TRABAJO DE GRADUACIÓN PREPARADO PARA LA. FACULTAD ... Deseamos
plasmar nuestro profundo agradecimiento a nuestros dedicados catedráticos,.
UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA “JOSÉ SIMEÓN CAÑAS”
CONSTRUCCIÓN Y MONITOREO DE UN ELECTROLIZADOR PROTOTIPO PARA LA GENERACIÓN DE HIDRÓGENO
TRABAJO DE GRADUACIÓN PREPARADO PARA LA
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA PARA OPTAR AL GRADO DE
INGENIERO MECÁNICO
POR:
CARLOS ALFREDO BARRIENTOS STRAETGER CARLOS MAURICIO SOL SERRANO
OCTUBRE 2007 SAN SALVADOR, EL SALVADOR, C.A.
RECTOR JOSÉ MARÍA TOJEIRA, S.J.
SECRETARIO GENERAL RENÉ ALBERTO ZELAYA
DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA EMILIO JAVIER MORALES QUINTANILLA
COORDINADOR DE LA CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA MARIO WILFREDO CHÁVEZ MOLINA
DIRECTOR LEONEL HERNÁNDEZ
LECTOR HERBERT SCHNEIDER
AGRADECIMIENTOS Este proyecto no hubiera sido posible sin el invaluable apoyo de LaGeo S.A. de C.V., que a través de su personal: Ing. Guidos, Ing. Handal e Ing. López, nos brindo el soporte necesario para llevar a cabo este tan necesario desarrollo para las tecnologías energéticas alternativas. Así mismo, es imperante la necesidad de agradecer a nuestro director del trabajo, el Ing. Leonel Hernández, quien fue un eslabón fundamental en el resultado del la tarea emprendida.
Deseamos plasmar nuestro profundo agradecimiento a nuestros dedicados catedráticos, quienes con su visión progresista plasmaron en nuestra mente el pensamiento jesuita, que enseña la unión del conocimiento con la labor social que estamos llamados a desempeñar como magnos líderes del porvenir salvadoreño.
Esta apasionante carrera no hubiera sido nada si no es por todos los que estuvieron desde el principio, algunos con los que tenemos la dicha compartir la misma promoción, porque al recordar estos cinco años serán picos de emoción y nostalgia por el resto de nuestras vidas. Compañeros, quienes por gracia de nuestro creador, pudimos compartir y disfrutar de risas, desvelos, preocupaciones y demás vivencias que permitieron formarnos, como los pioneros mecánicos de la máquina del cambio hacia un mundo nuevo de resurgimiento del espíritu humano.
Agradecemos a nuestras familias, que han sido la piedra angular de nuestro prominente porvenir. Sin cuyo sacrificio hubiésemos carecido del coraje y valentía requeridos para afrontar el reto que la más alta educación nos demandase. Dedicamos esta empresa especialmente a los que por la vida misma no se encuentran en nuestro mismo plano terrenal, pero cuya presencia en el plano espiritual nos ha acompañado durante toda la marcha.
Finalmente deseamos reiterar nuestro profundo agradecimiento a Dios, el creador, por habernos permitido nacer en nuestro prometedor El Salvador, con nuestras respectivas familias, en nuestras privilegiadas circunstancias; todo lo que nos permite pertenecer ahora a la élite de Ingenieros forjados por y para salvadoreños.
Santa Tecla, 23 de agosto de 2007
Departamento de Energías Renovables Facultad de Ingeniería Universidad José Simeón Cañas, UCA Antiguo Cuscatlán La Libertad. Estimados Señores:
En respuesta a solicitud enviada a través de correo electrónico con fecha 20 de agosto de 2007, deseamos expresar nuestras felicitaciones a los señores Carlos Barrientos y Carlos Sol por el logro académico obtenido mediante la finalización de su trabajo de graduación para optar al título de Ingeniero Mecánico, de igual manera agradecemos a la Universidad José Simeón Cañas, por brindarnos la oportunidad de asesorar a través de nuestro personal técnico en los temas de investigación que esa Universidad está realizando.
En anexo enviamos para los efectos que ustedes lo solicitan, nuestra visión y vocación empresarial de investigación y promoción de energías con base a recursos renovables y un reconocimiento sobre el Trabajo de Investigación de Hidrógeno elaborado por esa Universidad.
Atentamente,
Ing. José Antonio Rodríguez Gerente General de LaGeo S.A. de C.V.
RESUMEN EJECUTIVO El presente trabajo trata sobre el diseño de un prototipo de generador de hidrógeno que utilice la electrólisis para disociar las moléculas de agua. El equipo deberá permitir el estudio de cada una de las variaciones de los componentes involucrados en el sistema de generación; buscando medir su influencia en la producción cuantitativa y cualitativa del gas, para optimizar su desempeño.
El objetivo general de este trabajo tiene el fin de presentar un diseño de electrolizador que permita la obtención empírica de datos confiables, obtenidos a partir de la experimentación y el análisis de los mismos, buscando obtener una configuración óptima para la producción de hidrógeno máxima y de mayor eficiencia energética.
A pesar que el fin del trabajo es la optimización del prototipo experimental de generación, los datos obtenidos deberán poder ser posteriormente utilizados para extrapolar el diseño hacia un sistema capaz de alcanzar niveles de producción industriales.
Más específicamente el fin del trabajo es dar a conocer las aplicaciones del hidrógeno como una alternativa renovable de energía, mediante una investigación sobre su producción, almacenaje, transporte y aprovechamiento. Para este fin se realizará una recopilación histórica del desarrollo de las tecnologías aplicadas en este campo de las energías renovables; también se identificarán las ventajas de la utilización del hidrógeno como fuente de energía y las preeminencias de su aplicación como almacén energético, como una solución viable para la crisis actual de los hidrocarburos y cambio climático.
Se establecerán los componentes necesarios para la fabricación de un electrolizador adecuado a las condiciones locales y a la disponibilidad de materias primas en el mercado nacional. Se pretende definir el potencial con que se cuenta en El Salvador para la producción de esta fuente energética, bajo las condiciones tecnológicas actuales.
i
Diseño del prototipo de electrolizador, enfatizando en la facilidad de experimentación y medición de datos. Para ello nos basaremos en los avances actuales en materia de generación de hidrógeno para la disociación de agua, alcanzables con la tecnología aplicable localmente. Se elaborarán planos de construcción del equipo, para ser utilizados en las bases de licitación de su fabricación.
Se desarrollará un manual de procedimientos para el uso del prototipo, así como también de las pruebas estandarizadas que se podrán realizar en él; destacando aspectos clave del diseño y detalle de los parámetros a ser medidos en ellas. Con estas guías se pretende, por un lado, dejar procedimientos establecidos para la posterior utilización del equipo y, también, validar los datos obtenidos de la experimentación a realizarse.
Posteriormente se realizará un análisis de los datos experimentales, aplicándoles herramientas estadísticas que validen su coherencia; luego se hará la presentación de resultados obtenidos.
En los capítulos primer y segundo se pretende dar una introducción a las principales características del elemento Hidrógeno, y su potencial dentro del aprovechamiento de energías renovables, tratando con las generalidades de sus propiedades, obtención y almacenamiento. En esta sección se
ahonda
en los procesos de electrólisis y los
componentes de este tipo de sistemas, así como el desarrollo con el que se cuenta actualmente en este tipo de tecnologías a nivel mundial. El método con el que se desarrolla este apartado consiste en una investigación de corte bibliográfico y medios electrónicos, para la recopilación de información.
En el siguiente capítulo se desarrolla una breve investigación y posterior prueba de materiales, dado que se pretende lograr un diseño realizable localmente, que se acoja a las características tecnológicas actuales del país, se debe contar con la información concerniente a los materiales disponibles en el marcado nacional para la construcción del prototipo, la experimentación y posterior realización del sistema de mayor escala. El proceso investigativo consiste en un estudio de campo orientado a determinar la ii
disponibilidad actual y potencial de materias primas y de los elementos que conforman un sistema de generación de hidrógeno. También se entabla
una amplia consulta con
constructores locales y miembros del gremio manufacturero para consolidar la validez de las opciones de materiales encontrados.
Posteriormente se efectuaron los cálculos necesarios para el dimensionamiento del equipo de electrólisis, así como la realización de los planos de construcción y modelo 3D.
Basado en la investigación previa, se realizaron los cálculos de balance de masa y energía, para el posterior dimensionamiento de piezas. El diseño preliminar estará sujeto a una revisión previa junto a la entidad consultora avalada por la empresa patrocinadora involucrada. Habiendo sido aprobado el diseño conceptual, se procederá a la elaboración del diseño definitivo junto a sus planos de construcción y ensamble.
En subsecuente se representa el preámbulo a la realización de las prácticas de laboratorio; aquí se contemplarán el modo de operación del prototipo, el establecimiento de los parámetros de desempeño a ser medidos y la estandarización de los procedimientos de experimentación y recopilación de datos. Habiéndose determinado el diseño definitivo del equipo se procederá a estandarizar los parámetros a ser medidos en cada prueba realizada, también se dictaminarán los aspectos de operación del equipo y la secuencia de cada experimento.
Como corolario de las experiencias adquiridas en el transcurso del proyecto, de manera que éste sirva como base empírica para venideros desarrollos en este rubro; ya que se deja, por un lado, determinada la disponibilidad local de materias primas adecuadas para desarrollar equipos de esta índole. Por otro lado, se contempla la capacidad técnica disponible en el país para la materialización satisfactoria de este tipo de equipos. Así mismo se establece este proyecto como una guía de la estructuración secuencial de lo que conlleva el desarrollo de este tipo de proyectos orientados hacia el crecimiento de los aprovechamientos energéticos locales con empresas interesadas en promover un desarrollo investigativo y tecnológico. iii
Asimismo, en la actualidad el prototipo se encuentra en proceso de construcción por un contratista escogido a través de un proceso de licitación de LaGEO, a la fecha se tiene un avance del 70 % en la construcción total, con materiales y mano de obra 100% salvadoreña, a pesar de haberse logrado esto las limitantes técnicas y de disponibilidad han sido una de las mayores barreras en la pronta construcción del prototipo diseñado. Aunque esta iniciativa ha sentado un precedente en los procesos y procedimientos de materialización de tecnologías innovadoras a nivel local, teniendo una respuesta positiva del rubro manufacturero en cuanto su tecnificación.
iv
ÍNDICE Resumen Ejecutivo..................................................................................................................i Índice de Figuras..................................................................................................................vii Índice de Tablas....................................................................................................................ix Unidades de Medida...............................................................................................................x Simbología............................................................................................................................xi Prólogo.................................................................................................................................xii CAPÍTULO 1. Propiedades del Hidrógeno............................................................................1 1.1. Propiedades energéticas del Hidrógeno....................................................................3 1.2. Ventajas ambientales del Hidrógeno.........................................................................6 1.3. Principales métodos de generación de hidrógeno en la actualidad...........................6 1.4. Usos del Hidrógeno...................................................................................................8 1.5. Obtención industrial del Hidrógeno..........................................................................9 CAPÍTULO 2. Producción de Hidrógeno............................................................................11 2.1. Producción a partir de combustibles fósiles............................................................12 2.1.1. Reformado con vapor de agua de gas natural...............................................13 2.1.2. Oxidación parcial de hidrocarburos pesados................................................13 2.1.3. Oxidación parcial de carbón.........................................................................14 2.1.4. Producción de Hidrógeno usando gas natural o fuel oil y electricidad.................................................................................14 2.2. Producción a partir de biomasa...............................................................................15 2.2.1. Gasificación de biomasa...............................................................................15 2.2.2. Fermentación de biomasa.............................................................................15 2.2.3. Producción de Hidrógeno biológico.............................................................16 2.3. Producción a partir de electrólisis...........................................................................16 2.4. Manejo, Almacenaje y Transporte..........................................................................19 2.4.1. Condicionamiento de Hidrógeno.................................................................19 2.4.2. Compresión de Hidrógeno...........................................................................20 2.4.3. Almacenaje de Hidrógeno............................................................................21 2.4.4. Almacenaje por absorción............................................................................22
CAPÍTULO 3. Materiales para la construcción...................................................................23 3.1. Características por componente..............................................................................23 3.1.1. Electrodos....................................................................................................23 3.1.2. Tanque y Colectores de gases......................................................................23 3.1.3. Conectores para electrodos...........................................................................23 CAPÍTULO 4. Diseño del prototipo....................................................................................31 4.1. Cálculo de producción de Hidrógeno......................................................................31 4.2. Diseño Preliminar....................................................................................................33 4.3. Diseño Definitivo....................................................................................................39 CAPÍTULO 5. Manual de Usuario.......................................................................................49 5.1. Manual de ensamble, instalación y manejo.............................................................49 5.2. Manual de Laboratorio............................................................................................51 CAPÍTULO 6. Conclusión...................................................................................................55 Glosario................................................................................................................................57 Referencias...........................................................................................................................59 Bibliografía...........................................................................................................................60 Anexo A: PLANOS DE CONSTRUCCIÓN Anexo B: MANUAL DE USUARIO Anexo C: MISIÓN Y VISIÓN DE LaGeo
ÍNDICE FIGURAS Figura 1.1: Ilustración del proceso de reformado con vapor de hidrocarburos......................6 Figura 1.2: Esquema funcional de célula de combustible......................................................8 Figura 2.1: Ilustración del sistema de electrólisis................................................................18 Figura 3.1: Muestra de Policarbonato en KOH....................................................................25 Figura 3.2: Muestra de Acrílico en KOH.............................................................................25 Figura 3.3: Muestra de Nylon en KOH................................................................................26 Figura 3.4: Muestra de Teflón en KOH...............................................................................26 Figura 3.5: Muestra de Acero Inoxidable en NaOH............................................................27 Figura 3.6: Muestra de Acero Inoxidable pulido en NaOH.................................................28 Figura 3.7: Muestra de Cobre recubierto de Níquel en NaOH.............................................28 Figura 3.8: Muestra de Latón recubierto de Níquel en NaOH.............................................29 Figura 3.9: Muestra ilustración de recubrimiento de níquel en el alma de bronce..............30 Figura 4.1: Diseño preliminar..............................................................................................33 Figura 4.2: Electrodo con su conexión eléctrica..................................................................33 Figura 4.3: Ilustración del conjunto marco y membrana......................................................34 Figura 4.4: Guía de membranas...........................................................................................35 Figura 4.5: Dosificador para la variación de concentración.................................................35 Figura 4.6: Reservorio de agua destilada para reposición....................................................36 Figura 4.7: Conjunto de colectores de gases........................................................................37 Figura 4.8: Colector de gases separado en sus componentes...............................................37 Figura 4.9: Detalle de conexión eléctrica de los electrodos.................................................38 Figura 4.10: Diseño definitivo (vista isométrica).................................................................39 Figura 4.11: Tapadera del tanque.........................................................................................39 Figura 4.12: Elemento de fijación del conjunto electrodo-conector-colector......................40 Figura 4.13: Anclaje de soportes..........................................................................................40 Figura 4.14: Disposición de las guías de membranas en el tanque......................................41 Figura 4.15: Detalle de los anclajes de los soportes y las guías de membranas, colocadas en posición......................................................................................41 Figura 4.16: Reservorio de agua destilada para reposición..................................................42 vii
Figura 4.17: Agujeros para la recolección de gases.............................................................42 Figura 4.18: Campana recolectora de gases.........................................................................43 Figura 4.19: Detalle de conectores de electrodos.................................................................43 Figura 4.20: Electrodo tipo cilindro hueco...........................................................................44 Figura 4.21: Electrodo tipo placa plana con bordes suaves.................................................45 Figura 4.22: Electrodo tipo píldora......................................................................................45 Figura 4.23: Electrodo tipo cilindro hueco...........................................................................46 Figura 4.24: Detalle del tanque principal y su refuerzo estructural.....................................46 Figura 4.25: Detalle de las salidas de gases para su recolección.........................................47 Figura 4.26: Detalle de tomas de agua de suministro...........................................................47 Figura 4.27: Detalle del apoyo de la tapadera del tanque....................................................48 Figura 5.1: Muestra la disposición de los conectores...........................................................50 Figura 5.2: Muestra la conexión entre el electrodo y el conector........................................50 Figura 5.3: Ensamble del sujetador del conjunto y su posicionamiento en el tanque..........51 Figura 5.4: Componentes con membrana separadora en su lugar........................................51 Figura 5.5: Hoja de laboratorio consta de descripción y parámetros a analizarse..............53 Figura 5.6: Muestra detalle de análisis a aplicarse...............................................................54
viii
ÍNDICE TABLAS Tabla 1.1: Características de combustión del hidrógeno.......................................................3 Tabla 1.2: Cuadro comparativo de diversos portadores de energía.......................................3 Tabla 1.3: Características del hidrógeno................................................................................9 Tabla 2.1: Fuente “Plan para la Implementación de la economía del Hidrógeno................12 Tabla 4.1: Valores usados para el cálculo de la producción de hidrógeno..........................31 Tabla 4.2: Resultados para el cálculo de la producción de hidrógeno.................................32 Tabla 4.3: Verificación de los resultados obtenidos anteriormente.....................................32
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UNIDADES DE MEDIDA
Grado Celsius
°C
Kilogramo
kg
Mililitro
ml
Amperio
A
kilo Joule
KJ
Milímetro
mm
Bar
bar
Kilo Newton
kN
Mol
mol
Coulomb
C
Kilo pascal
kPa
Mega Pascal
MPa
Centímetro
cm
Kilo Watt
kW
Número de Avogadro
n
Carga elemental
e‐
Kilo Watt hora
kWh
Newton
N
Faraday
F
Litro
l
Metros cúbicos normales
Nm3
Gramo
g
Libra
lb
Pascal
Pa
Pulgada
in
Metro
m
Pie
pie
Joule
J
Metro cúbico
m3
Segundo
s
Kelvin
K
Mega Joule
MJ
Voltio
V
x
SIMBOLOGÍA
H Pb
Hidrógeno Plomo
NOx
Oxido Nitroso
NASA
National Aerospace Agency
PVC
Poly Vinyl Carbonate
CO2
Dióxido de Carbono
SMR
Steam Methane Reformation
CH4
Monóxido de Carbono Metano
MEA
Monoetilamina
MDEA
Metildietilamina
MSDS
Material Safety Data Sheet
KOH
Hidróxido de Potasio
NaOH
Hidróxido de Sodio
FEM
Fuente Electro Motriz
CO
xi
PRÓLOGO
Actualmente el mundo está viviendo una época de su historia en la cual la humanidad debe tomar un cambio. Cambio mediante el cual se detenga el deterioro al ambiente y el consumo desmesurado de los recursos que nos provee la naturaleza para poder sobrellevar nuestro desarrollo como especie, uno de los principales motores de la civilización es la generación, transporte y uso de la energía; este punto es tan importante que a lo largo de la historia de la humanidad este aspecto ha sido el que ha diferenciado épocas. En nuestros días la energía está primordialmente marcada por el petróleo, por lo que se suele decir que actualmente vivimos una economía global del petróleo; en tiempos anteriores se hablaba de la economía del carbón. El problema que se vive en la actualidad con el uso del petróleo y otros combustibles fósiles es la gran cantidad de efectos nocivos que este provoca en el medio ambiente, tales como el aumento del efecto invernadero, la lluvia ácida y deterioros varios en la salud de los seres humanos, tales como el incremento en casos de cáncer de pulmón, debido a la gran cantidad de residuos que quedan después del uso de este como combustible. La solución a esta problemática es el uso de combustibles alternativos que produzcan menores daños al medio ambiente y a la salud de los seres humanos, una de las opciones más viables en este sentido, es el uso del hidrógeno como uno de los principales elementos clave en la implantación de la economía de los combustibles alternativos y renovables.
