IMPLEMENTACIÓN DEL HIDROGENO EN EL SECTOR MARINO

IMPLEMENTACIÓN DEL HIDROGENO EN EL SECTOR MARINO

Trabajo de Final de Grado

Facultat de Nàutica de Barcelona Universitat Politècnica de Cataluña

Treball realitzat per:

Alex Del Rincón Cano

Dirigit per:

Dr. Germán De Melo Rodríguez

Grado en Tecnologías Marinas – Marine engineer

Barcelona, 5 de Octubre de 2021

Departamento de ciència e Ingeriria Nàutica

Facultad Náutica de Barcelona _____________________________________________________________________________

1


2

AGRADECIMIENTOS

Este agradecimiento se lo dedico a las personas que me han ayudado para poder llevar a cabo

este proyecto, que han estado a mi lado cuando he necesitado de su ayuda.

En primera instancia, agradecerles a mis amigos más cercanos a los que he consultado sobre

ciertos temas en los que ellos son más expertos que yo y que me han ayudado a entender de

manera muy fácil conceptos abordados en este proyecto y de la misma forma estoy muy

agradecido al apoyo que he tenido por parte de mi familia.

También a compañeros de trabajo que dado que llevan mucho tiempo en el sector naval,

algunos en el sector mecánico, me han aportado conocimientos que han adquirido a lo largo

de su vida laboral y que he recibido como si de un tesoro se tratase.

Y en último lugar pero no menos importante al profesorado de la facultad que siempre ha

estado disponible cuando lo he necesitado, particularmente al señor Germán De Melo

Rodríguez que ha sido mi profesor del que he aprendido mucho, del que he adquirido cierta

pasión por las turbinas y es el director de este proyecto.


3

RESUMEN

En este proyecto se pretende mostrar un análisis del contexto energético del hidrógeno,

centrándose en las partes técnicas de: la producción, el transporte y almacenamiento, y en su

manera de ser consumido como vector energético.

El principal proceso de producción que se analizará será la electrolisis, teniendo en cuenta

otros procesos. La información encontrada de estos procesos ha sido muy reveladora ya que

son mucho más eficaces de lo esperado. Por otra parte el proceso de electrolisis ha sido

mucho menos rentable de lo esperado.

Las posibilidades de transporte y almacenamiento son mucho más versátiles de lo que se

presumía inicialmente, existe una gran cantidad de opciones, métodos y también materiales a

cada cual más interesante; por lo que creo que el futuro de este combustible no está muy

alejado del presente.

En cuanto al aprovechamiento energético del hidrógeno; tanto la combustión interna como la

electroquímica tienen su espacio y sus diferentes aplicaciones, con sus ventajas y sus

desventajas, algo que no parece un problema si se elige bien el proceso en función de su

objetivo final.

Palabras clave:

HSP – Hora solar pico

PCI – Poder calorífico inferior

PCS – Poder calorífico superior


4

ABSTRACT

This project aims to show an analysis of the energy context of hydrogen, focusing on the

technical parts of: production, transport and storage, and how it is consumed as an energy

vector.

The main production process that will be analyzed will be electrolysis, taking into account

other processes. The information found on these processes has been very revealing as they are

much more efficient than expected. On the other hand, the electrolysis process has been much

less profitable than expected.

The possibilities of transport and storage are much more versatile than was initially presumed,

there is a large number of options, methods and also materials, each more interesting; so I

believe that the future of this fuel is not very far from the present.

Regarding the energy use of hydrogen; both internal combustion and electrochemistry have

their space and their different applications, with their advantages and disadvantages,

something that does not seem like a problem if the process is well chosen based on its final

objective.

Key words:

PSH – Peak sun hours

LCV – Lower calorific value

HCV – Higher calorific value


5

ÍNDICE

Agradecimientos…………………………………………………………………………………………………………..……2

Resumen…………………………………………………………………………………………………………………………….3

Abstract……………………………………………………………………………………………………………………………..6

Índice de figuras…………………………………………………………………………………………………………………7

Índice de tablas………………………………………………………………………………………………………………….9

1. Introducción…………………………………………………………………………………………………………………10

2. Hidrógeno…………………………………………………………………………………………………………………….11

2.1. Información general del hidrógeno…………………………………………………………………………11

2.2 Contexto energético del hidrógeno………………………………………………………………………….14

3. Producción del hidrógeno…………………………………………………………………………………………….15

3.1. Reformado de vapor……………………………………………………………………………………………….15

3.2. Biomasa………………………………………………………………………………………………………………….16

3.3. Fotoconversión…………………………………………………………………………………………..……….…18

4. Viabilidad del hidrógeno……………………………………………………………………………………………….21

4.1. Funcionamiento de un modelo energético basado en el hidrógeno……………………...21

4.1.1. Estudio de caracterización y determinación de la eficacia de una célula

fotovoltaica semiconductora…………………………………………………………………………………....24

4.1.2. Investigación del proceso de producción de hidrógeno mediante el proceso de

electrólisis………………………………………………………………………………………………………………….28

4.1.3. Experimento de electrólisis casero………………………………………………………………......29

4.1.4. Investigación de la combustión electroquímica en la pila de combustible……….38

5. Almacenamiento………………………………………………………………………………………………………….41

5.1. Tanques de almacenamiento de hidrógeno líquido……………………………………………….45

5.2. Hidruros metálicos…………………………………………………………………………………………………46

5.3. Hidruros químicos………………………………………………………………………………………………….47

5.4. Materiales de carbono…………………………………………………………………………………………..48


6

6. Efecto Van der Waals……………………………………………………………………………………………………51

6.1. Factores que influyen en la adsorción desde la solución………………………………………53

7. Alternativas al hidrógeno……………………………………………………………………………………………..56

7.1. Energía solar fotovoltaica……………………………………………………………………………………….56

7.2. Energía eólica………………………………………………………………………………………………………….58

7.3 Combustibles fósiles: Gasoil Marino……………………………………………………………………...61

8. Conclusiones del proyecto…………………………………………………………………………………………..64

9. Bibliografía……………………………………………………………………………………………………………………66


7

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Molécula diatómica de Hidrogeno (H2)……………………………………………………………………11

Figura 2. Reformador de gas natural……………………………………………………………………………………….16

Figura 3. Esquema de la sinergia de producción de hidrógeno a partir de biomasa………………..17

Figura 4. Porcentajes de la composición del CeZrO2……………………………………………………………….17

Figura 5. Pérdida de eficacia al aumentar la potencia del sistema…………………………………………..22

Figura 6. Esquema del sistema de modelo energético basado en hidrógeno…………………………..23

Figura 7. Diagrama simplificado de los fenómenos que ocurren en la unión p-n…………………….26

Figura 8. Esquema del proceso de electrolisis…………………………………………………………………………28

Figura 9. Pila de 9V…………………………………………………………………………………………………………………30

Figura 10. Arandelas de goma…………………………………………………………………………………………………30

Figura 11. Dos tornillos de acero inoxidable de métrica M6…………………………………………………..30

Figura 12. Uno de los dos recipientes de plástico…………………………………………………………………...31

Figura 13. Tornillo de métrica 5M…………………………………………………………………………………………..31

Figura 14. Pelacables………………………………………………………………………………………………………………32

Figura 15. Cables negro/blanco y azul/blanco con terminal circular………………………………………32

Figura 16. Dos tubos de ensayo…………………………………………………………………………………………....33

Figura 17. Bicarbonato de sodio…………………………………………………………………………………………....33

Figura 18. Regleta de conexión…………………………………………………………………………………………….…34

Figura 19. Composición química del agua usada para el electrolito…………………………………….….34

Figura 20. Báscula digital de precisión…………………………………………………………………………………...34

Figura 21. Multímetro digital………………………………………………………………………………………………….35

Figura 22. Beaker graduado……………………………………………………………………………………………….....35

Figura 23. Medición de la intensidad del proceso de electrolisis…………………………………………….36

Figura 24. Pila de combustible…………………………………………………………………………………………….….38

Figura 25. Molécula de Nafion………………………………………………………………………………………………..39


8

Figura 26. Grafica de adsorción (eje de abscisas: Concentración de equilibrio de la solución; eje

de ordenadas: Adsorción)……………………………………………………………………………………………………..52

Figura 27. Esquema de las partes de un aerogenerador………………………………………………………..58


9

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Tabla de características químicas del hidrógeno………………………………………………………..13

Tabla 2. Procesos por lotes para fermentación oscura usando cultivos puros…………………………19

Tabla 3. Se muestra la hora solar pico de Barcelona……………………………………………………………….57

Tabla 4. Características de la Turbina ENAIR modelo 70PRO…………………………………………………..60

Tabla 5. Características generales del motor MINI-74…………………………………………………………….62


10

1. INTRODUCCIÓN

El Hidrógeno es un elemento muy común en la tierra pero suele estar mezclado con otras

sustancias. Es por ello que uno de los puntos más interesantes es el de una producción de

hidrógeno puro de manera eficiente.

