se generan durante la combustión incompleta de los combustibles. Hollín ácido. Partículas de carbón unidas por efecto del agua en estado ácido por su combinación con trióxido de azufre. Dichas partículas proce-

Glosario 1197

den de la combustión, y tienen entre 1 y 3 µm plomo. Las Directivas 78/611, 85/210 y 87/416 de diámetro. En las instalaciones donde se queimponen un octanaje mínimo de 85,0 para la proman aceites pesados el hollín puede formar sultección de la salud y el medio ambiente. fato de hierro, causando una coloración marrón Inertización. Operación destinada a reducir la y efectos indeseables sobre materiales y la pincarga contaminante de un residuo. Consiste en tura. La emisión de hollín ácido puede reducirmezclar el residuo con reactivos específicos se con el uso de combustibles con bajo contenicon el objetivo de obtener un material inerte. do en azufre, reduciendo el flujo de aire para Inmisión. Concentración detectada de un contamiminimizar la formación de trióxido de azufre, nante atmosférico en un receptor alejado de la construyendo calderas inaccesibles al aire, aisfuente emisora. lando las chimeneas y aumentando la tempera- Insaturación . Dicho de una estructura química tura. que posee uno o varios enlaces covalentes múltiples. Horno continuo de incineradora . Horno de gran capacidad que funciona con alimentación con- Insolación. Radiación solar total que llega a la tinua de RSU, así como con continua extracplaca de cubierta del colector. Comprende las ción de cenizas y escorias. radiaciones difusa, directa y reflejada. Depende de la posición de la Tierra sobre su órbita, del Horno solar. Horno a gran temperatura obtenida mediante la concentración de los rayos solares espesor y transparencia de la atmósfera, de la sobre el material sometido a tratamiento térmico. inclinación de la superficie que intercepta los Hulla. Variedad de carbón con un contenido en rayos solares y de la constante solar. carbono del orden del 80%, empleado como Instalación offsite. Planta de tratamiento, lugar de combustible y para la fabricación de coque almacenamiento o zona de depósito de residuos siderúrgico. Su poder calorífico oscila entre que se encuentra alejada del lugar de generación. Instalación onsite. Planta de tratamiento, lugar de 7.000 y 8.700 kcal/kg. Humo. Partículas finas, de origen carbonoso, susalmacenamiento o zona de depósito de residuos pendidas en el aire, y que se originan por conque se encuentra localizada en el mismo lugar densación de vapores y arrastre de partículas de generación. sólidas. También pueden formarse por sublima- Intensidad de emisión. Cantidad de contaminanción y otras reacciones químicas. Absorben la tes emitidos por unidad de tiempo. luz y pueden ser medidas por reflectometría Intercambiador de calor. Dispositivo que transdespués de haber sido recogidas sobre un filtro. fiere el calor de una sustancia a otra, sin mezclarlas. Ignición. Acción de iniciarse una combustión. Impacto ambiental. Respuesta de la naturaleza International Organization for Standardization ante la modificación que las actividades antro(ISO). Organización que agrupa organismos de pogénicas ejercen sobre un ecosistema, resultanagrupaciones nacionales de diversos países, te de una serie de efectos negativos y positivos. con el objeto de favorecer el desarrollo de la Incineración. Proceso tecnológico utilizado para promoción y apoyo de actividades conexas en degradar térmicamente los residuos sólidos y el mundo estableciendo estándares de cálculo y líquidos, que suele llevarse a cabo con exceso medida en materiales y procesos, para facilitar de aire y sin el empleo de combustibles adicioel intercambio de mercancías y servicios entre nales. naciones. Índice de contaminación. Coeficiente numérico Inversión térmica. Aumento anómalo de la temque representa la desviación de la contaminaperatura con la altura en la troposfera. Cerca ción medida en relación con la concentración del suelo, la inversión se acompaña frecuentede referencia. mente de niebla. En altura indica el límite de . Unidad que expresa el poder antimasas de aire diferentes o el límite de la troÍndice de octano detonante de una gasolina u otros carburantes en posfera. Cuando el viento está en calma puede relación con cierta mezcla de hidrocarburos tomaacumularse polvo y gases en la atmósfera y dos como referencia, el isooctano y el heptano. producir smog. Una gasolina de alto octanaje tiene mayores pro- Inyector. Dispositivo mecánico utilizado para piedades antidetonantes que la de bajo octanaje. inyectar fluidos a presión dentro de un horno. El índice de octano puede incrementarse refinan- Ión amonio. Radical monovalente formado por do más la gasolina o añadiéndole tetraetilo de un átomo de nitrógeno y cuatro de hidrógeno,