Puesto que el mundo está dominado por la “economía del petróleo”, para poder llegar a instaurar un cambio en este aspecto tiene que haber un alto desarrollo en las tecnologías asociadas a las energías renovables, por lo que la experimentación orientada hacia el progreso de estas es básico para lograr dicho fin. El enfoque de este proyecto es el primer paso hacia el legítimo desarrollo de tecnologías, a nivel
local, de aprovechamientos
energéticos mediante el uso de Hidrógeno, tanto sus aplicaciones directas como combustible, así como en su utilización en celdas de combustible para generar electricidad.
xii
Ya que está es la primera etapa de desarrollo, y las empresas que han desarrollado la generación de Hidrógeno a nivel industrial son muy herméticas respecto a la información técnica de sus equipos, es necesario el desarrollo de un prototipo de prueba, mediante el cual se pueda determinar la exacta interacción entre las variables asociadas en la producción del Hidrógeno; este diseño debe poder adecuarse a las condiciones de trabajo de laboratorio y, más que todo, debe estar diseñado acorde a la disponibilidad de materiales a nivel local y ser adecuado a la capacidad técnica que se cuenta actualmente en el país; porque, nuevamente, la finalidad del proyecto es poder llegar a tener un desarrollo tecnológico que ayude al progreso local. El diseño definitivo del prototipo estará respaldado por una investigación de campo y consulta con personas asociadas a los medios de distribución de materiales y la construcción de equipos en el país.
El prototipo tendrá una guía de pruebas en la que se detallarán los procedimientos de experimentación, así como el arreglo de ensamble que el prototipo tendrá para realizarlas. Así también se contará con una guía de procesamiento de resultados, la cual servirá de base para poder llevar a cabo los análisis de los mismos, y así poder encontrar la manera de optimizar el proceso de electrólisis bajo las condiciones de trabajo locales.
xiii
CAPÍTULO 1
1.
PROPIEDADES DEL HIDRÓGENO
El hidrógeno, primer elemento de la tabla periódica. En condiciones normales es un gas incoloro, inodoro e insípido, en estado gaseoso es 14.4 veces menos denso que el aire compuesto de moléculas diatómicas, H2. El átomo de hidrógeno, símbolo H, consta de un núcleo de unidad de carga positiva y un solo electrón. Tiene número atómico 1 y peso atómico de 1.00797. Es el elemento más abundante, constituyendo el 75% de la masa y el 90% de los átomos del universo. Se encuentra en abundancia en las estrellas y en los planetas gigantes gaseosos, sin embargo, en la atmósfera terrestre se encuentra tan sólo una fracción de 1 parte por millón en volumen. La mayor parte del hidrógeno de la Tierra se encuentra combinado con oxígeno, en forma de agua. Casi todos los compuestos derivados de los organismos vivos contienen H. Las grasas, almidones, azúcares y proteínas contienen hidrógeno. El petróleo y el gas natural también contienen mezclas de hidrocarburos (compuestos de hidrógeno y carbono). Existen 3 isótopos del hidrógeno: el protio, de masa 1, que se encuentra en más del 99.98% del elemento natural; el deuterio, de masa 2, que se encuentra en la naturaleza aproximadamente en un 0.02%, y el tritio, de masa 3, que aparece en pequeñas cantidades en la naturaleza, pero que puede producirse artificialmente por medio de varias reacciones nucleares.
El empleo más importante del hidrógeno es en la síntesis del amoníaco. La utilización del hidrógeno está aumentando con rapidez en las operaciones de refinación del petróleo, como el rompimiento por hidrógeno (hydrocracking), y en el tratamiento con hidrógeno para eliminar azufre. Se consumen grandes cantidades de hidrógeno en la hidrogenación catalítica de aceites vegetales líquidos insaturados para obtener grasas sólidas. La hidrogenación se utiliza en la manufactura de productos químicos orgánicos. Grandes cantidades de hidrógeno se emplean como combustible de cohetes, en combinación con oxígeno o flúor.
1
A temperaturas ordinarias el hidrógeno es una sustancia poco reactiva a menos que haya sido activado de alguna manera; por ejemplo, por un catalizador adecuado. A temperaturas elevadas es muy reactivo. Aunque por lo general es biatómico, el hidrógeno molecular (H2) se disocia a temperaturas elevadas en átomos libres. El hidrógeno atómico es un agente reductor poderoso, aun a la temperatura ambiente. Reacciona con los óxidos y los cloruros de muchos metales, entre ellos la plata, el cobre, el plomo, el bismuto y el mercurio, para producir los metales libres.
1.1 Propiedades energéticas del Hidrógeno
El hidrógeno es un transportador de energía, al igual que la electricidad, un transportador de energía básicamente es una substancia o sistema que lleva energía utilizable de un lugar a otro. La electricidad es el trasportador de energía más común actualmente, lleva la energía de fuentes de energía como uranio o combustibles fósiles, desde las generadoras de energía hasta nuestros hogares y negocios. El hidrógeno es producido a partir de otra sustancia como puede ser biomasa o ciertas reacciones químicas; la principal ventaja que tiene el hidrógeno sobre la electricidad en la capacidad de transportar energía es que el hidrógeno puede ser almacenado en grades cantidades, para ser utilizado posteriormente ya que éste es capaz de almacenar la energía con alta eficiencia hasta el momento en que será utilizada.
El hidrógeno se quema a concentraciones de aire entre el 4 y 75% en volumen, la temperatura de combustión más alta del hidrógeno es de 2318 °C a una concentración de aire de 29% en volumen. El nivel de energía mínimo requerido para dar ignición a una mezcla estequiométrica hidrógeno/oxígeno es de 0.02
ெ
; inclusive la energía descargada
por el arco de una descarga eléctrica estática es capaz de generar de manera sobrada la ignición del hidrógeno, el hecho que el hidrógeno no requiera estar en ambientes de alta concentración es conveniente en el sentido que no se requiere de mucho para obtener cantidades considerables de energía, pero por otro lado si no se cuenta con las medidas de seguridad adecuadas se puede generar una combustión instantánea que derive en un desastre.
2
A continuación se presenta una tabla, que contiene las características más importantes de combustión del hidrógeno.
H2 Propiedad
Valor
Unidades
Poder Calorífico inferior:
119 972
kJ/kg
33.33 10.783 2.995
kWh/kg MJ/Nm3 kWh/Nm3
Poder calorífico superior:
141 890
kJ/kg
39.41 12.745 3.509
kWh/kg MJ/Nm3 kWh/m3
Índice Wobbe inferior:
40.898 11.361
MJ/m3 kWh/m3
48.34 13.428
MJ/m3 kWh/m3
Densidad
0.08988
kg/m3
4124
J/kg*K
530
°C
4.1-72.5
vol-%
346
cm/s
Índice Wobbe superior:
Constante de gas Temperatura ignición en aire
de
Limite de ignición en aire Velocidad máxima de llama
Tabla 1.1, Características de combustión del hidrógeno [ WIKIPEDIA, http://es.wikipedia.org/wiki/Hidrógeno]
Cuadro comparativo de densidades de energía por unidad de masa y de volumen para distintos transportadores de energía.
Transportador de energía
Forma de almacenamiento
Densidad de energía por unidad de masa
Densidad de energía por unidad de volumen
[kWh/kg]
[kWh/l]
3
Gas (20 MPa)
33.3
0.53
Gas (24,8 MPa)
33.3
0.64
Gas (30 MPa)
33.3
0.75
Líquido (-253°C)
33.3
2.36
Hidruro metálico
0.58
3.18
Gas (20 MPa)
13.9
2.58
Gas (24,8 MPa)
13.9
3.01
Gas (30 MPa)
13.9
3.38
Líquido (-162°C)
13.9
5.8
Propano
Líquido
12.9
7.5
Metanol
Líquido
5.6
4.42
Gasolina
Líquido
12.7
8.76
Diesel
Líquido
11.6
9.7
Electricidad
Batería de Pb (química)
0.03
0.09
Hidrógeno
Gas natural
Tabla 1.2, cuadro comparativo de diversos portadores de energía. [Hydrogen in the Energy Sector, capítulo 3]
4
1.2 Ventajas ambientales del Hidrógeno
El hidrogeno al ser utilizado apropiadamente en motores de combustión o en turbinas de gas, produce emisiones dañinas mínimas, las únicas emisiones de hidrocarburos o de monóxido de carbono que se pueden encontrar son causadas como resultado del quemado de aceite que ingresa a la cámara de combustión. La cantidad de emisiones de NOX son mínimas al utilizar hidrogeno debido a la baja temperatura de combustión que es alcanzada en el proceso, asimismo las emisiones de sulfuros son completamente eliminadas, el uso del hidrógeno en celdas de propulsión de baja temperatura elimina definitivamente la presencia de emisiones contaminantes, el único sub-producto generado en la producción de electricidad a partir de hidrógeno y oxigeno es agua desmineralizada. El uso de celdas de hidrogeno a altas temperaturas producen hasta 100 veces menos contaminación que otras formas de generación convencionales; aunque si el hidrógeno es generado con la ayuda de metanol, puede producir ciertas emisiones de dióxido de carbono. En los procesos de generación de Hidrogeno se debe tomar en cuenta que este es un transportador de energía secundario por lo que hay que tomar en cuenta el transportador de energía primario que se ocupe (de qué manera se genera el Hidrogeno).
1.3 Principales métodos de generación de Hidrógeno ocupados en la actualidad
Las principales formas en que se genera el hidrógeno actualmente utilizan dos métodos; el primero es la reformación de vapor y el segundo es la electrolización de agua. El primero de ellos, la reformación de vapor u oxidación catalítica, es un método en el cual se produce hidrógeno a partir de hidrocarburos. Es el método usado por excelencia en la escala industrial de producción de Hidrógeno. El principal paso en este proceso es la reacción del vapor con un hidrocarburo en un catalizador a temperaturas entre los 75008000C, con el fin de formar hidrógeno y óxidos de carbono. A continuación se muestra un diagrama del proceso industrial de reformado con vapor de hidrocarburos.
5
Figura 1.1: Ilustración del proceso de reformado con vapor de hidrocarburos [Johnson Matthey Catalysts, http://www.jmcatalysts.com/pct/marketshome.asp?marketid=15&id=287]
Las principales reacciones que se llevan a cabo en la reformación de vapor son las siguientes: CH4 + H2O «=» CO + 3 H2
(Ec.1.1)
CXHY + H2O «=» x CO + (x + 0.5y) H2
(Ec.1.2)
CO + H2O «=» CO2 + H2
(Ec.1.3)
Estas reacciones se llevan a cabo con ayuda de catalizadores de níquel, que son una serie de tubos que están dentro de un horno de llama; el exceso de vapor es utilizado para producir la reacción de reformación y evitar que se deposite carbono en el catalizador.
El método de la electrólisis del agua es un proceso que consiste en la disociación del agua en Hidrógeno y Oxígeno, este proceso no produce ninguna emisión contaminante. La electrólisis básicamente es la conversión de energía química en eléctrica o viceversa; es una reacción de oxidación-reducción, donde la fuente de alimentación eléctrica ha sido la encargada de aportar la energía necesaria.
El proceso electrolítico consiste en lo siguiente: •
Se funde o se disuelve el electrolito en un determinado disolvente, con el fin de que dicha sustancia se separe en iones (ionización).
6
•
Se aplica una corriente eléctrica continua mediante un par de electrodos conectados a una fuente de alimentación eléctrica y sumergidos en la disolución. El electrodo conectado al polo negativo se conoce como cátodo, y el conectado al positivo como ánodo.
•
Cada electrodo atrae a los iones de carga opuesta. Así, los iones positivos, o cationes, son atraídos al cátodo, mientras que los iones negativos, o aniones, se desplazan hacia el ánodo.
•
La energía necesaria para separar a los iones e incrementar su concentración en los electrodos es aportada por la fuente de alimentación eléctrica.
•
En los electrodos se produce una transferencia de electrones entre estos y los iones, produciéndose nuevas sustancias. Los iones negativos o aniones ceden electrones al ánodo (+) y los iones positivos o cationes toman electrones del cátodo (-).
El electrolito es cualquier sustancia que produce iones en solución. Las sales son iónicas aún en estado sólido, pero cuando se disuelven o se funden, los iones se separan y adquieren libertad de movimiento. La conducción electrolítica se debe a la movilidad iónica en estado líquido. Por lo que los electrolitos que suelen utilizarse están en estado liquido. 1.4 Usos del Hidrógeno Una de las principales aplicaciones del Hidrogeno como fuente de energía es en las células de combustible, estos son dispositivos electroquímicos que prácticamente funcionan como baterías, esta tecnología ha sido utilizada por la NASA en gran medida por varios años; estas generan electricidad de una manera muy eficiente pero con el inconveniente que representan un alto costo de producción; dependiendo del tamaño que tengan pueden utilizarse para mover carros eléctricos, hasta inclusive proveer de energía a poblaciones enteras que se encuentran distantes de la red de distribución eléctrica. Otra ventaja con la que cuentan las células de combustible es que los electrodos son catalíticos por lo que son relativamente estables, contrario a las baterías que reaccionan según su nivel de carga, además como ventaja ambiental el único sub-producto que producen es agua 100% pura.