El hidrógeno es un vector energético muy importante, y teniendo en cuenta la potencia

desarrollada en sectores como el marino, dejan ver al hidrógeno como una opción bastante

atractiva.

La necesidad actual de los buques hace que estos se pertrechen con grandes máquinas y

grandes depósitos que contienen ingentes cantidades de combustible. Esto aparentemente no

es un problema pero es indudable que el hecho de tener la posibilidad de reducir espacios a

bordo es una gran ventaja.

Los buques hoy en día son prácticamente ciudades flotantes, y como tales; los consumos

energéticos son muy elevados, es por ello que cualquier mejora relacionada con su manera de

transportarlo, o cualquier mejora de eficiencia de los motores empleados actualmente

supondría una ventaja y ahorro energético sorprendente.

Cualquiera de estas alternativas sería muy importante ya que cuanto más espacio disponible

tenga el barco más cantidad de carga puede llevar, que en definitiva es el objetivo de todos los

armadores.

Este tipo de mejoras no solo son importantes para el armador que es el principal afectado de

estos beneficios sino que es algo de interés común, ya que hoy en día el control de emisiones

es un tema de gran importancia; no se debe perder de vista que los avances energéticos más

vanguardistas tienen estas premisas en cuenta siempre; que sea una energía lo más limpia

posible y si puede ser sostenible la fuente de la que se obtiene mucho mejor.

Aquí es donde cobra su mayor importancia el hidrógeno cumpliendo estas características, pero

no hay que olvidarse nunca de que siempre hay más opciones, es por ello que compararemos

el hidrógeno con las alternativas más interesantes para poder determinar realmente cual es la

solución más óptima teniendo en cuenta diversos parámetros.


11

2. HIDRÓGENO

2.1 Información general del hidrógeno

El hidrógeno tiene como residuo de su combustión el agua y ese es una de sus principales

cualidades, que no tiene un impacto negativo en el medio ambiente cuando se utiliza como

combustible. El hidrógeno también tiene una baja energía de inicio de encendido, lo que hace

que su combustión sea un 60% más eficiente que la de otros combustibles. También tiene un

mayor poder calorífico y mayor volatilidad en comparación con, por ejemplo, el gas natural.

Figura 1. Molécula diatómica de Hidrogeno (H2) - Fuente: Google Imágenes

La extracción de hidrógeno tiene lugar en diferentes escalas de intensidad de su producción

utilizando muchos métodos: termoquímicos (reformado, pirólisis, gasificación, descomposición

de hidrocarburos y agua, tecnología de plasma), electrólisis del agua (electrolisis, en diversas

reacciones), biológica (diversos tipos de fermentaciones), fotolítica y nuclear. Las materias

primas para su producción pueden ser diversas sustancias que contienen hidrógeno en su

composición química: el agua, el gas natural, el petróleo crudo, el carbón y el lignito, así como

la biomasa. Muchas materias primas secundarias también son adecuadas para este fin: gases


12

procedentes de métodos térmicos (gas de síntesis bruto), gas de síntesis “syngas” (hidrógeno +

monóxido de carbono), hidrocarburos, metanol y alcoholes superiores, dimetiléter (DME),

aceite de pirólisis, materias primas de refinería, productos de fermentación y residuos

industriales (por ejemplo, plásticos).

Hasta ahora aproximadamente el 95% del gas de síntesis utilizado para producir hidrógeno se

obtiene del procesamiento termoquímico de los fósiles. El procesamiento termoquímico de los

combustibles fósiles, está basado principalmente mediante el reformado del gas natural y en

menor medida por gasificación. Sin embargo, los limitados recursos fósiles, las nuevas

tecnologías y el aspecto político; otorgan a la biomasa un importante papel para la obtención

de hidrógeno.

La producción de hidrógeno en las transformaciones termoquímicas es la más habitual y

requiere el suministro de energía además de los sustratos químicos. Para la extracción directa

de hidrógeno a partir de gas de síntesis crudo procedente de procesos de reformado,

gasificación y pirólisis, se requiere el sistema de adsorción por cambio de presión (PSA) o

método indirecto de oxidación selectiva del monóxido de carbono; del gas de síntesis bruto y

posteriormente la purificación por el método PSA para obtener hidrógeno con una pureza del

99,9%.


13

Propiedades del Hidrógeno

Z 1

Peso atómico(126C) 1,0079

Densidad (gr/ml)(ta eb) 0,0700

Volumen molar mls (ta eb) 28,6

Punto de fusión °K 13,957 °K a 54mm. (punto triple)

Punto de ebullición °K 20,39 °K

Calor vaporización KJ mol-1 0,903

Potencial de ionización eV 13,54

Energía de hidratación H- cal mol-1 269

Energía de enlace H-H- cal mol-1 104,2

Radio covalente (en H2) 0,3707

Electroafinidad eV 0,715

Radio iónico H- X (en LiH) 1,36

Electronegatividad (P) 2,1

Abundancia % (litosfera-hidrosfera) 1% (15,4 átomos % ɤ)

Tabla 1. Tabla de características químicas del hidrógeno - Fuente: Google Imágenes


14

2.2 Contexto energético del hidrógeno

El alto poder calorífico permite transferir una cantidad de calor mucho mayor por unidad de

tiempo. Sin embargo, la mayor volatilidad da lugar a pérdidas de hidrógeno ligeramente

mayores en las tuberías y tanques.

El hidrógeno también tiene propiedades interesantes como combustible de motor y su uso en

un motor no produce emisiones tóxicas a la atmósfera. El uso de hidrógeno como combustible

no perjudica la naturaleza porque se utiliza en un ciclo cerrado y, como no hay carbono en el

combustible, prácticamente no hay dióxido de carbono en el escape del motor.

Un obstáculo importante para el uso del hidrógeno en motores de propulsión es la falta de una

buena red de estaciones de servicio, junto a la problemática del almacenamiento.


15

3. PRODUCCIÓN DEL HIDRÓGENO

En la actualidad, la producción de hidrógeno no es barata y, por tanto, aún no es

económicamente viable. El método más antiguo para producir hidrógeno es la electrólisis

clásica, consume más energía de la que se puede obtener del hidrógeno. Se necesitan 3 kWh

de electricidad para producir 1 m3 de hidrógeno. Sin embargo, existen otros métodos para la

producción de hidrógeno como por ejemplo la fotoconversión o la fermentación de biomasa.

[1]

La Asociación Americana para el Avance de la Ciencia (AAAS) ha anunciado que el hidrógeno

limpio, como combustible para los coches o energía para la industria, será producido por algas

microscópicas a las que la naturaleza ha dotado de un mecanismo especial de mecanismo de

hidrogénesis que permite la "descomposición" del agua en hidrógeno y el oxígeno. Esto

permite a la pequeña alga producir un gas puro: el hidrógeno.

3.1. Reformado de vapor

El hidrógeno se presenta en su estado natural como gas, pero su proporción en la atmósfera es

pequeña: alrededor de 0,50 ppm. El agua contiene más hidrógeno (11,2% en peso) que los

combustibles fósiles. Paradójicamente, en la actualidad la mayoría del hidrógeno se extrae de

los combustibles fósiles (principalmente del gas natural), en un proceso denominado llamado

reformado de vapor. En este proceso se pierde energía - es decir, el hidrógeno que se obtiene

a través de los combustibles fósiles, representa menos energía que la que se obtiene

directamente con el combustible fósil. Eso es algo bastante obvio ya que cuando estás

“limpiando” los combustibles fósiles para quedarte solo con el hidrógeno estás desechando

parte de esos combustibles que podría darte energía, es por eso que al producir energía

“limpiando” hidrógeno se obtiene una cantidad energética menor que la energía térmica que

podría dar el mismo combustible.