I

1198

Glosario

de fórmula química NH4+, y que en sus combinaciones tiene semejanzas con los metales alcalinos. Irradiación. Transmisión de luz, calor u otra energía. En procesos de desinfección y potabilización del agua se utiliza radiación solar. Las radiaciones ultravioleta eliminan los microorganismos existentes en el agua. Este proceso no puede aplicarse a grandes caudales de agua ya que el poder de penetración es limitado; el 30% de la radiación se pierde en profundidades superiores a 5 cm en aguas limpias y a 1 cm en agua fluvial. Irradiancia . Flujo de radiación solar que incide sobre una superficie por unidad de tiempo. Se trata de una densidad de potencia. Isobárico. Proceso desarrollado a presión constante. Isómero. Compuestos que, con igual composición química, tienen distintas propiedades físicas. Isotérmico. Proceso desarrollado a temperatura constante. Isótopo. Cada uno de los elementos químicos con el mismo número atómico pero distinta masa atómica. Muchos elementos químicos tienen algún isótopo inestable y radiactivo que se descompone en otros elementos liberando radiactividad. Julio. Unidad de trabajo del Sistema Internacional, que equivale al trabajo producido por una fuerza de un newton cuyo punto de aplicación se desplaza un metro en la dirección de la fuerza. Lavado de gases. Sistema de depuración de gases por vía húmeda. Se circula el gas a través de una nebulización de agua, o agua con aditivos, que actúa de filtro para las partículas sólidas o reaccionan con ellas. Lechada. Masa muy suelta de cal o yeso, o de cal mezclada con arena, o de yeso con tierra. Lecho (o era) de secado . Equipo de tratamiento en el proceso de secado de fangos procedentes de depuradoras de aguas residuales. Está formado por un drenaje, una capa de grava y otra de arena de diferentes granulometría. Su objetivo es eliminar el agua contenida en los fangos tras el proceso de digestión. Lecho bacteriano. Filtro constituido por gravilla, utilizado en la fase final de algunos tratamientos de aguas residuales. Licor negro. Residuo combustible proveniente de las fábricas de pasta de papel. Está compuesto por una parte mineral y otra orgánica, formada mayoritariamente por lignina. Lignina. Celulosa compuesta principalmente por compuestos aromáticos. Es un compuesto orgá-

nico presente en los tejidos leñosos de las plantas, que sirve para darles consistencia. Es poco degradable. Lignito. Variedad de carbón mineral con un contenido en carbono del orden del 70%, y de color negro o parduzco. Se trata de un carbón mineral intermedio entre la turba y la hulla, con un gran contenido de humedad. Su poder calorífico oscila entre 2.000 y 4.500 kcal/kg. Límite de detección (LOD) . Capacidad de un método analítico para detectar los componentes de una muestra. Es la concentración más pequeña, diferente de cero, que puede ser determinada por una única medición dentro de un nivel de probabilidad especificado. Límite de emisión. Nivel de emisión que, de acuerdo con la legislación, no se debe superar. Lípido. Sustancia orgánica insoluble en agua y soluble en disolventes orgánicos. Comúnmente se llaman grasas. Litosfera. Envoltura rocosa que constituye la corteza exterior sólida de la Tierra. Lixiviación. Proceso de separación de uno o más componentes de un material sólido mediante la acción del agua, que actúa como disolvente. Lodo. Residuo semisólido producido en procesos de tratamiento de agua o aire, que puede constituir un residuo peligroso. Este término se aplica con más propiedad a los residuos pastosos de la industria minera, reservando la palabra fango para los lodos de naturaleza eminentemente orgánica. Lumen. Unidad de flujo luminoso del Sistema Internacional, que equivale al flujo luminoso emitido por una fuente puntual uniforme situada en el vértice de un ángulo sólido de un estereorradián y cuya intensidad es una candela. Lluvia ácida. Precipitación caracterizada por un elevado contenido en ácidos disueltos, principalmente óxidos de azufre y de nitrógeno, procedentes de combustiones industriales. Materia en suspensión. Parámetro que determina la calidad del agua mediante la medida de la cantidad de partículas que pueden ser decantadas o retenidas con un filtro de 0,45 micras. Materia orgánica . Sustancia cuyo componente constante es el carbono. Término empleado para designar a los residuos de alimentos, restos de poda y jardinería, papeles y celulosa mojados. Es fácilmente fermentable y se utiliza para la fabricación de compost. Mejor tecnología disponible (MTD) . Tecnología más avanzada del mercado para un sector de

JL M

Glosario 1199

actividad, capaz de reducir al mínimo las emisiones, además de ser rentable desde el punto de vista económico. Melaza. Líquido más o menos viscoso, de color pardo oscuro y sabor muy dulce, que queda como residuo de la fabricación del azúcar de caña o remolacha. Mercaptano. Compuesto azufrado muy oloroso. Se utiliza para detectar olfativamente la presencia de gases naturales inodoros. Metal pesado. Cada uno de los metales caracterizados por un peso atómico relativamente elevado. Algunos metales pesados son: plomo, cadmio, cromo, mercurio, paladio, etc. Incluso en pequeñas concentraciones pueden dañar a los seres vivos, ya que tienden a acumularse en los organismos. Metano. Hidrocarburo producto de la descomposición anaerobia de la materia orgánica, de fórmula química CH4. Es el componente principal del gas natural y del biogás. Junto con CO 2 y N2O es el principal gas responsable del efecto invernadero. Metil mercaptano. Compuesto químico formado por emisiones biogénicas en procesos anaerobios, emanaciones y estiércol de animales. Fuentes antropogénicas son la fabricación de pulpa de papel y el refino de petróleo. Tiene una vida estimada de tres días. Método de análisis. Procedimiento analítico que permite determinar cualitativa y cuantitativamente la presencia de contaminantes. Método Kjeldahl. Método analítico utilizado para determinar el nitrógeno total basado en una oxidación o combustión húmeda. Consiste en convertir el nitrógeno orgánico presente en la muestra en nitrógeno amoniacal mediante una digestión con ácido sulfúrico. Para aumentar el punto de ebullición se utiliza sulfato de potasio o sulfato de sodio y para catalizar la oxidación de la materia orgánica se emplea mercurio, selenio o cobre. El nitrógeno amoniacal formado se libera durante una destilación mediante la adición de un álcali. Mol. Cantidad de materia de una sustancia que equivale a su peso molecular expresado en gramos. Un mol de un gas ideal a 0 °C y 1 atm ocupa un volumen de 22,4 litros. Monóxido de carbono . Gas incoloro, inodoro, inflamable y muy tóxico, que se genera en la combustión incompleta de materiales orgánicos y combustibles fósiles. Su fórmula química es CO. Suele encontrarse en la atmósfera en con-