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Una celda de combustible consiste en dos electrodos separados por un electrólito. Pasa Oxígeno sobre un electrodo e hidrógeno sobre el otro. Cuando el hidrógeno es ionizado pierde un electrón y al ocurrir esto ambos (hidrógeno y electrón) toman diferentes caminos hacia el segundo electrodo. El hidrógeno migra hacia el otro electrodo a través del electrólito mientras que el electrón lo hace a través de un material conductor. Este proceso producirá agua, corriente eléctrica y calor útil. Para generar cantidades utilizables de corriente las celdas de combustibles son "amontonadas" en un emparedado de varias capas.
Las celdas de combustible son una familia de tecnologías que usan diferentes electrólitos y que operan a diferentes temperaturas. Cada miembro de esa familia tiende a ser más apropiada para ciertas aplicaciones. Por ejemplo, las celdas de combustible de membrana eléctrica polimérica han demostrado ser apropiadas para su aplicación en autos, mientras que las celdas de combustible de carbonatos fundidos parecen ser más apropiadas para uso con turbinas a gas.
Figura 1.2: Esquema funcional de célula de combustible. [CIENCIORAMA, http://132.248.66.44:8080/cienciorama/index.jsp?pagina=planeta&action=vrArticulo&aid=191]
1.5 Obtención industrial del Hidrógeno
En la actualidad, se emplean dos métodos:
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1. La conversión de metano (gas natural) que, hoy en día, suministra el tonelaje más importante, o sea, alrededor del 70%;
2. La extracción de gases de coque;
Los gases de coque son un subproducto de la fabricación del coque metalúrgico. Su composición es de alrededor del 50% de H2, 25% de CH4; 10% de CO; 7% de N2, con un poco de etano, etileno, CO2 y H2S, etc.
Después de la eliminación de las impurezas empleando métodos químicos, con la ayuda de absorbentes apropiados o físicamente por licuefacción parcial, se utiliza la mezcla de H2―N2, después del ajuste de las proporciones, para la síntesis del amoníaco. Asimismo es posible quemar ese gas a fin de recuperar energía.
El hidrógeno se puede almacenar en estado líquido o en estado gaseoso comprimido entre 150 o 200 bar, en cilindros de acero. En algunos casos, es posible transportarlo a través de gaseoductos.
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL HIDRÓGENO Punto de ebullición: - 252,8 °C Muy poco miscible en agua Temperatura de auto ignición 580 °C Punto de congelación: - 259,2 °C Punto de fusión es de 13.8 K. Tiene gran rapidez de transición de las moléculas a la fase gaseosa de ahí la ausencia casi total del hidrógeno en la atmósfera terrestre. Gran facilidad de difusión y efusión.
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Buena conductividad calorífica. Estado de gas casi perfecto, lo que origina bajas temperaturas de licuefacción y fusión. Es la molécula más pequeña que se conoce. Su densidad a condiciones estándar es: 0.084 Kg/m3.
Tabla 1.3, Características del hidrógeno. [Lenntech http://www.lenntech.com/espanol/tabla-peiodica/H.htm]
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CAPÍTULO 2
2. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO
Antes que el hidrógeno esté disponible para cualquier propósito energético, debido a que se encuentra en la naturaleza sólo como parte de compuestos, debe de ser producido utilizando una fuente de energía externa. Es en este caso que uno puede diferenciar entre dos tipos de producción, una usando un portador primario de energía y el otro usando un portador secundario.
La producción a partir de un portador primario de energía significa que se extrae el hidrógeno de diversos combustibles fósiles, mediante el reformado de gas natural con vapor de agua, o bien la oxidación parcial de Fuel Oil pesado o Diesel y carbón; además existen otros procesos aún en etapa de investigación y desarrollo.
El proceso principal, entre los que están siendo desarrollados, es el de gasificación de biomasa, pero también vale la pena mencionar la producción directa de hidrógeno a partir de algas expuestas a radiación solar. Sin embargo, la gasificación de biomasa se encuentra en un nivel de desarrollo tal, que expertos estiman que en pocos años será suficientemente competitivo para introducirse masivamente al mercado. Las ideas y principios de dicho proceso pueden ser aplicados a la disposición o reciclaje de basura orgánica. Es por ello de esperarse que estos procesos se desarrollen completamente a mediano plazo.
Hasta ahora, la electricidad es el único portador secundario de energía usado para producir hidrógeno, ya sea por la electrólisis de agua o como un producto secundario resultante de la electrólisis cloro-alcalina. La electrólisis del agua, por ser independiente del uso de energías primarias (combustibles fósiles), es vista como esencial para el sector energético basado en hidrógeno. En el futuro, el reformado con vapor de metanol en aplicaciones móviles, puede ganar mayor interés.
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En resumen, todos los métodos de producción de hidrógeno están basados en la separación de este a partir de materias primas que lo contienen. La materia prima dicta el método de separación a aplicar.
A continuación se presenta un cuadro que denota algunos de los métodos más relevantes en la actualidad para la producción de hidrógeno en la industria.
Tabla 2.1: Fuente “Plan para la Implementación de la economía del Hidrogeno”, Unión Europea.
2.1 Producción a partir de combustibles fósiles Se estima que de los aproximadamente 500 millardos Nm3 de hidrógeno comercializados mundialmente, la inmensa mayoría (cerca de un 90%) se originan a partir de combustibles fósiles, como gas natural y aceites pesados, también como subproducto de la industria química en los procesos de manufactura de PVC, es decir electrólisis cloro-alcalina, o bien de los procesos de refinado de crudo. [Hydrogen in the Energy Sector, capítulo 3]
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Es necesario traaer a cuenta lo siguientee, no será possible que el hidrógeno adquiera a una parte signnificativa deel actual merrcado energéético mundiaal en los meediano y larggo plazos si no se modifican sus procesos de producciónn, debido a la l creciente ideología dee la reduccióón de e inverrnadero, com mo el dióxido de carbbono que es e un emiisiones de gases de efecto subbproducto del reformaddo de gas natural n con vapor de agua. Sin embargo, e nuuevos proocesos que están aún en desarrollo, como el de arco de plassma de Kvæ ærner Engineeering (firrma Noruega), ofrecen un nuevo potencial mediante m el uso de electricidad paara la prooducción librre de emisionnes de CO2 do con vaporr de gas natuural 2.1.1 Reformad
Estte proceso ess llamado reeformado de metano conn vapor de agua a o SMR por sus sigllas en ingglés (Steam Methane M Refforming). Ell SMR se reffiere a la exttracción de hidrógeno h a partir de la conversió ón catalíticaa-endotérmicca de hidroccarburos ligeeros (metanoo a gasolinaa) con vappor de agua. Los processos industriaales de este tipo son llevvados a cabbo normalmeente a tem mperaturas dee 850°C y prresiones de 2.5MPa, 2 com mo sigue:
CnHm + n H2O
n CO + (n + m/2) H2
(Ec. 2.1)
La conversión catalítica c exootérmica (shhift) de monóóxido de carrbono resultaante producee hiddrógeno puro o, como sigue:
CO + H2O
CO2 + H2
(Ec. 2.2)
La energía liberrada por estaa reacción noo puede ser utilizada parra el reformaado. El monóóxido es removido de d la mezclaa mediante absorción o el uso de membranas. El gas ressidual connsiste de aproximadamennte 60% de combustiblees (H2, CH4, CO) es, junnto con la poorción del mismo gas primario, ussado para prooveer de eneergía al reforrmador.
d reformadoo está por el orden de 100,000 La producción industrial dee hidrógeno en plantas de Nm m3 H2/h. [Hyd drogen in thhe Energy Seector, capítullo 3] 13
n parcial de hidrocarburros pesados 2.1.2 Oxidación
Estte proceso see refiere a laa conversión exotérmica o autotérmiica de hidroccarburos pessados, com mo el aceite residual del tratamiento de crudo, coon oxígeno y vapor. Las cantidades de O2 y vapor v de aguaa son controolados de maanera que la gasificaciónn continúe siin la necesiddad de fuentes de enerrgía externass, por ello se dice que es autotérmicaa. La reacción es como siigue:
CH1,4 + 0,3 0 H2O + 0,,4 O2
0,9 CO + 0,1 CO O2 + H2
(Ec. 2.3)
2.1.3 Oxidación n parcial de carbón
Com mo parte de la preparaciión inicial deel carbón, este e se pulveeriza muy finnamente y, luego, l se mezcla m con agua hasta obtener unaa suspensiónn de 50 – 700% de sólidoos, que puedda ser bom mbeada. Lu uego el procceso es muuy similar al a de los hidrocarbuross pesados. Estos proocesos se praactican únicaamente en los países ricoos en carbón como Sudáffrica y Chinaa.
2.11.4 Produccción de hidr drógeno usanndo gas naatural o fueel oil pesaddo y electricidad (prooceso Kvaerrner: arco dee plasma)
Dessde principio os de la década de 19800, la empresaa noruega Kvaerner K Enggineering S.A A. ha dessarrollado un n proceso llaamado arco de plasma, el cual sepaara hidrocarbburos en carbbón e hiddrógeno puro o, a temperaaturas de 16600°C. Estee proceso, que q en sí miismo no prooduce emiisiones sign nificativas, requiere r adeemás de un portador prrimario de energía, aguua de enffriamiento y electricidad. Una planta pilo oto produce desde 19922 cerca de 5000kg/h de caarbón puro y 2000 Nm3/h de hiddrógeno, a partir p de 10000 Nm3/h de gas natuural y 21000KW. Otro subproductoo son 10000KW de vaapor de altaa temperaturra. Considerrando todos los producttos utilizables, la plannta trabaja con c casi un 100% de eficciencia.
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Este proceso está apenas en la fase piloto aún, pero se planea construir una planta industrial, capaz de producir 100,000Nm3/h de H2 y será construida a partir de 20 unidades modulares idénticas a la piloto. [Hydrogen in the Energy Sector, capítulo 3]
2.2 Producción a partir de biomasa
Actualmente no existe ningún proceso comercial disponible para la producción de hidrógeno a partir de la biomasa. Dependiendo del método específico, cada proceso está en diversas etapas de investigación y desarrollo. Dichos métodos son la producción a partir de biomasa solida, fermentación de estiércol líquido y producción de hidrógeno biológico. Lo atractivo de producir H2 por estos medios es que se puede utilizar energía proveniente de fuentes renovables, sin necesidad de usar electrólisis, incrementando la eficiencia del sistema.
2.2.1 Gasificación con vapor de biomasa
Junto a los métodos comerciales existentes de utilización de la biomasa, esta puede ser usada para producir hidrógeno vía la pirolisis y gasificación. En la primera etapa se obtiene metano y gases primarios; y en la segunda, la reacción con el oxígeno del aire y/o vapor resulta en una mezcla de 20% de H2, 20% de CO, 10% de CO2, cerca de 5% CH4 y 45% N2 (usando oxígeno puro o vapor se elimina el nitrógeno). Dependiendo de la materia prima, la trasformación de este gas rico en H2 se puede llamar gasificación (si es sólida) o reformado (si es gas).
Antes de gasificarse la materia orgánica debe de pasar por una descomposición térmica o pirolisis, produciendo condensados y gases. La presencia de oxígeno en el reactor lleva a la oxidación parcial de los productos intermedios en lugar del reformado.
2.2.2 Fermentación de biomasa
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El hidrógeno puede ser producido a partir de la fermentación del metano que se obtiene de la biomasa de alto contenido de humedad o del estiércol líquido. Este gas tiene un alto contenido de CO y CH4. A pesar que este gas contiene escaso hidrógeno, puede ser utilizado como combustible para las células de combustible de alta temperatura, donde el metano se reforma en el electrodo a aproximadamente 650°C.
Los avances en este campo son ya numerosos, por lo que se podría esperar la comercialización de estos procesos pronto.
2.2.3 Producción de hidrógeno biológico
Existen varios procesos biológicos de los cuales se desprende hidrógeno o aparece como un subproducto. Uno puede, básicamente, hablar de dos procesos separados para lo anterior, la fotosíntesis y la fermentación. La primera requiere de la luz para ocurrir, mientras que la segunda ocurre en la oscuridad.
Esta tecnología está comenzando a desarrollarse, quedando aún mucho camino por recorrer en su los fundamentos bioquímicos que la sustentan. Por el momento el sistema de alga y batería es el mejor candidato para su aplicación. Se ha logrado estimar que el costo por KW de H2 puede ser 25 centavos de dólar o menos. 2.3 Producción a partir de electrólisis
Cuando es necesario un hidrógeno de mayor pureza, se suele producir electroquímicamente mediante la electrólisis. En este proceso se hace pasar una corriente eléctrica a través del agua en un aparato de trasferencia iónica para separar el agua en sus componentes (hidrógeno y oxígeno). El principio que nos muestra como este proceso es posible son las leyes de Faraday que se muestran a continuación:
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Primera Ley de Faraday: La masa de un elemento depositada en un electrodo es proporcional a la cantidad de electricidad que pasa a través de la solución del electrólito o del electrólito fundido.
Al aplicar una diferencia de potencial a los electrodos, el ion del elemento del ánodo se mueve hacia el cátodo, adquiere los electrones necesarios y se deposita en el electrodo como material de este. Cuando circula más corriente más iones del elemento del ánodo se depositan, pues más electrones han circulado permitiendo que más iones se conviertan en elemento del ánodo.
Segunda Ley de Faraday: Las masas de elementos que se depositan en los electrodos son proporcionales a los equivalentes químicos. El equivalente químico de un elemento es el cociente entre el peso atómico gramo de ese elemento y su valencia
Los elementos principales involucrados en el proceso de electrólisis son:
Electrolito: Es toda sustancia iónica que en solución se descompone al ser atravesada por una corriente eléctrica. Los electrolitos son fuertes cuando dejan pasar fácilmente la corriente eléctrica, pero cuando no lo hacen, sino que la dejan pasar débilmente por contener pocos iones, no son fuertes.
Electrodo: Componente de un circuito eléctrico que conecta el cableado convencional del circuito a un medio conductor como un electrólito o un gas. En el caso más cercano a la electrólisis; son conductores metálicos sumergidos en el electrolito.
En el siguiente diagrama se pueden apreciar las distintas partes y procesos que están presentes en el proceso de electrolisis de agua.
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Figura 2.1: Ilustración del sistema de electrólisis
Los sistemas de electrolisis de agua pueden ser clasificados en sistemas de fase liquida y sistemas de fase de vapor. La electrólisis alcalina convencional se opera a temperaturas menores de 90ºC y usa diafragmas de asbesto, cátodo de lámina de acero y ánodo de lámina de acero con enchapado de níquel. La activación catalítica se hace preferiblemente en el cátodo aplicado Sulfato de Níquel o recubrimiento de Raney Níquel.
Las tecnologías renovables, como eólicas o aerogeneradores, fotovoltaicas, geotérmica, nuclear e hidráulica pueden generar electricidad para producir hidrógeno a partir de la electrolisis con cero emisiones de gases de efecto invernadero. La gran diversidad de posibles fuentes energéticas para su generación, hacen que el hidrógeno pueda ser producido prácticamente en todos los lugares de la tierra.
La producción de H2 mediante la electrólisis del agua ha caído en importancia debido a la baja eficiencia del proceso electrolítico y a los altos costes de la electricidad. Este proceso constituye sólo un 4% de la producción de hidrógeno, aunque la pureza es mayor del 99%.
La celda electrolítica consiste básicamente en dos electrodos separados mediante un diafragma de asbesto impermeable a los gases. Para aumentar la conductividad del electrolito se disuelve en el mismo hidróxido sódico del 20-30%. La electrolisis se lleva a cabo a temperaturas entre 80-85 °C. 18
El oxígeno se produce en el ánodo e hidrógeno en el cátodo: 2 OH- → H2O + 1/2 O2 + 2e ÁNODO -
(Ec. 2.4)
2H2O + 2e → H2 + 2 OH CÁTODO
(Ec. 2.5)
H2O → H2 + 1/2O2 REACCIÓN GLOBAL
(Ec. 2.6)
El agua pesada, H2O, se produce como subproducto durante la electrólisis.
