Eqs. const. (1=Al, 2=H2O, 3=H2, 4=Al(OH)3, 5=O2). Datos tabulados:

>	dat:=op(dat),op(subs(g=g0,[Const])),SI2,SI1:hgs1_:=get_hgs_data("Al(s)");hgs2_:=get_hgs_data("H2O(l)");hgs3_:=get_hgs_data("H2(g)");hgs4_:=get_hgs_data("Al(OH)3(s)");hgs5_:=get_hgs_data("O2(g)");

a) Determinar el poder calorífico y el trabajo máximo obtenible de la reacción completa del polvo con el agua.

La reacción sería:

>

eq1:=Al+3*H2O=Al(OH)[3]+(3/2)*H2;eq1m:=27*gAL+3*18*gH2O=78*ghydrox+(3/2)*2*gH2;eq1hr:=hgs4_[1]+(3/2)*hgs3_[1]-hgs1_[1]-3*hgs2_[1];eq1hr_:=%*mol_/mol_Al=%*(2/3)*mol_/mol_H2;eq1hr__:=lhs(eq1hr_)=lhs(eq1hr_)/(0.027*kg_Al/mol_Al);eq1gr:=hgs4_[2]+(3/2)*hgs3_[2]-hgs1_[2]-3*hgs2_[2];eq1gr_:=%*mol_/mol_Al=%*(2/3)*mol_/mol_H2;eq1gr__:=lhs(eq1gr_)=lhs(eq1gr_)/(0.027*kg_Al/mol_Al);

	(2)

i.e. el poder calorífico de la reacción es 15,6 MJ/kg de aluminio (423 kJ/mol de Al, o 282 kJ/mol de H2), y el trabajo máximo obtenible es -gr=16,1 MJ/kg (434 kJ/mol).

Nota. Aunque la reacción es espontánea, apenas avanza a temperatura ambiente si no se añade algún inhibidor de la capa de óxido protectora, e.g. un 1 % de litio, o un poco de galio, o algún álcali.

b) Gasto másico de hidrógeno que es necesario producir.

La reacción en la pila de combustible (suele ser de tipo PEM, operando a unos 80 ºC) es:

>	eq2:=H2+(1/2)*O2=H2O;eq2m:=2*gH2+16*gO2=18*gH2O;hgsr:=hgs_r25(eq2);PCS:=-%[1];wFC:=eta[FC]*'PCS';wFC_:=subs(dat,%);wFC_m:=%/(0.002*kg_/mol_);mdotH2:=Wdot/'wFC_m';mdotH2_:=subs(dat,%);'mdotH2_'=%*3600*s_/h_;

	(3)

i.e. hay que generar 0,14 mol/s de H2 (0,2 g/s, 1 kg/h) para que en la pila de combustible se generen 20 kW (con eta=0,5).

c) Masa de polvo de aluminio que es necesario cargar.

Vemos en la eq1m que 27 g de polvo generan 3 g de H2, luego:

>	eq1m;mH2:='mdotH2'*Dt;mH2_:=subs(dat,%);mAL:=(27/3)*'mH2';mAl_:=(27/3)*mH2_;

	(4)

i.e. hace falta cargar 91 kg de polvo de aluminio (con una densidad típica del polvo de 700 kg/m3 cabría en un recipiente de 130 litros).

Esto es suponiendo que todo el polvo reacciona, lo cual depende del catalizador usado.

d) Potencia calorífica que se genera en la reacción del polvo con agua, y en la del H2 con el O2

>	Qdot1:=-hr1*mdotAl;hr1_:=rhs(eq1hr__);mdotAl:=(27/3)*'mdotH2';mdotAl_:=(27/3)*mdotH2_;%*1e3*g_/kg_;Qdot1_:=subs(dat,-hr1_*mdotAl_*kg_Al/kg_);Qdot2:='mdotH2'*(-hr2)-Wdot;hr2_:=hgsr[1];mdotH2__:=mdotH2_/(0.002*kg_/mol_);Qdot_:=subs(dat,-hr2_*mdotH2__-Wdot);

	(5)

i.e. en el reactor de Al y agua se desprenden 39 kW de calor (al reaccionar 9 kg/h de Al para generar 1 kg/h de H2), y en la pila de combustible se desprenden otros 20 kW de calor.

La ventaja de este sistema de potencia auxiliar (APU) sería que es más limpio que los que usan combustible fósil, y aventaja a los sistemas tradicionales de pila de combustible en que no hay que llevar depósitos de hidrógeno. Las potencias de las APU embarcadas dependen del servicio que vayan a dar (solo aviónica, aire acondicionado, propulsión para ampliar el alcance en caso de fallo de los motores), y del tamaño del avión. El A350-XWB, para 350 pasajeros, lleva en la cola una de las mayores APU embarcadas, una turbina de gas Honeywell-HGT1700 de 1,3 MW al eje, el cual mueve un compresor para arrancar los motores proncipales y para alimentar el sistema de gestión de aire de cabina (control de presión y temperatura), un generador que da 150 kW de potencia eléctrica a la aviónica y al servicio de cocina y otros.

Este ejercicio está basado en Elitzur et al., "On-board hydrogen production for auxiliary power in passenger aircraft", Int J Hydrogen Energy 42, pp. 14003-14009, 2017.

>