16

Figura 2. Reformador de gas natural - Fuente: Google Imágenes

Una forma de producir hidrógeno de forma "limpia" es la electrólisis, pero actualmente

representa una parte muy pequeña de la producción total de hidrógeno. El proceso de

electrólisis requiere suministro de energía eléctrica, por lo que en este caso es necesario una

fuente de energía barata. Actualmente son centrales hidroeléctricas o nucleares, sin embargo,

en el caso de la producción de hidrógeno a menor escala, también pueden aplicarse plantas de

energía eólica y células solares. [2]

3.2. Biomasa

El hidrógeno puede producirse a partir de la biomasa. Teniendo en cuenta la obligación de

aumentar la cuota de biocombustibles y la contabilidad más favorable de los biocombustibles

en el caso de su carácter de residuos, parece más beneficioso producir hidrógeno a partir de

materias primas de residuos biogénicos.

Estos pueden incluir, entre otros, residuos de panadería (para la producción de etanol,

convertido en hidrógeno en el proceso de reformado), glicerina cruda (enviada a

piroreformación), residuos de madera (sometidos a gasificación y posterior reformado) y

biogás (dirigido al reformado con vapor). La gasificación de la biomasa se realiza mediante un

reactor de lecho fluidizado, en el que se obtienen productos gaseosos y, con el uso de equipos

asociados se recupera el hidrógeno. Para obtener hidrógeno, el aceite obtenido de la pirólisis

de la biomasa también puede someterse al reformado con vapor obtenido también como


17

resultado de la pirólisis de la biomasa, una mezcla de ácidos carboxílicos, alcoholes, aldehídos

y cetonas.

Figura 3. Esquema de la sinergia de producción de hidrógeno a partir de biomasa - Fuente: Google Imágenes

El factor decisivo en el proceso de reformado con vapor es la proporción de vapor al carbono

contenido en el aceite. A 800°C utilizando el catalizador CeZrO2 con aditivos Pt y Rt en el

reformado de aceite pirolítico de madera, se puede obtener hasta un 70% de hidrógeno. Los

métodos mixtos de producción de hidrógeno a partir de biomasa son muy importantes. Uno

de ellos es un método que combina la gasificación de la biomasa en lecho fluidizado y el

reformado del gas bruto obtenido en el proceso de su pirólisis.

Figura 4. Porcentajes de la composición del CeZrO2 - Fuente: https://es.webqc.org/molecular-weight-of-CeZrO2.html


18

La pirólisis rápida de biomasa seca en un lecho fluidizado se produce a 530°C. El bioaceite se

condensa para su posterior procesamiento. El carbonato y los gases de pirólisis se queman

para calentar el reactor. El bioaceite, que es un producto de muchos procesos de pirólisis

independientes, se somete a una separación por extracción en una fracción de lignina y otra de

hidratos de carbono, y el proceso de reformado catalítico con vapor a 850°C bajo una presión

de 3,5 MPa. En dos ocasiones posteriores en el reactor del sistema (para condiciones de 370°C,

3 MPa y 200°C, 2,5 MPa) se produce un gas rico en hidrógeno, a partir del gas de síntesis,

desplazando el estado de equilibrio según la reacción homogénea del gas de agua. Por último,

el hidrógeno puro se obtiene tras la purificación por PSA.

El hidrógeno también puede extraerse mediante métodos de reformado utilizando biogás

como materia prima. El reformado con vapor es muy adecuado para este fin. El biogás

utilizado en el reformado se produce en plantas de biogás agrícola, plantas de tratamiento de

aguas residuales o vertederos en la digestión anaeróbica de materias primas orgánicas. Otro

ejemplo de materia prima calificada como residuo y apta para la producción de hidrógeno es la

glicerina cruda como subproducto de la producción de FAME. Cuando se produce FAME a

partir de aceite usado, el subproducto resultante es la glicerina.

La glicerina también tiene el estatus de producto de desecho/materia prima. Existen plantas

de tratamiento de este producto, el glicerol de la planta de transesterificación se dirige a un

proceso combinado de pirorreformación.

El glicerol como subproducto de la producción de biodiésel (alrededor de 10% en relación con

el producto principal, el FAME), se produce debido a su gran demanda.

3.3. Fotoconversión

La fotocoversion es una manera de obtener hidrogeno a partir de la reducción del oxígeno

molecular. Para este proceso se emplean diferentes fotosistemas, ya sean biológicos o

químicos, estos fotosistemas captan la luz visible para la formación de hidrógeno.

Centraremos la atención en el fotosistema biológico. Según estudios de la universidad de

Córdova en la unión de la bacteria Escherichia coli y el alga verde unicelular Chlamydomonas

reinhardtii se encuentra clave de un futuro más verde, ya que cuando estos dos organismos

trabajan en conjunto aumenta la producción de hidrógeno en un 60%.


19

PROCESOS POR LOTES PARA FERMENTACIÓN OSCURA CULTIVOS PUROS

Microorganismos

Sustrato

pH

T(°C)

RESULTADOS

Productividad H2 (ml/h)

Rendimiento H2(mol H2/mol sustrato)

Otros productos

Clostridium pasteurianum

Almidón

8

35

18

194 mol/mol glucosa

Acetato, propionato y butirato

Clostridium saccharoperbutyl acetonicum

Suero de

leche

6

30

47,07

2,8 mol/mol

glucosa

Acetato, propionato y butirato

Clostridium thermocellum 27405

Fibras de madera (DLWs)

6,9 –

7,1

NI

NI

1,6 mol/mol

glucosa

Acetato, etanol,

lactato y formato

Clostridium butiricum, Enterobacter aerogenes y Rodhobacter sp.M19

Residuos

de almidón de papa

7,5

35

NI

7 mol/mol glucosa

NI

E. coli

Glucosa

6,8 30

52

2,4 mol/mol glucosa

Ácido valérico

E. coli

Glucosa

37

NI

2 mol/mol glucosa

NI

E. coli MC13-4

Glucosa

37

10

1.27 mol/mol

glucosa

Ácido acético y

etano Tabla 2. Procesos por lotes para fermentación oscura usando cultivos puros - Fuente:

http://www.scielo.org.co/pdf/dyna/v75n154/a14v75n154.pdf

El alga es capaz de producir hidrógeno a partir de su proceso natural de fotosíntesis, mientras

que las bacterias forman el hidrógeno debido a un proceso de fermentación de los azúcares;

produciendo ácido acético, esto supone una problemática para la bacteria ya este ácido

provoca que la fermentación se detenga. Pero lo que para la bacteria es un problema, es un

beneficio para el alga, ya que el alga produce más cantidad de hidrógeno aprovechándose del

ácido, generando una perfecta sinergia entre ambos organismos. Ya que esta aportación de

azúcar podría provenir de residuos, de esta manera se ayudaría a descontaminar el planeta a la

vez que producimos hidrógeno.


20

Uno de los mayores problemas que acompaña a esta evolución energética es la disminución

de las reservas de combustibles fósiles y el consiguiente aumento de los precios de la energía.

El desarrollo industrial también trae consigo efectos adversos; efectos, como la contaminación

ambiental. Esto hace necesaria la búsqueda de fuentes de energía "limpias" y formas eficientes

de ahorrarla. El uso de fuentes de energía renovables, como la solar, la eólica, la hidroeléctrica

o la mareomotriz, es cada vez más popular.

Un problema tan importante como la obtención de energía es su almacenamiento y

procesamiento, ya que cada uno de estos procesos puede generar pérdidas importantes.

Una solución interesante a los problemas mencionados parece ser la energía procedente del

hidrógeno.

La idea principal es utilizar el hidrógeno como portador de energía, en contraste con la

ingeniería energética tradicional, en la que los electrones son el principal portador de energía.

El hidrógeno es uno de los combustibles más eficientes energéticamente

El calor de combustión de 1 kg de hidrógeno es de unos 121 MJ/kg, frente a los 45 MJ de la

gasolina, los 34 MJ/kg del gas propano-butano y los 30 MJ/kg de la hulla en el caso del carbón

puede llegar hasta 30 MJ/kg. Los principales problemas a los que se enfrenta la industria de la

energía del hidrógeno son la producción, el almacenamiento y la distribución del hidrógeno, y

la combustión eficiente.


21

4. VIABILIDAD DEL HIDRÓGENO

El hidrógeno se presenta en su estado natural como gas, pero su proporción en la atmósfera es

pequeña: alrededor de 0,50 ppm. El agua contiene más hidrógeno (11,2% en peso) que en los

combustibles fósiles. Paradójicamente, en la actualidad la mayoría del hidrógeno se extrae

actualmente de los combustibles fósiles (principalmente del gas natural), en un proceso

denominado reformado de vapor. En este proceso se pierde energía, es decir, el hidrógeno

que se obtiene a través de los combustibles fósiles, representa menos energía que la que se

obtiene directamente con el combustible fósil. Eso es algo bastante obvio ya que cuando estás

“limpiando” los combustibles fósiles para quedarte solo con el hidrógeno estás desechando

parte de esos combustibles que podría darte energía, es por eso que al producir energía

“limpiando” hidrógeno se obtiene una cantidad energética menor que la energía térmica que

podría dar el mismo combustible.

