diseño y construccion de planta de hidrogeno domestica

8/18/2019 Diseño y Construccion de Planta de Hidrogeno Domestica

1/11

Diseño y construccin de un prototipo de planta dispensadora dehidrgeno doméstica, con electrolizador hbrido, solar y eléctrico

Álvaro Aguinaga

Departamento de Ingeniera Mecánica (DIM)

[email protected]

Resumen

La hiptesis de esta investigacin propone que es posible diseñar y construir equipos y dispositivos que puedanaprovechar el hidrgeno como vector energético, es decir, como una fuente potencial de energa renovable, que

evitará el deteriorodel medio ambiente y que en un futurocercano transformará las relaciones sociales y econmicasen todo el planeta hacia la conquista de una economa energética sostenida.La dramática disminucin de las reservas mundiales de petrleo llevará en pocos años, si no se encuentra una

solucin, a una crisis energética sin precedentes que obligara a cambiar drásticamente el actual modo de vida. La si-tuacin energética actual, con problemas de contaminacin, cambio climático, conflictos internacionales motivadospor el acceso a los recursos, y agotamiento de combustibles fsiles, precisa nuevas tecnologas. Entre ellas destacael hidrgeno, al que muchos le asignan el papel de desplazar a los combustibles fsiles para llegar a basar nuestrofuturo en la “economa del hidrgeno”.

Todo indica que el futuro de la energa pasa por hidrgeno, el combustible más limpio que existe. Es versátily muy eficaz. Un combustible revolucionario, ya que transformará las relaciones sociales y econmicas en todo elmundo. También supone una esperanza en la conquista de una economa energética sostenida.

El hidrgeno, sea que se lo utilice en procesos de combustin o para regenerar energa eléctrica en las pilas decombustible tiene una amplia aplicacin en diferentes rdenes del quehacer humano. Las ventajas de la utilizacindel hidrgeno como carburante son patentes: es una fuente de energa abundante y su combustin slo origina

vapor de agua y calor, además de ser un sistema energético no contaminante y silencioso.El mecanismo para obtener hidrgeno que se utiliz es un dispositivo (electrolizador) que utiliza en forma h-

brida, energa renovable solar y energa eléctrica de uso doméstico para producir hidrgeno mediante la electrlisisdel agua. Ese hidrgeno puede utilizarse como gas natural directamente para cocinar, calentar agua o para climati-zacin del hogar, o en pilas de combustible regenerar energa eléctrica para usos domésticos comunes.

Palabras claves: Electrlisis, energa renovable, energa solar, hidrgeno, vector energético.

Abstract

The hypothesis of this research suggests that it is possible to design and build equipment and devices that cantake advantage of the hydrogen as energy vector, that is to say, as a potential source of renewable energy, whichwill prevent the deterioration of the environment and that in the near future will transform social and economicrelations across the globe toward the conquest of a sustainable energy economy.

The dramatic decline in world oil reserves will in a few years, if no solution is found, an unprecedented energycrisis that would force drastically change the present mode of life. The current energy situation, with problemsof pollution, climate change, international conflicts motivated by access to resources, and depletion of fossil fuels,requires new technologies. These include the hydrogen, which many assigned the role of displacing fossil fuels toget to base our future in “hydrogen economy”.

For the next years, hydrogen as a fuel is considered as a potential source of renewable energy, which avoidfurther deterioration of our environment, that it is used in processes of combustion or to regenerate electricity infuel cells. It appears that the future of energy passing through hydrogen, the cleanest fuel there is. It is versatileand very effective. A revolutionary fuel because it will transform the social and economic relationships around theworld. It also means hope in the conquest of a sustainable energy economy.

The hydrogen, whether it is used in combustion processes or to generate electricity in fuel cells has a wideapplication in different orders of human activity. The advantages of using hydrogen as fuel are obvious: it is anabundant energy source and their combustion creates only water vapor and heat as well as being a clean and quietenergy.

The mechanism for hydrogen used is a device (electrolyzer) used in hybrid form, renewable energy and solarpower for domestic use to produce hydrogen through water electrolysis. This hydrogen can be used as natural gas

10


2/11

Diseño y construcción de un prototipo de planta dispensadora de hidrógeno doméstica . . .

directly for cooking, heating water or air-conditioning in the home, or in fuel cells regenerate electricity for commonhousehold use.

Keywords: Electrolysis, renewable energy, solar energy, hydrogen, energy vector.

1 Introducción

Las fuentes de energía se clasifican en renovables y norenovables. Las energías no renovables como el petróleo,el gas natural y el carbón se llaman así porque cuando seextrae estos combustibles de la tierra, no se los vuelve areponer y su disponibilidad es cada vez menor. Se for-man por la descomposición producida durante millonesde años de material orgánico en el interior de la tierra.La energía nuclear es también una fuente no renovablede energía.

Las fuentes de energía renovables, en cambio, pro-vienen de fuentes inagotables, principalmente el Sol y laTierra y su disponibilidad no disminuye con el tiempo.

El Sol y la Tierra seguirán proveyendo de energía du-rante algunos millones de años más, y con él los vientos,la fotosíntesis de las plantas, el ciclo de agua, las fuer-zas del mar y el calor al interior de la Tierra. El cuadrosiguiente resume las diversas fuentes de energía:

Fuentes de energía

No renovables

Gas Natural

Petróleo

Carbón

Energía Nuclear

Renovables

Convencionales Hidroelectricidad

No Convencionales

Solar

Eólica

Biomasa

Geotérmica

Hidrógeno

Mareomotríz

Olas

Oceanotérmica

Tabla 1. Fuentes de energía

El hidrógeno es un gas incoloro, inodoro, insípido, nopresenta toxicidad y es altamente inflamable y reactivo;es el elemento de menor masa atómica y es más livianoque el aire.