2.4 Manejo, Almacenaje y Transporte de Hidrógeno. 2.4.1 Condicionamiento del Hidrógeno Dependiendo del uso final que se le dará al H2, este requiere de preparación. Primeramente se debe limpiar el hidrógeno para asegurar que se tenga la cantidad y pureza requerida. Posteriormente debe de comprimirse, la presión dependerá por un lado del uso que se le dará, o bien, del método de almacenaje que se utilizará. Incluso es factible licuarlo si se necesita trasportar por largas distancias o si se requiere una alta densidad de energía o poco volumen de almacenaje. 2.4.1.1 Limpieza Es particularmente intuíble, que dependiendo de la procedencia del hidrógeno (proceso utilizado para su producción) y de la pureza que su uso final requiere, así se determinará qué proceso de limpieza deberá ser utilizado. Si se produce mediante el reformado, oxidación parcial o pirólisis, entonces los componentes no deseados pueden ser removidos en la misma etapa de producción. Usualmente la limpieza o purificación adicional es realizada únicamente en grandes plantas de producción, debido a su complejidad y alto costo; para producciones descentralizadas se suelen utilizar procesos catalíticos. La posible presencia de cloro o metales pesados puede dañar catalizadores, por lo que deben ser eliminados previos al proceso de limpieza. 2.4.1.1.1 Remoción del Polvo 19
Para esta etapa se suelen utilizar separadores ciclónicos, para alcanzar un 98% de separación, para mayores porcentajes se suelen utilizar una gama de filtros con mallas menores a 5 micras. 2.4.1.1.2 Desulfuración Una desulfuración preliminar es necesaria previa a catalización, para prevenir el daño a los componentes de níquel o platino. Una diversa gama de procesos han sido desarrollados para este propósito, los cuales actualmente ya están siendo utilizados en plantas de reformado con vapor de gas natural de gran escala. Actualmente se conocen tres procesos, que han sido ya bien distinguidos: el proceso de monoetilamina (MEA), el de metildietilamina (MDEA) y el de purisol. Para la limpieza de biogás y gases de otros procesos, se ha probado que el uso de carbón activado es muy efectivo. 2.4.1.1.3 Lavado de CO2 En esta etapa se aprovecha la reacción química entre el contaminante y la solución de lavado; es decir, se hace pasar el gas por una solución que absorba el dióxido de carbono. Los costos de este tipo de sistemas dependen directamente del grado de limpieza o pureza y, por supuesto, del nivel de contaminación del gas producido. 2.4.2 Compresión de Hidrógeno El hidrógeno puede ser comprimido y licuado, dependiendo de su uso. La compresión de hidrógeno se realiza de la misma manera que la del gas natural, es importante que sea sumamente puro, e incluso es posible utilizar los mismos compresores cambiando únicamente en forma adecuada los empaques. Debido a que los compresores de gas natural tienen mucho tiempo de circular en el mercado, resulta verdaderamente fácil poder adecuarlos para la compresión de hidrógeno. Últimamente se está enfocando la investigación en unidades compresoras de alta presión 20
para su uso en estaciones de servicio. Las presiones típicas son de 3 a 4MPa para las etapas de pre-compresión y llenado de tanques colectores; y de 30 a 35MPa para tanques de almacenamiento usados en aplicaciones de llenado rápido (llenado de tanques en vehículos, por ejemplo). Actualmente existen plantas de licuefacción que usan un enfriamiento de la línea de suministro de hidrógeno mediante nitrógeno líquido. Previo a ser licuado, el hidrógeno debe ser limpiado, removiéndoles el CO2, CO, CH4 and H2O. En todos los casos la licuefacción se obtiene mediante la sucesión de procesos de compresión y enfriamiento mediante nitrógeno líquido 2.4.3 Almacenaje 2.4.3.1 Almacenaje de gas comprimido En el estado de gas comprimido, el hidrógeno puede ser almacenado en unidades estacionarias y móviles. Así como el hidrógeno es comprimido de la misma manera que el gas natural, también los principios de almacenamiento de éste son aplicables al H2. Para el modo estacionario se han usado cavernas para almacenar el gas H2 a 50 bar y 366 metros de profundidad. Este método es razonablemente más barato que el almacenamiento en tanques, pero es relevante únicamente para varios millones de Nm3. También se almacena en tanques esféricos o cilíndricos de 15,000 m3 a 1.4 MPa. Por otro lado, para el almacenamiento móvil ha encontrado mayor campo en la industria automovilística. Dado el desarrollo actual de los vehículos que usan gas natural como combustible, esta tecnología también se extiende al hidrógeno. Dichos tanques trabajan a presiones de 20 MPa. 2.4.3.2 Almacenaje de hidrógeno líquido Este tipo de almacenaje fue desarrollado por la industria aeroespacial con los tanques de hidrógeno líquido usado para los viajes espaciales. Cuando se trata de grandes cantidades de H2, este método es la mejor alternativa, ya que permite largos períodos de almacenaje.
21
Actualmente están siendo desarrollados pequeños contenedores de varias capas de aislante, permitiendo tasas de evaporación muy bajas. Para la industria de transporte, los autos y buses, se pueden utilizar una serie de dichos tanques interconectados, aunque esto aumente la evaporación. 2.4.4 Almacenaje por absorción Existe actualmente una creciente tendencia a la investigación de diferentes procedimientos para la obtención de materiales absorbentes de hidrógeno como algunos hidruros metálicos, microfibras de carbono, entre otros. Debe recalcarse que esta tecnología esta apenas en su fase de investigación.
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CAPÍTULO 3 3. MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN Este capítulo trata de ilustrar el proceso de elección de los materiales para la fabricación de cada uno de los componentes del equipo prototipo. Recordando uno de los objetivos primordiales del diseño, que desde un inicio se ha mantenido latente, los materiales de construcción deben ser obtenibles localmente. Esta característica es primordial para asegurar tanto la facilidad como la rapidez de la adquisición de las materias primas.
El proceso se inicia, tras haber definido las propiedades individuales de cada elemento, investigando las hojas de seguridad y datos (MSDS, por sus siglas en inglés) para determinar las compatibilidades y resistencias a las diferentes características del equipo y sus diversos componentes.
3.1.
Características por componente
3.1.1. Electrodos
Dada la función específica de los electrodos, las propiedades de los mismos surgen bastante obvias. Primordialmente el material del electrodo debe ser muy conductivo y, a la vez, inerte a la solución y al proceso de generación.
3.1.2. Tanque y Colectores de Gas
En este caso existe un amplia variedad de materiales posibles, mas se buscarán aquellos que se mantengan inertes ante la presencia de KOH, una temperatura moderadamente alta y, preferiblemente, traslúcidos.
3.1.3. Conectores para Electrodos
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Este componente deberá estar aislado tanto eléctricamente, como galvánicamente del electrodo y la solución.
Al determinarse los posibles materiales a usarse, comparando sus MSDS con las características requeridas, se procede entonces a investigar su disponibilidad localmente. Para esto último se tuvo la oportunidad de consultar con un constructor local, de experiencia en el rubro de los materiales. De esta última parte de la investigación nacen nuevas ideas y consideraciones antes no previstas; el consultor nos hizo ver que las propiedades de los materiales locales no necesariamente corresponden a los estándares internacionales descritos en las MSDS, por lo que se adoptó su opinión respaldada por su experiencia.
Será necesario validar entonces las propiedades de los materiales a usarse. El consultor nos proporciona algunas muestras de los materiales propuestos por él, estos serían para la construcción del tanque, los colectores y demás componentes de sujeción. Se preparan frascos tratados con una solución al 25% en peso de KOH, posteriormente se coloca una muestra de cada material en un cada frasco y se dejan reposar. Luego se elevó la temperatura de la solución hasta el estimado de funcionamiento normal del electrolizador.
A continuación se muestran los resultados, tras varias semanas de exposición:
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Figura 3.1: Muestra de Policarbonato en KOH
Figura 3.2: Muestra de Acrílico en KOH
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Figura 3.3: Muestra de Nylon en KOH
Figura 3.4: Muestra de Teflón en KOH
Al comprobarse cuales materiales son inertes al ataque del KOH a alta temperatura y tiempo prolongado y recordando que son de obtención local, se toma la decisión de cuál será el material del que se construirá el prototipo, Policarbonato. Esta decisión finalmente variará, como se menciona más adelante, por la falta de disponibilidad localmente.
Por otro lado, el material de los electrodos debe considerarse por separado muy meticulosamente. De la investigación sobre los equipos de electrólisis para la generación de 26
hidrógeno, que usan KOH como electrolito, se encontró que el material idóneo para los electrodos es el níquel. Esto último supone un problema para los objetivos del diseño, ya que no hay disponibilidad de este en el mercado nacional, por lo que sería necesario importarlo, tomando hasta 6 semanas la obtención de la materia prima. Se buscó la solución para este problema, llegándose a dos propuestas finales.
Se maquinarían los electrodos a partir de bloques de acero inoxidable o cobre, de acuerdo al diseño de cada uno. Posteriormente éstos deberán recibir un recubrimiento de níquel en toda su superficie.
Figura 3.5: Muestra de Acero Inoxidable en NaOH
Muestra de acero inoxidable 304 proporcionada por CROMATODO. Luego de estar inmerso en una solución de 25% en peso de NaOH por varios días y haber sido expuesto a altas temperaturas no se observa ninguna alteración.
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Figura 3.6: Muestra de Acero Inoxidable pulido en NaOH
Muestra de acero inoxidable 304 pulido proporcionada por CROMATODO. Luego de estar inmerso en una solución de 25% en peso de NaOH por varios días y haber sido expuesto a altas temperaturas no se observa ninguna alteración.
El segundo caso es prácticamente igual al anterior, con la salvedad que los electrodos serán maquinados a partir de bloques de cobre, para luego recubrirlos de níquel.
Figura 3.7: Muestra de Cobre recubierto de Níquel en NaOH
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Muestra de cobre recubierto de níquel proporcionada por CROMATODO. Luego de estar inmerso en una solución de 25% en peso de KOH por varios días y haber sido expuesto a altas temperaturas se observa una leve coloración de la solución y una pérdida de 0,023mg.
Figura 3.8: Muestra de Latón recubierto de Níquel en NaOH
Muestra de latón recubierto de níquel proporcionada por TOROGOZ. Luego de estar inmerso en una solución de 25% en peso de KOH por varios días y haber sido expuesto a altas temperaturas no se observa ninguna alteración.
En ambos casos el recubrimiento deberá ser uniforme, es decir con un espesor constante en todas las diferentes secciones de las superficies y la superficie niquelada deberá ser muy poco rugosa y con baja porosidad.
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Figura 3.9: Muestra ilustración de recubrimiento de níquel en el alma de bronce
Nuevamente se sometió esta decisión a consulta, tomándose finalmente la decisión de diseñar basado en la segunda opción, ya que el cobre tiene una conductividad eléctrica mucho mayor que el acero inoxidable se optó por que el alma del electrodo fuera de cobre.
Posteriormente, en el apartado del diseño del prototipo se presentará una tabla resumen con cada componente y el material específico del cual será construido.
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CAPÍTULO 4 4. DISEÑO DEL PROTOTIPO La fase de diseño del equipo electrolizador prototipo se ve dividida en tres etapas principales, una consecuencia de la anterior. Primeramente se elabora un cálculo teórico de la producción de hidrógeno, luego un diseño preliminar que debe ser sometido a evaluación y posteriormente el diseño definitivo.
4.1. Cálculo de producción de hidrógeno
Para estimar una cantidad estimada de producción de gas, es necesario establecer los parámetros de funcionamiento, es decir la configuración del equipo que genere cantidad de gas dada. Para ello se toman los tanto valores teóricos: el voltaje mínimo requerido para disociar la molécula de H2O (1.23V), la Carga Elemental del electrón (1.6e-19C), el Número de Avogadro (6.02e+23) y la Constante de Faraday (96500), como valores arbitrarios de corriente, temperatura ambiente y presión atmosférica (se usan los valores estándar)
A continuación se presenta una tabla con los valores utilizados:
Corriente Carga Numero de Voltaje de fuente Temperatura Presión de fuente fundamental Avogadro (V) (T) (P) (I) (e ) (N) 25.00 A 1.23 V 1.60E-19 C 6.02E+23 293 K 101300 Pa Tabla 4.1: Valores usados para el cálculo de la producción de hidrógeno (configuración de referencia)
Se calcula la producción de dos maneras diferentes, una validando la otra. La primera es considerando la cantidad de electrones disponibles (Me-) para la disociación (considerando la corriente preestablecida). Luego sabemos que se necesitarán dos electrones para cada molécula de hidrógeno producido, por lo que sabemos que Me- electrones producen MH2. Por último, en las condiciones estándar podemos conocer el volumen de hidrógeno producido sabiendo la cantidad de moléculas de hidrógeno que han sido disociadas.
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La tabla siguiente ilustra el cálculo antes mencionado:
-
Moles e /seg -
Moles H2/seg
-
PRODUCCIÓN Moles/h g/h
L/h
L/min
-
Me = I/(e *N) MH2 = Me /2 Mh = MH2 /3600 gh = Mh*1.00797*2 Mh*8.31*T/P*1000 2.59E-04 1.30E-04 0.4666 0.9406 11.214106 0.186902 Tabla 4.2: Resultados para el cálculo de la producción de hidrógeno (configuración de referencia)
Por último se busca comprobar que el resultado obtenido sea coherente con la teoría. Para ello se utiliza la ecuación de Faraday para estimar la cantidad de hidrógeno producido.
P = M/t*F
(Ec. 4.1)
F=Nf*V
(Ec. 4.2)
V*I = M/t*Nf*V
(Ec. 4.3)
I = M/t*Nf
M/t = I/Nf
(Ec. 4.4)
De esta expresión se tienen los moles de H2 producidos por segundo, la cantidad es INDEPENDIENTE DEL VOLTAJE de suministro.
-
COMPROBACIÓN g/h
Moles e /seg Moles H2/h F NF*V M1e = I*V/F M2H2 = F/2*3600 118695 0.000259 0.466321
gh2 = M2H2*1.00797*2 0.940076
L/h
L/min
M2H2*8.31*T/P*1000 11.208420 0.186807
CONSIDERANDO EFICIENCIAS DEL 100% Tabla 4.3: Verificación de los resultados obtenidos anteriormente (otro método)
32
4.2. Diseño Preliminar
Figura 4.1: Diseño preliminar (vista isométrica)
El diseño del prototipo de laboratorio para producción de Hidrógeno, se basa en un tanque que contiene el electrolito a ser utilizado: una solución de KOH en agua destilada. La principal idea del diseño es permitir la manipulación de las variables de mayor peso en el proceso de producción de Hidrógeno.
Este primer diseño permite intercambiar electrodos, los cuales tienen distintas formas geométricas y están hechos de distintos materiales. La facilidad de intercambio entre los distintos tipos de electrodo se logra por medio del extremo del electrodo, el cual está roscado, al igual que el extremo de la conexión eléctrica; el diseño preliminar, cuyo fin es solamente mostrar el funcionamiento de una celda electrolítica. Este contaba sólo con un tipo de electrodo, el cual tiene una forma similar a una píldora.
33
Figura 4.2: Electrodo con su conexión eléctrica
También se cuenta con una membrana que separa la celda en dos, una zona del cátodo y una del ánodo. La membrana está sostenida por un marco el cual permite su intercambio por otra similar, con el fin de poder observar el comportamiento de distintos materiales en el desempeño de esta función.
Figura 4.3: Ilustración del conjunto marco (derecha) y membrana (izquierda)
Para poder asegurar la hermeticidad entre las dos recámaras que se forman al insertar la membrana, se cuenta con dos rieles que les permiten permanecer en una posición fija predeterminada.
34
Figura 4.4: Guía de membranas
El sistema cuenta también con un sistema regulador de concentración que permitirá variar la concentración de la solución de KOH en el electrolito, con el fin de poder evaluar el efecto de esta variable sobre la producción del Hidrógeno. El manejo de la concentración se logra mediante la descarga controlada de cierta cantidad de KOH dentro de la solución que se encuentra dentro del tanque.
Figura 4.5: Dosificador para la variación de concentración.
35
Con el fin de lograr esto, se ha calibrado el aparato de tal manera que al abrirse una válvula ésta permite el paso de solución concentrada de KOH desde una probeta graduada, con marcas que indican aumentos en aproximadamente 5% de concentración; esta válvula puede ser utilizada manualmente o calibrada automáticamente con un medidor electrónico de concentración.
La otra parte fundamental del diseño es el sistema de suministro de agua destilada, el cual está compuesto por un reservorio que permite el paso del liquido, y de una válvula, que tiene que cumplir con el consumo de agua que se tiene debido a la misma electrólisis, por lo que el liquido que pasa por la válvula debe estar fluyendo a la misma razón que el agua se está separando en Oxigeno e Hidrogeno, esta válvula puede ser calibrada manualmente o controlada automáticamente por medio de una señal gobernada por un medidor de concentración electrónico.
Figura 4.6: Reservorio de agua destilada para reposición
Con el fin de evitar que los gases se mezclen, que es algo no deseado ya que esta mezcla es altamente inflamable, el equipo cuenta con dos cubiertas que “envuelven” a los electrodos y permiten una captación eficiente de cada gas de forma individual; esta recolección de los gases se lleva a cabo por medio de mangueras que están conectadas a unas tapaderas que están unidas a las cubiertas y a la tapadera principal del sistema.
