Analisis-economico-de-la-produccion-de-hidrogeno-mediante-electrolisis-de-alta-temperatura-con-energa-nuclear

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FACULTAD DE INGENIERÍA 
 
 
Análisis económico de la producción de hidrógeno mediante 
electrólisis de alta temperatura con energía nuclear
 
TESIS 
 
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE 
 
INGENIERO ELÉCTRICO Y ELECTRÓNICO 
 
Presenta: 
CARLOS ALONSO ORTIZ RENTERÍA 
 
Directora de Tesis: 
Dra. CECILIA MARTÍN DEL CAMPO M. 
 
 
 
Ciudad Universitaria. México, D.F. 2011. 
 
UNAM – Dirección General de Bibliotecas 
Tesis Digitales 
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i 
 
 
ÍNDICE GENERAL 
índice de Figuras ........................................................................................................................................................... ii
Índice de Tablas ............................................................................................................................................................ iv
Introducción .................................................................................................................................................................... 1
Capitulo 1: La Energía Nuclear ................................................................................................................................ 3
1.1 Antecedentes Históricos .................................................................................................................................. 3
1.2 Tipos de Reactores Nucleares ........................................................................................................................ 3
Reactores de primera generación .................................................................................................................. 4
Reactores de segunda generación .................................................................................................................. 4
Reactores de tercera generación .................................................................................................................... 5
Generación III ........................................................................................................................................................ 5
Generación III+ ...................................................................................................................................................... 5
Reactores de cuarta generación ..................................................................................................................... 6
1.3 Perspectiva actual ............................................................................................................................................ 7
Capitulo 2: El Hidrógeno como vector energético ........................................................................................ 11
2.1 Aplicaciones Energéticas ............................................................................................................................ 11
2.2 Aplicaciones industriales ........................................................................................................................... 13
Celdas de Combustible ..................................................................................................................................... 13
Industria Automotriz ....................................................................................................................................... 21
Celdas de combustible portátiles ................................................................................................................. 27
2.3 La producción de hidrógeno ..................................................................................................................... 29
Otros procesos de producción de hidrógeno ........................................................................................... 31
Capitulo 3: Descripción del uso del programa HEEP .................................................................................. 33
3.1 Modelo Económico de la planta nuclear .............................................................................................. 33
3.2 Modelo económico de la planta de producción de hidrógeno .................................................... 35
3.3 Metodología ..................................................................................................................................................... 35
Capitulo 4: Generación de hidrógeno mediante una planta de electrólisis de alta temperatura 
acoplada a una planta nuclear. ............................................................................................................................. 41
4.1 Consideraciones y datos de entrada ...................................................................................................... 41
4.2 Resultados ........................................................................................................................................................ 43
Análisis de sensibilidad ................................................................................................................................... 54
Capitulo 5: Análisis de Resultados y Conclusiones ...................................................................................... 59
ii 
 
Acrónimos ..................................................................................................................................................................... 61
Bibliografía ................................................................................................................................................................... 63
 
 
ÍNDICE DE FIGURAS 
Fig. 1.1 Cuarto de control de la planta nuclear en Obninsk ............................................................... 3 
Fig. 1.2 Esquema de una planta nuclear .................................................................................................... 4 
Fig. 1.3 Diagrama general de un VHTR ...................................................................................................... 6 
Fig. 1.4 Central nuclear de Paluel, Francia ............................................................................................... 8 
Fig. 1.5 Reactor portátil SSTAR ..................................................................................................................... 9 
Fig. 2.1 Esquema del átomo de hidrógeno ............................................................................................. 11 
Fig. 2.2 Perspectiva del desarrollo del mercado del hidrógeno ................................................... 12 
Fig. 2.3 Celda de Combustible ..................................................................................................................... 14 
Fig. 2.4 Curva característica de polarización ........................................................................................ 15 
Fig. 2.5 Celda PAFC Fuji-Electric 100kw ....................................................................................................... 17 
Fig. 2.6 Celda de combustible PEMFC de Horizon fuel cell technologies .................................... 18 
Fig. 2.7 Celda de combustible AFC de 300W-10KW deAstris Energi Inc ................................... 19 
Fig. 2.8 Celda de combustible MTU Friedrichshafen MCFC .......................................................................... 20 
Fig. 2.9 Celda combustible SOFC de Delphi Corporation ...................................................................... 21 
Fig. 2.10 BMW que utiliza hidrógeno como combustible ................................................................ 22 
Fig. 2.11 Esquema del BMW Hydrogen 7 ............................................................................................... 23 
Fig. 2.12 Estación de abastecimiento de hidrógeno desarrollada por Air Products, Inc .... 24 
Fig. 2.13 Motor Ford V10 ...................................................................................................................................... 25 
Fig. 2.14 Cargador MiniPAK de Horizon ....................................................................................................... 28 
Fig. 2.15 Esquema general de producción de hidrógeno mediante electrólisis de alta 
temperatura con un reactor HTGR ........................................................................................................... 30 
iii 
 
Fig. 3.1 Pantalla de selección del programa HEEP ............................................................................. 37 
Fig. 3.2 Detalles técnicos de la planta nuclear, la planta de hidrógeno 
 y el método de transporte ........................................................................................................................... 38 
Fig. 3.3 Línea de tiempo de cada uno de los rubros ........................................................................... 39 
Fig. 3.4 Detalle de los costos para la planta nuclear, planta de hidrógeno 
y método de transporte ................................................................................................................................. 40 
Fig. 4.1 Costo nivelado de Energía unitaria de producción de hidrógeno 
para el Primer Caso ................................................................................................................................................. 43 
Fig. 4.2 Costo desglosado de la planta nuclear para el Primer caso. .............................................. 44 
Fig. 4.3 Costo desglosado de la planta de hidrógeno para el Primer caso .................................. 45 
Fig. 4.4 Costo nivelado de Energía unitaria de producción de hidrógeno 
 para el Segundo caso ...................................................................................................................................... 47 
Fig. 4.5 Costo desglosado de la planta nuclear para el Segundo caso ........................................... 48 
Fig. 4.6 Costo desglosado de la planta de hidrógeno para el Segundo caso ............................... 49 
Fig. 4.7 Costo nivelado de Energía unitaria de producción de hidrógeno 
para el Tercer caso ................................................................................................................................................... 51 
Fig. 4.8 Costo desglosado de la planta nuclear para el Tercer caso ............................................... 52 
Fig. 4.9 Costo desglosado de la planta de hidrógeno para el Tercer caso ................................... 53 
Fig. 4.10 Energía eléctrica de proceso contra costo nivelado total ............................................. 55 
Fig. 4.11 Potencia total contra la potencia eléctrica requerida para el proceso, dejando 
constante la producción de hidrógeno ................................................................................................... 56 
Fig. 4.12 Eficiencias de conversión de energía térmica a hidrógeno 
respecto a la temperatura ............................................................................................................................ 56 
Fig. 4.13 Requerimientos totales de energía para la electrólisis de alta temperatura........ 57 
Fig. 4.14 Variación del costo nivelado respecto a la tasa de descuento .................................... 58 
 
 
iv 
 
ÍNDICE DE TABLAS 
Tabla 1. Datos técnicos de la planta nuclear, la planta de hidrógeno 
 y el sistema de transporte ........................................................................................................................... 42 
Tabla 2. Aportación en el costo por parte de la planta nuclear, planta de hidrógeno y 
transporte para Primer caso. ............................................................................................................................. 43 
Tabla 3. Desglose de la aportación de la planta nuclear para el Primer caso ........................... 44 
Tabla 4. Desglose de la aportación de la planta de hidrógeno para el Primer caso ............... 45 
Tabla 5. Aportación en el costo por parte de la planta nuclear, planta de hidrógeno y 
transporte para el Segundo caso ...................................................................................................................... 47 
Tabla 6. Desglose de la aportación de la planta nuclear para el Segundo caso ........................ 48 
Tabla 7. Desglose de la aportación de la planta de hidrógeno para el Segundo caso ........... 49 
Tabla 8. Aportación en el costo por parte de la planta nuclear, planta de hidrógeno y 
transporte para el Tercer caso .......................................................................................................................... 51 
Tabla 9. Desglose de la aportación de la planta nuclear para el Tercer caso ............................ 52 
Tabla 10. Desglose de la aportación de la planta de hidrógeno para el Tercer caso ............. 53 
Tabla 11. Variación de la producción anual de hidrógeno ............................................................. 54 
Tabla 12. Comparación del costo nivelado variando la potencia eléctrica de proceso ...... 55 
1 
 