Una forma de producir hidrógeno de forma "limpia" es la electrólisis, pero actualmente

representa una parte muy pequeña de la producción total de hidrógeno. El proceso de

electrólisis requiere suministro de energía eléctrica, por lo que en este caso es necesario una

fuente de energía barata. Actualmente son centrales hidroeléctricas o nucleares, sin embargo,

en el caso de la producción de hidrógeno a menor escala, también pueden aplicarse plantas de

energía eólica y células solares.

4.1. Funcionamiento de un modelo energético basado en el hidrógeno

El hidrógeno puede quemarse en un motor de combustión interna tradicional adaptado, a

escala industrial, mediante una reacción de combustión química como en las pilas de

hidrógeno o también otra forma de aprovechar su poder calorífico sería su uso en una turbina

de gas.

La opción de combustión en un motor que queme únicamente hidrógeno o un motor dual es

muy atractiva, dado que en su mayor parte; la planta propulsora de un buque suele estar

alimentada por un motor diésel. Por motivos económicos, es preferible una leve modificación

en el motor que un cambio completo de motor, por ello el motor dual es la opción más viable.

Por otro lado, se puede aprovechar directamente de la energía de fusión del hidrógeno y el

oxígeno y transformarla en energía eléctrica utilizando una pila de combustible para este fin.

Las pilas de combustible, cuyo principio de funcionamiento se analizará en detalle más


22

adelante, permiten obtener eficiencias mucho más altas que por otros métodos a bajas cargas

(como se muestra en la figura 5 que aparece a continuación), lo que puede ser útil para

equipos auxiliares de baja potencia; mientras que simultáneamente se reduce la emisión de

sustancias nocivas. [3]

Figura 5. Pérdida de eficacia al aumentar la potencia del sistema - Fuente: http://www.fuelcell.no/principle_fctheory_es.htm

Debido a su pequeño tamaño, las pilas de combustible pueden utilizarse para alimentar coches

eléctricos, yates y barcos por ejemplo, es algo que le otorga mucha versatilidad al hidrógeno

como vector energético. El combustible que consumen las pilas de combustible puede ser

hidrógeno gaseoso, o también combustibles que contengan cantidades significativas de

hidrógeno, como el metanol.

El funcionamiento de un modelo energético de hidrógeno que se plantea a continuación es

una buena idea para solucionar las deficiencias energéticas que produce la electrólisis. En el

experimento del proyecto solo centraremos la atención en una parte del proceso, la obtención

de hidrógeno a través de una reacción química.

La cadena de procesos es clave para la generación de energía con hidrógeno: desde la

producción de hidrógeno; hasta utilizarlo como combustible y la conversión de la energía


23

almacenada del hidrógeno en electricidad. El conjunto está formado por los siguientes

elementos: [4]

- fotocélula

- electrolizador

- depósitos de hidrógeno y oxígeno

- pila de combustible

El ejercicio consta de tres partes independientes que pueden realizarse por separado:

1. Estudio de caracterización y determinación de la eficiencia de un fotovoltaico de una célula

fotovoltaica semiconductora

2. Investigación de la producción de combustible de hidrógeno utilizando un electrolizador

3. Investigación del proceso de combustión electroquímica del combustible en una pila de

combustible

Figura 6. Esquema del sistema de modelo energético basado en hidrógeno - Fuente: Google Imágenes

Los números de la Figura 6 se corresponden a:

Numero 1 Carga resistente

Numero 2 Pila de Combustible

Numero 3 Tanque de hidrógeno


24

Numero 4 Electrolizador

Numero 5 Tanque de oxigeno

Numero 6 Célula Fotovoltaica

Aunque únicamente se realice de forma experimental la parte de la electrólisis en el proyecto,

es interesante estudiar los diferentes puntos del proceso planteados anteriormente, para ello

se analizará cada proceso y sus características.

4.1.1. Estudio de caracterización y determinación de la eficacia de una célula

fotovoltaica semiconductora

Hoy en día, la mayoría de las células fotovoltaicas se fabrican a base de semiconductores. Las

propiedades eléctricas de los semiconductores están determinadas por la llamada estructura

de banda. Que no es nada más que la superposición de las funciones de onda de los

numerosos electrones del cristal semiconductor, conduciendo a un desdoblamiento de sus

niveles de energía y produciendo bandas de energía.

La banda puede estar completamente llena (todos los niveles de energía posibles niveles

pertenecientes a la banda son ocupados por electrones), parcialmente llena (los electrones

ocupan niveles dentro de la banda con el menor energía, pero no hay dos electrones que

puedan ocupar el mismo nivel) o vacía (ningún electrón tiene energía suficiente para ocupar el

nivel más bajo de la banda). Entre las bandas, en el eje de la energía, está el rango de energías.

Esto significa que los electrones no pueden aceptar energía del área de la brecha de energía.

En la estructura de las bandas de energía hay diferentes bandas con diferentes niveles

energéticos: el más bajo (situado más arriba en el eje de eje de energía) ocupado por

electrones de valencia en la banda de valencia; el siguiente, más alto en la escala de energía,

se llama banda de conducción. Los electrones que se encuentran en uno de los niveles de

energía de esta banda son portadores de carga libre.

Si un electrón de valencia está en la banda de conducción, se crea un nivel "vacío" en la banda

de valencia, que también permite el transporte de carga eléctrica bajo la influencia de un

campo externo. Este nivel se denomina agujero. La carga de un agujero es la misma que la de

un electrón, pero tiene el signo contrario. En los semiconductores, los niveles de valencia y

conducción están separados por una brecha energética y la posibilidad de que un electrón

salte depende de la energía del electrón y de la anchura del hueco. [4]


25

Además de los portadores intrínsecos, los semiconductores también pueden tener portadores

de carga creados intencionadamente. Se crean como resultado de la construcción de átomos

en una estructura semiconductora de los átomos, que se convierten en la fuente de electrones

libres o agujeros electrónicos. Este proceso se denomina dopaje. Los dopantes que se

convierten en una fuente de electrones libres en el semiconductor se llaman donantes. En un

semiconductor dopado con donantes los portadores de carga son los electrones y un

semiconductor de este tipo se llama semiconductor de tipo n (negativo). Los dopantes que se

convierten en la fuente de agujeros de electrones en el semiconductor se llaman aceptores. En

un semiconductor dopado con aceptores, los huecos son los portadores mayoritarios de la

carga y a este semiconductor lo llamamos semiconductor de tipo p (positivo).

El elemento semiconductor básico es una unión p-n, que se forma si en un cristal

semiconductor creamos zonas adyacentes de tipo n y las regiones de tipo p. Cuando se forma

la unión, algunos de los electrones libres cerca del lado n de la unión irán al lado p. Se

someterán a la llamada recombinación con agujeros, por lo que llenarán los niveles libres

donde los agujeros de electrones han estado presentes hasta ahora. Como resultado de la

transición de los electrones de material de tipo n a material de tipo p, habrá una escasez de

electrones en una zona determinada del semiconductor de tipo n.

El potencial eléctrico que se observa en el lado n de la unión p-n es positivo. La zona más

pobre en electrones se denomina zona agotada. Del mismo modo, como resultado del paso de

electrones a través de la unión p-n en el lado del semiconductor tipo p observaremos escasez

de huecos. También se creará allí una región agotada, caracterizada por un potencial negativo.

La presencia de zonas agotadas a ambos lados de la unión y la diferencia de potencial asociada

restringe en gran medida la transferencia de electrones hacia el lado p y su posterior

recombinación, lo que lleva a la formación del estado de equilibrio. Esto conduce a la

formación de una barrera potencial que dificulta el paso de los electrones; pero algunos son

capaces de lograrlo y recombinarse en el lado p. La corriente asociada a los electrones que se

mueven de negativo a positivo se llama corriente de recombinación. Al mismo tiempo, en la

región de tipo p, se activan térmicamente. Los saltos de electrones activados térmicamente de

la banda de valencia a la de conducción se producen al mismo tiempo; que generan nuevos

electrones libres en la banda de conducción.