Un átomo de hidrógeno tiene únicamente un protóny un electrón. Además es el elemento químico más abun-dante en el universo, con un 90 % del universo en peso,y el tercero más abundante en la Tierra.

El hidrógeno puro se presentan en forma de molécu-las diatómicas H2; sin embargo, en la naturaleza se en-cuentra principalmente en forma combinada debido a sugran reactividad, formando una gran cantidad de com-

puestos que incluyen el agua, hidrocarburos, proteínas,

ácidos, etc.En la Tabla 2 se muestra las principales propiedadesfísicas del hidrógeno.

Propiedades físicas del hidrógeno

Símbolo Químico H2

Peso Molecular 2.016

T. Ebullición (1 atm) −252.8 ◦C

T. Crítica −239.9 ◦C

Presión Crítica 1 atm

Densidad estado gaseoso (20 ◦ C, 1atm)

0.08342 kg/m3

Densidad en estado líquido (p.e. 1atm)

70.96 kg/m3

Peso Específico (aire=1) 0.0696

Tabla 2. Propiedades físicas del hidrógeno

El hidrógeno, sea que se lo utilice en procesos decombustión o para regenerar energía eléctrica en las pi-las de combustible tiene una amplia aplicación en dife-rentes órdenes del quehacer humano por lo que el apro-vechamiento del hidrógeno como vector energético esde una singular importancia en nuestro país y es un re-

to fundamental para la universidad ecuatoriana desarro-llar procesos de investigación aplicada que nos permitanel aprovechamiento del hidrógeno como vector energé-tico.

En este contexto el presente Proyecto busca aportaren la solución de esta necesidad prioritaria, desarrollan-do, diseñando y construyendo un prototipo de plan-ta dispensadora de hidrógeno doméstica, con electroli-zador híbrido solar y eléctrico, generando, adaptandoy transfiriendo tecnologías punteras e innovadoras deenergía renovable, propiciando con la difusión de la in-vestigación y prototipo, el inicio de un proceso de inves-

tigación aplicada en el aprovechamiento del hidrógenocomo vector energético en nuestro país.El mecanismo para obtener hidrógeno que se utiliza-

rá es un dispositivo (electrolizador) que utiliza en formahíbrida, energía renovable solar y energía eléctrica paraproducir hidrógeno. Ese hidrógeno puede utilizarse co-mo gas natural directamente para cocinar, calentar aguao para climatización del hogar, o en pilas de combustibleregenerar energía eléctrica para usos domésticos comu-nes.

La Hipótesis del Proyecto es la siguiente: Es posiblediseñar y construir, en el Ecuador, equipos y dispositivosque puedan aprovechar el hidrógeno como vector ener-gético, es decir, como una fuente potencial de energía re-novable, que evitará el deterioro del medio ambiente yque en un futuro cercano transformará las relaciones so-

Revista Politécnica, 2009, Vol. 30(1): 10–20 11


3/11

Álvaro Aguinaga

ciales y econmicas en todo el planeta hacia la conquistade una economía energética sostenida.

2 Materiales y métodos

2.1 MaterialLos equipos y materiales utilizados en la presente inves-tigación son los siguientes:

• 2 Paneles solares que se han seleccionado, compra-do e instalado.

• 3 Electrolizadores que se ha diseñado, construido einstalado, en que se produce la electrólisis del aguamezclada con un catalizador y se separan las mo-léculas de hidrógeno y oxígeno. Se ha dejado ins-talado el electrolizador que resultó ser el de mayoreficiencia. Para la construcción y pruebas se utili-zaron diversos materiales y reactivos.

• Sistema de control automático computarizado conun PLC, HMI, sensores y actuadores, este sistemafue en parte seleccionado y en parte construido.Cabe mencionar que se programó un controladordifuso.

• Se subcontrató la construcción de un sistema deconmutación solar/eléctrico.

• Se construyó e instaló un sistema de aumento depresión (compresión).

• Se construyó e instaló un depósito de hidrógenopara su posterior uso.

• Se adaptó un dispensador de hidrógeno que per-mita surtir hidrógeno para sus diferentes aplicacio-nes de tipo doméstico.

• Se construyó y adaptó un bastidor que permitióinstalar los diversos componentes del prototipo.

En relación al software, se utilizaron los siguientes pro-gramas

• Matlab con licencia que dispone la EPN.

• Software para el PLC, adquirido conjuntamente.

• Software para el PLC, adquirido conjuntamente.

2.2 Métodos

La obtención del hidrógeno puede realizarse de variasformas y todos los procesos utilizados industrialmenteson del tipo endotérmicos (requieren energía). Dado quese necesita consumir una considerable cantidad de ener-gía en el proceso de extracción, el hidrógeno debería serconsiderado como un transmisor de energía más que co-mo una fuente de energía. Los siguientes son los princi-pales métodos de obtención del hidrógeno.

2.2.1 Reformado a vapor de agua

Actualmente, el 5 % de la producción mundial de hi-drógeno se realiza a partir de gas natural y agua me-diante un proceso conocido como reformado a vapor deagua. El proceso químico se realiza con la combinaciónde agua y una base de hidrocarburo, normalmente el gasnatural, que está constituido principalmente de metano.

Figura 1. Reformado a vapor de agua.

Tal y como se observa en la figura 1, el proceso inclu-ye tres etapas, primero se combina el vapor y el metanoa alta presión 3 MPa y temperatura (entre 550 y 900 ◦ C),

para producir una mezcla de hidrógeno, dióxido de carbono y otras impurezas, conocida como gas sintético. Se-guido a esto, se debe extraer el dióxido de carbono delgas sintético, y por último purificar el hidrógeno obteni-do.