INTRODUCCIÓN 
El auge nuclear que recientemente se está dando debido a las preocupaciones que genera el 
calentamiento global, relacionado con las emisiones de gases de efecto invernadero, así como 
el aseguramiento energético, han dado como resultado que la investigación actual se centre en 
la búsqueda de nuevos combustibles y de tecnologías avanzadas para la generación de energía 
en todas sus aplicaciones: Eléctrica, térmica, combustibles para el transporte, etc. La 
investigación de nuevas tecnologías en cuanto a combustibles es de gran importancia 
actualmente debido a la necesidad de sustituir los combustibles fósiles que contribuyen al 
calentamiento global. El hidrógeno como combustible es prometedor, puesto que se puede 
obtener de cualquier compuesto hidrogenado como son el agua, el metano o cualquier 
hidrocarburo de origen fósil o de la biomasa, así como alcoholes. Siendo también muy 
diversas las fuentes energéticas usadas para separar el hidrógeno del compuesto hidrogenado 
que se utilice como recurso: carbón, biomasa, el agua, energía etc., esto ha causado el interés 
de desarrollar métodos de obtención de hidrógeno y tecnologías nuevas para aprovecharlo. Es 
por esto que el presente trabajo tiene el objetivo de dar una perspectiva más amplia sobre las 
ventajas de la energía nuclear aplicada a la generación de hidrógeno mediante electrólisis de 
alta temperatura, tomando aspectos fundamentales de ambos procesos para que se pueda 
llevar a cabo y también desde un punto de vista económico. 
 Para esto se pretende utilizar el software HEEP (Hydrogen Economic Evaluation 
Programme) el cual nos ayuda a evaluar la viabilidad económica de la producción de 
hidrógeno mediante energía nuclear, el software toma en cuenta varios aspectos para hacer 
esto, las principales etapas son: El tipo de planta nuclear, el proceso por el cual se obtiene el 
hidrógeno, y la transportación y almacenamiento del hidrógeno. En el presente estudio nos 
interesamos en analizar las dos primeras etapas.Cada una de las etapas se puede dividir en 
tres grandes bloques: Detalles técnicos, Periodo de tiempo y Costos en general. Dentro de cada 
uno de estos bloques encontramos las variables que deben de ser introducidas y que en los 
siguientes capítulos se describirán más a detalle en los casos que se habrán de simular. 
 De manera general para cada caso el tipo de reactor que se utilizará será el GT-MHR y el 
proceso por el cual se obtendrá el hidrógeno es por medio de una planta de electrólisis de alta 
temperatura acoplada a la planta nuclear, para el caso de transportación y almacenamiento se 
utilizaran los valores que por default el software tiene. 
 Se ha elegido el reactor GT-MHR puesto que el proceso de electrólisis de alta temperatura, 
como su nombre lo dice requiere altas temperaturas y este reactor abastece ese 
requerimiento energético, además de la demanda de energía eléctrica que el proceso requiere. 
El proceso de electrólisis de alta temperatura se ha elegido puesto que es uno de los procesos 
para la obtención de hidrógeno más viables en la actualidad y más estudiados hasta ahora, 
además de las ventajas técnicas que el proceso tiene, como los son la alta eficiencia y 
prácticamente cero emisiones de gases de efecto invernadero. Otro de los objetivos que se 
pretende ver también en este estudio son los parámetros que dentro de la electrólisis de alta 
temperatura afectan el costo de producción del hidrógeno, para que resulte un proceso más 
viable económicamente. 
 Además de que con los resultados obtenidos se puede tener una perspectiva alentadora para 
la viabilidad económica que tendría a nivel mundial y en nuestro país la producción de 
2 
 
hidrógeno con energía nuclear, haciendo una comparación entre los distintos casos que se 
simulen con HEEP. El desarrollo de la tecnología de producción de hidrógeno en nuestro país 
traería grandes beneficios, puesto que el hidrógeno de acuerdo a las perspectivas actuales se 
ve que es el combustible del futuro y si se produce en nuestro país, no tendríamos que 
importar de otros países e incluso podríamos llegar a exportar. Una analogía podría verse con 
el petróleo, aunque claro que éste se exporta, y se importan los productos ya procesados del 
petróleo. 
 Aunque el tiempo de construcción de una planta nuclear es largo con respecto a otras 
plantas, y el costo de inversión es muy alto, es importante realizar estudios técnicos, 
económicos y ambientales para investigar si es redituable a largo plazo producir hidrógeno y 
generar energía además de que el país se vería beneficiado con la creación de empleos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 
 
CAPITULO 1: LA ENERGÍA NUCLEAR 
1 . 1 A N T E C E D E N T E S H I S T Ó R I C O S 
 En 1942 un grupo de científicos liderado por Enrico Fermi se reunieron en la Universidad de 
Chicago para ver la viabilidad de la construcción del primer reactor del mundo conocido como 
Chicago Pile-1. El 2 de diciembre del mismo año se llevó a cabo la primera reacción nuclear 
auto-sostenida, dando así lugar al nacimiento de la energía nuclear. En ese tiempo. 
Mucha de la investigación se enfocó principalmente al estudio de los reactores de cría que 
servirían para crear material fisionable para el armamento nuclear. Después de la guerra 
Estados Unidos creó en 1946 la Comisión de Energía Atómica (CEA), la cual autorizó la 
construcción del reactor de cría I experimental en Idaho. Para junio de 1954 la URSS tuvo la 
primera planta nuclear (Planta Nuclear Obninsk) de alrededor de 5MWe para generar 
electricidad para una red eléctrica [1]. 
 
Fig. 1.1 Cuarto de control de la planta nuclear en Obninsk[2]. 
 A mediados de los 50’s después de que se construyera el reactor de cría I, la investigación se 
enfoco más en demostrar que la energía nuclear podía generar electricidad de manera 
comercial, esto se logró en 1957 con la primera planta comercial en Pennsylvania, fue el 
primer reactor de agua ligera. 
1 . 2 T I P O S D E R E A C T O R E S N U C L E A R E S 
Un reactor nuclear está compuesto por ensambles de combustible nuclear, generalmente 
uranio enriquecido, en los cuales se llevan a cabo fisiones nucleares que generan una gran 
cantidad de energía en forma de calor, éste es absorbido por un fluido que funciona como 
refrigerante; generalmente agua. El refrigerante se encuentra circulando por la vasija del 
reactor a alta presión, pero también pasa por los generadores de vapor, donde se encuentra 
otro fluido a menor presión (agua), el cual se evapora y se envía a las turbinas, donde se 
expande y produce el giro de éstas. En el eje de las turbinas se encuentra un transductor 
4 
 
(alternador) que transforma la energía mecánica en eléctrica, donde se genera un voltaje que 
es enviado a transformadores que elevan el valor de éste para que pueda ser enviado a líneas 
de transmisión. El vapor saliente de las turbinas pasa por condensadores y ya en forma de 
agua se bombea de regreso al reactor para completar el ciclo. La vasija del reactor se 
encuentra albergada en el llamado edificio del reactor, el cual tiene una doble contención que 
brinda una barrera de seguridad muy importante dentro de la central nuclear. 
 
Fig. 1.2 Esquema de una planta nuclear [3]. 
La clasificación de reactores se puede dar de muchas maneras, por ejemplo, el tipo de reacción 
nuclear el cual puede ser fisión o fusión aunque ésta última es aún experimental y no se ha 
logrado obtener energía de ésta. Otras clasificaciones a grandes rasgos que se le dan a los 
reactores son por el tipo de moderador que utiliza, el refrigerante, la generación a la que 
pertenecen, el uso, etc. 
 Las tipos de reactores que en se han usado para producir energía eléctrica han sido los de 
agua ligera aunque también ha habido otro tipo de reactores de otro tipo de tecnología, se 
hará una breve descripción de los reactores más comunes en la actualidad, clasificados en 
cuanto a la generación a la que pertenecen (Generación I,II,II,IV): 
Reactores de primera generación 
 Los reactores de esta generación corresponden únicamente a los primeros prototipos que se 
desarrollaron y que dieron paso a los de segunda generación. 
Reactores de segunda generación 
 Estos reactores surgieron a mediados y finales de los 90’s ya de manera comercial y que 
actualmente se siguen utilizando. 
 PWR (Pressurized Water Reactor): Es un reactor que tiene dos circuitos de agua, uno donde 
el agua circula por la vasija del reactor enfriándolo y a la vez moderándolo, se encuentra a 
presión para que el agua no ebulla, pasa por un intercambiador de calor donde el segundo 
circuito contiene también agua la cual se caliente y se convierte en vapor y mueve una turbina. 
Utilizan uranio enriquecido y agua ligera. 
5 
 
 BWR (Boiling Water Reactor): Es un reactor el cual en vez de tener dos circuitos de agua 
sólo tiene el principal, la diferencia de éste con el PWR es que, el agua no está a presión y 
puede ebullir dentro de la vasija del reactor y su eficiencia térmica es un poco mayor a los 
PWR. Utilizan agua ligera y uranio enriquecido. 
 PHWR (Pressurized Heavy Water Reactor): Es un diseño canadiense y también es conocido 
como reactor CANDU, en estos reactores el combustible se encuentra en cientos de tubos de 
presión, permitiendo que la recarga de combustible se pueda hacer sin necesidad de parar el 
reactor. En este reactor se usa uranio natural como combustible y agua pesada como 
moderador. 
 RBMK (Reaktor Bolshoy Moschnosti Kanalniy): Es un reactor de diseño soviético, moderado 
por grafito y enfriado por agua. Al igual que el CANDU también se puede recargar durante la 
operación del reactor, sin embargo, son inestables y muy grandes, además de no contar con 
contención primaria, lo que los hace inseguros. Aunque resultan muy atractivos debido al uso 
de agua ligera y de uranio natural. 
 AGR (Advanced Gas-Cooled Reactor): Es un reactor que utiliza como moderador grafitoy 
dióxido de carbono como refrigerante. Utiliza como combustible uranio enriquecido. 
Reactores de tercera generación 
 Estos reactores están basados en los reactores de segunda generación, es decir, el 
mejoramiento de las características de estos reactores, por ejemplo, la eficiencia, nuevos 
materiales para reducir el mantenimiento y con esto los costos, también los costos 
disminuyen utilizando sistemas de seguridad pasivos que es otra mejora que se tiene en estos 
reactores. Éstos se dividen a su vez en generación III y generación III+. 
 