26

Los electrones cerca de la unión p-n son atraídos por el potencial positivo de la zona agotada

en el lado n y se mueven hacia el lado n de la unión y la corriente eléctrica resultante se llama

corriente de generación. En una situación de equilibrio la corriente de recombinación que fluye

del lado n al lado p es igual a la corriente de generación pero fluyendo en la dirección opuesta.

Figura 7. Diagrama simplificado de los fenómenos que ocurren en la unión p-n - Fuente: Google Imágenes

Los fotones que caen en la unión p-n que se ven en la Figura 7 pueden interactuar con los

electrones, transfiriendo su energía. La condición de absorción de la radiación por el electrón

de la banda de valencia es que el fotón tiene suficiente energía para causar que el electrón

salte a la banda de conducción. El fotón absorbido en la zona de región de la unión p-n no

polarizada provoca la generación de la corriente asociada al flujo de electrones del lado p al

lado n. De esta manera se crea una diferencia de potencial, por lo que el fotón contribuye a la

fuerza electromotriz entre el lado n (polo negativo) y el lado p (polo positivo).

En la versión más utilizada de células fotovoltaicas basadas en silicio policristalino, en el silicio

que se encuentra en la superficie de la célula hay una capa antideslumbrante. Su función es la

de dirigir el mayor número posible de fotones a las capas inferiores. A continuación, los

fotones pasan a través de una fina capa de tipo n para dirigirse a una región de tipo p mucho

más gruesa donde son absorbidos. Los electrones resultantes de la absorción de los fotones

viajan hacia la unión de la que son recogidos por electrodos metálicos igualmente espaciados.


27

El rendimiento de las células fotovoltaicas de silicio es del orden del 25% pero las que han

demostrado un rendimiento superior han llegado incluso a superar ligeramente el 40%.

La producción en masa de células basadas en el silicio las convierte en una seria alternativa a

otras fuentes de energía. Las células solares funcionan bien en dispositivos portátiles de baja

potencia, o en regiones donde hay otras fuentes de energía disponibles. También puede ser

una gran alternativa en regiones donde el acceso a otras fuentes de energía es difícil. Las

células solares son también la principal fuente de energía para los satélites y las estaciones

espaciales. La principal barrera para una mayor difusión de las células fotovoltaicas es su

todavía elevado precio y la reticencia de ciertos usuarios debido a que es una energía que

también está sujeta a impuestos aunque sea considerada de autogeneración.


28

4.1.2. Investigación del proceso de producción de hidrógeno con mediante el proceso

de electrólisis

ELECTROLIZADOR

Figura 8. Esquema del proceso de electrolisis - Fuente: Google Imágenes

En el proceso de electrólisis mediante la aplicación de unos electrodos, se provoca la

disociación de las sustancias químicas en iones de signo contrario. En el caso del agua, el

proceso de electrólisis puede describirse mediante la ecuación:

2 𝐻2𝑂 (𝑙) → 2 𝐻2+ (𝑔) + 𝑂2

− (𝑔); (1)

𝐸0 = −1,229 𝑉 (𝑔𝑎𝑠𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔é𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜); (2)

En la práctica, el potencial necesario para la reacción es de aproximadamente 1,48 V. Al

potencial de la ecuación anterior hay que añadir un factor relacionado con la llamada entalpía

de producción de moléculas de H2 y O2. En la variante más sencilla de construcción de un

electrolizador podemos utilizar electrodos de metales nobles (oro, platino) o de acero

inoxidable, sumergido en el agua. Sin embargo, el agua pura es un mal conductor eléctrico, y

por ello requiere el uso de tensiones mucho más altas que los valores mencionados

anteriormente.

El uso de soluciones salinas, ácidas o básicas como electrolitos permite resolver este problema.

A la hora de elegir el electrolito, hay que prestar atención al hecho de que algunos de los


29

cationes formados en la disociación de las sales pueden competir con el proceso de reducción

del hidrógeno, impidiendo su producción. Esto sucede cuando el llamado potencial estándar

del catión (que define su posición en la serie electroquímica) es mayor que el potencial

estándar del hidrógeno. Del mismo modo, el uso de aniones inadecuados puede bloquear la

producción de oxígeno. [1]

Actualmente, una de las soluciones técnicas más utilizadas son los electrolizadores equipados

con un separador conductor de protones (electrolito), el llamado PEM (Membrana de

intercambio de protones). El ánodo está hecho de metales nobles; generalmente platino u

óxido de iridio IrO2, que permite catalizar la reacción de descomposición de la molécula de

agua en oxígeno y dos protones H+:

2𝐻2𝑂 → 𝑂2 + 𝐻 + + 4𝑒− ; (3)

En el caso de la aplicación del óxido de iridio es posible lograr la eficiencia del proceso

catalítico de unos 2mg por cm2 de la superficie del electrodo. El oxígeno gaseoso se libera en

el ánodo; mientras que los protones de hidrógeno producidos por la electrólisis se dirigen al

cátodo; ambos se encuentran en estado gaseoso. El funcionamiento de los electrolizadores de

tipo PEM son muy similares al funcionamiento de las pilas de combustible, de hecho es el

proceso inverso. Más adelante hablaremos de la pila de combustible de hidrógeno.

4.1.3. Experimento de electrólisis casero

La principal pregunta que pretende contestar este experimento es cuanta potencia es

necesaria para la reacción de electrólisis, y luego una vez sea contestada esta pregunta, se

debatirá la viabilidad de este proceso como medio de obtención de hidrógeno, que

posteriormente sería empleado en una reacción de combustión química. Para ello se realizará

la electrólisis en un volumen de agua concreto, al que se le añadirá una cantidad de

bicarbonato de sodio concreta.

Se medirá la potencia eléctrica necesaria que se requiere para producir la reacción de

electrólisis, lo que determinará como de efectivo es este proceso para generar hidrógeno.


30

Elementos que se usarán para el experimento:

Figura 9. Pila de 9V

Figura 10. Arandelas de goma

Figura 11. Dos tornillos de acero inoxidable de métrica M6


31

Figura 12. Uno de los dos recipientes de plástico (ambos son iguales)

Figura 13. Tornillo de métrica 5M


32

Figura 14. Pelacables

Figura 15. Cables negro/blanco y azul/blanco con terminal circular (forma de anillo)


33

Figura 16. Dos tubos de ensayo

Figura 17. Bicarbonato de sodio


34

Figura 18. Regleta de conexión - Fuente: Google Imágenes

Figura 19. Composición química del agua usada para el electrolito

Elementos de medición para el experimento:

Figura 20. Báscula digital de precisión


35

Figura 21. Multímetro digital

Figura 22. Beaker graduado

Se usará un recipiente de plástico de una capacidad de 0,6L para contener el electrolito.

Previamente con el tornillo de métrica M5 calentado hasta ponerse al rojo vivo se perforarán

dos orificios. En estos dos orificios se introducirán los tornillos de métrica M6 con sus

pertinentes arandelas de goma para evitar la fuga del fluido; como estos tornillos serán usados

como electrodos (ánodo y cátodo) se aprovechará para poder hacer la conexión del cableado a

cada uno de ellos.


36

Una vez terminada esta parte del experimento se procederá a elevar el depósito de plástico

con otro recipiente igual de plástico acoplado de forma simétrica, por temas de comodidad a

la hora de hacer las mediciones y para mejorar la estabilidad del depósito que contiene el

electrolito.

Los cables que se conectan en los electrodos (los cuales tenían unos terminales específicos

para ser conectados en estos tornillos) no eran lo suficientemente largos, de modo que se

emplearon regletas para poder aumentar la extensión del cableado, lo que hizo que la

instalación y medición fuera mucho más cómoda y práctica.

Como preparación de agua cabe decir que primeramente se utilizó el agua embotellada de

características expuestas anteriormente con una concentración de 6 g/L de bicarbonato, la

reacción era muy leve por lo que se optó por aumentar la concentración de bicarbonato al

doble (12 g/L).