centraciones bajas, aunque por encima del 0,01% resulta altamente tóxico. Sus propiedades reductoras hacen que sea utilizado en muchos procesos industriales. Se origina por la oxidación incompleta de hidrocarburos. Su vida media estimada oscila entre 30 y 90 días. Monóxido de nitrógeno . Gas generado en los motores de combustión al realizarse esta reacción a alta temperatura y presión. Su fórmula química es NO. Se transforma rápidamente a dióxido de nitrógeno, y contribuye al smog fotoquímico. Motor. Máquina destinada a producir movimiento a expensas de otra fuente de energía. Motor de gasolina . Motor que funciona con la energía producida por la combustión de una mezcla de aire y gasolina. Las altas temperaturas que alcanza generan sustancias contaminantes, como óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono e hidrocarburos. Motor diesel. Motor de explosión en que el combustible consiste en aceites pesados, y la combustión se produce por la alta temperatura alcanzada mediante la compresión del aire dentro del cilindro. Las Directivas Europeas 72/306, 77/537, 80/77 y 87/351 hacen referencia a la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor. Motor hidráulico. Motor que aprovecha la energía de un salto o una corriente de agua. Muestreo isocinético. Técnica que permite tomar una muestra representativa, en condiciones reales, en un conducto igualando la velocidad lineal del flujo de gas y la velocidad de succión en la entrada de la boquilla de la sonda de muestreo. Es una técnica aplicable a las fuentes fijas que generan emisiones de material particulado a la atmósfera. Multiciclón. Equipo formado por varios ciclones, empleado para el tratamiento de gases. Mutágeno. Agente capaz de producir alteraciones en la estructura genética de un organismo. Pueden ser agentes químicos o radiaciones. Naftaleno. Hidrocarburo aromático que resulta de la condensación de dos anillos de benceno.

N

National Emissions Standard for Hazardous Air Pollutants (NESHAPs). Normas establecidas

por la CAA con el objetivo de regular los contaminantes atmosféricos que producen efectos dañinos sobre la salud humana a bajas concentraciones. Entre estas sustancias destacan: arsénico, asbesto, benceno, mercurio, radionucleidos, cloruros de vinilo, etc.

1200

Glosario

Neutralización. Operación que consiste en dosificar una disolución básica o ácida para ajustar el pH al valor neutro. Niebla fotoquímica. Mezcla de gases que se forman en los niveles bajos de la atmósfera cuando los rayos solares actúan sobre los óxidos de nitrógeno emitidos por fuentes contaminantes, precursores de reacciones fotoquímicas donde se genera ozono. La intensidad del smog (o niebla) está relacionada con la concentración en las capas atmosféricas inferiores. Nitrógeno Kjeldahl. Parámetro que determina la concentración de nitrógeno en forma de amonio, proteínas, aminas, etc., de una muestra. Norma de calidad ambiental (EQS) . Serie de requisitos que establece la legislación comunitaria que deben colmarse en un tiempo determinado en un entorno concreto. Nube polar estratosférica (NPE) . Nube presente en el hemisferio sur, formada por partículas químicas congeladas que aceleran el proceso de destrucción de la capa de ozono. Nucleido. Núcleo atómico caracterizado por contener igual número de protones que de neutrones. Objetivo de calidad ambiental (EQO) . Meta necesaria para cumplir un requisito particular del medio receptor, ya sea aire, agua o tierra. Occupational Safety and Health Act (OSHA) . Ley federal estadounidense que hace referencia a las condiciones ambientales y a la seguridad laboral. Octano. Hidrocarburo saturado cuya molécula consta de 8 átomos de carbono y 18 de hidrógeno. Es un líquido incoloro, de punto de ebullición 126 °C, obtenido a partir del petróleo. Odorante. Producto natural o artificial que produce olor. Se utiliza en alimentos y bebidas, y su uso está sometido a reglamentaciones técnicosanitarias. Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE) . Asociación fundada en 1961 cuyo objetivo es la planificación e intensificación de la colaboración económica entre todos los países miembros y la coordinación de la ayuda al desarrollo. Orujo. Residuo pastoso proveniente de la aceituna después de prensarla para extraer el aceite, el cual todavía se somete a una segunda extracción con disolventes. Se puede emplear como combustible. Ósmosis inversa. Proceso industrial para eliminar iones y otras sustancias presentes en el agua

O

forzando la circulación del flujo a través de una membrana semipermeable a una presión superior a la presión osmótica de forma que el flujo circula en dirección contraria a la del flujo osmótico normal. Se emplea en procesos de desalinización de agua y en descontaminación de aguas residuales. Ósmosis. Paso de disolvente pero no de soluto en dos disoluciones de distinta concentración separadas por una membrana semipermeable. Oxidación húmeda. Oxidación de los contaminantes orgánicos por la acción del oxígeno a altas temperaturas (entre 150 y 350 °C) y a presiones elevadas (entre 10 y 220 bar). Óxido de nitrógeno (NOx). Nombre común que engloba a NO y NO2, formados por la elevada presión y temperatura presentes en la cámara de combustión. El monóxido de nitrógeno (NO) es un gas que se oxida rápidamente a dióxido de nitrógeno (NO2), un contaminante muy perjudicial a altas concentraciones que participa, junto con otros contaminantes, en la acidificación y eutrofización. Óxido nitroso. Gas incoloro de olor y sabor dulce, soluble en agua, alcohol, éter y benceno. Es utilizado como anestésico suave. También se conoce como dióxido de nitrógeno o gas hilarante. Su fórmula química es N2O. Las bacterias desnitrificantes del suelo y los océanos son fuentes naturales de óxido nitroso. La combustión también genera este contaminante, que tiene una vida media de más de 100 años. Ozono. Forma alotrópica del oxígeno, de fórmula química O3, resultante de las reacciones fotoquímicas de la atmósfera. Tiene un elevado carácter oxidante. A nivel troposférico es muy tóxico e irritante, pero en la estratosfera constituye un elemento esencial para proteger la vida terrestre de la radiación solar. Se genera por la acción de radiaciones ultravioleta sobre el oxígeno, así como cuando el aire o el oxígeno sufren una descarga eléctrica silenciosa. Es un poderoso agente oxidante y se emplea en el acondicionamiento de aire para ventilación. Tiene una vida estimada de 0,005 días. Como contaminante contribuye de forma muy importante al smog fotoquímico. Panel Intergubernamental de Cambio Climático (IPCC). Organismo fundado en 1988 por la Organización Meteorológica Mundial (OMM) y el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA), con objeto de asesorar sobre todos