Generación III 
 ABWR (Advanced Boiling Water Reactor): Este reactor fue diseñado por la compañía 
General Electric basado prácticamente en el BWR con mejoras en: 
• Mejoramiento de las barras de control, ahora al ser electro hidráulicas tienen un 
movimiento más fino y de mayor precisión. 
• Los controles del reactor ahora son completamente digitales, por ejemplo, el reactor 
ahora puede de manera automática llegar a su potencia de operación y de ahí 
mantenerse en piloto automático. 
• También se mejoró el sistema de enfriamiento de emergencia del reactor. 
 APWR (Advanced Pressurized Water Reactor): Diseñado por Mitsubishi, está basado en el 
PWR y también tiene varias mejoras en cuanto a diseño, como lo es la eficiencia y los sistemas 
de seguridad que incluyen sistemas activos y pasivos. 
Generación III+ 
 Son reactores con mejores sistemas de seguridad y reducción en costo. 
 AP1000: Es un reactor diseñado por la compañía Westinghouse, está basado en un diseño 
anterior, el AP600, de igual manera es un reactor que sigue la misma filosofía de diseño de 
sistemas de seguridad pasivos, circulación natural, etc. 
6 
 
 EPR (European Pressurized Reactor): Es un reactor diseñado por la compañía Areva, 
Electricité de France y Siemens AG. Como combustible puede utilizar uranio enriquecido o 
una mezcla de plutonio y uranio. También posee sistemas de seguridad pasivos y activos, 
algunos de estos sistemas son la implementación de cuatro sistemas de enfriamiento de 
emergencia independientes, dos capas de concreto que le dan una anchura de 2.6m para 
poder contener las sobrepresiones y algún impacto de avión. 
Reactores de cuarta generación 
 Son reactores que aún se encuentran en desarrollo e investigación hoy en día, pero que 
tendrían grandes ventajas en un futuro próximo. Incluido en estos reactores se encuentra el 
VHTR que son de muy alta temperatura, con lo cual se puede implementar la electrólisis de 
alta temperatura para la producción de hidrógeno. 
 
Fig. 1.3 Diagrama general de un VHTR [4]. 
 VHTR (Very High Temperature Reactor): Es un reactor moderado por grafito y usa helio 
como refrigerante, además de tener una eficiencia muy alta con la cual se logra producir 
grandes temperaturas o calor de proceso que se destina a algunos procesos industriales como 
la generación de hidrógeno, este calor se encuentra en un rango de 850 a 950°C. Además 
produce electricidad. 
 SCWR (Super Critical Water Cooled Reactor): Es un reactor de alta temperatura, enfriado 
por agua, que opera sobre el punto crítico termodinámico del agua: 374°C y 22MPa. Parte de 
su diseño está basado en los reactores de agua ligera. Tienen una eficiencia estimada del 45%, 
además de que se eliminan componentes como los presurizadores, generadores de vapor, 
secadores, bombas jet, etc. 
 GFR (Gas Cooled Fast Reactor): Es un reactor que utiliza como refrigerante helio, neutrones 
rápidos, posee una turbina de conversión directa de energía eléctrica, además puede utilizar 
el calor que genera para la producción de hidrógeno. La configuración del núcleo del reactor 
primordialmente está basada en bloques prismáticos. 
7 
 
 LFR (Lead Cooled Fast Reactor): Es un reactor enfriado por metal líquido, en este caso 
plomo, debido a que posee una muy baja absorción de neutrones rápidos, además tiene una 
temperatura de ebullición muy alta, lo que elimina la necesidad de operar a altas presiones. Su 
diseño está planeado para la generación de electricidad e hidrógeno. 
 SFR (Sodium Cooled Fast Reactor): Es un reactor enfriado por sodio, de este reactor se tiene 
planeado crear reactores modulares de 50MWe hasta reactores de gran escala de 1500MWe. 
Se contemplan dos opciones posibles de combustible, el MOX y una mezcla de uranio-plutonio 
en una aleación metálica de zirconio. 
 MSR (Molten Salt Reactor): Es un reactor que utiliza como refrigerante una sal fundida, 
pueden usar el combustible de manera tradicional o disuelto en la propia sal, lo que evita que 
se tengan que hacer las barras de combustible. La sal fundida debe tener un punto de 
ebullición alto alrededor de 1400°C. En el núcleo la fisión ocurre dentro del flujo de la sal que 
es calentada aproximadamente a 700°C. 
1 . 3 P E R S P E C T I V A A C T U A L 
Hoy en día debido a la preocupación por el calentamiento global, se está tratando de evitar las 
emisiones de gases de efecto invernadero con el uso de nuevas tecnologías amigables al medio 
ambiente, las energías renovables son esas tecnologías que brindan ese apoyo en contra del 
calentamiento global entre éstas tenemos a la eólica, geotérmica y la hidroeléctrica, entre 
otras, sin embargo, aunque son parte de la solución debemos ser realistas y reconocer que la 
energía nuclear, con el desarrollo tecnológico actual, puede satisfacer gran parte de la 
demanda energética global. La energía nuclear puede disminuir de manera importante el uso 
de carbón, petróleo y gas natural para producir energía eléctrica y utilizarse como fuente de 
calor en otros procesos industriales. En especial los reactores nucleares de alta temperatura 
tienen ventajas significativas para la producción de hidrógeno. 
 Un ejemplo de cómo podemos satisfacer nuestras necesidades mediante energía nuclear es 
Francia, la cual obtiene el 75% de su energía eléctrica mediante energía nuclear. Además de 
que a nivel mundial existen alrededor de 440 reactores nucleares operando en 30 países, 
produciendo el 16% de la electricidad del mundo [2] y claramente se ve que la cifra podría 
aumentar si se aplicaran políticas para impulsar la energía nuclear. Otra ventaja importante es 
que hoy en día existen bastantes reservas conocidas de uranio, pero la gran ventaja es el torio 
(Th) el cual es muy abundante y se puede utilizar en los reactores de cría para crear 
combustible nuclear, en este caso U-233. Muchos países han desarrollado programas para la 
implementación de este tipo de reactores (FBR), sin embargo, han surgido problemas técnicos 
o problemas con los materiales de construcción lo que causa que los proyectos se hayan 
estancado, un ejemplo es Japón que durante su programa crearon un reactor FBR comercial 
prototipo y estaba conectado a la red eléctrica en Agosto de 1995 pero una fuga de 
refrigerante hizo que se terminará el programa de implementación. Aunque de nuevo está 
teniendo auge este tipo de reactores en otros países como es el caso de India, que planea 
construir cuatro FBR’s de una capacidad de 500MWe. 
8 
 
 
Fig. 1.4 Central nuclear de Paluel, Francia [5] 
 Una de las tendencias actuales es la construcción de módulos, es decir, pequeñas plantas 
nucleares por paquete, la IAEA (International Atomic Energy Agency) ha definido como 
plantas pequeñas a aquellas con una capacidad menor a los 300MWe, pero hoy en día se 
considera 500MW el límite para las plantas pequeñas, este tipo de plantas resultan atractivas, 
puesto que no se tiene que hacer una inversión muy fuerte al inicio y en caso de que en un 
futuro se llegue a necesitar más potencia se puede implementar otro módulo. 
 Se están desarrollando este tipo de reactores basados en los FBR’s que son parte del 
desarrollo de las plantas pequeñas y en general están debajo de lo 50MWe de capacidad, estos 
reactores son sellados y se llevarán al lugar dónde se utilizarán. Operan a presión atmosférica 
y poseen los sistemas de seguridad pasivos que actualmente se están empleandoen los 
reactores de nueva generación. Dos de los más destacados hasta el momento son el 4S 
“Nuclear Battery” y el SSTAR. El Super-Safe, Small & Simple conocido también como el 4S 
“Nuclear Battery” que está siendo desarrollado en Japón por Toshiba. Utiliza sodio como 
refrigerante, posee sistemas de seguridad pasivos y será capaz de funcionar de manera 
continua durante tres décadas sin recarga de combustible alguna. Se estima que el costo 
overnight para una planta de 10MWe será de US$ 2500/Kw y la proyección del costo de la 
energía estará en el rango de 5-7 centavos/Kwh. Este reactor resultaría muy benéfico para 
comunidades rurales o zonas muy alejadas del tendido eléctrico, en algunos otros países 
resultaría competitivo el precio del Kwh ante los generadores eléctricos que utilizan diesel. 
 El SSTAR (Small Sealed Transportable Autonomous Reactor) es un reactor que está siendo 
desarrollado en Estados Unidos por los laboratorios Argonne, tendrá una capacidad de 10 a 
100MWe y puede ser transportado a la zona dónde sea requerido. Al igual que el 4S “Nuclear 
Battery” puede operar de manera continua durante 30 años son recargar combustible. 
Actualmente el diseño actual del SSTAR es de una capacidad de 20MWe y una demostración 
de este reactor está prevista para el año 2015. 
9 
 
 
Fig. 1.5 Reactor portátil SSTAR [6]. 
 