36
Figura 4.7: Conjunto de colectores de gases (ensamblados)
Figura 4.8: Colector de gases separado en sus componentes
Las tapaderas de recolección de gases también sirven para sujetar la conexión eléctrica tanto del ánodo como el cátodo, dicha conexión es un cilindro metálico delgado recubierto de aislante térmico y eléctrico y con el extremo inferior roscado, dicho extremo es donde se hace la conexión a la fuente de regulable de energía eléctrica. 37
Figura 4.9: Detalle de conexión eléctrica de los electrodos.
La finalidad de este diseño es plantear las distintas partes que llevara el sistema de producción, así como la interacción que se dará entre ellas, con el objetivo de determinar aspectos como materiales y método de construcción. Este primer diseño está pensado para ser mejorado a medida que se optimiza el control sobre las condiciones de experimentación; por lo que después de presentar y evaluar este diseño preliminar del sistema con las instancias involucradas en el desarrollo del prototipo, se llegó al siguiente diseño que es el definitivo.
38
4.3. Diseño definitivo
Figura 4.10: Diseño definitivo (vista isométrica)
En el diseño definitivo se tiene ya el arreglo final de los componentes del sistema. Los cambios que tiene este diseño respecto al preliminar están orientados sobre todo hacia la forma en que se disponen los distintos componentes del sistema para obtener distintos arreglos de funcionamiento, con el fin de poder observar la influencia de distintas disposiciones de los elementos en el desempeño del prototipo. La primera diferencia notable del diseño es la tapadera del tanque, la cual tiene la función de captar y desechar los vapores no deseados que se generan en la solución de KOH; cuenta con una “chimenea” de descarga para estos gases.
39
Figura 4.11: Tapadera del tanque
La forma en que se lograrán los distintos arreglos de electrodos es por medio de rieles tanto para el posicionamiento de los electrodos como el de las membranas de separación; así mismo, se podrá variar la distancia entre los electrodos para evaluar el impacto de la modificación de esta variable en la generación de Hidrógeno.
Figura 4.12: Elemento de fijación del conjunto electrodo-conector-colector
El sistema de fijación de los electrodos consta de 2 piezas que están unidas por pernos, los electrodos son sujetados por la parte del medio (cilindro) y el conjunto está unido al tanque por medio de unos anclajes ubicados en la parte superior del mismo; éstos se acoplan por medio de piezas que se encuentran en los extremos del sistema de fijación las cuales encajan en los anclajes.
Figura 4.13: Anclaje de soportes
Para poder ubicar las membranas de separación se cuentan con guías por la parte interior del tanque, que permiten introducir las membranas en sus respectivos marcos.
40
Figura 4.14: Disposición de las guías de membranas en el tanque
Figura 4.15: Detalle de los anclajes de los soportes y las guías de membranas, colocadas en posición
El siguiente cambio notable es que ahora el suministro de agua destilada está conectado al tanque por medio de un “manifold”, debido a que en ciertos arreglos se formarán 4 cámaras separadas, por lo que cada una de ellas debe ser alimentada individualmente con agua destilada.
41
Figura 4.16: Reservorio de agua destilada para reposición
Otro de los cambios es que las descargas tanto de Oxígeno como de Hidrógeno, están en uno de los lados del tanque, puesto que los electrodos podrán cambiarse de posición, se cuentan con 4 agujeros de los cuales en ciertas disposiciones solo se ocuparán 2, por lo que se utilizan tapones para evitar el escape de gases.
Figura 4.17: Agujeros para la recolección de gases
Las pantallas recolectoras de gases también cambiaron su forma geométrica, en este diseño en vez de ser cilíndricas tienen forma de campana como se muestra en la imagen siguiente:
42
Figura 4.18: Campana recolectora de gases
El fin de poder acoplarse a las salidas de gas del tanque, los colectores también tienen una salida dispuesta lateralmente, y en la parte superior tienen el orificio donde se ubica la conexión eléctrica hacia los electrodos.
Esta conexión eléctrica de los electrodos consta de un cilindro de bronce con recubrimiento de níquel para proteger al cobre del ataque que produce el KOH a este material. La idea de que éste sea de cobre es para tener una menor resistencia eléctrica y así correr un menor riesgo de que los otros elementos se deformen plásticamente debido a un aumento de temperatura; los electrodos estarán unidos a la conexión por medio de una ranura en forma de “L invertida” que permite asegurar tanto la conexión eléctrica como la fijación de los electrodos, permitiendo así sujetar los electrodos de manera más fácil.
Figura 4.19: Detalle de conectores de electrodos
43
Puesto que la finalidad del sistema es la manipulación de la mayor cantidad de variables posible, se han planteado distintos diseños de electrodos; estos diseños buscan evitar la concentración de corrientes o la creación de corrientes parásitas; esto se logra mediante la eliminación de esquinas en las formas geométricas que tengan los electrodos. También, con el fin de lograr una distribución uniforme de la corriente dentro del electrodo, éstos van a estar hechos de cobre recubierto de níquel. Las distintas formas geométricas con las que se va a experimentar son las siguientes:
Figura 4.20: Electrodo tipo cilindro hueco
Este diseño tiene el fin de maximizar el área mediante el uso de la superficie de interacción tanto el manto externo como el interno de la figura, el diseño cuenta con agujeros en la parte superior para que a través de ellos puedan salir los gases que se generan en la cara interna del electrodo.
El siguiente diseño es una placa plana con las esquinas redondeadas.
44
Figura 4.21: Electrodo tipo placa plana con bordes suaves
El tercer diseño es un cilindro con los extremos redondeados, parecido a la forma de una píldora.
Figura 4.22: Electrodo tipo píldora
El cuarto diseño es una placa plana, el fin de este electrodo es servir de parámetro para ver la verdadera influencia de la presencia de esquinas en la forma geométrica del electrodo.
45
Figura 4.23: Electrodo tipo cilindro hueco
Con el fin de darle solidez estructural al tanque se agregó un marco metálico, el cual tendrá un aislamiento térmico-eléctrico en las partes que hace contacto con el tanque; en la siguiente imagen se muestra el tanque con el marco.
Figura 4.24: Detalle del tanque principal y su refuerzo estructural
Durante el proceso de fabricación, debe usarse un pegamento especial que soporte el ataque químico que causa el KOH. A continuación se presentan una imagen del tanque ya armado, con sus respectivos agujeros de alimentación y de descarga, así como con el reborde que servirá para sostener la tapadera.
46
Figura 4.25: Detalle de las salidas de gases para su recolección
Figura 4.26: Detalle de tomas de agua de suministro
47
Figura 4.27: Detalle del apoyo de la tapadera del tanque
48
CAPÍTULO 5 5.
MANUAL DEL USUARIO
En este apartado se presenta la elaboración de un Manual del Usuario del equipo prototipo de electrolizador. Con dicho documento se busca guiar al usuario experimental del generador de hidrógeno en cuanto al ensamble, preparación, uso y análisis de resultados del mismo; se establecen los parámetros de desempeño a ser medidos y la estandarización de los procedimientos de experimentación y recopilación de datos.
Este manual ha sido creado para instruir al usuario en el manejo de prototipo y sus componentes, así como también para establecer las diferentes variables de funcionamiento y pruebas a realizársele al mismo.
Como primera parte se presenta el manual de ensamble, instalación y manejo de componentes. Este apartado pretende guiar al usuario en el conocimiento del prototipo, dándole a conocer aspectos claves del funcionamiento, incorporando breves conceptos teóricos que le permitirán tener una mayor comprensión del diseño y de la influencia esperada de cada variable sobre el desempeño del equipo, influencia qué será posteriormente evidenciada empíricamente.
Luego se tiene el apartado que trata más específicamente con el uso experimental del equipo. En él se presentan breves descripciones metodológicas que servirán como guía de laboratorio para la manipulación y estudio de la influencia de las variables sobre el desempeño del equipo. Se debe traer a cuenta que el propósito de la experimentación es validar empíricamente las presunciones teóricas, así como también determinar la configuración idónea de operación del equipo, para lograr los mayores índices de producción al menor costo energético.
5.1 Manual de ensamble, instalación y manejo
49
Este manual es una guía para el usuario, que ilustra paso por paso el ensamble del equipo y la preparación del mismo previo a ser utilizado en el laboratorio. Algunas piezas estarán sujetas entre sí de manera permanente, como es el caso de los conectores de electrodos y los colectores de gases.
Figura 5.1: Muestra la disposición de los conectores. Colectores y electrodo (en el interior)
Figura 5.2: Muestra la conexión entre el electrodo y el conector. El primero se desliza en el segundo, rotándolo para asegurarlo en posición.
Luego se tiene el ensamble de piezas móviles, como son los sujetadores del conjunto de generación y recolección, las membranas, etc.
50
Figura 5.3: Muestra el ensamble del sujetador del conjunto y su posicionamiento en el tanque.
Figura 5.4: Habiéndose ubicado el resto de componentes, solo resta introducir la membrana separadora en su lugar
5.2 Manual de Laboratorio
Tal como se mencionó anteriormente, este apartado pretende guiar al usuario en el uso experimental del electrolizador prototipo. A continuación se hacen breves descripciones de la metodología que deberá seguirse para garantizar los resultados, así mismo se proponen algunos modelos de análisis para el estudio de los resultados obtenidos experimentalmente.
51
Es necesario traaer a cuenta que se esperra encontrar experimentalmente unaa configuraciión (o presente el funcionamieento óptimoo, o de mayyor eficienciia energéticaa, del varrias) que rep equuipo. En otraas palabras, se busca prroducir hidróógeno en la mayor canttidad posiblee (por unidad de tiemp po) con la menor m inversiión energéticca en el procceso.
Se necesita tener t una configuraciión base, o de referrencia, quee establezcaa un com mportamientto único del prototipo; la produccióón obtenida con dichoss parámetross y la eficciencia de esse sistema seervirán para comparar loos posibles inncrementos obtenidos coon las modificacioness de cada varriable.
Con nfiguración n de referencia
Valores de Inicio o Corriente
25 A A
Voltaje
2.2 V
oncentración en Co peso de KOH H
25% %
Temperaturaa (Amb) Electrodo
Disposición
25°C
Placaa Plana
Lueego es neceesario contarr con pruebas estándarees que se lee realicen a cada una de d las connfiguraciones posibles, para p posterioormente aplicarle criterioos de análisiis semejantees que perrmitan evalu uar las mejooras de prodducción parra cada conffiguración. Para ello see han elabborado, por un lado, hojjas de laboraatorio para cada c prueba que describeen los parám metros a medirse m y el análisis a a applicársele a cada c resultaddo. Por últim mo se presentta un corolarrio de los procedimien ntos a seguirr en el análissis corresponndiente.
52
Figura 5.5: Hoja de laboratorio consta de descripción (derecha) y parámetros a analizarse (izquierda)
Por último podemos encontrar los estándares aplicables a cada prueba y, más precisamente, cómo analizarlos.
53
Figura 5.6: Muestra detalle de análisis a aplicarse
NOTA: El Manual completo se puede encontrar en el Anexo B.
54
CAPÍTULO 6
6.
CONCLUSIONES
Después del tiempo en que se ha desarrollado el proyecto de creación de un electrolizador para generación de Hidrógeno, se ha tenido un encuentro mano a mano con las dificultades, comúnmente encontradas en el medio salvadoreño, con las que se enfrentan los innovadores y vanguardistas desarrolladores de nuevas tecnologías en el país. Es necesario traer a cuenta la, hasta cierto punto, desgastante lucha por la viabilización de nuevos proyectos, de nuevas visiones y nuevas tecnologías que lleven a la nación hacia el anhelado progreso, a la vanguardia latinoamericana en el desprendimiento de la dependencia de tecnologías aplicables, hasta ahora orientadas primordialmente al “primer mundo”. Solo así llegaremos a tener en nuestras manos la llave de la puerta del progreso como pueblo y así finamente recuperar nuestra relegada identidad.
Primeramente debemos denotar que, en el desarrollo de proyectos que busquen el crecimiento del conocimiento en tecnologías innovadoras, que apunten hacia el progreso tecnológico local, es necesario que tanto diseñadores como constructores lleven a cabo de manera conjunta todas las etapas de diseño y realización, con el fin de poder llevar a cabo un proceso de diseño eficiente y que se encuentre acorde a la disponibilidad de materiales en el mercado local, así como a la capacidad técnica en el país. Esto último es importante en la persecución del fin de lograr resultados que sean viables tanto en aspectos de diseño como en aspectos manufactureros y financieros.
El proceso de desarrollo de este proyecto, así como el de muchos otros en el país, se ve coartado por la vetusta carencia de una guía confiable de materiales disponibles, en la que se puedan verificar las especificaciones y características de estos; por lo que en el proceso de diseño se debe interrumpir para realizar una etapa de validación de laboratorio con el fin de poder determinar las características y propiedades técnicas de los materiales disponibles localmente en el período de desarrollo. Es de innegable importancia dicha investigación
55
debido a la negligencia con la que son distribuidas las materias primas en el país, hecho que tiende a comprometer la calidad de los diseños y su fidelidad en el funcionamiento. Dicha guía serviría para poder tener procesos de diseño más eficientes y estandarizados.
Partiendo del hecho que se han elaborado guías para la experimentación, se puede proyectar a futuro una investigación dedicada a la determinación de los componentes y configuraciones idóneas de funcionamiento del prototipo, buscando incrementar la eficiencia del sistema para una producción de hidrógeno más puro a menor costo energético. Asimismo al tener los resultados de este estudio posterior, será necesario determinar las más eficientes y seguras maneras de manejo, tratamiento y almacenamiento del gas producido; pudiendo llegar a ser, incluso, un importante tema de estudio académico el diseño y desarrollo del equipo que resuelva las interrogantes antes mencionadas.
56
GLOSARIO Ánodo: Electrodo negativo en el que se lleva a cabo la reacción de oxidación.
Batería: Sistema electroquímico de energía eléctrica similar totalmente a una celda de combustible, con la única diferencia que los reactivos no se suministran de forma continua.
Catalizador: Sustancia química que reduce la energía de activación de una determinada reacción química permitiendo que la reacción se lleve a cabo a mayor velocidad o menor temperatura. El catalizador permanece, en teoría, químicamente inalterado.
Cátodo: Electrodo positivo en el que se lleva a cabo la reacción de la reducción.
Célula de combustible: Es el dispositivo electrolítico primario. La pila se reserva al conjunto. Densidad de corriente: Relación entre la intensidad y la superficie; se mide en A/cm2.
Electrodo: Es la parte metálica de la interface metal-disolución en la que se producen los fenómenos electroquímicos.
Electrólisis: Proceso electroquímico mediante el cual el agua se descompone en sus elementos.
Electrolito: Sustancia que facilita el transporte iónico entre los electrodos.
Energía: Es un concepto difícil de definir. En resumen es todo aquello que directa o indirectamente puede transformarse en trabajo mecánico.
Fuel oil: Es una fracción obtenida de la destilación del petróleo, ya sea como un destilado o como un residuo; generalmente es utilizado para producir calor en hornos industriales.
57
Hydrocracking: Es un proceso de dos etapas que combina la separación catalítica y la hidrogenación, dicho proceso necesita alta temperatura, alta presión, un catalizador e Hidrogeno.
Placas bipolares: Es una placa de conducción que actúa como ánodo para una célula y un cátodo para la adyacente. Puede ser metálica o de polímero conductor. La placa incorpora canales para el paso de los fluidos y conductos para la transferencia de calor.
Steam Reforming: El reformado por vapor de agua.
Reformado: Se llama proceso de reformado la reacción catalítica de una mezcla de vapor de agua e hidrocarburos a una temperatura más o menos alta para formar Hidrógeno, monóxido de carbono y bióxido de carbono.
58
REFERENCIAS CROMATODO Final colonia Luz, calle Palacios, No. 2723, San Salvador, El Salvador. Tel (503) 22730363. Esta empresa fue escogida por LaGeo para una parte la construcción. Hydrogen in the Energy Sector http://www.hyweb.de/Knowledge/w-i-energiew-eng.html En esta página se encuentran generalidades de la hidrógeno, su producción, trasporte, almacenaje y la economía relacionada a él. Johnson Matthey Catalysts http://www.jmcatalysts.com/pct/marketshome.asp?marketid=15&id=287 Información de los usos industriales del Hidrógeno. LaGeo S.A. de C.V. 15 Ave. Sur, colonia Utila, Nueva San Salvador, La Libertad, El Salvador. Tel (503) 22116700. Email:
[email protected] Esta empresa es quien patrocinó el proyecto, lanzando a licitación la construcción del diseño para experimentar con él. Lenntech http://www.lenntech.com/espanol/tabla-peiodica/H.htm Propiedades, características y generalidades del Hidrógeno. Metálicas Milán Servicio Industrial Calle Darío Gonzalez, No. 821 Bº, San Jacinto, San Salvador, El Salvador. Tel (503) 22705470 Esta empresa fue escogida por LaGeo para una parte la construcción.