Figura 23. Medición de la intensidad del proceso de electrolisis


37

Como resultado del experimento se observa que la reacción se lleva a cabo a una intensidad

de 1,4 x10-6 A. Por lo tanto la potencia que requiere este proceso es de:

𝑃 = 𝑉 × 𝐼 = 9𝑉 × 1,4 × 10−6𝐴 = 0,0000126 𝑊; (4)

P= Potencia; V= Voltaje; I= Intensidad

Teniendo en cuenta que la reacción estuvo en funcionamiento durante 3 minutos y el volumen

de hidrogeno obtenido fue de:

𝑉𝑇 = 𝑉1 + 𝑉2 = 0,0000044236𝑚3; (5)

𝑉1 = 𝐴𝑏 × ℎ = 0,000177𝑚2 × 0,02 𝑚 = 0,00000354 𝑚3; (6)

𝑉2 =4

6× 𝜋 × 𝑟3 =

4

6× 𝜋 × 0,0075 𝑚3 = 0,00000088357 𝑚3; (7)

VT = Volumen total obtenido (de hidrogeno); V1 = Volumen cilíndrico; V2 = Volumen de media esfera

CONCLUSIÓN

Como conclusión del experimento se puede observar que la potencia requerida no es muy

elevada, a simple vista; pero es necesario tener en cuenta que el circuito de la instalación es

muy simple en cuanto a elementos eléctricos, es decir que la resistencia óhmica es muy baja,

algo que no sería aplicable a una instalación más grande destinada a una obtención a gran

escala de hidrogeno. Valorando eso como punto importante y de la mano del poco volumen

obtenido de hidrógeno, es correcto afirmar que actualmente este proceso no está lo suficiente

optimizado para que sea viable sin la participación de fuentes energéticas externas.


38

4.1.4. Investigación de la combustión electroquímica en la pila de combustible

PILA DE COMBUSTIBLE

Figura 24. Pila de combustible - Fuente: Google Imágenes

En una pila de combustible, el combustible se oxida, este proceso tiene lugar sin llama, es decir

difiere del concepto tradicional de combustión de un combustible. A este proceso se le puede

llamar combustión electroquímica, y la propia célula produce electricidad directamente.

El combustible de las pilas puede ser hidrógeno puro, pero también gas natural, metano,

metanol y alcoholes. El principio de funcionamiento de una célula se explicará con el ejemplo

de una célula llamada electrolito conductor de protones. El hidrógeno en forma gaseosa llega a

uno de los electrodos, como resultado de un proceso catalítico soportado por el material del

electrodo, las moléculas de hidrógeno donan electrones, y al ceder electrones con carga

negativa ellos se transforman en iones H+. [4]

Por lo tanto, si hay un exceso de electrones en el electrodo, este electrodo se convierte en el

ánodo (cargado negativamente por los electrones liberados anteriormente). Los iones

positivos del hidrógeno entran en el electrolito y se mueven hacia el cátodo. El cátodo

formado por una rejilla densa, de la misma manera que el ánodo, tiene lugar otra reacción

catalítica, el oxígeno del aire se transforma en iones O2-. En este lado de la celda se crea un

déficit de electrones que obliga a la circulación de electrones en el circuito entre el ánodo y el

cátodo.

En el cátodo, los iones de oxígeno se combinan con los de hidrógeno, dando lugar a la

formación de agua H2O. La energía de la síntesis del agua a partir del oxígeno y el hidrógeno se

convierte en energía eléctrica.


39

Los electrolitos utilizados en las pilas de combustible de este tipo suelen estar basados en

polímeros. El principal electrolito para pilas de combustible es el fabricado por la empresa de

DuPont. El electrolito patentado por esta empresa llamado Nafion es un copolímero sintético

de tetrafluoroetileno (monómero de teflón) y ácido perfluoro3,6-dioxa-4-metil-7-

octenosulfónico. En este electrolito los portadores de carga son protones conectados con

grupos de moléculas SO3H. El transporte de carga está basado en los saltos de estos protones

entre grupos adyacentes. Un salto así del protón requiere para superar una barrera potencial,

relacionada, entre otras cosas, con la necesidad de romper los vínculos entre el protón y el

grupo SO3 -. Cuanto mayor sea la energía del protón, mayor será probabilidad de un salto.

Como la energía del protón está relacionada con la temperatura, la conductividad del

electrolito aumenta a medida que aumenta la temperatura (hasta cierto punto) es decir un

catalizador de esta reacción sería la temperatura del proceso. [4]

Figura 25. Molécula de Nafion

La estructura del Nafion combina grupos hidrofóbicos (teflón) e hidrofílicos (grupos sulfónicos

SO3H). Durante el proceso de producción del electrolito, los fragmentos hidrofílicos se

autoorganizan. Los fragmentos hidrofílicos, crean una estructura de canal tridimensional, los

grupos sulfónicos SO3H están orientados hacia el interior en dichos canales. Entre los canales

hay zonas hidrofóbicas. La presencia de agua en canales hidrofílicos, cuyas moléculas son

fuertemente polares y desempeñan el papel de disolvente, facilita significativamente el

transporte de protones entre grupos sucesivos sulfónicos. Por lo tanto, la conductividad iónica

de este tipo de electrolitos es significativamente mayor después de la inmersión en agua.


40

Las temperaturas de las pilas de combustible basadas en el electrolito Nafion son de unos

80oC, para temperaturas más altas se produce una fuerte evaporación de agua y, como

consecuencia, la conductividad iónica disminuye. [4]

La variante descrita de construcción de la pila de combustible no es la única posible. En lugar

de un electrolito que conduzca iones de hidrógeno H+ se puede emplear uno que conduzca los

iones de oxígeno O2- .

En el caso de que usemos esta solución, la formación de agua se daría en el ánodo en vez de

en el cátodo, ya que en este caso circularía el ion de oxígeno desde el cátodo para adherirse.

La eficiencia de las pilas de combustible (relación entre la energía eléctrica obtenida y la

energía química suministrada a la célula) es mayor que la de los motores de combustión

interna o los sistemas formados por calderas y turbinas en las centrales eléctricas. Las células

no emiten gases de escape nocivos, y es por eso que se les llama motores del futuro y su

aplicación podría revolucionar las industrias de la energía. En la actualidad, las pilas de

combustible se utilizan en coches, autobuses, pequeñas centrales eléctricas, así como en los

embarcaciones de poca embergadura. Las pilas de combustible con electrolito conductor de

iones de hidrógeno fueron la fuente de energía de las naves espaciales tripuladas del programa

Gemini.

Un buen ejemplo de solución ecológica son las pilas de combustible que utilizan el metano de

las plantas de tratamiento de aguas residuales. La principal barrera para un uso más amplio de

las pilas de combustible son los altos costes de su fabricación, que supera el coste de

producción de un motor de combustión interna de potencia similar.


41

5. ALMACENAMIENTO

La evolución del mercado de los recursos energéticos naturales, es decir, el petróleo, el gas

natural y otros, así como las previsiones de las necesidades energéticas, hacen necesaria la

búsqueda de nuevas fuentes de energía alternativas.

Las mayores esperanzas están puestas en el hidrógeno como combustible del futuro. El motivo

es la considerable cantidad de energía que puede transportar. Quemando hidrógeno se puede

llegar a conseguir hasta 120 MJ/kg, sin ninguna contaminación, ya que el subproducto es sólo

el agua. Sin embargo, el almacenamiento y el transporte en forma gaseosa plantean un gran

problema. [5]

El almacenamiento del hidrógeno en materiales sólidos es una forma segura y eficaz de

almacenar energía.

Estas células pueden utilizarse tanto en dispositivos fijos como móviles. Una solución muy

prometedora en la actualidad es el almacenamiento de hidrógeno por adsorción en sólidos

(aleaciones, compuestos, otros).

Utilizando este método, es posible adsorber el hidrógeno en hasta un 6-7% del peso del metal

o de la aleación. El hidrógeno es el vector energético más limpio entre los combustibles. Es uno

de los elementos más abundantes en la naturaleza y uno de los combustibles alternativos más

promocionados de cara al futuro. Un argumento importante para el uso del hidrógeno como

combustible es que las industrias metalúrgica y química pueden cambiar fácilmente sus

tecnologías para utilizarlo como portador de energía en lugar del gas natural.

También puede utilizarse para alimentar diversos medios de transporte, como ferrocarriles,

automóviles, naves espaciales y barcos. Sin embargo, el uso de hidrógeno está asociado a

problemas de almacenamiento y a una serie de dificultades técnicas, como el fuerte ataque

químico a los metales. En retrospectiva, el hidrógeno se utiliza más a menudo en las pilas de

combustible, donde se utiliza como combustible.

En comparación con la electricidad, que necesita ser convertida en otra forma de energía para

su almacenamiento, el hidrógeno puede almacenarse fácilmente en forma líquida, gaseosa o

sólida. Por lo tanto, podría convertirse en la forma más conveniente de almacenar energía.


42

Para producir este gas a partir de la descomposición del agua, se consumirá un exceso de

energía. El volumen resultante de hidrógeno se utilizaría como refrigerante para los cables y

los equipos de energía fabricados con sobrecalentadores de alta temperatura. Como

refrigerante, el hidrógeno es superior al aire, es superior al aire en términos de capacidad

térmica y su viscosidad es significativamente menor.