 Existen también otros reactores que no son FBR’s y están basados en los LWR’s pero en 
general son PWR “modulares” puesto que se encuentran en la capacidad establecida por la 
IAEA. También en este categoría de reactores pequeños o modulares los que están basados en 
la tecnología de los HTR’s y los MSR’s. En varias partes del mundo se están desarrollando este 
tipo de reactores aunque para el caso de los LWR’s mucho del trabajo actual está basado en 
los que fueron diseñados para aplicaciones militares, un ejemplo, es el submarino nuclear, el 
cual tiene abordo un PWR pequeño que le brinda la energía necesaria para llevara a cabo sus 
operaciones, también los rompehielos soviéticos utilizaban sus reactores basados en PWR’s 
pero con generadores de vapor exteriores, estos son el KLT y el VBER. El KLT se planea 
utilizar para proyectos de desalinización de agua y como fuente de energía para zonas 
remotas. 
 Dentro de los HTR’s en el caso particular de Estados Unidos, se tienen contemplados tres 
tipos de reactores en su proyecto “Next Generation Nuclear Plant”. Sin embargo en otros 
países ya ha desarrollado suficiente investigación y han creado sus propios reactores. El 
JAERI’s (Japan Atomic Energy Research Institute’s) creó el HTTR (High Temperature Test 
Reactor) que logró trabajar a una temperatura de 850°C por 30 días, y en el 2004 alcanzó una 
temperatura de 950°C. Ahora basándose en este modelo de reactor están desarrollando el 
reactor GTHTR (Gas Turbine High Temperature Reactor). 
 En Estados Unidos se desarrollo durante los años 60’s el concepto del MSR y se construyó un 
prototipo de 8MWth y que estuvo en operación durante 4 años. Ahora en la actualidad países 
como Japón, Rusia, Francia y Estados Unidos han retomado el interés en este tipo de reactor. 
Un ejemplo del interés en el desarrollo de los MSR’s, es el Fuji MSR de 100MWe y está siendo 
desarrollado por un consorcio Japonés, Ruso y Estadounidense. 
10 
 
 Los desarrollos tecnológicos en cuanto ha reactores nucleares de nueva generación es muy 
grande, debido a la necesidad de satisfacer las necesidades energéticas que habrá debido al 
gran incremento de la población y como una forma para combatir el cambio climático. 
 Una de las grandes aplicaciones que se están desarrollando es la implementación de 
reactores nucleares para la producción de hidrógeno en especial implementando HTR’s, 
puesto que muchos procesos químicos requieren grandes temperaturas, también la 
electrólisis de alta temperatura es otro proceso que requiere grandes temperaturas. 
 Dado el creciente problema de los gases de efecto invernadero y que forma parte del 
problema del cambio climático, se buscan maneras de reducir las emisiones, y una gran parte 
del problema además de la industria es el transporte debido a que es utilizado diariamente en 
prácticamente casi todas las ciudades del mundo, ya sea a mayor o menor escala. Es por esta 
razón que se justifica nuevas fuentes de energía y una de ellas por supuesto es el hidrógeno. 
 El hidrógeno se ha estado utilizando ya desde hace tiempo en la creación de fertilizantes y 
en otros procesos químicos. Aunque actualmente se obtiene en su mayoría del gas natural y 
esto aumenta las emisiones de CO2, aproximadamente una tonelada de hidrógeno genera 
once toneladas de CO2 [7]. 
 Con la escasez de petróleo, lo que conlleva a un aumento en los precios, crea un espacio y 
una ventaja para el mercado del hidrógeno en cuanto al uso como combustible para 
transporte y otras aplicaciones, además de verse impulsado con el desarrollo de nuevas celdas 
de combustible que utilizan preferentemente el hidrógeno. Además de que el hidrógeno 
destinado al transporte que se produzca, se hará preferentemente en las zonas dónde se 
utilice. 
 Las etapas que se cree que se darán para la producción de hidrógeno con energía nuclear 
son las siguientes [8]: 
• Utilizando la electrólisis convencional, utilizando la capacidad de la planta nuclear 
fuera de las horas pico. 
• El uso del calor nuclear para el reformado del gas natural que requiere temperaturas 
muy altas. Aunque esto trae consigo emisiones de CO2. 
• Utilizando la electrólisis de alta temperatura, con temperaturas de 800°C, usando el 
calor y la electricidad de reactores nucleares. 
• Utilizando procesos termoquímicos de alta temperatura que utilicen calor nuclear. 
 La principal ventaja del hidrógeno es que al quemarse produce únicamente vapor de agua 
sin emitir contaminantes, lo cual se puede llevar a cabo en un motor de combustión interna. 
Sin embargo, la aplicación principal del hidrógeno sería en celdas de combustible, dado a que 
la conversión de energía química a eléctrica tiene una eficiencia del 60% de manera teórica, 
pero en la realidad sólo se ha llegado a la mitad. 
 El principal reto actualmente es la forma de almacenamiento del hidrógeno, que sea eficaz y 
al mismo tiempo costeable. Existen tres métodos que resultan viables: el almacenamiento 
criogénico, a alta presión y como hidruros. Todo esto junto con el nuevo desarrollo de celdas 
de combustible que sean más económicas supone un gran reto para el mercado del hidrógeno 
como combustible. 
11 
 
CAPITULO 2: EL HIDRÓGENO COMO VECTOR ENERGÉTICO 
2 . 1 A P L I C A C I O N E S E N E R G É T I C A S 
El hidrógeno hoy en día está dando lugar a muchas aplicaciones, no sólo desarrollando nuevas 
tecnologías en dónde éste se aprovecha o se puede producir, sino también su uso energético 
en especial cómo combustible, puesto que los combustibles fósiles a demás de ser muy 
contaminantes las reservas actuales no duraran siempre y llegará el punto en el que se 
tendrán que buscar alternativas, en especial para el sector transporte dado a que 
prácticamente todas las actividades humanas dependen de eso. 
 Algunas ventajas que presenta el hidrógeno como combustible son las siguientes: 
 El hidrógeno se quema en el aire libre cuando hay concentraciones entre el 4 y 75% de 
su volumen, en cambio el gas natural lo hace entre 5.4 y 15%. 
 La temperatura por combustión espontánea es de 585° C, mientras que para el gas 
natural es de 540° C. 
 El gas natural explota en concentraciones de 6.3 a 14%, mientras que el hidrógeno 
requiere concentraciones entre el 13 y el 64%, por lo que el gas natural es más 
explosivo que el hidrógeno. 
 La molécula de hidrógeno es la más ligera, la más pequeña y está entre las moléculas 
más simples, además, es relativamente estable y, en caso de accidente, se dispersaría 
rápidamente. 
 El hidrógeno tiene más alto contenido de energía por unidad de peso que cualquier 
otro combustible. 
También permite la combustión a altas relaciones de compresión y altas eficiencias en 
máquinas de combustión interna. 
 Cuando se le combina con el oxígeno en celdas de combustible electroquímicas, el 
hidrógeno puede producir electricidad directamente, rebasando los límites de 
eficiencia del ciclo de Carnot obtenidos actualmente en plantas generadoras de 
potencia [1]. 
 
 
Fig. 2.1 Esquema del átomo de hidrógeno [2]. 
 
12 
 
Se puede ver que las ventajas del hidrógeno sobre los combustibles fósiles son muy grandes, 
no contaminan y posee una alta eficiencia a comparación de los combustibles fósiles. Aunque 
claro también presenta algunas desventajas como lo es el almacenamiento y transporte, 
debido a las altas presiones a las que debe encontrarse y otro problema que se presenta es la 
baja temperatura de licuefacción que posee (-253°C). 
 
 Como se sabe el hidrógeno no se puede obtener de manera directa puesto que se encuentra 
en otros materiales de los cuales debe ser extraído. Varios grupos a favor de impulsar una 
economía del hidrógeno tratan de impulsar métodos eficientes y no contaminantes, un 
ejemplo es, obtener hidrógeno del agua mediante electrólisis y que la energía para este 
proceso provenga del viento, aunque la industria nuclear ve que la única forma de producir 
hidrógeno a gran escala es mediante energía la energía nuclear. 
 
 Aunque aún falta mucho para desarrollar una “economía” del hidrógeno, puesto que los 
cambios son lentos, por ejemplo, a la industria de la energía renovable le ha tomado más 30 
años tener el 1% del mercado del transporte y 2% del mercado de la generación eléctrica [3]. 
 
 El hidrógeno como fuente de energía alternativa a los combustibles a base de hidrocarburos, 
puede tener muchos más usos potenciales, pero antes se debe de lograr almacenar y usar de 
forma segura. Puede usarse para el sector transporte y para aplicaciones estacionarias, como 
un portador de energía puede incrementar nuestra diversidad energética y seguridad al 
reducir la dependencia en combustibles fósiles. 
 Aunque claro está que si la tendencia es ir aumentando el uso de combustibles alternativos a 
los fósiles, se debe ya de empezar a tomar acción necesaria en cuanto a la infraestructura de 
distribución de los combustibles. Desarrollar tecnologías de abastecimiento cómo son las 
estaciones de servicio sería lo primordial para llegar a un sistema eficiente cómo lo es en la 
actualidad el de la gasolina o diesel. En la siguiente figura se muestra la perspectiva a futuro 
del mercado del hidrógeno. 
 