P

Glosario 1201

los aspectos del cambio climático y, en particular, sobre cómo las actividades humanas pueden inducir dichos cambios y sufrir su impacto. Parafina. Cada una de las sustancias sólidas, opalinas, inodoras, menos densas que el agua y fácilmente fusibles, compuestas por una mezcla de hidrocarburos, que se obtienen como subproducto de la destilación del petróleo. Tiene muchas aplicaciones industriales. Parte por billón (ppb). Unidad que equivale a una billonésima parte del volumen o el peso. Parte por millón (ppm). Unidad que equivale a una millonésima parte del volumen o el peso, muy utilizada para expresar pequeñas concentraciones de sustancias contaminantes. Parte por trillón (ppt). Unidad que equivale a una trillonésima parte del volumen o el peso. Partícula en suspensión. Material de diámetro muy pequeño que permanece suspendido en el aire sin llegar a depositarse en la superficie terrestre por efecto de la gravedad. Peligro de inhalación venenosa . Término empleado para describir gases y líquidos volátiles que resultan tóxicos al inhalarse. Penacho. Masa de aire sobresaturado de vapor de agua que puede contener contaminantes sólidos, líquidos o gaseosos, vertida a la atmósfera a través de una chimenea. Su forma depende de las condiciones meteorológicas existentes en la atmósfera. Pentaclorofenol . Bencenol clorado de fórmula química C6Cl5OH. Se utiliza como fungicida. Esta sustancia se incluye en la lista I de la Directiva 76/464, cuyos valores límite y objetivos de calidad para sus residuos figuran en la posterior Directiva 86/280, que indica que la concentración total de vertidos debe ser inferior a 2 µg/l a partir de 1 de octubre de 1988. Percloroetileno . Disolvente orgánico clorado utilizado en la mayoría de productos de limpieza en seco. Se ha identificado como agente cancerígeno. Las Directivas 86/280 y 88/347 incluyen los valores límite y los objetivos de calidad para determinadas sustancias peligrosas, entre las que se encuentra el percloretileno. Pérdida de carga. Disminución de presión estática en la corriente de un fluido causada por rozamiento, presencia de obstáculos, cambio de dirección del flujo, etc. Petróleo. Combustible fósil que se extrae de yacimientos naturales, formado principalmente por hidrocarburos aromáticos y alifáticos insaturados, proveniente de la descomposición anóxica de los organismos vivos. Para su empleo indus-

trial se somete a refinación y destilación, con objeto de separar los diversos componentes y extraer el azufre. Petroquímica. Conjunto de técnicas que tienen por objeto la obtención de productos químicos por síntesis de sustancias derivadas del petróleo. Pez. Sustancia negruzca, muy viscosa, residuo de la destilación del alquitrán que, por ser insoluble en agua, se emplea para impermeabilizar superficies. pH. Índice que expresa el grado de acidez o alcalinidad de una disolución. Entre 0 y 7 la disolución es ácida, y entre 7 y 14 es básica. Pinch-point . Diferencia entre la temperatura de los humos calientes en el evaporador y la del vapor saturado. Pirólisis. Proceso térmico mediante el cual una sustancia se descompone químicamente en una atmósfera deficiente de oxígeno al someterla a temperaturas entre 400 y 800 °C. Se considera una etapa intermedia, ya que transforma los residuos en otros más fáciles de tratar. Planta de clasificación. Instalación donde se separan las fracciones residuales para su posterior reciclaje o valorización, que en otras condiciones se depositarían en vertederos. Planta de incineración . Instalación preparada para la quema de residuos bajo condiciones controladas. Plasma. Materia gaseosa ionizada, que es el resultado de someter una sustancia a una temperatura muy elevada. Plástico. Término que designa un amplio rango de sustancias orgánicas sintéticas o semi-sintéticas producto de condensación o polimerización de moléculas elementales o monómeros. Tienen características específicas de resistencia y maleabilidad y se suelen moldear o extruir en forma de objetos, films y fibras para multitud de aplicaciones comerciales e industriales. Los polímeros naturales son derivados de la caseína y la celulosa, así como de gomas y resinas. Poder calorífico inferior (PCI) . Cantidad de calor neto desprendido por unidad de combustible, sin enfriar o condensar los productos de la combustión, con lo que se pierde el calor contenido en el vapor de agua formado en la combustión. El PCI es siempre menor que el PCS, y es el valor que se tiene en cuenta al hablar de las cualidades energéticas de un producto. Poder calorífico superior (PCS) . Calor cedido al medio ambiente cuando una unidad de com-