2.2.2 Gasificación

Otras bases de hidrocarburo se pueden transformar convapor, no obstante, hay sustancias que por sus caracte-rísticas, no pueden ser reformadas con vapor debido aldaño que provocarían a los catalizadores. El método degasificación, no requiere el uso de catalizadores, por lo

tanto, es posible utilizar una amplia variedad de materiaprimas que van desde líquidos de alta viscosidad comoel fuel oil, hasta sólidos como el carbón mineral y la bio-masa. El proceso se puede se observar en la figura 2.

La gasificación se lleva a cabo a temperaturas supe-riores a los 1300 ◦ C para que el carbón mineral o la bio-masa reaccionen con el agua y se forme gas sintético:

C + H2O −→ H2 + C O2.

Al igual que el método de reformado a vapor de agua, seextrae el dióxido de carbono de la mezcla y se eliminanlas impurezas. El rendimiento neto de conversión es tí-picamente de un 63 %; el hidrógeno producido con ésteprocedimiento puede costar unos 92 centavos de dólarpor kilogramo.

12 Revista Politécnica, 2009, Vol. 30(1): 10–20


4/11


Figura 2. Proceso de gasifiacin.

2.2.3 Electrólisis

El tercer método más utilizado es la electrólisis, procesomediante el cual se hace pasar una corriente eléctrica en-tre electrodos inertes sumergidos en agua, y así separarsus moléculas en sus elementos constitutivos: hidrógenoy oxígeno. El proceso se puede observar en la figura 3

Figura 3. Proceso de electrólisis.

Dado que el agua es virtualmente un aislante eléc-trico, se le agrega un electrolito para hacerla un medioconductor; el hidrógeno se libera en el cátodo y una can-tidad equivalente de oxígeno se libera en el ánodo. El

líquido mismo y los separadores porosos usados en lacelda electrolítica evitan que se mezclen los gases libe-rados, que pueden recogerse a presiones convenientes:H2O −→ 2H2 + O2.

El rendimiento promedio durante la electrólisis vie-ne siendo de un 65 %, sin embargo, los dispositivos másmodernos para la electrólisis pueden alcanzar un rendi-miento entre el 80 y el 85 %. En la actualidad, ésta técnicase utiliza solamente en plantas relativamente pequeñas,a un costo de entre 2,40 y 3,60 dólares por kilogramo dehidrógeno producido.

2.2.4 Energía termalLa energía termal es una tecnología que produce hidró-geno convirtiendo energía térmica en energía eléctrica

para realizar la separación de las moléculas del agua enhidrógeno y oxígeno. Las altas temperaturas se puedenobtener en plantas nucleares, paneles solares o algunafuente de energía fósil.

2.2.5 Electrólisis a alta temperatura

El proceso de la electrólisis a alta temperatura es una va-riación de la electrólisis convencional. Al proceso de des-composición del agua se le agrega calor para así utilizarmenos energía eléctrica, y por ende mejorar la eficienciadel proceso. Sin embargo, desde el punto de vista térmi-co, el proceso es menos eficiente, es por esto que se apro-vecha cuando se tienen excedentes de energía térmica.

2.2.6 Biofotólisis

La captura de la energía solar basada en fotosíntesis pue-

de realizarse por medio de la biofotólisis, que consiste enla capacidad que algunas algas verdes tienen de podercaptar energía luminosa y usarla a través de una cadenade transporte de electrones y unas singulares enzimas(hidrogenasas), para producir hidrógeno por descompo-sición del agua.

La investigación del proceso de biofotólisis ha cono-cido grandes progresos en la última década, pero faltaun largo camino que recorrer para hacer éstas produc-ciones sostenibles y encontrar nuevos organismos.

3 Análisis

La electrolisis es una parte de la química que trata lasrelaciones entre las corrientes eléctricas y las reaccionesquímicas, y de la conversión de la energía química eneléctrica y viceversa. En un sentido más amplio, la elec-trolisis es el estudio de las reacciones químicas que pro-ducen efectos eléctricos y de los fenómenos químicoscausados por la acción de las corrientes o voltajes.

La electrolisis es el proceso de descomposición deuna sustancia por medio de la electricidad. La palabraelectrólisis significa “destrucción por la electricidad”.

La mayoría de los compuestos inorgánicos y algunos

de los orgánicos se ionizan al fundirse o cuando se di-suelven en agua u otros líquidos; es decir, sus moléculasse disocian en especies químicas cargadas positiva y ne-gativamente que tienen la propiedad de conducir la co-rriente eléctrica. Si se coloca un par de electrodos en unadisolución de un electrolito (compuesto ionizable) y seconecta una fuente de corriente continua entre ellos, losiones positivos de la disolución se mueven hacia el elec-trodo negativo y los iones negativos hacia el positivo. Alllegar a los electrodos, los iones pueden ganar o perderelectrones y transformarse en átomos neutros o molécu-las; la naturaleza de las reacciones del electrodo dependede la diferencia de potencial o voltaje aplicado.

La acción de una corriente sobre un electrolito pue-de entenderse con un ejemplo sencillo con la electrolisisdel agua. Si el agua se disuelve en bicarbonato de sodio



5/11

Álvaro Aguinaga

(NaHCO3), cloruro de sodio (NaCl), sulfato de cobreII (CuS O4), u otro compuesto que mejore la conductivi-dad del electrolito (H2O), que disocia en iones oxigenopositivos e iones hidrgeno negativos. Al aplicar una di-ferencia de potencial a los electrodos, los iones oxigenose mueven hacia el electrodo positivo, se descargan, y se

depositan en el electrodo como tomos de oxgeno. Losiones hidrgeno, al descargarse en el electrodo negativo,se convierten en tomos de hidrgeno. Esta reaccin dedescomposicin producida por una corriente elctrica sellama electrlisis.