13 
 
Fig. 2.2 Perspectiva del desarrollo del mercado del hidrógeno [4]. 
2 . 2 A P L I C A C I O N E S I N D U S T R I A L E S 
Como se ha visto el hidrógeno es una fuente de energía con muchas ventajas sobre los 
combustibles fósiles por su gran densidad energética (120MJ/Kg), además de que gracias a su 
alta eficiencia en conversión de energía se puede aplicar para motores de combustión; una de 
las aplicaciones del hidrógeno. Las tecnologías que, a nivel industrial se podrían desarrollar 
más, y que ahorita se encuentran todavía en investigación son su uso en motores de 
combustión interna, esto se está desarrollando debido a que el transporte es un gran sector 
contaminante hoy en día, en especial en ciudades con alta densidad de población. El desarrollo 
de esta tecnología impulsa el avance en otras áreas importantes para que esto se pueda llevar 
a cabo, como la tecnología de almacenamiento del hidrógeno, que sea efectiva y barata; 
también se están llevando a cabo investigación en el desarrollo de tecnologías que producen 
hidrógeno como sea necesitado en el momento, las estaciones de servicio, etc. 
 Celdas de Combustible 
Las celdas de combustible son dispositivos que obtienen la energía que se encuentra en el 
hidrógeno de manera eficiente y la transforman en electricidad. También se debe mencionar 
que se puede hacer esto con motores de combustión interna, pero las celdas son más 
eficientes, silenciosas al trabajar y se pueden reducir en tamaño dependiendo de la aplicación 
que se requiera. 
 Las celdas de combustible son celdas electroquímicas las cuales mediante un proceso 
químico generan corriente eléctrica, las celdas de combustible son parecidas a una batería la 
gran diferencia radica en que, las baterías guardan la energía, mientras la celda de 
combustible va generando la energía mientras se le demanda. Aunque en la vida real la 
corrosión, y la degradación de los materiales limita su vida útil. 
 Muchas substancias químicas pueden servir como combustible, en todos los casos se libera 
la energía cuando el combustible reacciona con el oxigeno del aire, donde el combustible es 
oxidado. Cuando se usa hidrógeno como combustible para las celdas, éste reacciona con el 
oxigeno generando agua potable, durante la reacción, un electrón es transferido de cada 
átomo de hidrógeno a cada átomo de oxígeno. El estado de energía del electrón es menor en el 
oxígeno y la diferencia de energía se libera en forma de calor. Las siguientes reacciones 
muestran el proceso, aunque esto es visto desde un punto de vista mecánico incorrecto. 
 H2 →2H+ +2e− (2.1) 
 (1/2)O2 +2e− →O2− (2.2) 
 2H+ +O2− →H2O (2.3) 
La reacción general es: 
 H2 + (1/2) O2 = H2O+calor (2.4) 
14 
 
Los procesos que se llevan a cabo dentro de la celda, el proceso de reducción, donde el 
hidrógeno cede un electrón y el proceso de oxidación, dónde el oxígeno recibe el electrón, 
deben ser de manera separada. Para esto la celda se encuentra “dividida”, el electrodo 
negativo (ánodo) se encuentra donde el hidrógeno es oxidado, y el positivo (cátodo) se 
encuentra donde el oxigeno es reducido. Antes de que los electrones pasen hacia el oxigeno, se 
les hace pasar por un circuito eléctrico externo y es aquí donde se aprovecha la energía en 
forma de electricidad. 
 Una parte fundamental de este proceso es también el electrólito de la celda, puesto que los 
electrodos están separados y no se puede formar el producto final que es agua, y con esto los 
iones de hidrógeno se acumulan en el ánodo y los iones de oxigeno en el cátodo: esta 
acumulación de cargas genera potencial, lo que inmediatamente detiene el proceso. Es aquí 
donde el electrolito que se encuentre entre los dos electrodos, se encarga de mantener el 
balance de las cargas. Un electrolito es un conductor de iones y en este caso el electrolito es 
conductor de protones o conductor de iones de oxidación y así los iones en los electrodos se 
pueden combinar y formar agua. La Fig. 2.3 nos muestra de manera general las partes de una 
celda de combustible. 
 
Fig. 2.3 Celda de Combustible [5]. 
 La energía que se encuentra en los combustibles, se le define usualmente como el “valor más 
alto de calentamiento” (HHV, por sus siglas en inglés), es decir, la cantidad de calor total que 
se libera. Esto también es conocido como la entalpia. Para el caso del hidrógeno, como un 
producto de la reacción es agua, se asume que se encuentra a 25°C y a 1 bar de presión, 
además de encontrarse en estado gaseoso, esto de manera hipotética, también existe el 
“menor valor de calentamiento” (LHV, por sus siglas en ingles), este calor es menor por el 
calor de condensación del agua comparado al valor de calentamiento más alto. 
 Existe otro concepto relacionado con la energía eléctrica máxima que se puede extraer, esto 
es, la energía libre de Gibbs. El trabajo máximo que se puede realizar determina el voltaje 
reversible teórico de la celda (Erev), puesto que este voltaje es una medida de la energía a la 
cual la corriente es entregada. El voltaje reversible está definidopor: 
 𝐸𝑟𝑒𝑣(𝑇) =
−∆𝐺(𝑇)
𝑛𝐹
 (2.5) 
15 
 
Dónde F es la constante de Faraday, ∆𝐺 la energía libre de Gibbs y n el número de electrones 
transferidos. En este caso como el combustible es hidrógeno, el voltaje reversible es 1.23v. 
Ahora, como la energía eléctrica máxima está dada por la energía libre de Gibbs y la cantidad 
máxima de energía convertida está dada por la entalpia (∆𝐻), se llega a que la eficiencia 
máxima (nmax) está definida de la siguiente manera: 
 𝑛𝑚𝑎𝑥 =
∆𝐺(𝑇)
∆𝐻(25°𝐶)
 (2.6) 
 Se puede concluir de esto, que como el hidrógeno se supone a una temperatura de 25°C su 
entalpia no varía, pero la energía libre de Gibbs depende de la temperatura y ésta al 
incrementarse hace que la energía libre de Gibbs disminuya, por lo tanto, la eficiencia máxima 
disminuye con el incremento de temperatura. En la práctica las celdas nunca operan a su 
máxima eficiencia. 
 El desempeño de la celda se puede ver en la siguiente curva característica de polarización: 
 
Fig. 2.4 Curva característica de polarización [6]. 
 La Fig. 2.4 nos muestra el voltaje de la celda como una función de la carga en este caso la 
densidad de corriente, la cual es la corriente de la celda dividida entre el área del electrodo de 
la celda. Se puede ver también que el límite superior del voltaje está dado por HHV, además de 
que se usa como referencia para el contenido de energía de un combustible, es por eso que el 
cálculo de la eficiencia está basado en el HHV a pesar de que éste no se puede lograr convertir 
completamente en electricidad; por esto se debe calcular un voltaje reversible hipotético 
reemplazando la energía libre de Gibbs con la entalpia, lo cual nos da un voltaje de 1.48v 
aproximadamente, el cual es conocido como voltaje termo-neutral, esto quiere decir que una 
celda que trabaje a este voltaje transforma toda la energía del combustible en electricidad sin 
generar calor. 
 Se ha dado una descripción general del funcionamiento de la celda, eficiencia, proceso 
químico, etc. Se debe mencionar también que los distintos tipos de celdas de combustible que 
existen son nombrados por el tipo de electrolito que utilizan, en general las celdas de 
combustible pueden ser construidas con cualquier electrólito. Como el electrólito es el medio 
de conducción de los iones, esto determina la temperatura de operación de la celda, lo que 
conlleva a la clasificación de las celdas respecto a su temperatura. Las celdas de combustible 
16 
 
de baja temperatura que trabajan a una temperatura máxima de 200°C y las celdas de 
combustible de alta temperatura, que trabajan entre 650-1000°C. 
 Las siguientes celdas de combustible son las que se han estado desarrollando en los últimos 
años: La celda de combustible alcalino (AFC), la cual su electrolito es el hidróxido de potasio 
en forma acuosa. La celda de combustible de membrana de intercambio de protones o 
membrana polimérica (PEMFC) junto con la celda de combustible de ácido fosfórico (PAFC) 
tienen electrolitos ácidos, es decir, un polímero especial con cadenas ácidas y ácido fosfórico 
respectivamente. La celda de combustible de carbonato fundido (MCFC) usa sal de carbonato 
fundido, y por último la celda de combustible de óxido sólido (SOFC) está construida 
alrededor de un óxido cerámico sólido conductor de iones. 
 Hoy en día la investigación y desarrollo está en las celdas PEMFC para pequeñas y medianas 
aplicaciones y las celdas SOFC para aplicaciones a gran escala. La celda PEMFC es atractiva por 
su alta densidad de potencia eléctrica, además de que ya se han tenido grandes avances y se 
encuentra cerca de la comercialización. La SOFC no se encuentra cerca de la comercialización, 
sin embargo, es muy atractiva por su alta eficiencia debido a la alta temperatura que posee. 
La celda de ácido fosfórico PAFC 
Es una de las celdas en las que ha existido más desarrollo y es la tecnología que se usa más a 
nivel comercial, la primera celda ácido fosfórico fue una unidad de 200kw de potencia 
eléctrica, usa gas natural como combustible el cual es reformado y de ahí se obtiene el 
hidrógeno con el cual opera, su electrolito es como su nombre lo indica de ácido fosfórico y 
electrodos porosos de carbono con un catalizador de platino. Las reacciones que se llevan a 
cabo en la celda son las siguientes: 
 