1202

Glosario

bustible en condiciones de referencia se quema completament comple tamente, e, estand estandoo la totalidad del del agua en estado líquido. Polietilenterftalato (PET). Plástico muy resistente al impacto. Es atravesado por la luz y muy resistente a los agentes químicos y al paso de agua y gases. gases. Se refuerza con vidrio, cargas minerales y otros agentes. Es reciclable al 100%. Polipropileno (PP). Plástico fabricado a partir del propileno. Tiene gran demanda en el mercado del automóvil. Su única limitación es la fotodegradabilidad, por lo que es aditivado aditivado con fotoestabilizantes. Polvo. Conjunto de partículas sólidas y secas obtenidas por fricción o arrastre en los procesos de combustión o por precipitación mediante reacción química. Potencia nominal. Máxima potencia desarrollada por una instalación o equipo en condiciones de diseño. Potencial de calentamiento global . Índice que relaciona la potencia de un gas de efecto invernadero con la del CO2. Por convenio, el cálculo integra el efecto de cada gas durante un periodo de 100 años. Precursor fotoquímico. Sustancia que precede a un oxidante. Reacciona con la luz solar formando ozono y otros oxidantes fotoquímicos. f otoquímicos. Prevención y Control Integrados de la Contaminación (IPPC). Directiva Europea, que entró en vigor el 30 de octubre de 1996, que exige a los Estados Miembros que otorguen y controlen los permisos de actividad a las grandes instalaciones industriales para controlar sus emisiones y promover el uso de las mejores mejor es técnicas técnicas disponibl disponibles, es, con el fin de reducir las emisiones de contaminantes especificados. Proteína. Compuesto orgánico complejo formado por cadenas de aminoácidos sintetizadas en el citoplasma celular. Protocolo de Montreal . Protocolo suscrito en 1987, relativo a las sustancias sustancias que que agotan la capa de ozono. Entró en vigencia en 1989, cuando 29 naciones naciones más la Unión Europea, productores del 89% de las sustancias nocivas para la capa de ozono, ozono, lo ratificaron. ratificaron. Actualmente, Actualmente, unas 180 naciones se han comprometido a cumplir con sus metas de reducción en la producción de CFC’s, CFC’s, halones y bromuro de metilo, metilo, cuya presencia en la atmósfera es la causa principal de la degradación de la capa de ozono

Punto de rocío. Temperatura a la que tiene que llegar el aire húmedo (u otros vapores condensables), evolucionando a presión y proporción de mezcla constantes, constantes, para conseguir la saturación con respecto al agua. Purín. Conjunto de las heces líquidas provenientes del ganado. Quenching. Tratamiento que consiste en un enfriamiento rápido de una corriente de gases en un medio líquido. Queroseno. Producto obtenido por refino y destilación del petróleo. También se conoce con el nombre de petróleo lampante. Se utiliza como combustible en motores de poca compresión, en lámparas y estufas. Rad. Unidad de medida de las radiaciones absorbidas por un cuerpo, que equivale equivale a la centésima parte de un gray. Radiación. Emisión y propagación de ondas capaces de transmitir energía. Radiación difusa. Parte de la radiación solar incidente procedente de todas las direcciones después de su difusión en la atmósfera y de eventuales reflexiones en la superficie terrestre. Radiación directa. Parte de la radiación solar incidente que no sufre ningún cambio de dirección. Radiación infrarroja. Radiación invisib invisible le electromagnética de longitud de onda superior al intervalo correspondiente a la luz visible y de elevado poder calorífico. Radiación ionizante. Radiación que puede extraer electrones de los átomos. Son las radiaciones alfa, beta y gamma gamma.. Radiación solar. Cantidad de energía procedente del Sol que se recibe en una superficie y un tiempo determinados. Radiación ultravioleta. Radiación invisible electromagnética de longitud de onda inferior al intervalo correspondiente a la luz visible. Esta parte de la radiación solar interviene en los procesos de deterioro de las superficies expuestas al sol. En el proceso de desinfección del agua es utilizada como desinfectante físico. La luz ultravioleta producida por lámparas de vapor de mercurio se emplea principalmente para desinfectar aguas claras. Las frecuencias producidas por lámparas ultravioletas ultraviolet as normales tienen un efecto germicida equivalente al 85% del máximo posible que se puede ejercer sobre bacterias, bacterias, hongos y virus. virus. Radiactividad. Propiedad de ciertos cuerpos cuyos átomos, al desintegrarse desintegrarse espontáneamenespontáneamente, emiten radiaciones. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el becquerel .

Q R

Glosario 1203

Radical. Agrupamiento de átomos que interviene como una unidad en un compuesto químico y pasa inalterado de unas combinaciones a otras. Radioisótopo. Isótopo radiactivo de un elemento químico. Rayos ultravioleta. Radiación electromagnética invisible inv isible,, fuerte fuertemente mente ioniz ionizada, ada, que prov provoca oca fluorescencia. Provienen del Sol y pueden ser muy útiles pero también muy peligrosos. Por ejemplo, ejempl o, fav favorece orecenn la vida de de las plantas, plantas, y se utilizan en algunas técnicas médicas y dentales, pero pueden producir cáncer de piel y otras enfermedades. La capa de ozono estratosférico evita que esta radiación puede llegar a la Tierra en exceso. Reactor. Instalación preparada para que en su interior puedan desarrollarse reacciones químicas o biológicas. Reactor biológico. Recinto abierto donde la materia orgánica contenida en las aguas residuales se somete a degradación biológica a través del fango activado y la incorporación artificial de aire u oxígeno. Reactor nuclear. Instalación en la que puede iniciarse, mantenerse y controlarse controlarse una una reacción reacción nuclear de fusión o de fisión en cadena. Recuperación energética . Aprovechamiento de la capacidad calorífica de un material mediante su uso como como combustib combustible, le, en general, general, desp después ués de un proceso proceso de tratamiento tratamiento previo, mezcla y homogeneización. Recurso energético no renovable . Fuente de energía cuyas reservas son limitadas. Engloba a combustible combu stibless fósiles (petróleo, (petróleo, carbón y gas natural) y uranio. Recurso energético renovable . Energía que se obtiene de fuentes inacabables o que se pueden renovar,, como la eólica, var eólica, la fotovoltaica fotovoltaica o la biomasa. excedente Rechazo. Parte impropia, inadecuada y excedente de los procesos de reciclaje y compostaje. Red trófica. Conjunto de relaciones de producción y obtención de alimentos que se establece entre los diferentes organismos de un ecosistema. Reflector. Aparato que refleja ondas luminosas o caloríficas. Refractario. Material resistente mecánicamente a altas temperaturas. Se emplea como revestimiento interior de las cámaras de combustión de los hornos, ya que son capaces de resistir las solicitaciones mecánicas a temperaturas elevadas, situand situandoo inmediatamente inmediatamente después después el aisaislante térmico. La gran inercia térmica del