En todos los casos, la cantidad de material que se de-posita en cada electrodo al pasar la corriente por un elec-trolito sigue la ley enunciada por el qumico fsico brit-nico Michael Faraday.

Cuando se aplica una diferencia de potencial a so-luciones de cidos, bases o sales, o a ciertas substanciasen estado de fusin, la conduccin elctrica se presenta

acompaada por cambios de naturaleza qumica o fsica.Tal conduccin se llama electroltica, y el proceso, que seconoce con el nombre de electrlisis, se distingue por elhecho de que los productos de la reaccin qumica quelo acompaan aparecen separados uno del otro en las l-minas conductora o electrodos, a travs de las cuales lacorriente entra o sale del lquido o electrlito. Se distin-gue, adems, por estar sujeto a las leyes de Faraday, que,condensadas en una sencilla expresin, ensean que lacantidad de sustancia qumica descompuesta, expresa-da en equivalentes gramo, es proporcional a la cantidadde corriente que ha pasado por el electrolito.

Todo flujo de corriente elctrica tiene inevitablemen-

te como consecuencia los cambios qumicos correspon-dientes o, por lo menos, un transporte de partculas ma-teriales (y no solamente de partculas elementales deelectricidad). Este fenmeno se designa como electrlisisy los conductores de segunda clase se llaman electrlitos.Entre ellos se cuentan principalmente las soluciones desales, bases y cidos o estas mismas sustancias fundidas.

Estas sustancias por s solas cuando se presentan enforma cristalina son en la inmensa mayora de los casosno conductoras. Tambin en estado lquido la mayorade los cidos puros, es decir, anhidros, no son conducto-res o son malos conductores. En cambio, las sales y las

bases, especialmente a temperatura alta, a veces en es-tado slido, aunque en general slo en estado de fusin,son en gran parte son conductoras de la corriente elctri-ca. Su conductividad vara entre amplios lmites y en al-gunas sales fundidas especialmente buenas conductorasalcanza, a temperatura alta, valores del orden de magni-tud 10 (resistencia especfica del cubo de 1 cm de lado =1/10Ω cm) esto es, aún 3 rdenes de magnitud por de- bajo de la conductividad que tienen los peores conduc-tores de los metales (Bi, Hg) a la temperatura ambien-te. Una conductividad parecida, aunque esencialmentepeor (orden de magnitud ms alto = 1Ω−1 1 c−1mseob-serva en las soluciones a temperatura ordinaria y sobretodo en las soluciones acuosas de cidos, bases y sales.La designacin electrlito es corriente para estas solu-ciones y sustancias fundidas conductoras, lo mismo que

para las propias sustancias disueltas por cuanto stas au-mentan la conductividad del disolvente, o sea del agua,que en estado puro es mal conductora. A causa de suvaguedad no suele darse este doble sentido al trminoelectrlito.

Así resulta posible definir un número que da la can-

tidad de electricidad que liberar simultneamente unaunidad equivalente en cada electrodo, y que es indepen-diente de la naturaleza del electrlito.

La conduccin electrolítica se distingue, adems, dela metlica por el hecho de que la conductancia específi-ca o conductividad, aunque variable, de un electrlito aotro, dentro de amplios límites, es de orden menor queel de la conductividad metlica.

El electrodo a travs del cual entra la corriente posi-tiva, o en que la corriente negativa sale del electrlito,se conoce por el nombre de nodo; aquel por el cual en-tra la corriente negativa, o la corriente positiva deja elelectrlito, se llama ctodo. Los trminos polo positivo ypolo negativo son ambiguos. El primer trmino se aplicausualmente al electrodo a travs del cual la corriente po-sitiva sale del electrlito, en el caso de una batería; peroen el caso de una vasija de electrlisis, se da este nombreal electrodo a travs del cual entra en el electrlito.

El agua est compuesta por dos elementos químicos:hidrgeno y oxígeno. La separacin de stos mediantela utilizacin de la electricidad se llama electrlisis delagua.

En la electrlisis del H2O (agua) se forman hidr-geno (H2) y oxígeno (O2) en estado gaseoso, según lasiguiente reaccin:

2H2O −→ 2H2 + O2

Esta reaccin no se produce espontneamente. Para quetenga lugar es necesario aportar energía elctrica me-diante una pila galvnica o un generador de corrientecontinuo. Es por este motivo que la reaccin se lleva acabo en una celda electrolítica, que es un sistema elec-troquímico generador de sustancias, por la accin de unflujo de electrones suministrado por la fuente de voltajeexterna. El hidrgeno obtenido por electrlisis del aguaes muy puro pero tambin es muy caro debido al impor-tante gasto elctrico que comporta.

La electrolisis del agua puede considerarse como unafuente de energía secundaria producida a partir de lacombustin de combustibles fsiles o biolgicos por me-dio de ciclos trmicos, a partir de la energía solar porconversin foto–voltaica o a partir de la energía cinticautilizando la conversin mecnica.

La electrlisis del agua es un proceso muy comúnutilizado para pequeñas aplicaciones del hidrgeno. Sinembargo, si el hidrgeno va a ser usado para aplicacio-nes energticas, la conversin elctrica y la eficiencia deltransporte, sumadas a la eficiencia de la conversin dela electrlisis del agua, hacen que se aproveche menosdel 30 % del contenido energtico de la fuente de energíaprimaria. Los componentes bsicos de un electrolizadorson similares, sin embargo, dependiendo del electrolitousado, existen diferentes tipos de electrolizadores.