 Cátodo: O2 +4H+ +4e− →2H2O (2.7) 
 Ánodo: 2H2 →4H+ +4e− (2.8) 
Estas celdas fueron diseñadas con el propósito de servir para aplicaciones estacionarias, con 
una vida útil del orden de 40,000hrs. Tienen eficiencias entre el 37 y 42% (puede llegar a 85% 
si se usa la cogeneración usando el vapor que generan). 
 Una de las ventajas que presenta esta celda es su temperatura de operación, lo cual permite 
su conexión con un sistema de reformado, porque la tolerancia al CO es lo suficientemente alta 
para permitir que el hidrógeno “impuro” provenga directamente del reactor de baja 
temperatura de reformado. 
 También presenta ciertas desventajas, un ejemplo, sus electrodos no deben de estar arriba 
de 0.8v, si esto se da se presentaría la corrosión del carbón que contiene y la disolución del 
platino. También producen menos energía a comparación de otras celdas que se encuentran 
en la misma escala de peso. 
17 
 
 
Fig. 2.5 Celda PAFC Fuji-Electric 100kw [7]. 
La celda de membrana de intercambio de protones o membrana polimérica PEMFC 
Estas celdas son muy atractivas, puesto que presentan una baja temperatura de operación y 
pueden variar su salida rápidamente si se les demanda más potencia, también porque son 
compactas. Todo esto las vuelve una gran opción para un gran rango de aplicaciones, que van 
desde dispositivos electrónicos portátiles hasta para su uso en vehículos. 
 El electrolito que utilizan es una membrana polimérica que transporta los iones, los 
electrodos están hechos de carbono poroso y también un catalizador de platino. Estas celdas 
utilizan el hidrógeno como combustible, el cual les es provisto de convertidores incorporados 
y de algunos depósitos. Las reacciones que se llevan a cabo son las siguientes: 
 Ánodo: 2H2 → 4H+ + 4e− (2.9) 
 Cátodo: O2 + 4e−+ 4H+ → 2H2O (2.10) 
 Aunque algunas desventajas de esta celda hacen que su comercialización se haya retardado, 
debido a los costos que tienen ciertos componentes como lo son el platino, puesto que es muy 
caro. También para que exista un avance fuerte en el mercado de estas celdas se debe de 
incrementar a nivel industrial la producción de metales nobles. Los catalizadores de platino 
son extremadamente sensibles al CO, es por eso que si el hidrógeno proviene por reformado 
se debe mantener el CO a menos de 20ppm. 
18 
 
 
Fig. 2.6 Celda de combustible PEMFC de Horizon fuel cell technologies [8]. 
La celda alcalina AFC 
Estas celdas fueron las primeras en ser desarrolladas, utilizan una solución acuosa de KOH 
como electrolito. Las reacciones que se llevan a cabo en este tipo de celdas son las siguientes: 
 Cátodo: O2 +4e− +2H2O→4OH− (2.11) 
 
 Ánodo: 2H2 +4OH− →4H2O+4e− (2.12) 
 
Los rangos de operación de estas celdas se encuentran entre los 60 a 100°C, aunque si se 
encuentran presurizadas puede llegar a temperaturas mayores a 150°C.Esta celda fue 
utilizada en el programa espacial Apollo. 
 
 La principal ventaja de esta celda es el bajo costo de sus componentes. Además de que el 
proceso de reducción en el cátodo tiene un sobre voltaje de activación bajo comparado con 
otras celdas de baja temperatura. Tienen una eficiencia del 70% en cuanto a generación 
eléctrica, sin embargo, su gran desventaja es que reacciona con el CO2. En la actualidad estas 
pilas tienen una vida útil de 8000hrs y para ser viables necesitan superar las 40,000hrs de 
funcionamiento. 
19 
 
 
Fig. 2.7 Celda de combustible AFC de 300W-10KW de Astris Energi Inc [9]. 
 
La celda de carbonato fundido MCFC 
 
El electrolito que utilizan es una mezcla de sales de carbonato fundidas que se encuentran en 
una matriz cerámica porosa. Las reacciones que se llevan a cabo en la celda son las siguientes: 
 
 Cátodo: O2 +2CO2 +4e− →2CO3 2− (2.13) 
 
 Ánodo: 2H2 +2CO3 2−→2H2O+2CO2 +4e− (2.14) 
 
 Esta celda pertenece al grupo de las celdas de alta temperatura, con temperaturas de 
operación entre los 650-700°C. El electrolito que poseen de manera más específica es una 
mezcla de litio y carbonato de sodio o también puede ser de litio y carbonato de potasio; el 
electrolito se encuentra contenido en una matriz porosa de LiAlO2 que es resistente a la 
corrosión. 
 
 Estas celdas poseen una eficiencia del 60%, además gracias a que operan a altas 
temperaturas se pueden utilizar en los electrodos metales que no sean nobles, lo cual implica 
una reducción en los costos. También esta celda debido a su temperatura de operación 
permite el reformado interno para obtener hidrógeno, sin embargo, la gran desventaja de esta 
celda es la corrosión lo cual disminuye su vida útil. 
 
20 
 
 
Fig. 2.8 Celda de combustible MTU Friedrichshafen MCFC [10]. 
 
La celda de óxido sólido SOFC 
 
Esta celda posee un electrolito y electrodos de materiales cerámicos, la temperatura de 
operación más alta que se ha obtenido hoy en día se encuentra entre 800-1000°C. Las 
reacciones que se llevan a cabo en la celda son las siguientes: 
 
 
 Cátodo: O2 +4e− → 2O2− (2.15) 
 
 Ánodo: 2H2 +2O2− → +2H2O4e− (2.16) 
 
 El electrodo que poseen es de yttria-zirconia, el cual es una combinación de oxido de 
zirconio ZrO2 y la yttria Y2O3. El zirconio tiende a formar estructuras cristalinas estables 
dependiendo a la temperatura que se encuentre, la más estable de ellas es la cúbica, sin 
embargo, se requieren temperaturas mayores a los 2000 °C para que se de dicha estructura, 
pero al añadir pequeñas cantidades de yttria se logra obtener esta estructura a temperaturas 
mucho menores. 
 
 La principal ventaja que tiene esta celda de combustible es que puede utilizar varios 
combustibles, un ejemplo son: monóxido de carbono, alcanos, alcoholes, amoniaco, etc. 
21 
 
Además se puede utilizar en aplicaciones estacionarias para aplicaciones continuas y no tan 
continuas. Aunque debido a las altas temperaturas que maneja y los cambios en los gradientes 
de temperatura que pueden darse de manera drástica, somete a una gran tensión a los sellos 
de la celda y a otras estructuras. 
 
 
Fig. 2.9 Celda combustible SOFC de Delphi Corporation [11]. 
 
Industria Automotriz 
 
El hidrógeno junto con los biocombustibles, son la alternativa a futuro para sustituir a los 
combustibles fósiles, ha habido grandes avances en ambos campos en el desarrollo de 
tecnologías en la generación y aprovechamiento de estos combustibles. Aunque el hidrógeno 
es una sustancia simple y muy abundante, se debe de tomar en cuenta que la viabilidad para 
que el hidrógeno abarque gran parte en el futuro como combustible depende de factores 
económicos, se prevé que el costo promedio sin impuestos del hidrógeno líquido que 
provenga de electrólisis por medio de energía eólica será de 1.9€ por litro de gasolina 
equivalente, mientras que el proveniente de biomasa tendrá un costo previsto de 0.8€ [12]. La 
ventaja del hidrógeno es que puede cubrir prácticamente la demanda de combustibles fósiles 
(gasolina y diesel) y reducir satisfactoriamente las emisiones de CO2. 
 
 Aunque el hidrógeno posee propiedades distintas a la gasolina y al diesel, a pesar de que 
existen estas diferencias, el desempeño, costos y requerimientos del usuario para el 
almacenamiento del combustible, están basados en la tecnología de almacenamiento de la 
gasolina y diesel. Para que la tecnología de automóviles entre al mercado, se debe de cumplir 
los requerimientos de los automóviles convencionales; la seguridad, desempeño, etc. 
 
 De acuerdo al departamento de energía de Estados Unidos, los tres principales obstáculos 
que presenta la comercialización de los vehículos que utilicen celdas de combustible de 
hidrógeno son las siguientes [13]: 
22 
 
 
1. El sistema de almacenamiento del hidrógeno debe garantizar un rango mínimo de 
desplazamiento de 300 millas (483km), además de cumplir con todos los requisitos de 
seguridad, costo, desempeño y embalaje. 
2. Los costos de un sistema eficiente y seguro de producción de hidrógeno, deben de 
disminuir para poder ser competitivo con la gasolina y además debe de cumplir los 
requisitos ambientales. 
3. En el caso de que se combinen celdas de combustible con un motor eléctrico como 
tren de poder, los costos del sistema de celda de combustible deben de bajar a los 
30dls por kilowatt, mientras se cumple el criterio de durabilidad y desempeño. 
 