refractario contribuye a minimizar las variaciones de temperatura en el interior del horno. Refrigerante . Material empleado para enfriar. Algunos ejemplos son el agua, el etileno o el glicol, emplead empleados os en los motores de combus combustión. tión. También son aptos en máquinas frigoríficas. Refused Derived Derived Fuel (RDF). Fracción combustible de los RSU. RSU. Puede ser ser papel, papel, cartón cartón,, plást plástiicos, co s, ma made dera ra,, go goma mas, s, cu cuer eros os,, et etc. c. Rem . Abreviatura de roentgen equivalent man. Unidad que mide la dosis de radiación absorbida por un organismo organismo vivo, vivo, que equivale equivale a la centésima parte de un sievert . Residuo. Cualquier sustancia u objeto del cual su poseedor se desprende o tiene intención u obligación de desprenderse. Residuo radiactivo. Material que contiene o está contaminado con radionucleidos en concentraciones o niveles de actividad superiores a los establecidos por la legislación vigente y para los cuales no está previsto ningún uso. Residuo sólido urbano (RSU). Material de desecho que se genera en espacios urbanizados como consecuencia de actividades de consumo, domésticas domés ticas,, de servi servicios, cios, etc. Rodete. Elemento mecánico móvil de una turbina que transmite un movimiento de rotación al eje como consecuencia de la acción del agua o del vapor de agua. Sal soluble. Materia mineral disuelta en el agua. También se utiliza como parámetro para determinar la carga contaminante de las aguas residuales. Saturación. Dicho de un compuesto químico orgánico cuyos enlaces covalentes, covalentes, por lo general entre átomos de carbono, no son de tipo sencillo. Scrubber . Instalación destinada al lavado y tratamiento de la contaminación del aire. Utiliza un spray de agua o de un reactivo para atrapar a los contaminantes emitidos. Secado térmico. Tratamiento térmico a baja temperatura orientado a evaporar el agua incluida en los residuos, residuos, reduciendo su peso peso y volumen. volumen. Secador . Equipo empleado en el tratamiento de fangos cuando se quiere conseguir un grado de sequedad superior al que aporta la centrifugación o la filtración. Semicoque. Combustible producido por carbonización de la hulla a una temperatura aproximada de 600 °C. Se usa para fines domésticos, siendo su potencia calorífica se unas 7.200 kcal/kg. Separación con membrana . Método de tratamiento de efluentes industriales que permite

S

1204

Glosario

eliminar los metales que contiene. Consiste en hacer circular el agua a través de una membrana porosa selectiva en cuya superficie se acumula el material metálico concentrado. La membrana suele ser de acetato de celulosa, poliamida polia mida o polisu polisulfona lfona,, cerám cerámica. ica. Separación de gases. Proceso de tratamiento en el que se separan los contaminantes gaseosos utilizando liz ando diferente diferentess téc técnica nicas: s: abs absorc orción, ión, ads adsororción, ció n, inc incine inerac ración ión,, com combu busti stión ón cat catalí alític tica, a, reducción reduc ción catalítica, catalítica, etc. Sievert . Unidad de medida de la dosis equivalente de radiación. Equivale a un julio por kilogramo. Sílice. Mineral Mineral formado por por silicio y oxígeno, oxígeno, de fórmula química SiO2. Si es anhidro forma el cuarzo; si está hidratado, el ópalo. Silvicultura. Cultivo de bosques y montes. La Agenda 21 propone la creación de programas nacionales de acción en silvicultura para promover el desarrollo sostenible de bosques y apoyar la aplicación de las declaraciones de principios sobre ellos. Sistema. Particular porción del universo que es objeto de estudio. Sistema de captación . Procedimiento que sirve para obtener muestras representativas de cada contaminante, de forma que su composición no experimente variación significativa en ningún instante anterior a su análisis. Sistema de medición. Conjunto de elementos técnicos que utilizan de forma coordinada los procedimientos descritos en los métodos de medición, con el fin fin de evaluar evaluar la contaminación existente en un área determinada. Sobreelevación del penacho . Máxima distancia que alcanza el penacho por encima de la altura de la chimenea. La sobreelevación está provocada por la velocidad vertical de salida de los gases de la chimenea y por la mayor temperatura que tienen los gases emitidos. Sólido en suspensión. Partícula sólida contaminante que flota o se encuentra suspendida en aguas residuales u otros líquidos. Se puede eliminar por centrifugación. Soplante. Ventilador que impulsa el aire a través de una conducción al final de la cual hay dispuestas unas rejas de difusión. Sorción. Transferencia de un componente desde una fase gaseosa hasta otra sólida o líquida. Concretamente, tament e, median mediante te absorción o adsorción. Suelo contaminado. Superfici Superficiee que, que, por el uso que se hace o que se ha hecho, contiene contacontaminantes en una concentración superior a la