59
BIBLIOGRAFÍA
Abrego, T.N.B. [1997] Estudio sobre la generación y el uso de hidrógeno como combustible para el uso doméstico. Trabajo de graduación presentado para optar al grado de ingeniero mecánico en la Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas”, Antiguo Cuscatlán, L.L., El Salvador.
Veziroğlu, T.N. [1999] International Journal of Hydrogen Energy, volumen 24, No. 1-3.
Aguer Hortal, Mario; Miranda Barreras, Ángel L. [2005] El Hidrógeno, fundamento de futuro equilibrad. Ediciones Díaz de Santos, S.A.
Bockris, John. [1991] Solar Hydrogen energy, the power to save the earth. McDonald &Co. Ltd.
Askelamd, Donald R. [1998]Ciencia e ingeniería de los materiales, Iternational Thompson Editores S.A. de C.V.
Lenntech, http://www.lenntech.com, Mayo 2007.
Johnson Matthey Catalysts, http://www.jmcatalysts.com, Mayo 2007.
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Pyle, Walt; Healy, Jim; Cortez Reynaldo. [1994] Solar Hydrogen Production by Electrolysis. Home Power, 39, 32-38.
60
ANEXO A
C2
CUADRO DE ESPECIFICACIONES PARA CONSTRUCCIÓN DEL ELECTROLIZADOR PROTOTIPO ID Pieza
Nombre Pieza
ID Material
Descripción Material
Proceso Construcción
Cantidad de piezas
P1
Anclaje de Conectores
P1M1
Policarbonato
Maquinado a partir de un bloque sólido de Policarbonato. La pieza tener un buen ajuste con su contraparte P11.
8
P2
Colectores de Gases
P2M2
Policarbonato
Maquinado a partir de un bloque sólido de Policarbonato. La pieza debe formar un sello hermético con P3.
4
P3M1 P3
Aislante Térmo‐ Eléctrico
Conector de Electrodo (Borne)
Posterior al maquinado del alma de cobre, debe recubrirse de aislante. Dejando expuestos únicamente los extremos para conexión y acople. Debe se bien sujeto por P11.
4
Maquinado a partir de un bloque sólido de cobre. En el extremo inferior (comector con electrodo) debe ser recubiero de niquel.
P3M2
Cobre
P4M1
Cobre recubierto de Niquel
Maquinado a partir de un bloque sólido de bronce y recubierto de niquel (electro‐depositado) El extremo para conexión debe entrar bien ajustado en P3
2
Maquinado a partir de un bloque sólido de bronce y recubierto de niquel (electro‐depositado) El extremo para conexión debe entrar bien ajustado en P3
2
P4
Electrodo Cilíndrico (hueco)
P5
Electrodo Placa Ovalada (sólido)
P5M1
Cobre recubierto de Niquel
P6
Electrodo Píldora (sólido)
P6M1
Cobre recubierto de Niquel
Maquinado a partir de un bloque sólido de bronce y recubierto de niquel (electro‐depositado) El extremo para conexión debe entrar bien ajustado en P3
2
P7
Electrodo Placa Cuadrada (sólido)
P7M1
Cobre recubierto de Niquel
Maquinado a partir de un bloque sólido de bronce y recubierto de niquel (electro‐depositado) El extremo para conexión debe entrar bien ajustado en P3
2
Maquinadas a partir de un bloque sólido de policarbonato. Luego deben adherise fijamente a las paredes internas de P13, formando un sella estanco. El área en cotacto con P10 debe ser recubierta de un material que permita un sello hermético cuando se deslice en posición P10.
16
Fabricado de águlo 1" x 1/16". El área en contacto con P10 debe ser recubiera de un material aislate termo‐eléctrico.
1
P8
Guía de Membrana
P8M1
Policarbonato
P9
Marco Metálico
P9M1
Aluminio
P10M1 P10
Membrana
P10M2
P11
P12
Policarbonato
Soporte de Colectores
Suministro de Agua
P11M1
P12M1
Teflón, Asbesto y Policarbonato
Por cada membrana deben fabricarse DOS marcos. Estos debe sujetarse entre sí mediante pernos del MISMO material. La pieza total debe deslizarse dentro de P13, formando un sello hermético con P8.
2 (con Teflón) 2 (con Asbesto) 1 (con Policarbonato)
Membrana delgada (0,003")
Policarbonato
Maquinado a partir de un bloque sólido de policarbonato. Deben ajustar perfectamente con P1 y a la vez, mediante los pernos de ensamble (del mismo material), deben sujetar P3.
4
Policarbonato
Fabricado de policarbonato (incluyendo las tuberías) y con soporte metálico. La válvula debe ser muy precisa para poder regular el flujo.
1
A1 21/06/2007
1/2
C2
CUADRO DE ESPECIFICACIONES PARA CONSTRUCCIÓN DEL ELECTROLIZADOR PROTOTIPO
P13
Tanque
P13M1
Policarbonato
Fabricado por placas adheridas entre sí. Es importante que los agujeros tengan ajustes de MUY baja tolerancia con sus piezas correspondientes, para evitar fugas de solución y de gas. En las paredes internas deben adherirse las P8 (según planos P13)
P14
Tapadera
P14M1
Policarbonato
Fabricado por placas adheridas entre sí. Es importante que los agujeros tengan ajustes de MUY baja tolerancia con sus piezas correspondientes, para evitar fugas de gas.
P15
Tapón
P15M1
Hule
Variador de Concentraión
P16M1
Policarbonato
P16
P16M2 P16M3
Válvula de Precisión Aluminio
1
1
Dos medidas de tapones de hule (según plano P15)
2 (grandes) 2 (pequeños)
Tubos maquinados a partir de un bloque sólido de policarbonato. Válvula resistente a KOH Soportes estructura
1
A2 21/06/2007
2/2
Modelo Conceptual
REVISIONS REV
DESCRIPTION
DATE
APPROVED
05.Jun.2007
ZONE
Proyecto de Graduación
Grupo C2
Diseño
de un electrolizador
prototipo, para LaGeo Carlos
Barrientos
Carlos
Sol
SIZE
SCALE
A3
FSCM NO.
DWG NO.
REV
MC.1.01
Carta
N/A
SHEET
1 1/17
2
1
3
6
5
4
RevNo
7
8 Date
Revision note
Signature
Checked
A
A
VISTA
0.98
cm 0.20
B
4.43
cm
0.82
cm
B
cm R0.14
4.43
DETALLE
cm
cm
3.03
cm 56°
cm
R0.11
cm
C
C VISTA
ISOMÉTRICO
D
D
P1M1
42.00
cm
2.00
cm
E
0.64
E
cm VISTA LATERAL
FSCM NO
FILE NAME
Anclaje de soportes colectores SIZE
DRAWN
2/17
1
PLANTA
A4
2
8 piezas a fabricarse, cada una adherida al tanque fijamente
ISSUED
cm
DWG NO
REV
EN
Policarbonato
Comentario ·
VISTA
P1M1:
·
10-jul-07
APPR.
42.00
SIN ESCALA
Material
CHECK
F
SCALE
SHEET
3
CONTRACT NO
6
7
8
F
2
1
3
6
5
4
RevNo
7
8 Date
Revision note
Signature
Checked
A
A
B
B
C
C VISTA
ISOMÉTRICO
∅2.54
cm
∅0.95 cm
D
D
3
(8") P2M1
16.20
19.10
cm
cm
E
E VISTA FSCM NO
FILE NAME
Colector
DRAWN
SIN ESCALA
Material
10-jul-07
P2M1: Policarbonato
·
CHECK
F
SCALE
SHEET
3/17
SIZE
LATERAL
Comentario ·
APPR.
4 piezas a fabricarse, preferiblemente de una sola pieza del material, para asegurar hermeticidad
ISSUED
8.20 VISTA
1
EN
cm
A5
PLANTA
2
DWG NO
REV
3
CONTRACT NO
6
7
8
F
2
1
3
6
5
4
RevNo
7
8 Date
Revision note
Signature
Checked
A
A
VISTA
DETALLE
B
B 0.30
cm
0.49
cm
1.70 1.40
cm
cm
C
C VISTA
ISOMÉTRICO
0.30 cm
Borne para conexión eléctrica
se colocará
P3M1
un
conector de ojo (agujero 1/8") Sujetado con una
D
tuerca
de
D
material
aislante 22.00
∅1.07
E
cm
cm
E 1.70 P3M2
FSCM NO
FILE NAME
Conector de Electrodo
SIZE
DRAWN
SCALE
SHEET
10-jul-07
·
P3M1:
·
P3M2: COBRE
cm
AISLAMIENTO
TERMO-ELÉCTRICO
Comentario ·
∅1.67
SIN ESCALA
4/17 Material
CHECK
F
VISTA LATERAL
cm
APPR.
·
4 piezas a fabricarse ÚNICAMENTE el vástago conector debe ser recubierto de niquel
ISSUED
VISTA
1
EN
DWG NO
REV
PLANTA
A6
2
3
CONTRACT NO
6
7
8
F
2
1
3
6
5
4
RevNo
7
8 Date
Revision note
Signature
Checked
A
A
VISTA
DETALLE
B
B 45°
cm
Agujero de 2.00 cm,
perforado en
el
ángulo
indicado
C VISTA
C
ISOMÉTRICO
0.45
cm 1.80
2.53 cm
D ∅5.33
cm
D
cm
P4M1
15.00
cm
cm
∅1.07
E
E VISTA LATERAL
∅0.30 3.00
cm
FILE NAME
Electrodo Cilindrico
cm SIZE
DRAWN
SCALE
SHEET
SIN ESCALA
5/17 Material
10-jul-07
P4M1:
·
CHECK
F
FSCM NO
Bronce recubierto por Niquel
Comentario ·
APPR.
·
4 piezas a fabricarse El "alma" de todo el cuerpo delelectrodo es de bronce y está recubierta de niquel
ISSUED
VISTA
1
EN
DWG NO
REV
PLANTA
A7
2
3
CONTRACT NO
6
7
8
F
2
1
3
6
5
4
RevNo
7
8 Date
Revision note
Signature
Checked
A
A
B
B
C
C VISTA
ISOMÉTRICO
R0.75
cm
D
D P5M1
13.50
cm
1.50 cm Los
E
12.00
conectores
E
de los
cm
electrodos
son
VISTA LATERAL
iguales en todos (detalle
en
P4)
FSCM NO
FILE NAME
SCALE
SHEET
Electrodo Placa Ovalado
SIZE
DRAWN
Material
10-jul-07
P5M1:
·
CHECK
F
SIN ESCALA Bronce recubierto por Niquel
Comentario ·
APPR.
·
4 piezas a fabricarse El "alma" de todo el cuerpo delelectrodo es de bronce y está recubierta de niquel
ISSUED
VISTA
1
EN
DWG NO
REV
PLANTA
A8
2
3
CONTRACT NO
6
7
8
F
2
1
3
6
5
4
RevNo
7
8 Date
Revision note
Signature
Checked
A
A
B
B
C
C VISTA ISOMÉTRICO
R2.67
cm
D
D ∅5.33
cm
9.67
cm P6M1
Los
E
conectores
E
de los electrodos
son
R2.67
cm
VISTA
iguales en todos (detalle
en
P4)
FILE NAME
Electrodo Pildora
SIZE
DRAWN
SCALE
SHEET
SIN ESCALA
7/17 Material
10-jul-07
P6M1:
·
CHECK
F
FSCM NO
LATERAL
Bronce recubierto por Niquel
Comentario ·
APPR.
·
4 piezas a fabricarse El "alma" de todo el cuerpo delelectrodo es de bronce y está recubierta de niquel
ISSUED
VISTA
EN
1
DWG NO
REV
PLANTA
A9
2
3
CONTRACT NO
6
7
8
F
2
1
3
6
5
4
RevNo
7
8 Date
Revision note
Signature
Checked
A
A
B
B
C
VISTA
C
ISOMÉTRICO
D
D P7M1
1.50
cm 15.00
Los
E
15.00
de
cm
cm
conectores
E
los
electrodos
son
VISTA LATERAL
iguales en todos (detalle
en
P4)
FILE NAME
Electrodo Placa
SIZE
DRAWN
SCALE
SHEET
SIN ESCALA
8/17 Material
10 julio 2007
P7M1:
·
CHECK
F
FSCM NO
Bronce recubierto por Niquel
Comentario ·
APPR.
·
4 piezas a fabricarse El "alma" de todo el cuerpo delelectrodo es de bronce y está recubierta de niquel
ISSUED
VISTA
EN
PLANTA
A10
1
DWG NO
REV
2
3
CONTRACT NO
6
7
8
F
2
1
3
6
5
4
RevNo
7
8 Date
Revision note
Signature
Checked
A
A
B
B
C
VISTA
C
ISOMÉTRICO
D
D P8M1
0.50
30.00
cm
cm
E
E VISTA LATERAL
1.50
cm FILE NAME
Guia de Membrana
SIZE
DRAWN
1.20
cm
Comentario
·
16 piezas a fabricarse (8 pares), cada una adherida al tanque fijamente procuranto estanqueidad. La parte interna (donde se desliza la membrana) debe poder lograr sellarse con la membrana en posición.
DWG NO
REV
2
Policarbonato
ISSUED
PLANTA
A11
1
P8M1:
·
·
EN
SIN ESCALA
9/17
10-jul-07
APPR.
VISTA
SCALE
SHEET
Material
CHECK
F
FSCM NO
3
CONTRACT NO
6
7
8
F
2
1
3
6
5
4
RevNo
7
8 Date
Revision note
Signature
Checked
A
A
B
B
C
C
VISTA ISOMÉTRICO
2,54
42,32
D
D P9M1
E
25
37,24
0,16
2,38
E 17,24
FSCM NO
FILE NAME
Marco Metalico
SIN ESCALA
Material P9M1: Aluminio
·
10-jul-07
CHECK
F
SCALE
SHEET
10/17
SIZE
DRAWN
VISTA LATERAL
Comentario ·
APPR.
·
1 pieza a fabricarse. En la parte interior de la estructura, se debe forar
con
un
material aislante
termo-eléctrico
ISSUED
VISTA
1
EN
DWG NO
REV
PLANTA
A12
2
3
CONTRACT NO
6
7
8
F
2
1
3
6
5
4
RevNo
7
8 Date
Revision note
Signature
Checked
A
A
VISTA
DETALLE
B
B
C
C VISTA
ISOMÉTRICO
0.60
20
cm
17
D
D
P10M1
1,5
Membrana de Telfón, 0.5
P10M2
mm de espesor
Membrana de Asbesto, 20.00
E
3 mm de espesor
cm
E VISTA LATERAL
FSCM NO
FILE NAME
Membrana
Material
10-jul-07
CHECK
F
·
P10M1: Policarbonato
·
P10M2: Teflón,
·
·
1
A13
2
3
Los
bordes
de los
marcos
deben formar un buen
DWG NO
REV
PLANTA
2 piezas de Tefón, 2 de Asbesto y 1 de Policarbonato a fabricarse, cada marco debe sujetar la membrana con pernos del mismo material (policarbonato) sus correspondientes guías.
ISSUED
EN
Asbesto y Policarbonato.
Comentario
APPR.
VISTA
SIN ESCALA
11/17
SIZE
DRAWN
SCALE
SHEET
CONTRACT NO
6
7
8
sello con
F
2
1
3
6
5
4
RevNo
7
8 Date
Revision note
Signature
Checked
A
A
B
B
C
C VISTA
ISOMÉTRICO
3.04 cm P11M1
D
11.00
10.80 cm
2.50
cm
D
cm R0.25 cm
0.70
cm 1.00
cm
R0.15 cm 1.36 cm
R0.15 cm
E
54° 4.00
R1.37 cm R1.52 cm
cm
VISTA
5.42 cm FSCM NO
FILE NAME
Soporte de Colectores
3.00 cm
0.50
cm
SIZE
DRAWN
LATERAL
SCALE
SHEET
12/17
SIN ESCALA
Material
10-jul-07
P11M1: Policarbonato
·
CHECK
F
E
cm
Comentario ·
APPR.