Los generadores enfriados por este refrigerante también tienen una menor pérdida de

entalpía, por lo que su eficiencia es mayor. Para que el hidrógeno se convierta en una

alternativa de futuro a los combustibles convencionales que se utilizan actualmente, es

fundamental desarrollar una manera eficaz para guardarlo. El problema del almacenamiento

de hidrógeno se está abordando con especial intensidad en el contexto de las aplicaciones de

automoción y energía. Debido a las propiedades del hidrógeno, es decir, la baja densidad

energética en comparación con los combustibles convencionales, la inflamabilidad y la alta

explosividad, los materiales de almacenamiento de hidrógeno deben distinguirse por su alta

capacidad de almacenamiento, su simplicidad tecnológica, sus eficientes ciclos de

absorción/desorción de hidrógeno, su bajo precio y su seguridad de uso.

El almacenamiento de hidrógeno en recipientes a presión es el método más extendido; como

el hidrógeno tiene una baja densidad energética es importante comprimirlo a alta presión para

aumentar su densidad energética y conseguir una cantidad adecuada de hidrógeno

almacenado en el depósito.

El almacenamiento del hidrógeno en recipientes a presión que son estacionarios es menos

problemático que sus homólogos móviles. Algunos ejemplos de estos depósitos son tanques

de acero para el almacenamiento de hidrógeno para una amplia gama de aplicaciones, por

ejemplo, en la industria, y cilindros de acero para hidrógeno gaseoso a presiones de 15-20

MPa, utilizados en los laboratorios de química.

Los depósitos de acero para el almacenamiento de hidrógeno se caracterizan por los siguientes

parámetros:

· Presión del hidrógeno almacenado: 5 MPa

· Diámetro del tanque: 8 m

· Longitud del tanque: 7,8 o 19 m como máximo


43

· Capacidad: 1 300-4 500 Nm3

· Adsorción y absorción

La adsorción es un fenómeno físico en el cual un compuesto en estado gaseoso o líquido se

adhiere a la superficie de un material que es denominado adsorbente. La adsorción es un

proceso utilizado en la purificación.

El almacenamiento de hidrógeno en recipientes a presión móviles se aplica en el sector del

automóvil, donde estos recipientes se instalan en vehículos que utilizan hidrógeno como

combustible.

Las dificultades se deben principalmente a la baja densidad energética del hidrógeno, lo que

hace necesario comprimir el hidrógeno a presiones de 30-35 MPa o superior. La compresión

del hidrógeno requiere a su vez el uso de altas presiones esto supone un alto riesgo de

explosión (en caso de fuga) e impone la necesidad de utilizar materiales de construcción

adecuados, que se caracterizan por su alta estanqueidad, bajo peso, resistencia mecánica

La compresión del hidrógeno también es una característica importante. La compresión del

hidrógeno también está asociada a un alto coste energético.

Debido a su gran tamaño, los recipientes a presión de acero, que son ideales para el

almacenamiento estacionario de hidrógeno, no tienen ninguna utilidad práctica en los

sistemas de almacenamiento móviles. Por lo tanto, los recipientes compuestos hechos de

plásticos ligeros son interesantes. Los primeros tanques de este tipo eran tanques de aluminio

revestidos con fibras compuestas diseñadas para aumentar la resistencia mecánica del tanque

a la alta presión interna existente en él.

Actualmente se está investigando la posibilidad de sustituir los depósitos de aluminio por otros

basados únicamente en materiales compuestos. Esto permitirá reducir su peso, de modo que

puedan ser entre un 50% y un 75% más ligeros que los depósitos metálicos. La alta

permeabilidad del hidrógeno a través de diferentes tipos de materiales (incluidos los

compuestos) es un gran obstáculo para los depósitos fabricados únicamente con materiales

compuestos ligeros. Esto crea la necesidad de utilizar un revestimiento metálico para

garantizar una adecuada estanqueidad en el depósito.


44

La construcción externa de los recipientes a presión de material compuesto que se utilizan hoy

en día se basa principalmente en resinas epoxi, reforzadas con fibras de carbono, lo que

garantiza una gran resistencia mecánica del depósito.

La capa interna del recipiente a presión está hecha de resina epoxi y reforzada con fibras de

carbono. La capa exterior es una fina pared de aluminio para garantizar la estanqueidad del

sistema. Los recipientes a presión compuestos permiten almacenar gases comprimidos a una

presión de 35-85 MPa.

Para que el hidrógeno se convierta en un combustible para el uso en vehículos de motor, es

necesario desarrollar tanques de almacenamiento que sean ligeros, seguros y también capaces

de almacenar una cantidad suficiente de hidrógeno para que el motor tenga una buena

autonomía

Los principales parámetros considerados en el contexto del almacenamiento de hidrógeno en

recipientes a presión son: la capacidad del recipiente, la presión del hidrógeno almacenado, el

tipo de vehículo y el precio del recipiente; que se compone principalmente del coste de los

materiales que se utilizan para el recipiente a presión.

Aumentar la presión con la que se comprime el hidrógeno y la capacidad del recipiente a

presión se traduce en un aumento de la autonomía de los medios de transporte que los usen.

Sin embargo, esto supone un aumento del coste del almacenamiento de hidrógeno y una

disminución de la superficie útil.

Las ventajas de una solución de este tipo contribuyen a que haya un gran interés por los

depósitos presurizados para su uso como instalaciones de almacenamiento de combustible

para los sistemas de propulsión de los vehículos de transporte público; por ejemplo, los

autobuses.

El uso de hidrógeno como combustible para alimentar las pilas de combustible de los

automóviles, además del aspecto técnico de su almacenamiento, también puede plantear

dificultades debido a su alta inflamabilidad y naturaleza explosiva.


45

5.1. Tanques de almacenamiento de hidrógeno líquido

El hidrógeno también puede almacenarse en forma líquida en contenedores especialmente

adaptados. La densidad energética del hidrógeno aumenta considerablemente al licuarlo.

La licuefacción del hidrógeno es un proceso mucho más costoso que su compresión, ya que

tanto su paso de forma gaseosa a líquida como su mantenimiento en este estado se estima

que puede equivaler al consumo de energía necesario para producir el 1% de ese hidrógeno. El

consumo de energía necesario para licuar el hidrógeno se estima que es un 30-40 % superior al

de la energía de la compresión del hidrógeno. Como resultado, la eficiencia de todo el proceso

es bastante baja. Sin embargo, el almacenamiento de hidrógeno líquido permite alcanzar una

densidad mucho mayor, tanto en masa como en volumen, que otros métodos de

almacenamiento de hidrógeno. [6]

La ventaja incuestionable de los depósitos de hidrógeno líquido frente a los depósitos a

presión es que los depósitos de hidrógeno licuado tiene una proporción menor de fuga

alcanzando incluso un valor 5-25 veces menor que en el caso de los tanques presurizados.

Para mantener el hidrógeno en estado líquido, hay que aplicar temperaturas muy bajas (del

orden de 20 K), de modo que los tanques de almacenamiento deben ser refrigerados de forma

continua y el depósito deberá estar aislado térmicamente del entorno. El agente refrigerante

más utilizado para este fin es el nitrógeno líquido.

Al igual que en el caso del almacenamiento de hidrógeno gaseoso en recipientes a presión, el

almacenamiento de hidrógeno líquido puede realizarse en sistemas fijos o móviles.

Los tanques estacionarios para hidrógeno líquidos adoptan la forma de contenedores

cilíndricos con la instrumentación adecuada. Los contenedores constan de dos recipientes

(tanque interior y exterior), separados por una capa de superaislamiento y se caracterizan por

una elevada relación entre el diámetro del tanque y su longitud. Estos vasos suelen

caracterizarse por los siguientes parámetros:

diámetro del tanque (1,4-3,8 m)

longitud del tanque (3-14 m)

capacidad MAX (317.552,185425 litros)


46

La construcción de tanques móviles para hidrógeno líquido no difiere significativamente de los

tanques estacionarios, sin embargo, teniendo en cuenta su uso en vehículos, estos depósitos

deben estar equipados con herramientas adecuadas y ser más compactos. Existen depósitos

de hidrógeno líquidos instalados, por ejemplo, en los autobuses, consistentes en tres

depósitos de intersección elíptica, cada uno con una capacidad de 190 l, permiten una

densidad energética de 2,13 kWh/l. Para minimizar la pérdida de combustible a no más del 1%

diario, los depósitos se cubren con 200-300 mm de aislante. [6]

La viabilidad económica del almacenamiento de hidrógeno líquido depende principalmente de

la masa y el volumen del depósito, así como del tipo de materiales utilizados para construir y

aislar el depósito. Actualmente el almacenamiento de hidrógeno líquido sólo puede ser en

tanques de gran capacidad.