6/11


Polymer Electrolyte Membrane (PEM)En un electrolizador tipo PEM se utiliza un polímero co-mo electrolito. Cuando se hace pasar la corriente eléc-trica entre los electrodos, el agua reacciona en el ánodoliberando oxígeno e iones de hidrógeno cargados posi-tivamente. Los electrones a través del circuito externo,

y los iones a través de la membrana, fluyen hasta el cá-todo, donde se combinan para formar el hidrógeno. Lareacción el ánodo sería

2H2O −→ O2 + 4H+4e−

Y en el cátodo

4H+ + 4e− −→ 2H2

La temperatura del proceso es entre 80 y 100 ◦C.

Alcalinos

Los electrolizadores alcalinos son similares a los PEMpero como electrolito usan una solución alcalina, sea hi-dróxido de sodio ó hidróxido de potasio. El proceso es elmismo que en un PEM pero a una temperatura más al-ta (entre 100 y 150 ◦C), y las reacciones en los electrodosdifieren. En el ánodo la reacción es la siguiente:

4OH− −→ O2 + 4H2O + 4e−

Y en el cátodo

4H2O + 4e−

−→ 2H2 + 4OH−

Este tipo de electrolizadores pueden ser monopolares o bipolares. Un electrolizador monopolar tiene los electro-dos conectados en paralelo, mientras que uno bipolar enserie, con los electrodos separados por una fina membra-na. El costo de un electrolizador monopolar es menor alde uno bipolar ya que, como los electrodos se encuentranseparados, el diseño y el mantenimiento resulta más sen-cillo. Sin embargo, las ventajas de un electrolizador bipo-lar es la de ser más compacto y poseer mayor capacidadde corriente, densidad y temperatura.

Óxido Sólido

En los electrolizadores de óxido sólido se utiliza un ma-terial cerámico como electrolito, el cual transmite los io-nes de oxígeno cargados negativamente a elevadas tem-peraturas (entre 500 y 800 ◦C) para disminuir la cantidadde energía eléctrica requerida.

El proceso se diferencia al anterior en que es en elcátodo en que el agua reacciona liberando hidrógeno eiones de oxígeno cargados negativamente, y en el ánododonde se forma el oxígeno.

Según la teoría iónica, las moléculas de los electróli-tos están parcial o totalmente disociadas en partículascargadas o iones, siendo la carga de cada equivalentegramo igual a la constante de Faraday, de 96500 culom- bios. Así, las moléculas del cloruro sódico disuelto secomponen, en gran parte de cationes de sodio cargadospositivamente, indicados al principio por el símbolo Na

ahora, usualmente, (Na +), y un, número igual de anio-nes de cloro cargados negativamente, indicados por Clo por Cl − ; mientras que el sulfato sódico disuelto secompone, análogamente, de cationes de sodio y la mitadde su número de aniones sulfato bivalente, indicada porSO′′4 o por SO4 − −.

La carga de 23 g de ion sodio es de 96500 culombiosde electricidad positiva, mientras que 35, 5 g de ion clo-ro o 48 g de ion sulfato llevan una carga negativa simi-lar. Lo que, en un tiempo, fue probablemente la dificul-tad más seria presentada la teoría iónica, ha sido resueltopor las teorías modernas de la estructura atómica.

El aspecto cuantitativo, referente a la relación entre lacantidad de electricidad que pasa por una solución, res-pecto al material y los fenómenos electrolíticos que fueinvestigado primeramente con precisión por M. Faraday(1834), físico y químico inglés.

Sus dos leyes, designadas en su honor como leyes deFaraday y que son las leyes fundamentales que expresanlas reglas que rigen en la electrólisis, se pueden formulanasí:

• La cantidad de sustancia transformada química-mente por medio electrolítico, o separada sobrecualquiera de los electrodos, es proporcional a lacantidad de electricidad que ha pasado del electro-do correspondiente al electrodo opuesto, o en sen-tido inverso.

• Las cantidades de sustancias puestas en libertad enlos distintos electrodos por las mismas cantidadesde electricidad (o en cualquier forma transforma-das químicamente), guardan entre si la misma rela-ción de sus pesos equivalentes o equivalentes quí-micos, es decir, a sus masas atómicas divididas porsus valencias.

Las leyes enunciadas se verifican rigurosamente en elcaso de que la corriente eléctrica sólo produzca siempreun proceso único en cada uno de los electrodos conside-rados sin que aparezca otro simultáneamente, como, porejemplo, un depósito de metal al lado de un desprendi-miento de hidrógeno.

La ecuación final de Faraday se puede escribir de la

siguiente forma: m

Pe=

I × t

F

Donde:

m : Masa del gas [ kg]

Pe : Peso equivalente del electrolito [ kg/kmol]

I : Corriente eléctrica [ A]

t : Tiempo [s]

F : Constante de Faraday 9.65 × 107 [C/kmol]

Todos los cambios químicos implican una reagrupacióno reajuste de los electrones en las sustancias que reaccio-nan; por eso puede decirse que dichos cambios son decarácter eléctrico.