que le sería propia, afectando a sus funciones y suponiendo un riesgo para las personas o el ecosistema. Sulfato. Sal mineral u orgánica del ácido sulfúrico. Se produce cuando el ácido actúa sobre ciertos metales metales,, óxidos metálico metálicos, s, hidróxi hidróxidos dos o carbonatos. Sulfuro. Sal del ácido sulfhídrico. Técnica. Conjunto de procedimientos y recursos de que se sirve una ciencia. Técnica patrón. Método de análisis y de medición preciso para cada contaminante, que sirve de referencia y contraste para otras técnicas aplicables. Tecnología limpia. Conjunto Conjunto de proces procesos, os, técni técni-cas y procedimientos productivos que generan menos residuos y emisiones que las tecnologías utilizadas normalmente en la industria para obtener productos similares. Temperatura . Magnitud física que expresa el grado de calor de un sistema. Teratógeno. Agente que produce malformaciones en el embrión o feto. Termia. Unidad técnica de calor equivalente a un millón de calorías. Termogravimetría. Análisis térmico que analiza la pérdida de peso en función de la temperatura. Termómetro. Instrumento empleado para medir la temperatura. El más usual se compone de un bulbo de vidrio y un tubo capilar, y que contiene mercurio o alcohol teñido. Su dilatación por efecto de la temperatura se mide sobre una escala graduada. Termostato. Dispositivo sensible a la temperatura que controla la parada y puesta en marcha del sistema de suministro de calor. Consiste en una aparato que se conecta a una fuente de calor o frío para impedir que la temperatura suba o baje de la prefijada, conectando y desconectandesconectando dicha fuente. Los termostatos programadores son los que también ofrecen la posibilidad de realizar la programación horaria. Tetracloruro de carbono . Disolvente halogenado, de fórmula química CCl4, util utilizad izadoo habitu habitualalmente en el desengrase de piezas metálicas y pieles, y en la limpieza de fibras textiles. textiles. . Permanencia de una susTiempo de residencia tancia en la atmósfera. Tierra de diatomeas. Sustancia terrosa caliza formada empleada por su porosidad como filtro para las aguas. Es un material aislante. Tioácido . Molécula de ácido oxoácido en la un un átomo de oxígeno ha sido sustituido por otro de azufre.

T

Glosario 1205

Tixotropía. Cualidad que presentan algunos materiales de recuperar con rapidez la consistencia inicial cuando esta se destruye por efecto de una agitación o fuerza de cizallamiento. El agua y los aceites minerales no tienen tixotropía y se les llama líquidos «newtonianos». Tonelada equivalente de carbón (tec) . Unidad física de energía que expresa el poder calorífico de otras fuentes energéticas en términos del contenido en una tonelada de carbón. Tonelada equivalente de petróleo (tep) . Unidad física de energía que expresa el poder calorífico de otras fuentes energéticas en términos del contenido en una tonelada de petróleo. Total chlorine free (TCF). Proceso industrial de blanqueo en que se utilizan reactivos no clorados, como el ozono o el peróxido de hidrógeno. hidrógeno. Método odo para para expresa expresar r Toxic equivalents (TEQ). Mét los análisis de dioxinas, asignando un factor factor de equivalencia de toxicidad (TEF) a cada dioxina respecto a la 2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-dioxina, cons considerad ideradaa una de las las más tóxic tóxicas, as, y así proporcionar un solo valor a un estudio que analice la mezcla de algunos compuestos. Toxicidad. Grado de toxicidad de una sustancia peligrosa. La toxicidad aguda viene determinada por una única toma de un producto. La toxicidad subcrónica está provocada por la toma repetida de un producto en un periodo relativamente corto comparado con lo que dura la vida del organismo receptor. Trabajo. Forma de transferencia de energía. Transferencia de calor por conducción . Cesión de calor a través de un medio físico sin desplazamiento de materia. Transferencia de calor por radiación . Radiación electromagnética que transmite calor desde un objeto a otro, sin necesidad de un medio material entre ambos, ambos, y sin calentamiento del espacio comprendido entre ellos. Tratamiento biológico . Tecnología que utiliza bacterias para degradar la materia orgánica. Tratamiento de residuos. Operación o conjunto de operaciones de transformación de las características teríst icas físicas, físicas, químic químicas as o biológicas de un residuo con el objetivo de reducir o neutralizar las sustancias peligrosas que contiene, recuperar materias o sustancias sustancias valorizables, valorizables, facilitar su uso como fuente energética o favorecer su eliminación. Tratamiento fisicoquímico. Proceso utilizado generalmente en plantas de tratamiento de aguas residuales. Mientras que el tratamiento