4 piezas a fabricarse, cada una debe incluir un par de tornillos del mismo material (policarbonato)
ISSUED
VISTA
1
DWG NO
REV
EN PLANTA
A14
2
3
CONTRACT NO
6
7
8
F
2
1
3
6
5
4
RevNo
7
8 Date
Revision note
Signature
Checked
A
A
B
B
C
C
Conexión p/
Válvula
manguera 3/8"
de
10
8,37
14,67
1
E
Suministro de Agua
10,55
18
SIZE
DRAWN
20
FSCM NO
Comentario ·
1 pieza a fabricarse Se sugiere el mismo material, aunque no estará en contacto
·
con
KOH.
La válvula debe ser de presición
DWG NO
REV
3
Policarbonato
·
ISSUED
2
SIN ESCALA
13/17
·
A15
SCALE
SHEET
10-jul-07
APPR.
EN PLANTA
LATERAL
Material
CHECK
F
1
E VISTA
FILE NAME
VISTA
D
2,2
compuerta 1/2"
10,55
D
ISOMÉTRICO
15
VISTA
CONTRACT NO
6
7
8
F
2
1
3
6
5
4
RevNo
7
8 Date
Revision note
Signature
Checked
A
A 8,9
Posición Guías de
18,9
Membranas
28,9 1,2
B
B
Detalle Guía
de tapa
C
C VISTA
ISOMÉTRICO
∅0.95 cm
1.55
D
P13M1
cm
17
22,5
31
D
2
22
1
E 8
24
22
E
0,5 24
0,5
FSCM NO
FILE NAME
Tanque
Comentario ·
VISTA
1
A16
3
1 pieza a fabricarse, Es importante que los agujeros tengan muy bajas tolerancias respecto a los acoples que los atraviezan, para lograr la estanqueidad
DWG NO
REV
EN PLANTA
2
·
ISSUED
44
P13M1: Policarbonato
·
10-jul-07
APPR.
42
SIN ESCALA
Material
CHECK
F
SCALE
SHEET
14/17
SIZE
DRAWN
VISTA LATERAL
CONTRACT NO
6
7
8
F
2
1
3
6
5
4
RevNo
7
8 Date
Revision note
Signature
Checked
A
A
B
B
C
C ISOMÉTRICO
5
VISTA
D
43
D
P14M1
∅3,2
4 ,5 ∅2 23
E
∅2
,5
13,5
∅3, 6 4
E
0,5 VISTA LATERAL
FSCM NO
FILE NAME
Tapadera
Material
10-jul-07
Comentario · ·
APPR.
ISSUED
1
EN PLANTA
A17
2
3
1 pieza a fabricarse, Es importante que los agujeros tengan muy bajas tolerancias respecto a los acoples que los atraviezan, para lograr la estanqueidad
DWG NO
REV
VISTA
P14M1: Policarbonato
·
CHECK
F
SIN ESCALA
15/17
SIZE
DRAWN
SCALE
SHEET
CONTRACT NO
6
7
8
F
2
1
3
6
5
4
RevNo
7
8 Date
Revision note
Signature
Checked
A
A
B
B
C
C ISOMÉTRICO
,0 3
8
3
VISTA
∅
D
∅3
,08
D
∅2 ∅2
E
E
P15M1 1 VISTA LATERAL
FILE NAME
Tapones de Hule
SIZE
DRAWN
∅1
F
SCALE
SHEET
SIN ESCALA
16/17 Material
10-jul-07
P15M1: Hule
·
CHECK
∅1
FSCM NO
Comentario ·
2 piezas de cada tamaño de tapón
APPR.
∅1,54 VISTA
1
EN
∅1,54
ISSUED DWG NO
REV
PLANTA
A18
2
3
CONTRACT NO
6
7
8
F
2
1
3
6
5
4
RevNo
7
8 Date
Revision note
Signature
Checked
A
A
B
B
C
C VISTA
ISOMÉTRICO
P16M1
P16M2
D
17,16
D
E
E
P16M3 VISTA LATERAL
FILE NAME
Variador de Concen.
SIZE
DRAWN
SCALE
SHEET
SIN ESCALA
17/17 Material
10-jul-07
·
P16M1:
·
P16M2: Válvula de presición
·
CHECK
F
FSCM NO
P16M3:
Policarbonato Aluminio
Comentario ·
F
1 piezas a fabricarse
APPR.
ISSUED
VISTA
1
EN
DWG NO
REV
PLANTA
A19
2
3
CONTRACT NO
6
7
8
ANEXO B
ANEXO B Manual del Usuario
Este manual ha sido creado para guiar al usuario en el manejo del prototipo y sus componentes, así como también para establecer las diferentes variables de funcionamiento y pruebas a realizársele al mismo.
Como primera parte se presenta el manual de ensamble, instalación y manejo de componentes. Este apartado pretende guiar al usuario en el conocimiento del prototipo, dándole a conocer aspectos claves del funcionamiento, incorporando breves conceptos teóricos que le permitirán tener una mayor comprensión del diseño y de la influencia esperada de cada variable sobre el desempeño del equipo, influencia que será posteriormente evidenciada empíricamente.
Luego se tiene el apartado que trata más específicamente con el uso experimental del equipo. En él se presentan breves descripciones metodológicas que servirán como guía de laboratorio para la manipulación y estudio de la influencia de las variables sobre el desempeño del equipo. Se debe traer a cuenta que el propósito de la experimentación es validar empíricamente las presunciones teóricas, así como también determinar la configuración idónea de operación del equipo, para lograr los mayores índices de producción al menor costo energético.
B1
Manual de Ensamble, Instalación y Manejo
Este apartado pretende guiar al usuario en el ensamble del electrolizador. Es conveniente recordar que éste fue diseñado con el propósito de facilitar el cambio y modificación de diversos componentes que afectan directamente la producción de hidrógeno. Por esto último, el equipo puede variase tanto en la disposición, características y cantidad de sus componentes.
Para una mejor ilustración del proceso de ensamblaje se empieza con los componentes de mayor importancia. El primer conjunto de piezas con el que se cuenta son las conexiones de los electrodos, los colectores de gases y los electrodos. Los primeros están unidos permanentemente a las pantallas de recolección de gases; a estas se les deben acoplar los electrodos. Los conectores deben deslizarse en su posición en la parte superior de los colectores, dadas las características del ajuste entre las piezas, estas quedarán adheridas entre sí.
En la siguiente figura se muestra una ilustración de la conexión entre el electrodo y su conector (se ha eliminado la pantalla de recolección de gases para mostrar como se debe hacer el acople). Para lograr el acople entre las piezas se inserta el electrodo en la ranura de la conexión eléctrica y se gira en el sentido que se muestra en la figura, para que el electrodo quede en la posición segura.
B2
En la siguiente figura se muestra un acercamiento a la junta del electrodo acoplado a su respectivo conector.
En la siguiente figura se muestra cómo queda armado el arreglo electrodo-conexión eléctrica-recolector de gas. Se debe recordar que únicamente el electrodo podrá desacoplarse de este conjunto, para poder variarlos en tipo y forma.
B3
Posteriormente, al tener ensamblado el conjunto anterior, se procede a acoplarlo a los soportes. Estos soportes se encargan de mantener el conjunto de electrodo y colector en una posición fija dentro del tanque, previniendo el contacto entre los componentes. En la siguiente figura se muestra la mitad de uno de los soportes.
Los soportes van unidos al tanque por medio de los anclajes en el borde superior, que se muestran en la siguiente figura (piezas azules).
El primer paso es unir el soporte 1 al anclaje 1.
B4
Posición final del soporte 1.
Luego se pone en posición el arreglo del electrodo previamente armado, como se muestra en la siguiente figura.
Posteriormente se acopla el soporte 2 uniéndolo al anclaje 2, como se puede apreciar en la siguiente figura.
B5
Una vez puestos los dos soportes se unen por medio de un perno en cada uno de los extremos de estos.
Estos pasos deberán seguirse para cada electrodo que se desee colocar en el equipo, pudiendo variar entre dos y cuatro arreglos. A manera de ilustración, después de haberse ubicado los dos arreglos de soportes-electrodos el equipo se verá como muestra la siguiente figura.
B6
En esta se puede apreciar el tanque, el cual está unido de manera permanente al suministro de agua destilada y al variador de concentración de electrolito.
Después de tener el equipo armado se colocan los tapones en las salidas auxiliares de gases (estas son utilizadas únicamente cuando se tiene una disposición o cantidad diferente de electrodos), para evitar posibles fugas. En la siguiente figura se muestran donde van estos ubicados.
B7
El siguiente paso es ubicar las membranas de separación tanto física o iónica, dependiendo el caso. Estas irán ubicadas en las guías del tanque, que se muestran a continuación.
La membrana está sostenida por un marco como se puede apreciar en la siguiente figura, este marco se deslizará por las guías del tanque.
B8
En la siguiente figura se diagrama como deben de deslizarse las membranas sobre las guías.
B9
En este punto del ensamble el equipo se verá como se muestra en la siguiente figura.
Posteriormente debe
colocarse la tapadera, la cual se desliza en el saque, donde
descansa en su posición definitiva.
B10
Una vez ubicada la tapadera, se ponen los tapones en los agujeros auxiliares de la tapadera con el fin de evitar fugas de gases.
Al final del ensamble el equipo debe verse como muestra la siguiente figura.
B11
USO EN PRUEBAS
Una vez ya ensamblado el prototipo, con el fin de llevar a cabo las pruebas de funcionamiento; primeramente se debe proveer tanto de agua destilada en el suministro de esta, así como del KOH necesario para alcanzar la concentración de experimentación como para llenar el variador de concentración.
Suministro de agua destilada
Variador de concentración
B12
Una vez el sistema tenga el agua de suministro y el KOH, este tiene que ser conectado tanto a la fuente de energía eléctrica como a la descarga de Hidrógeno.
Las conexiones eléctricas se toman directamente de la fuente y se aseguran por medio de las tuercas que se encuentran en los extremos de las conexiones a los electrodos.
La recolección de Hidrógeno se hará por medio de uno de los orificios laterales del tanque, donde está conectado a un sistema de medición de desplazamiento volumétrico por medio del cual se podrá medir la producción de Hidrógeno por periodos determinados de tiempo.
Este procedimiento debe llevarse a cabo para cada serie de pruebas, y además deben cambiarse las configuraciones de cantidad y tipo de electrodos que se utilizaran dependiendo del experimento que se esté realizando, esta guía de configuraciones se muestra a continuación en la guía de pruebas de laboratorio.
B13
Maanual de Laborator L rio
m antteriormente, este apartad do pretende guiar al usuuario en el usso Tall como se mencionó exp perimental deel electrolizaador prototippo. A contin nuación se haacen breves descripciones de la metodoloogía que deeberá seguirse para garaantizar los rresultados, así mismo se prooponen alguunos modeloos de análissis para el estudio de los resultaddos obtenidoos exp perimentalmeente.
Es necesario traer a cuuenta que se espera encontrar experimenttalmente unna nfiguración (o ( varias) quue representee el funcionaamiento óptim mo, o de maayor eficienccia con eneergética, del equipo. Enn otras palabbras, se bussca producirr hidrógeno en la mayor canntidad posibble (por uniidad de tiem mpo) con laa menor inversión eneergética en el prooceso.
c ón base, o de referenncia, que establezca e u un Se necesita teener una configuració mportamientto único del prototipo; laa producciónn obtenida coon dichos paarámetros y la com eficciencia de esse sistema seervirán para comparar loos posibles inncrementos obtenidos coon las modificacio ones de cada variable.
nfiguración n de referencia Con
Valores de Inicio o Corriente
25 A A
Voltaje
2.2 V
Co oncentración en peso de KOH H
25% %
Temperaturaa (Amb) Electrodo
25°C
Disposición
Placaa Plana
B14
T1.. Establecim miento de Reeferencia
b enconntrar los ressultados quee servirán ccomo refereencia para la Estta prueba busca com mparación deel funcionam miento respeecto a las varriaciones inddividuales de cada uno de d los parámetros a evaluarse. ID Prueebas T1.1 1
Disposicción Normal
Valo ores de Inicio Corriente
25 A
Voltaje
2.2 V
Con ncentración en peeso de KOH
25%
Temperatura T (Amb)
25°C
Electrodo
Disposicióón
Placa Planaa
Nota a: Las variaables deben ma antenerse consstantes. La tempeeratura de la solución, s sin em mbargo, si se elevará. e Dato os recopilados Tiempo transcurrido
ml) Produucción de H2 (m
T Temperatura dee la solución (°C))
Elemento
Resistencia (Ohm)
5 min 10 min 15 min 20 min Resistencias Por elemento
Electrodoo Placa Plana Electrodoo Placa Ovaladaa Electrodoo Píldora Electrodoo Cilindro Huecco Solución KOH
B15
Ensamble completo (por Disposición) Anotaciones
Análisis de Resultados T1.1
1. Encontrar la Producción de Hidrógeno por unidad de tiempo (producción promedio y la producción en estado estable)
2. Encontrar la Temperatura de Operación de la solución.
3. Calidad del gas producido.
4. Eficiencia promedio del proceso.
5. Elaborar una tabla con los resultados de referencia.
B16
T2. Determinación de la Influencia que tiene la Posición de los Electrodos
Esta prueba está diseñada para evaluar de qué manera contribuye la disposición de los electrodos, es decir, la distancia entre ellos (por ende, la cantidad de solución entre ellos), en el incremento o decremento de producción de hidrógeno. ID Pruebas T2.1
Disposición 2
Valores de Inicio
Corriente
25 A
Voltaje
2.2 V
Concentración en peso de KOH
25%
Temperatura (Amb) Electrodo
Disposición
25°C
Placa Plana
Nota: Las variables deben mantenerse constantes. La temperatura de la solución, sin embargo, si se elevará. Datos recopilados Tiempo transcurrido
Producción de H2 (ml)
Temperatura de la solución (°C)
5 min 10 min 15 min 20 min Resistencias Por elemento
Elemento Ensamble completo (por Disposición)
B17
Resistencia (Ohm)
Anotaciones
Análisis de Resultados T2.1
1. Encontrar la Producción de Hidrógeno por unidad de tiempo (producción promedio y la producción en estado estable)
2. Encontrar la Temperatura de Operación de la solución.
3. Calidad del gas producido.
4. Eficiencia promedio del proceso.
5. Elaborar una tabla comparativa con los resultados de referencia.
B18
T2.2
Disposición 3
Valores de Inicio
Corriente Voltaje Concentración en peso de KOH Temperatura (Amb) Electrodo
25 A 2.2 V
Disposición
25% 25°C Placa Plana
Nota: Las variables deben mantenerse constantes. La temperatura de la solución, sin embargo, si se elevará. Datos recopilados Tiempo transcurrido
Producción de H2 (ml)
Temperatura de la solución (°C)
5 min 10 min 15 min 20 min Resistencias Por elemento
Elemento Ensamble completo (por Disposición)
Anotaciones
B19
Resistencia (Ohm)
Análisis de Resultados T2.2
1. Encontrar la Producción de Hidrógeno por unidad de tiempo (producción promedio y la producción en estado estable)
2. Encontrar la Temperatura de Operación de la solución.
3. Calidad del gas producido.
4. Eficiencia promedio del proceso.
5. Elaborar una tabla comparativa con los resultados de referencia.
B20
T2.3 3
Disposició ón 4
Valo ores de Iniccio Corriente C
25 A
Voltaje V Conncentración en n peso de KOH Tem mperatura (Amb)
2.2 V
E Electrodo
Disposición
25% 25°C Placa Plana
Nota a: Las variabbles deben manntenerse constaantes. La tempera atura de la sollución, sin embbargo, si se elevvará. Dato os recoopilados Tiempo traanscurrido
Producciónn de H2 (ml)
Temperatura dde la solución T (°C C)
5 min 10 min 15 min 20 min Resistencias Por elemento
E Elemento Ensamble completo (porr Disposicióón)
Anootaciones
B21
Resistencia (Ohm)
Análisis de Resultados T2.3
1. Encontrar la Producción de Hidrógeno por unidad de tiempo (producción promedio y la producción en estado estable)
2. Encontrar la Temperatura de Operación de la solución.
3. Calidad del gas producido.
4. Eficiencia promedio del proceso.
5. Elaborar una tabla comparativa con los resultados de referencia.
B22
T2.4
Disposición 5
Valores de Inicio
Corriente Voltaje Concentración en peso de KOH Temperatura (Amb) Electrodo
25 A 2.2 V
Disposición
25% 25°C Placa Plana
Nota: Las variables deben mantenerse constantes. La temperatura de la solución, sin embargo, si se elevará. Datos recopilados Tiempo transcurrido
Producción de H2 (ml)
Temperatura de la solución (°C)
5 min 10 min 15 min 20 min Resistencias Por elemento
Elemento Ensamble completo (por Disposición)
Anotaciones
B23
Resistencia (Ohm)
Análisis de Resultados T2.4
1. Encontrar la Producción de Hidrógeno por unidad de tiempo (producción promedio y la producción en estado estable)
2. Encontrar la Temperatura de Operación de la solución.
3. Calidad del gas producido.
4. Eficiencia promedio del proceso.
5. Elaborar una tabla comparativa con los resultados de referencia.
B24
T3. Determinación de la Influencia que tiene la Corriente de Suministro
Esta prueba está diseñada para evaluar de qué manera contribuye la cantidad de corriente, es decir, la densidad de corriente (sin variar el área del electrodo), en el incremento o decremento de producción de hidrógeno.