7/11

Álvaro Aguinaga

Esta frmula puede ser expresada en razn del flujomsico del gas que se va a obtener.

m = V R × F

× Pe

Donde:

V : Voltaje aplicado en el electrolito[ V]

R : Resistencia del electrolito[Ω]

La reacción de descomposición del agua para dar hidró-geno y oxígeno gaseosos no se produce de manera es-pontánea, sino que es necesario aplicar una energía co-rrespondiente al cambio de energía libre de Gibbs, queen condiciones estándar toma el valor:

2H2O(l) −→ 2H2( g) + O2( g)

∆G0 = +474, 4 kJ/kmol

Por tanto, la ruptura de la molécula de agua por vía elec-troquímica requiere aplicar un potencial eléctrico míni-mo en la celda electrolítica (Eequilibrio ) para vencer el va-

lor de∆G en unas condiciones dadas. El potencial de cel-da necesario se relaciona con la energía libre de Gibbsmediante la siguiente ecuación:

∆G = −nmol · F · Eequilibrio

En la siguiente figura 4 se presenta un esquema deun sistema electrolítico básico. Consta de una fuente dealimentación encargada de generar una paso neto de co-rriente entre dos conductores, llamados electrodos, encontacto con una disolución que contiene los reactivossusceptibles de oxidarse (anolito) y reducirse (catolito).Así, gracias al potencial eléctrico aplicado por la fuentese genera un flujo de electrones desde el electrodo posi-tivo (ánodo) hacia el electrodo negativo (cátodo) a travésde un circuito eléctrico externo.

La reacción de reducción en la que una especie quí-mica gana electrones se produce por tanto en el cáto-do, mientras que la reacción de oxidación con pérdidade electrones por parte de un elemento se produce en elánodo. Para mantener el balance de cargas en el sistemaes necesario que exista también un transporte electróni-co dentro de la celda electrolítica. Dicho transporte seconsigue mediante la introducción de un electrolito queaporta al medio de reacción iones cargados positiva ynegativamente.

Figura 4. Proceso de electrólisis.

3.1 Selección de alternativas

Es el sistema encargado de la producción y distribuciónde hidrógeno, obtenido mediante un proceso de elec-trólisis que posteriormente será confinado a un tanquede almacenamiento, este sistema está conformado por elcuerpo del electrolizador, diafragmas, electrodos anódi-cos y catódicos.

Para el planteamiento de soluciones para el Sistemade Producción y Distribución de Hidrógeno además deconsiderar las especificaciones del electrolizador se deben establecer criterios de diseño del cuerpo del electro-lizador.

3.1.1 Alternativa 1 (Cuerpo Redondo)

Figura 5. Alternativa 1 (Cuerpo Redondo).

Este diseño está constituido por tres celdas cilíndricascomunicadas entre sí, cada uno de los ductos de entradadel electrolito están ubicados de forma axial en la prime-ra y tercera celda respectivamente, los ductos de salidade los gases se encuentran ubicados en la parte supe-rior radial de las celdas, la distancia de los electrodos es



8/11


regulable mediante rosca y las tres celdas del electroli-zador van separadas adecuadamente por diafragmas ysellos que garantizan la hermeticidad del recipiente. Loselectrodos pueden ser construidos con mallas o placascirculares. Ver figura 5.

Como ventajas se tienen: diseo modular, disponibi-

lidad de trabajo continuo, facilidad de variar las distan-cias entre electrodos, pequeo volumen de trabajo, fcillimpieza y facilidad de montaje. Como desventajas: ladificultad en el cambio de electrodos y el incremento delcosto.

3.1.2 Alternativa 2 (Recipiente Hermético)

Este diseo se basa principalmente en un recipiente her-mético a presión por medio de pernos de sujeción, el cualtrabaja por cargas de electrolito, la tapa superior cumple

la función salida de los gases producidos, soporte paralos electrodos y sello del electrolito. Ver figura 6.

Figura 6. Alternativa 2 (Recipiente Hermético).

Como ventajas se pueden indicar: son de fcil cons-trucción, de fcil limpieza, tienen facilidad de montajey bajo costo Como desventajas estn: la dificultad en elcambio de electrodos, el trabajo por cargas, la rígida va-

riación de las distancias entre electrodos y la celda deproducción cuadrada.

3.1.3 Alternativa 3 (Electrolizador Por Domos)

Este sistema est basado en dos partes principales; elprimero una tapa dividida en tres secciones piramida-les truncadas para la separación y direccionamiento ade-cuado de los gases obtenidos, y el segundo es un cuerporectangular el cual abarcara al electrolito y a los electro-dos los cuales estn sujetos al cuerpo mediante tornillospara poder variar su distancia, el cuerpo tiene un ingresoy una salida para el electrolito, ambas partes se sujetanmediante pernos con la ayuda de empaques para evitaralgún tipo de fuga, figura 7.

Figura 7. Alternativa 3 (Electrolizador por domos).

Como ventajas se enumeran: celda de producciónadecuada, disponibilidad de trabajo continuo, facilidad

de variar las distancias entre electrodos, fcil limpieza,facilidad de montaje y facilidad en el cambio de electro-dos. Como desventajas se tienen la dificultad en el cambio de electrodos, que se incrementa el costo y el granvolumen de trabajo.

La forma de evaluación y selección de los sistemasdel electrolizador se basa en el Método Ordinal Corre-gido de Criterios Ponderados usados en Diseo Concu-rrente, con lo que se seleccionan las siguientes alternati-vas:

Selección de Alternativas

Sistemas del electrolizador Alternativa elegida

Sistema de producción y distri- bución de hidrógeno.

Cuerpo Redondo.

Sistema de alimentación delelectrolito.

Recipiente Cónico a Presión.

Sistema eléctrico del electroli-zador.

Circuito Eléctrico Variac.

Sistema de medición de la pro-ducción de hidrogeno.

Medidor de la producción de hidró-geno a volumen constante.

Tabla 3. Selección de alternativas

Las soluciones de los sistemas elegidos se encuentran

acopladas en el siguiente esquema (figura 8):

Figura 8. Alternativas selecionadas.