físico incluye métodos como aireación o filtración, el tratamiento químico se refiere a procesos de coagulaci coagulación, ón, clora cloración ción y adición adición de ozono. El mismo término se utiliza también en tratamiento de productos tóxicos en aguas superficiales o subterráneas, subterráneas, vertidos de de crudo y residuos peligrosos depositados en el suelo. Tratamiento primario. Proceso que tiene lugar en una estación depuradora de aguas residuales, consistent consi stentee en una decantación decantación,, con el fin de eliminar la materia en suspensión. Tratamiento secundario. Segunda fase del proceso de depuración depuración de las aguas residuales, consistente en eliminar los contaminantes orgánicos mediante la aplicación de un tratamiento biológico u otro tipo de tratamiento alternativo. Tratamiento terciario. Cualquier proceso físico, químicoo o biológ químic biológico, ico, utiliz utilizado ado para conseguir conseguir un grado de tratamiento superior al obtenido mediante el tratamiento secundario de aguas residuales. Tratamiento térmico de residuos . Tecnología consistente en someter los residuos a la acción del calor. Traza. Cantidad muy pequeña de un constituyente. Trementina. Aceite esencial obtenido por destilación al vapor de la resina del pino. Se emplea como disolven disolvente te para lacas, lacas, pintur pinturas, as, barnic barnices, es, etc., y para la obtención del aguarrás. Tricloroetano . Sustancia también conocida como metil met il clor clorofo oformo rmo,, de fór fórmul mulaa quími química ca CH3CCl3. Es un líquido estable, de bajo punto de ebullición e incoloro y tóxico al ser inhalado. Se utiliza como disolvente y como agente desengrasante de metales así como otras instalaciones industriales. Es un disolvente clorado de baja toxicidad (más baja que la del tetracloruro de carbono) y no inflamable. Tricloroetileno. Compuesto de fórmula química C2HCl3, deri derivado vado del del acetileno acetileno,, utiliz utilizado ado como como disolvente en el lavado lavado en seco, en la extracción de la grasa de la lana y en la fabricación de pinturas y barnices. También tiene aplicaciones en la cirugía como anestésico. El nombre comercial registrado es trilene. Está clasificado según las Directivas Directivas 86/280, 88/347 como una sustancia peligrosa. Trifenil policlorado . Compuesto organoclorado formado por tres feniles enlazados, y entre uno y catorce átomos de cloro que sustituyen a los hidrógenos. Tecnología consistente en la geneTrigeneración . Tecnología ración simultánea de electricidad, calor y frío.

1206

Glosario

Tromel separador. Criba cilíndrica giratoria que separa por tamaños los productos triturados de una cantera o de una explotación minera. Turba. Producto de descomposición anaeróbica de materias vegetales al quedar enterradas bajo el agua y sedimentos. Corresponde a la primera etapa de la transformación del tejido vegetal en carbón. Tiene un poder calorífico de unas 2.000 kcal/kg. Turbina. Elemento mecánico que se encarga de transformar la energía cinética y potencial del agua o del vapor de agua en energía mecánica de rotación transmitida a un eje. Ultrafiltración. Separación de partículas coloidales por filtración, mediante aspiración o presión, a través de un filtro coloidal o de una membrana semipermeable.

U V

United States Environmental Protection Agency

(USEPA). Agencia estadounidense, creada en 1970, encargada de la imposición de todas las normas federales acerca de los contaminantes vertidos a la atmósfera, agua y suelo, de la radiación, de los peligros de los pesticidas, de la investigación ecológica y de la evacuación de residuos sólidos. Valencia . Número que expresa la capacidad de combinación de un átomo o un radical con otros para formar un compuesto. La unidad se atribuye al hidrógeno. Valor guía. Concentración de sustancias contaminantes que, durante un periodo de tiempo concreto y bajo unas condiciones determinadas, será tomada como referencia para el establecimiento de regímenes específicos de niveles de inmisión a fin de mejorar el medio ambiente y como medida preventiva en materia de salud. Valor límite . Concentración de contaminantes que, durante un periodo de tiempo y en unas condiciones determinadas, nunca debe superarse con el fin de proteger el medio ambiente y la salud humana. Valorización . Conjunto de operaciones que tienen como objetivo que un residuo vuelva a ser utilizado, total o parcialmente. Vaporización. Transformación de un líquido en vapor. Vatio. Unidad de potencia eléctrica del Sistema Internacional, que equivale a un julio por segundo. Vatio hora. Unidad de trabajo o energía, que equi-

vale a la potencia eléctrica desarrollada durante una hora. Vector contaminante. Organismo o elemento físico o químico que actúa como medio transmisor de agentes contaminantes. Vermiculita. Silicato de estructura exfoliada en láminas entre las cuales se aloja el aire, lo que la convierte en un gran aislante térmico. Vertedero controlado . Método para evacuar residuos sobre la tierra, sin crear peligros o molestias para la salud y la seguridad pública. Para asegurar un vertido correcto se precisa de una preparación cuidadosa de la zona de relleno y un buen control del drenaje del agua. Asimismo, se colocan tubos para la captación de biogás. Vertedero incontrolado . Lugar donde se vierten ilegalmente los residuos sólidos, dentro de una zona controlada. Vida media. Valor medio de la vida de todos los átomos radioactivos considerados, que equivale a la inversa de la constante de desintegración. Vidrio. Líquido sobreenfriado duro, amorfo y quebradizo, fabricado mediante fusión de óxidos de sílice, boro o fósforo con otros óxidos básicos (sodio, magnesio, calcio o potasio), enfriando rápidamente el producto para evitar su cristalización o desvitrificación. Vinaza . Poso que se forma en el fondo de los depósitos del vino, turbio y de consistencia casi pastosa. Vitrificación. Proceso que consiste en mezclar un residuo, preferiblemente industrial, con vidrio en polvo u otro material cerámico, y calentar la mezcla en un horno a más de 1.000 °C, con la finalidad de que, al enfriarse, se convierta en un bloque vítreo sólido que haya insertado los elementos peligrosos en la red molecular. Volátil. Que posee un punto de ebullición bajo, una temperatura de sublimación baja a presión ordinaria, o una presión de vapor alta a temperatura ordinaria. Zeolita. Silicato que presenta la propiedad de intercambiar iones de sodio por cal u otros iones. A este tipo de zeolitas se les llama permutitas. Existe una variante que separa el nitrógeno atmosférico, con lo que aumenta el porcentaje de oxígeno en el aire.

Z

El Hidrogeno y Las Pilas de Combustible

Recommend Documents