Para algunos de estos inconvenientes ya existen soluciones a futuro, para algunos aún 
falta más desarrollo, como el caso del primer obstáculo, aún no existe tecnología 
disponible que satisfaga el desplazamiento cumpliendo los requisitos mencionados. 
Aunque se están dando avances en las tecnologías actuales para almacenamiento del 
hidrógeno, como lo son el hidrógeno en forma de gas comprimido, hidrógeno líquido y la 
del hidrógeno cryo-comprimido, son las que se están estudiando más. 
 
 Para el obstáculo dos, si se combina la producción de hidrógeno mediante combustibles 
fósiles con energía renovables, además de incentivar su desarrollo, generaría que el costo 
del hidrógeno fuera comparable al de la gasolina, esto de primera instancia sustentaría la 
viabilidad de la producción de hidrógeno, además de que conforme avance la tecnología y 
la demanda de hidrógeno aumente, los costos empezarían a disminuir. 
 
 Para el último obstáculo las grandes compañías como BMW, Ford, Mazda y MAN están 
desarrollando tecnologías y nuevos diseños para resolver este problema. Con la 
combinación de un motor de combustión interna y la celda de combustible con el motor 
eléctrico, se lograría avanzar en este obstáculo. 
 
 
Fig. 2.10 BMW que utiliza hidrógeno como combustible [14]. 
23 
 
 El sistema básico de almacenamiento de hidrógeno, debe estar constituido a grandes 
rasgos del tanque, válvulas, tubería, aislamiento, reguladores de presión, 
intercambiadores de calor, soportes de montaje, dispositivos de seguridad y cualquier 
componente necesario para el almacenamiento del hidrógeno. Algunos autos que utilizan 
hidrógeno y que han sido usados en demostraciones, se diseñaron en base a los autos de 
gasolina o diesel, pero tienen muchos defectos que son riesgosos debido a las diferentes 
propiedades que existen entre el hidrógeno la gasolina y el diesel, es por esto que los 
diseños futuros de los autos deben de tomar en cuenta estas propiedades. 
 
 Un problema que existe es el diseño de los autos, debido a las propiedades que posee el 
hidrógeno, los contenedores para el almacenaje del hidrógeno licuado se vuelven más 
complejos y se necesitan otros componentes periféricos lo que incrementaría el peso de 
todoel sistema, por esta razón la industria automotriz está buscando formas de integrar 
todo el sistema de almacenamiento dentro de la carrocería del automóvil. 
 
 
Fig. 2.11 Esquema del BMW Hydrogen 7 [15]. 
 
 Requerimientos de los usuarios 
 
Un aspecto importante sobre la tecnología automotriz a base de hidrógeno es cumplir con 
los requerimientos que los usuarios necesiten, esto tiene un impacto importante en el 
mercado del hidrógeno, debido a que la aceptación de los usuarios impulsaría el mercado 
del hidrógeno, es por eso que se deben de tomar en cuenta los puntos más importantes en 
lo que se refiere al negocio automotriz para poder impulsar el avance del hidrógeno como 
una fuente de energía, pero sobre todo como un combustible no contaminante. 
 
 Una parte fundamental de la industria automotriz actual son las estaciones de 
reabastecimiento de combustible, las cuales no presentan mayores inconvenientes al 
momento de abastecer, sin embargo, debido a las propiedades del hidrógeno se deben de 
tener en cuenta muchos aspectos además dependerá del tipo de tecnología más utilizada 
24 
 
en los autos en ese momento, ya sea hidrógeno licuado, gaseoso o si el hidrógeno se 
obtiene de algún sólido donde se encuentre almacenado. 
 
 El principal problema para el caso del hidrógeno líquido es el bajo punto de ebullición 
que posee (-250°C) y el bajo calor de evaporación, hacen que sea complicado el sistema de 
abastecimiento, se tendrían que usar aislamientos especiales para minimizar el calor que 
puede llegar al hidrógeno, además de que la manguera de abastecimiento tendría que ser 
pre-enfriada a muy bajas temperaturas. 
 
 Para el caso de que se sirva hidrógeno en forma de gas, se han planteado dos opciones, la 
primera de ellas abastecer a una presión mayor que la del tanque de almacenamiento y la 
segunda es abastecer con un gas pre-enfriado que se encuentre a la presión del tanque de 
almacenamiento [16]. En la primera opción se debe contemplar manufacturar un tanque 
de almacenamiento que soporte presiones mayores (la de abastecimiento), aunque esto 
trae consigo problemas como tener mayores requerimientos de seguridad, más materiales 
para su construcción, etc. La segunda opción resulta más viable puesto que no se 
requieren temperaturas muy bajas de enfriamiento, sin embargo, el pre-enfriamiento 
puede dañar partes del tanque de almacenamiento, lo cual traería consigo que la 
durabilidad y la confiabilidad del tanque se vieran comprometidas. 
 
 Estos sistemas de abastecimiento son los que se prevé que en el futuro podrán ser 
rentables, además de que se siguen estudiando para solucionar los inconvenientes que 
presentan. Para la tecnología de almacenamiento sólido se siguen las investigaciones 
aunque aún no se prevé que sea una opción en corto plazo. 
 
 
Fig. 2.12 Estación de abastecimiento de hidrógeno desarrollada por Air Products, Inc [17]. 
25 
 
 
 Otro aspecto que se debe de cumplir para que los autos que utilicen hidrógeno sean 
atractivos, es que rindan en distancia recorrida aproximadamente igual que los autos 
convencionales. También se debe contemplar que uno de los puntos principales que 
propone el departamento de energía de Estados Unidos es precisamente que debe de 
cumplir con un rango de distancia mínimo de 300 millas, para lograr esto se requieren 
aproximadamente de 7 a 10kg de hidrógeno, 10kg de hidrógeno tiene un contenido 
energético equivalente a 38ltrs de gasolina. Tener esa cantidad de hidrógeno crea 
problemas en cuanto a diseño del auto, es por esto que se busca aumentar la eficiencia de 
manera considerable para no usar demasiado hidrógeno y obtener los mismos resultados, 
debido a que se prevé que se necesitarán tanques para el caso del hidrógeno licuado de un 
volumen seis veces mayor que para los actuales tanques de gasolina con la misma 
capacidad de energía almacenada, aunque con los estudios para reducir el tamaño se cree 
que disminuirá a cuatro veces. 
 
 El siguiente punto que también es de vital importancia para el usuario es que el vehículo 
pueda operar bajo cualquier condición climática, esto es que el auto no sufra fallos o 
cualquier otro desperfecto que cause que deje de funcionar. Si se usa un motor de 
combustión interna alimentado por hidrógeno la operación del automóvil no tendría en 
teoría ningún problema, puesto que el rango de operación se encuentra entre los -40°C a 
60°C. Aunque si se usan celdas de combustible el régimen de operación es indispensable 
para que exista un buen funcionamiento de la celda y esta no se dañe. 
 
 Para el caso de la seguridad, los automóviles que utilicen hidrógeno deben de ser al 
menos igual de seguros que los autos convencionales, sin que esto comprometa el 
desempeño y la capacidad de éste. El reto de esta parte radica en que aún no se tiene 
experiencia o muy poco en cuanto a la fiabilidad de los sistemas de seguridad, el 
mejoramiento de la seguridad se logará con el tiempo y la información estadística que se 
vaya obteniendo. 
 
Máquina de combustión interna de hidrógeno 
 
En años recientes se han llevado a cabo avances en el desarrollo de vehículos que utilicen 
una máquina de combustión interna a base de hidrógeno. La Ford Motor Company ha 
desarrollado un motor, el 6.8L V10 que utiliza hidrógeno como se muestra en la Fig. 2.13 
[18]. El cual ha sido usado en el autobús Ford F450 para transporte en aeropuertos. 
 
 
Fig. 2.13 Motor Ford V10 [19]. 
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 Actualmente se está apostando mucho por esta tecnología, puesto que las celdas de 
combustible a pesar de ser prometedoras aún no son redituables. Además el hidrógeno 
posee ciertas propiedades para la combustión, como lo son su amplio rango de 
inflamabilidad, baja energía de ignición, su alta temperatura de auto-ignición, su alta 
difusividad, baja densidad, etc. 
 
 Estas propiedades causarían problemas en un motor diseñado para gasolina, es por eso 
que se deben de hacer las modificaciones necesarias. Por ejemplo la baja densidad del 
hidrógeno, representa un problema por la cantidad de volumen que ocupa en el cilindro 
antes de utilizarse, como el volumen se incrementa, la cantidad de aire en el cilindro se 
reduce y esto hace que la salida de energía se vea reducida. Sin embargo, el amplio rango 
de inflamabilidad del hidrógeno, hace que a pesar de que haya menos aire, el radio de 
aire/combustible hace que la mezcla se encienda, esto reduce la emisión de NOx y 
aumenta la eficiencia. 
 
 Otro aspecto importante es la baja energía de ignición, esto hace que el motor de 
hidrógeno sea susceptible a una pre-ignición, es decir, cualquier zona o punto caliente en 
el motor puede causar una pre-ignición. 
 