9/11

Álvaro Aguinaga

3.2 Selección de materiales para cátodo yánodo

El proceso de electrolisis que se va efectuar en el electro-lizador va depender del comportamiento que tengan loselectrodos tanto andicos y catdicos versus la solucin

acuosa del 20 % de Hidróxido de sodio (sosa caustica),adems de las caractersticas internas de cada material yel comportamiento que tengan frente a la pareja de loselectrodos.

Por la gran diversidad de materiales existentes se hapreseleccionado los mismos considerando los elementosnobles (ctodos) y no nobles para los (nodos), de la seriegalvnica, con el fin evaluar los materiales en condicio-nes ms extremas, de corrosión.

El carbono (C) es estupendo para emplearlo comonodo en electrólisis ya que es buen conductor y no esatacado por las reacciones anódicas. Solo el grafito yotros metales nobles comparten estas propiedades, co-mo son el cobre (Cu), la plata (Ag), oro (Au), platino(Pt), rutenio (Ru), osmio (Os), rodio (Rh), iridio (Ir), ypaladio (Pd) [3]. En la siguiente tabla se muestran loselementos que se van a evaluar:

Entre los requisitos ms importantes que deben con-tar los electrodos son:

Entre los requisitos ms importantes que deben con-tar los electrodos son:

• Capacidad electro-cataltica

• Estabilidad qumica

• Mnima resistencia eléctrica

• Disponibilidad y Costos

La capacidad electro-cataltica es aquella que modi-fica la velocidad de una reacción qumica pero sin quegenere otra reacción qumica paralela a la principal, esterequisito no solo depende del material del electrodo sinodepende también del comportamiento que tenga frentea la solución acuosa de 20 % de Hidróxido de sodio y ladiferencia de potencial galvnico que se obtenga con lapareja del electrodo (nodo y ctodo).

La estabilidad qumica se refiere a la resistencia queopone el material a la corrosión y a la erosión que se pro-duce por estar en contacto con la solución electrocatalti-ca, adems del par galvnico producido por los electro-dos.

El requisito de mnima resistencia hace referencia ala mnima oposición que encuentra la corriente a su pa-so por un circuito cerrado, es decir que la atenuación delflujo de cargas eléctricas por el material sea el menor po-sible.

Para evaluar la capacidad electrocataltica de los dife-rentes elementos, se toma como referencia la ecuación deButler - Volmer para determinar el grado de afinidad queposeen cada uno de los elementos, para lo cual se debenhacer las siguientes consideraciones para una evaluaciónadecuada.

• El electrolito a utilizar ser solución acuosa al 20 %de sosa caustica.

• La conductividad de la solución al 20 % de Hidró-xido de sodio es de [0.18 s/m] que se estableció deforma experimental.

• El voltaje necesario para la electrólisis del agua as-ciende teóricamente a 1,23 voltios, en la prcticahacen falta sin embargo voltajes de 1,8 a 3 voltios.

• La longitud entre los electrodos sin considerar lasección de cada uno de ellos es de 2 cm.

• Tiempo de referencia dos minutos, es decir 120 se-gundos.

• Circuito eléctrico que obedecen a la ley de Ohm.

• Tanto el nodo como el ctodo tendrn la mismaforma y sección, es decir un volumen circular.

• El clculo del rea eléctrica efectiva de los electro-dos es de 200 cm2.

• La evaluación se har de forma independiente pa-ra cada uno de los elementos pertenecientes al gru-po de electrodos anódicos y catódicos respectiva-mente.

• Una de las consideraciones ms importantes es laresistencia del nodo que vara conforme el mate-rial a analizar, por este motivo se utilizó una resis-tividad promedio de todos los elementos listadospor los electrodos catódicos.

• La serie estndar de los metales por su FEM se-rn evaluados con el potencial de electrodo contraelectrodo normal de hidrógeno a 25 ◦ C.

• La electronegatividad será evaluada según la seriede Pauling.

• La resistividad de los materiales serán considera-dos como propiedades internas.

La forma de evaluación y selección de los electrodos se basa en el Método Ordinal Corregido de Criterios Pon-derados usados en Diseño Concurrente, con lo que seseleccionan las siguientes alternativas:

Selección de material de electrodos

Elementos de los electrodosanódicos

Elementos de los electrodoscatódicos

Hierro (Fe) Iridio (Ir)

Carbono (C) Oro (Au)

Zinc (Zn) Carbono (C)

Plomo (Pb) Plata (Ag)

Aluminio (Al ) Osmio (Os)

Estaño (Sn) Cobre (Cu)

Tabla 4. Selección de material de electrodos



10/11


3.3 Prototipo construido

El mecanismo para obtener hidrgeno que se dise,construy y prob es un dispositivo (electrolizador) queutiliza en forma hbrida, energa renovable solar y ener-ga elctrica de uso domstico para producir hidrgeno

mediante la electrlisis del agua. Ese hidrgeno puedeutilizarse como gas natural directamente para cocinar,calentar agua o para climatizacin del hogar, o en pilasde combustible regenerar energa elctrica para usos do-msticos comunes.

Los componentes principales del prototipo de plantadispensadora de hidrgeno domstica, con electroliza-dor hbrido solar y elctrico son los siguientes:

• Panel solar que se ha seleccionado e instalado; ycuya funcin es la de transformar la energa solar

en energa elctrica.

• Electrolizador hbrido que se ha diseado, cons-truido e instalado, en que se produce la electrlisisdel agua mezclada con un catalizador y se separanlas molculas de hidrgeno y oxgeno. El electro-lizador es de alta eficiencia, marcando diferenciascon otros ya desarrollados. Se busc que el hidr-geno tenga el mayor grado de pureza posible.