T3.1
Variación de Corriente
Valores de Inicio Corriente
VAR
Voltaje
2.2 V
(esta disposición po-
Concentración en peso de KOH
25%
dría variarse, dependiendo del resultado
Temperatura (Amb)
25°C
de las pruebas de disposición T2)
Electrodo
Disposición
Placa Plana
Nota: El resto de variables deben mantenerse constantes, excepto la corriente. Cada lectura se tomará 10 minutos después de iniciado. La temperatura de la solución, sin embargo, si se elevará. Datos recopilados Producción de H2 (ml)
Amperaje
Temperatura de la solución (°C)
25 20 15 10 5 Resistencia s Por elemento
Elemento
Ensamble completo (por Disposición)
B25
Resistencia (Ohm)
Anotaciones
Análisis de Resultados T3.1
1. Encontrar la relación que tiene la Producción de Hidrógeno para cada valor de corriente (posterior al tiempo de estabilización en la producción).
2. Calidad del gas producido.
3. Eficiencia promedio del proceso.
4. Elaborar una tabla comparativa con los resultados de referencia.
B26
T4. Determinación de la Influencia que tiene el Voltaje de Suministro
Esta prueba está diseñada para evaluar de qué manera contribuye el potencial eléctrico de suministro (sin variar el área del electrodo) en el incremento o decremento de producción de hidrógeno.
T4.1
Variación de Voltaje
Valores de Inicio Corriente
25 A
Voltaje
VAR
(esta disposición po-
Concentración en peso de KOH
25%
dría variarse, dependiendo del resultado
Temperatura (Amb)
25°C
de las pruebas de disposición T2)
Electrodo
Disposición
Placa Plana
Nota: El resto de variables deben mantenerse constantes, excepto el voltaje. La temperatura de la solución, sin embargo, si se elevará. Datos recopilados Voltaje
Producción de H2 (ml)
Temperatura de la solución (°C)
1.5 2.2 5 10 15 Resistencia s Por elemento
Elemento
Ensamble completo (por Disposición)
B27
Resistencia (Ohm)
Anotaciones
Análisis de Resultados T4.1
1. Encontrar la relación que tiene la Producción de Hidrógeno para cada valor de voltaje (posterior al tiempo de estabilización en la producción).
2. Calidad del gas producido.
3. Eficiencia promedio del proceso.
4. Elaborar una tabla comparativa con los resultados de referencia.
B28
T5. Determinación de la Influencia que tiene el Tipo de Electrodo
Esta prueba está diseñada para evaluar de qué manera contribuyen las diferentes características de cada tipo de electrodo (mayor área superficial, con esquinas, sin esquinas, etc.) en el incremento o decremento de producción de hidrógeno.
T5.1
Electrodo de Placa Ovalada
Valores de Inicio
Corriente
25 A
Disposición
Voltaje
2.2 V
(esta disposición po-
Concentración en peso de KOH
25%
dría variarse, dependiendo del resultado
Temperatura (Amb)
25°C
de las pruebas de disposición T2)
Electrodo
VAR
Nota: El resto de variables deben mantenerse constantes, excepto el tipo de electrodo. La temperatura de la solución, sin embargo, si se elevará. Datos recopilados Tiempo Transcurrido
Producción de H2 (ml)
5 min 10 min 15 min 20 min
Anotaciones
B29
Temperatura de la solución (°C)
Análisis de Resultados T5.1
1. Encontrar la Producción de Hidrógeno por unidad de tiempo (producción promedio y la producción en estado estable)
2. Encontrar la Temperatura de Operación de la solución.
3. Calidad del gas producido.
4. Eficiencia promedio del proceso.
5. Elaborar una tabla comparativa con los resultados de referencia.
B30
T5.2
Electrodo de Placa Cápsula
Valores de Inicio
Corriente
25 A
Disposición
Voltaje
2.2 V
(esta disposición po-
Concentración en peso de KOH
25%
dría variarse, dependiendo del resultado
Temperatura (Amb)
25°C
de las pruebas de disposición T2)
Electrodo
VAR
Nota: El resto de variables deben mantenerse constantes, excepto el tipo de electrodo. La temperatura de la solución, sin embargo, si se elevará. Datos recopilados Tiempo Transcurrido
Producción de H2 (ml)
Temperatura de la solución (°C)
5 min 10 min 15 min 20 min
Anotaciones
Análisis de Resultados T5.2
1. Encontrar la Producción de Hidrógeno por unidad de tiempo (producción promedio y la producción en estado estable)
2. Encontrar la Temperatura de Operación de la solución. B31
3. Calidad del gas producido.
4. Eficiencia promedio del proceso.
5. Elaborar una tabla comparativa con los resultados de referencia.
B32
T5.3
Electrodo de Placa Cilindro Hueco
Valores de Inicio
Corriente
25 A
Disposición
Voltaje
2.2 V
(esta disposición po-
Concentración en peso de KOH
25%
dría variarse, dependiendo del resultado
Temperatura (Amb)
25°C
de las pruebas de disposición T2)
Electrodo
VAR
Nota: El resto de variables deben mantenerse constantes, excepto el tipo de electrodo. La temperatura de la solución, sin embargo, si se elevará. Datos recopilados Tiempo Transcurrido
Producción de H2 (ml)
Temperatura de la solución (°C)
5 min 10 min 15 min 20 min
Anotaciones
Análisis de Resultados T5.3
1. Encontrar la Producción de Hidrógeno por unidad de tiempo (producción promedio y la producción en estado estable)
2. Encontrar la Temperatura de Operación de la solución.
B33
3. Calidad del gas producido.
4. Eficiencia promedio del proceso.
5. Elaborar una tabla comparativa con los resultados de referencia.
B34
T6. Determinación de la Influencia que tiene la Concentración de la Solución
Esta prueba está diseñada para evaluar de qué manera contribuye la concentración en porcentaje de peso de electrolito (sin variar el área del electrodo) en el incremento o decremento de producción de hidrógeno.
T6.1
Variación de Concentración
Valores de Inicio Corriente
25 A
Disposición
Voltaje Concentración en peso de KOH Temperatura (Amb)
2.2 V
(esta disposición po-
VAR
dría variarse, dependiendo del resultado
25°C
de las pruebas de disposición T2)
Electrodo
Placa Plana
Nota: El resto de variables deben mantenerse constantes, excepto la concentración de la solución. La temperatura de la solución, sin embargo, si se elevará. Datos recopilados Concentración
Producción de H2 (ml)
Temperatura de la solución (°C)
22.50% 25.00% 27.50% 30.00% 32.50% Resistencia s Por elemento
Elemento
Solución KOH Ensamble completo (por Disposición)
B35
Resistencia (Ohm)
Anotaciones
Análisis de Resultados T6.1
1. Encontrar la relación que tiene la Producción de Hidrógeno para cada valor de concentración (posterior al tiempo de estabilización en la producción).
2. Calidad del gas producido.
3. Eficiencia promedio del proceso.
4. Elaborar una tabla comparativa con los resultados de referencia.
B36
T7. Determinación de la Influencia que tiene la Cantidad de Electrodos
Esta prueba está diseñada para evaluar de qué manera contribuye la cantidad de electrodos dispuesta en el hidrolizador, variando entonces el área superficial de producción de gas, en el incremento o decremento de producción de hidrógeno.
T7.1
Variación de Cantidad de Electrodos
Valores de Inicio Corriente
25 A
Voltaje
2.2 V
Concentración en peso de KOH
25%
Temperatura (Amb)
25°C
Electrodo
Disposición
Placa Plana y Placa Ovalada
Nota: El resto de variables deben mantenerse La temperatura de la solución, sin embargo, si se elevará. Datos recopilados Tiempo Transcurrido
Producción de H2 / min
Temperatura de la solución máxima alcanzada
5 min 10 min 15 min 20 min
Resistencias Por elemento
Elemento Ensamble completo (por Disposición)
B37
Resistencia (Ohm)
Anotaciones
Análisis de Resultados T7.1
1. Encontrar la Producción de Hidrógeno por unidad de tiempo (producción promedio y la producción en estado estable)
2. Encontrar la Temperatura de Operación de la solución.
3. Calidad del gas producido.
4. Eficiencia promedio del proceso.
5. Elaborar una tabla comparativa con los resultados de referencia.
B38
T7.2
Variación de Cantidad de Electrodos
Valores de Inicio Corriente
25 A
Voltaje
2.2 V
Concentración en peso de KOH
25%
Temperatura (Amb)
25°C
Electrodo
Disposición
Placa Plana y Placa Ovalada
Nota: El resto de variables deben mantenerse La temperatura de la solución, sin embargo, si se elevará. Datos recopilados Tiempo Transcurrido
Producción de H2 / min
Temperatura de la solución máxima alcanzada
5 min 10 min 15 min 20 min Resistencias Por elemento
Elemento Ensamble completo (por Disposición)
Anotaciones
B39
Resistencia (Ohm)
Análisis de Resultados T7.2
1. Encontrar la Producción de Hidrógeno por unidad de tiempo (producción promedio y la producción en estado estable)
2. Encontrar la Temperatura de Operación de la solución.
3. Calidad del gas producido.
4. Eficiencia promedio del proceso.
5. Elaborar una tabla comparativa con los resultados de referencia.
B40
Fórmulas para la estandarización de resultados
1.
Producción Promedio de Hidrógeno
Se refiere a la producción por unidad de tiempo que, en promedio, se ha obtenido a lo largo de la prueba; y se estima como sigue:
∑
· 60
ú
, ó
Producción (ml) (min)
2.
(ml/s)
5
10
15
20
,
Producción de Hidrógeno (estado estable)
Se refiere a encontrar, primero, el tiempo en el cual se estabiliza la producción de hidrógeno por unidad de tiempo. Para ello se procederá a graficar los datos de producción hidrógeno promedio
(ml/s) contra el tiempo (s).
B41
Esta gráficaa es únicamente paara ejemplificar y nno contiene valorees reales ni estimaddos.
Habbiéndose enncontrado el
tiempo de estabilizzación
se podrá promediar p las
prooducciones posteriores, p p para obtener el promedioo de generacción real bajo condiciones norrmales de op peración. Estto último debberá ser calcculado de maanera similarr que el literral anteerior, excepttuando que los l datos proomediados será únicameente aquelloss posterioress a la estabilización e n de la produucción.
3.
Produccción de Hid drógeno según la variab ble, en estad do estable.
Se procederá a graficar los datos de pproducción de d hidrógenno (ml) contrra los valores da variable de d estudio, es decir, con la verificacción de la innfluencia de la quee asuma cad corrriente se graaficarán los valores de producción contra los dde amperajee; y así con el restto.
o el tiempo de d Daddo que las leecturas para cada variablle se tomaráán después dde trascurrido estaabilización
, se consiiderará entonnces la prodducción por uunidad de tieempo como el
cocciente de la producción p y el tiempo dde estabilizacción.
B42
4.
Temperatura de Operación
ú
, °
Temperatura (°C) (min)
5.
5
10
15
20
4
Calidad del Gas Producido Se deberá tomar una muestra del gas producido en una ampolleta previamente preparada y luego someter la muestra a análisis en un espectrógrafo de gases.
6.
Eficiencia Promedio del Sistema
ó
B43
se refiere al calor sensible que incrementa en el oxígeno.
se refiere al calor sensible que incrementa en el hidrógeno.
se refiere a la potencia que se pierde para elevar la temperatura del agua de suministro, desde la temperatura ambienta hasta la temperatura de operación.
se refiere a la potencia que se pierde a través de las paredes del equipo hacia el ambiente, esto debido al incremento de temperatura de la solución.
El balance de energía de sistema será: ó
·
·
·
·
Por lo que la eficiencia puede estimarse como: ·
· ·
B44
,
ANEXO C
LaGeo una empresa de Energías Renovables. Reconocimiento al Trabajo de Investigación del Hidrógeno elaborado por la Universidad José Simeón Cañas. LaGeo es una empresa dedicada a la generación de energía eléctrica, con base a recursos geotérmicos. Estos son considerados como recursos de tipo renovable y limpios, debido a que la energía que se produce es amigable con el medio ambiente y baja en contenidos de gases tóxicos y de efecto de invernadero. Los contenidos de CO2, que se emiten constituyen apenas el 0.02%, por lo cual LaGeo es una de las empresas pioneras, a nivel nacional, en la suscripción de contratos con países europeos para la venta de bonos carbono. Otro factor importante en la economía del país es que LaGeo contribuye en un 25% de la demanda de energía eléctrica nacional. Bajo esta dirección de aprovechamiento de nuestros propios recursos naturales, LaGeo preocupada por la crisis actual de los precios del petróleo y por los efectos del calentamiento global, ha considerado conveniente incluir dentro de sus objetivos estratégicos la investigación de otras formas de energías renovables, que al mediano y largo plazo puedan ofrecer una alternativa de solución para apaliar la demanda de energía eléctrica a nivel nacional y regional. Para la investigación y desarrollo de estas nuevas tecnologías, LaGeo ha considerado conveniente aprovechar y promover el potencial estudiantil que las universidades ofrecen en sus diferentes carreras técnicas. LaGeo sostiene que junto a las universidades podrá promover profesionales con conocimiento para el aprovechamiento y desarrollo de nuevas tecnologías. Con base a ello, en el mes de enero de 2007, LaGeo hizo contactos con el Departamento de Energías Renovables, de la facultad de Ingeniería de la Universidad José Simeón Cañas (UCA), con el propósito de proponer temas de investigación en energías renovables, que LaGeo puede apoyar con recursos técnicos y financieros para fabricar prototipos de investigación. Fue de esa manera que se seleccionaron a los estudiantes de Ingeniería Mecánica Carlos Barrientos y Carlos Sol, para desarrollar su tesis de graduación sobre el tema: “Proyecto de Desarrollo de un Prototipo de Electrolizador para la Producción de Hidrógeno”. A la fecha, estos estudiantes han finalizado exitosamente su tesis de graduación, la cual incluye el diseño de un prototipo de Electrolizador tipo Tanque para la producción de Hidrógeno. Como parte de la contribución de LaGeo al trabajo de tesis de estos estudiantes, es la construcción del prototipo diseñado por ellos. Sin embargo, debido a la no disponibilidad en el mercado local de los materiales recomendados para la fabricación y funcionamiento del prototipo, se tiene planificado para octubre de 2007 contar con el prototipo para realizar pruebas diseñados en el trabajo de los estudiantes mencionados. Es importante mencionar que durante el proceso de elaboración del trabajo de tesis, se desarrollo un programa dinámico y participativo entre los estudiantes, su asesor académico el Ing. Leonel Hernández y personal técnico de LaGeo integrado por el Lic. José Salvador Handal, e Ingenieros. Julio Alberto Guidos y Raúl Edgardo López. Durante ese proceso, se logró una excelente integración de todos los involucrados al C1
trabajo de investigación, lo cual permitió el aprendizaje e intercambio de conocimientos en un ambiente de convivencia y de trabajo en equipo. Por lo anterior, como LaGeo nos sentimos sumamente halagados y satisfechos con el trabajo de graduación desarrollado por los estudiantes y su asesor académico y agradecemos a La Universidad José Simeón Cañas, por haberle concedido a LaGeo la oportunidad de brindar su apoyo técnico y profesional para elaboración de este trabajo de investigación. Felicitamos de una manera efusiva a los nuevos profesionales Carlos Barrientos y Carlos Sol y a su asesor el Ing. Leonel Hernández, por el esfuerzo mostrado en cada momento, su dedicación y entusiasmo en la construcción de este nuevo aporte a la ciencia, consolidado en el trabajo de graduación que felizmente han finalizado, y que creemos y estamos plenamente convencidos contribuirá en gran medida a formar un pilar valioso para los futuros trabajos de investigación que se realicen en esta materia en esta Universidad y otras que así lo requieran.
C2