 Es por esto que deben de existir modificaciones en la máquina de combustión interna 
convencional, uno de los cambios tendrían que ser la bujías. Deben de ser del tipo frío 
nominal y no deben de ser de platino, puesto que el platino es un catalizador para la pre-
ignición. Estas bujías están diseñadas para enfriarse rápidamente y así evitar que surja 
una pre-ignición. 
 
 Otro cambio que debe existir es en cuanto al aceite que se utilice en el motor. Se debe de 
usar aceite sintético para evitar puntos calientes causados por la pirolisis y así evitar la 
pre-ignición. Para reducir aún más esto se debería de emplear un cárter para motor con 
un sistema de ventilación y separador de aceite. 
 
 Una gran ventaja respecto a las propiedades del hidrógeno es su alta difusividad, puesto 
que se dispersa rápidamente en el aire lo que crea una mezcla más uniforme. También si 
existiera una fuga de hidrógeno, éste se dispersaría rápidamente y así se eliminarían las 
condiciones inseguras debido a una fuga. 
 
 Otro aspecto a tratar es la alta velocidad de quemado del hidrógeno, el cual se quema 8.3 
veces más rápido que la gasolina, esto trae como consecuencia un diseño más fino del 
motor en cuanto a control, dado que ahora hay una necesidad de controlar de manera 
precisa el encendido de la bujía.El octanaje del hidrógeno es de 140, esto permite al motor operar a radios más altos de 
compresión a comparación de la gasolina, esto incrementa la eficiencia térmica y por tanto 
produce más potencia de salida. 
 
 Un método para vencer la baja densidad del hidrógeno, es utilizando un turbo cargador o 
súper cargador para forzar más aire hacia el cilindro. El turbo cargador junto con un alto 
radio de compresión puede generar un desempeño cercano al del motor de gasolina. Otro 
método sería inyectar el hidrógeno directamente al cilindro una vez que el aire ya está ahí 
o también usar hidrógeno líquido aumentaría la cantidad de aire, sin embargo, todos estos 
diseños deben de ser competitivos. 
27 
 
 
 
 Celdas de combustible portátiles 
 
Hoy en día se están buscando métodos para crear dispositivos de energía más pequeños 
para aplicaciones electrónicas a pequeña escala, durante años se han utilizado las baterías 
alcalinas, sin embargo, debido al problema que representa el reciclarlas y los materiales 
que contiene, dañinos para el medio ambiente, ha dado paso a que se investiguen nuevas 
tecnologías para sustituir a éstas, además de ser tecnologías limpias. 
 
 Algunas tecnologías actuales y en desarrollo son las baterías de ion-litio recargables, 
baterías “oblea”, módulos fotovoltaicos portátiles, módulos fotovoltaicos flexibles y las 
celdas de combustible portátiles. Cabe mencionar que las baterías recargables de litio es 
una tecnología ya muy bien estudiada y que ha tenido gran auge debido a que pueden ser 
recargadas con facilidad y su capacidad para dispositivos electrónicos pequeños que se 
utilizan de manera constante, haciendo que se vuelvan prácticos, además de ir 
sustituyendo poco a poco a las baterías alcalinas. 
 
 Aunque las demás tecnologías también ya están muy estudiadas e incluso ya hay 
dispositivos comerciales, el enfoque de ésta sección será sobre las celdas de combustible 
portátiles, debido al uso del hidrógeno en ellas. 
 
 Uno de los principales objetivos de las celdas de combustible portátiles es incrementar el 
tiempo de duración y disponibilidad de los dispositivos electrónicos portátiles mucho más 
que los sistemas de baterías actuales. También por ser celdas de combustibles, deben de 
cumplir en teoría, con las condiciones que tienen las celdas para aplicaciones 
estacionarias, sin embargo, al reducir las celdas, componentes como las válvulas, bombas, 
sensores, etc. Se vuelven inestables, por esto se están desarrollando sistemas “pasivos” 
para evitar el uso de estos componentes. 
 
 La tecnología de celda de combustible más avanzada es la celda PEM, existen celdas 
portátiles de este tipo ya de manera comercial, aunque aún no se logra tener una densidad 
de corriente mayor al de las baterías y costos bajos de producción masiva. Existen ya 
algunos diseños dentro de las celdas PEM portátiles, las cuales se han estado estudiado 
para un mejor desempeño y posteriormente su comercialización. Como el cargador 
Minipak de la compañía Horizon que se muestra en la siguiente figura. 
 
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Fig. 2.14 Cargador MiniPAK de Horizon [20]. 
 
 
 
 
 
Celda de combustible PEM de “respiración” portátil 
 
Es un sistema pasivo que no requiere de un refrigerante o un sistema de humidificación, 
opera bajo condiciones ambientales y funciona continuamente con hidrógeno y aire del 
medio ambiente. El oxígeno que se requiere para la reacción proviene del aire del medio 
ambiente, mediante difusión y convección, el oxígeno es llevado al cátodo. El agua que se 
produce de la reacción sirve para mantener la humedad del sistema para mantener su 
rendimiento. 
 
 Esta celda resulta atractiva debido a la eliminación de varios componentes con lo que se 
reducen los costos, peso y otros factores importantes, sin embargo, su desempeño 
depende de las condiciones ambientales, además del control del agua, debido a que no hay 
control sobre la cantidad de aire que entra a la celda. La celda tiene una densidad de 
potencia de salida menor que las celdas de convección forzada. 
 
Celda de combustible PEM de 1W para linterna marca Angstrom Power 
 
Es una celda especialmente diseñada para una linterna de 2.6cm de diámetro y 15 cm de 
longitud, este es el sistema más pequeño de celda PEM en la actualidad, el cual brinda 1W 
de potencia eléctrica. La celda opera bajo condiciones ambientales y utiliza el principio de 
convección para transportar el aire al cátodo, mientras que el hidrógeno es suministrado 
en forma de un hidruro metálico, los tanques de combustible de la celda tienen una 
capacidad de 700Whr. 
 
Celda de combustible PEM 30W de Boro hidruro de sodio marca Protonex/Millennium 
 
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Es una celda para aplicaciones militares, el hidrógeno en esta celda proviene de un 
cartucho que tiene del 20 al 25% de boro hidruro de sodio, 3% de hidróxido de sodio y del 
72 al 77% de agua des-ionizada. Los cartuchos son introducidos en la celda, el cartucho 
tiene al combustible y el catalizador, además de tener espacio para los productos de la 
reacción y la interface eléctrica. 
 
 
 
2 . 3 L A P R O D U C C I Ó N D E H I D R Ó G E N O 
 
La mayoría del hidrógeno que se produce en la actualidad proviene de los combustibles 
fósiles, en especial del reformado de vapor del gas natural. Desafortunadamente esta forma de 
obtener hidrógeno no es ambientalmente benigna, con esto se ve que el hidrógeno se debe de 
extraer del agua para evitar los gases de efecto invernadero y otros contaminantes. 
 Para obtener hidrógeno del agua se deben tener ciclos termoquímicos, y procesos 
electrolíticos que requerirán una fuente de energía primaria capaz de proveer energía 
eléctrica y térmica. La electrólisis convencional acoplada a una planta nuclear puede resultar 
viable económicamente siempre y cuando se utilice fuera de las horas pico de demanda de 
energía, aunque el costo capital es alto. 
 
 Las plantas que existen en la actualidad son típicamente enfriadas por agua con 
temperaturas de operación de 500-750K. Aunque ya existen diseños avanzados que cumplen 
con los requerimientos de temperatura de la electrólisis, un ejemplo son los reactores de alta 
temperatura (VHTR) que pueden proveer la energía térmica necesaria, alcanzan temperaturas 
de 1100k. Los reactores nucleares de alta temperatura tienen el potencial para incrementar 
substancialmente la eficiencia en la producción de hidrógeno del agua. 
 La electrólisis de alta temperatura apoyada por el calor del proceso nuclear y la electricidad, 
tiene el potencial para producir hidrógeno con eficiencias del 50% o mayores. La electrólisis 
de alta temperatura utiliza una combinación de energía térmica y electricidad para disociar la 
molécula de agua. Con temperaturas de operación más altas se tiene un mejor desempeño 
debido a que se decrementa los sobre-potenciales en el electrodo y se incrementa la 
difusividad del ión de oxígeno, además de que la demanda de electricidad decrementa con la 
temperatura. 
 Existen varios tipos de electrolizadores, pero para la electrólisis de alta temperatura con 
temperaturas de 1100-1250k típicamente se utilizan electrolizadores con electrolitos de 
yttria- zirconio. 
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Fig. 2.15 Esquema general de producción de hidrógeno mediante electrólisis de alta 
temperatura con un reactor HTGR [21]. 
 Las celdas electrolíticas consisten de un electrolito de óxido sólido con electrodos porosos 
eléctricamente conductores que se encuentran en ambos lados del electrolito. Los iones de 
oxígeno pasan a través del electrolito por el potencial electroquímico, liberando sus 
electrones y recombinándose para formar O2 del lado del ánodo. La salida de gas en forma de 
H2 es, en caso de que entren 90v/o de vapor mezclado con H2, ser aproximadamente igual 
sólo que de H2. 
 El agua que se usa para el proceso de electrólisis de alta temperatura es comprimida a una 
presión de 3.5MPa usando una bomba. Este proceso se lleva a cabo a presiones elevadas por 
dos razones.