• Sistema de control automático y protección que

permite un funcionamiento adecuado y seguro dela planta, considerando tanto la eficiencia de laplanta como su uso cautivo en viviendas.

• Sistema de conmutación solar/eléctrico que per-mite cambiar la fuente de electricidad de solar ala alimentación eléctrica doméstica cuando existelimitaciones por el clima y otros factores que dis-minuyen el aprovechamiento de la energía solar.

•

Sistema de compresión del hidrógeno cuya fun-ción es aumentar la presión del hidrógeno gene-rado por el electrolizado de tal manera de poderalmacenarlo en mayor cantidad.

• Depósito de hidrógeno que permitirá almacenar enforma segura hidrógeno a presión para su poste-rior uso.

• Dispensador de hidrógeno que permita de una ma-nera fácil surtir hidrógeno para sus diferentes apli-

caciones de tipo doméstico.A continuación se presenta una foto del prototipo des-crito en la figura 9:

Figura 9. Prototipo construido.

3.4 Resultados obtenidos

En la ejecución del Proyecto se han seguido estrictamen-te la metodología y procedimientos sistematizados de lainvestigación científica y tecnológica, sustentada en refe-rencias bibliográficas.

Los resultados que se obtuvieron en esta investiga-ción son:

• Se han documentado en forma clara todos los ele-mentos importantes que resulten de la investiga-ción para luego poder difundirlos de la mejor ma-nera.

• Se analizaron las alternativas de generación de hi-drógeno por electrólisis con el uso de energía solary se definieron las más adecuadas y eficientes

• Se diseñó el prototipo de planta dispensadora dehidrógeno doméstica, con electrolizador híbridosolar y eléctrico con las partes enunciada en el pun-to anterior.

• Se construyó bajo normas y se probó el prototipoen base a un protocolo definido.

• Se diseñó e instaló un controlador difuso (lógicafuzzy) y secuencial para una operación adecuaday segura de la planta.

• Se está difundiendo la investigación y el prototiporealizado en congresos nacionales e internaciona-les, generando publicaciones en memorias y revis-tas especializadas.

• Se ha propiciado el inicio de trabajos y un procesode investigación aplicada en el aprovechamientodel hidrógeno como vector energético en Ecuador.



11/11

Álvaro Aguinaga

4 Conclusiones

La situación energética actual, con problemas de con-taminación, cambio climático, conflictos internacionalesmotivados por el acceso a los recursos, y agotamiento decombustibles fósiles, precisa nuevas tecnologías. Entreellas destaca el hidrógeno, al que muchos le asignan elpapel de desplazar a los combustibles fósiles para llegara basar nuestro futuro en la “economía del hidrógeno”.

Para los próximos años, el hidrógeno, como combus-tible, es considerado como una fuente potencial de ener-gía renovable, la cual es clave para evitar aún más el de-terioro de nuestro medio ambiente, sea que se lo utili-ce en procesos de combustión o para regenerar energíaeléctrica en las pilas de combustible.

La dramática disminución de las reservas mundialesde petróleo llevará en pocos años, si no se encuentra una

solución, a una crisis energética sin precedentes que obli-garía a cambiar drásticamente el actual modo de vida.

Todo indica que el futuro de la energía pasa por hi-drógeno, el combustible más limpio que existe. Es versá-til y muy eficaz. Un combustible revolucionario, ya quetransformará las relaciones sociales y económicas en to-do el mundo. También supone una esperanza en la con-quista de una economía energética sostenida

Las ventajas de la utilización del hidrógeno comocarburante son patentes: es una fuente de energía abun-dante y su combustión sólo origina vapor de agua y ca-lor, además de ser un sistema energético no contaminan-te y silencioso. Entre los inconvenientes hay que señalarque es un gas muy inflamable y que sería muy costosa laconstrucción de las infraestructuras para su distribución.

Estas tecnologías tienen una amplia aplicación en di-ferentes órdenes del quehacer humano, a nivel domés-tico, en la transportación y a nivel industria, por lo quela asimilación, transferencia, adaptación y generación deestas tecnologías es de una singular importancia y es unreto fundamental para la universidad ecuatoriana desa-

rrollar procesos de investigación aplicada que nos per-mitan el aprovechamiento del hidrógeno como vectorenergético.

Referencias

[1] Hordeski, Michael Frank Alternative Fuels – The Fu-ture of Hydrogen (2nd Edition), 2008, Fairmont Press,Inc.

[2] Barclay, Frederick J. Fuel Cells, Engines and Hydrogen – An Exergy Approach2006 John Wiley & Sons.

[3] Rifkin, Jeremy, La Economía del Hidrógeno Paidós,Barcelona, España, 2002.

[4] Sperling, Daniel; Cannon James, The Hidrogen EnergyTransition, Elsevier Science & Technology Books, ju-ne 2004.

[5] Zekai, Sen, Solar Energy Fundamentals and ModelingTechniques, Springer-Verlag London Limited, 2008.

[6] Andreas Zuttel, Andreas Borgschulte, and LouisSchlapbach, Hydrogen as a Future Energy Carrier,WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2008.

[7] Hurley, Phillip, Build a Solar Hydrogen Fuel Cell Sys-tem, Wheelock Mountain Publication, 2004.

[8] Mukund R. Patel, Ph.D., P.E., Wind and Solar PowerSystems, 1999 by CRC Press LLC.

[9] Schmid, J.E.H.P. (2003), Handbook of Fuel Cells Fun-damentals, Technology and Applications, John Wiley &Sons, Ltd, Chichester.


diseño y construccion de planta de hidrogeno domestica

Documents