Debido a las dificultades técnicas, es decir, la necesidad de enfriar continuamente el tanque

para mantener el hidrógeno en forma líquida, así como la necesidad de superaislamiento del

tanque, el almacenamiento del hidrógeno en pequeñas cantidades no es rentable.

5.2. Hidruros metálicos

Las asociaciones de hidrógeno con otros elementos son una forma prometedora de

almacenamiento de hidrógeno. Las combinaciones básicas del hidrógeno son: hidruros

metálicos, hidruros covalentes e hidruros iónicos, denominados disolventes. Esta gran

diversidad en el almacenamiento del hidrógeno en los hidruros metálicos es lo que promete un

futuro interesante para la problemática planteada.

Los hidruros metálicos representan un material interesante para el almacenamiento de

hidrógeno debido a propiedades como la baja presión de proceso (normalmente 0,25-10 MPa),

inhabilidad del proceso de almacenamiento de hidrógeno (posibilidad de absorción y

desorción de hidrógeno), baja temperatura de proceso (la absorción de hidrógeno puede tener

lugar incluso a temperatura ambiente) y seguridad de uso (no hay riesgo relacionado con la

explosividad e inflamabilidad del sistema). La desorción del hidrógeno almacenado en los

sorbentes metálicos suele conseguirse aumentando la temperatura y disminuyendo la presión

del sistema.

Un ejemplo de sistema de almacenamiento de hidrógeno a baja temperatura puede ser la

aleación Ti-Cr-Mn


47

El paladio (Pd) y sus aleaciones también son materiales interesantes para el almacenamiento

de hidrógeno. El paladio puede absorber el hidrógeno obtenido como resultado de reacciones

electroquímicas, así como de la fase gaseosa. El paladio puede absorber el hidrógeno de las

reacciones electroquímicas y de la fase gaseosa. Se ha demostrado que una muestra de

paladio a temperatura ambiente puede absorber 850 veces su propio volumen de olor. Adición

de metales como el rutenio (Ru) y el rodio (Rh) al paladio (Rh) aumenta la capacidad de

absorción del sistema. La aleación Pd-Rh que contiene un 7% de rodio muestra un aumento de

más del 13% de la capacidad de absorción de olores en comparación con el paladio puro. El

paladio y sus aleaciones representan un material interesante para almacenar hidrógeno, sin

embargo, los elevados costes que conlleva su adquisición hacen que en la actualidad no sean

una opción viable. [7]

5.3. Hidruros químicos

Otra manera de almacenar el hidrógeno es almacenarlo en compuestos químicos (hidruros

químicos) mediante reacciones químicas. La cantidad de hidrógeno almacenado de esta

manera es mayor que en el metal.

La liberación del hidrógeno de este tipo de compuestos puede producirse mediante un

tratamiento con agua o alcoholes. Son un material interesante para el almacenamiento de

hidrógeno en vehículos móviles, ya que el hidrógeno creado como resultado de una reacción

química puede utilizarse para alimentar pilas de combustible.

Los bromuros son un ejemplo de hidruros químicos que han encontrado aplicación en el

almacenamiento de hidrógeno. El bromuro más utilizado para el almacenamiento de

hidrógeno es el bromuro de sodio (NaBH4). La emisión de hidrógeno del NaBH4 se produce

mediante una reacción de hidrólisis exotérmica, reacción de hidrólisis controlada a

temperatura ambiente. Esta reacción no da lugar a subproductos peligrosos. La cantidad de

hidrógeno que puede liberarse por hidrólisis del borato de sodio es de 10,6% Kg/Kg. La ventaja

más importante de los bromuros químicos es su gran capacidad de almacenamiento de

hidrógeno. [7]

Otra gran ventaja de esta forma de almacenamiento de hidrógeno es su no incineración. Para

su uso en vehículos de motor, el combustible usado debe ser retirado del vehículo y luego

recuperado en una estación de servicio, lo que dificulta su uso en la práctica.


48

5.4. Materiales de carbono

Los materiales de carbono son altamente resistivos, tienen una gran superficie específica y

pueden ser posibles almacenadores de hidrógeno. El almacenamiento de hidrógeno, tanto

molecular como atómico, en los materiales de carbono se producen gracias a reacciones

electroquímicas (adsorción) en la superficie de los sólidos principalmente por motivo de las

fuerzas de Van der Waals por efecto capilar. [8]

La desorción del hidrógeno de los materiales de carbono se realiza suministrando al sistema

una cantidad adecuada de energía térmica. Los materiales de carbono usados más

frecuentemente son: el carbón activado, el grafito, el fullereno y los nanotubos de carbono.

El carbón activado es un material interesante para almacenar el hidrógeno, ya que tiene una

capacidad muy grande debido a la forma en la que tiene dispuesta su superficie, lleno de

numerosos microporos y microgrietas. Los microporos tienen la mayor capacidad de

adsorción, su tamaño es comparable al de las posibles moléculas que pueden depositarse en

ellos. Los mesoporos desempeñan un papel menor en la adsorción de sustancias, mientras que

los macroporos se utilizan principalmente en el transporte de sustancias.

Se ha demostrado que la modificación del carbón activado con hidróxido de potasio (KOH)

desarrolla adicionalmente la estructura de los poros de dicho material, aumentando la

cantidad de hidrógeno almacenado en 3,7 veces. [7]

El grafito, al ser una de las variantes alotrópicas del carbono, también se considera un material

potencial para el almacenamiento de hidrógeno. Tiene una estructura multicapa formada por

distintas capas simples de grafeno. Las capas entre sí están unidas por fuerzas débiles de Van

der Waals, es por ello que pueden manipularse con cierta facilidad. El almacenamiento de

hidrógeno entre las capas de grafito puede configurarse ajustando la distancia entre las capas

adyacentes. Por otro lado, la desorción de hidrógeno puede ocurrir cuando el sistema de

almacenamiento se calienta a una temperatura aproximada de 450°C.

Los fullerenos, al igual que el grafito, también es una de las variedades alotrópicas del carbono.

Las moléculas de fullereno están compuestas por anillos pentagonales o hexagonales que

forman un bloque hueco y cerrado, compuesto por 28-1 500 átomos de carbono. El fullereno

más popular es el C60, compuesto por 60 átomos de carbono. Debido a su susceptibilidad a

fijar en él, átomos de hidrógeno. [7]


49

La liberación del fullereno C60 puede producirse por reacción electroquímica de la siguiente

manera:

𝐶60 + 𝑥 𝐻2𝑂 + 𝑥 𝑒− → 𝐶60𝐻𝑥 + 𝑥 𝑂𝐻−; (8)

En el caso de que el valor del factor "x" sea "60" la capacidad electroquímica teórica del

sistema alcanza los 2234 mAh/g (miliamperios hora por cada gramo), 6 veces más que la

capacidad conseguida con los mejores hidruros metálicos.

La hidrogenación electroquímica del fullereno para formar C60H48 permite obtener una

capacidad electroquímica del sistema del orden de 1 600 mAh/g con un contenido de

hidrógeno de 6,1 Kg/Kg.

Los nanotubos de carbono, debido a su estructura única, son materiales especialmente

interesantes para el almacenamiento de hidrógeno. Las estructuras de nanotubos están

formadas por capas de grafeno enrolladas cilindricamente que adoptan la forma de obleas

huecas. Se utiliza la siguiente clasificación en función del número de paredes de grafeno que

componen los nanotubos de carbono:

- Nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT)

- Nanotubos de carbono de doble pared (DWCNT)

- Nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWCNT)

El almacenamiento del hidrógeno en los nanotubos de carbono puede tener lugar en la

superficie interior y exterior del nanotubo por reacción electroquímica y por adsorción física

de la superficie.

La eficiencia de almacenamiento de los nanotubos de carbono es una función de las

propiedades a nanoescala de los nanotubos.

La eficacia del almacenamiento de hidrógeno en los nanotubos de carbono depende

principalmente de: la presión (un aumento de la presión aumenta la eficacia de la adsorción

del hidrógeno), la temperatura (una temperatura más baja favorece una adsorción de

hidrógeno más eficiente), la distancia entre los nanotubos individuales y el diámetro de los

nanotubos. La capacidad de adsorción en el hidrógeno alcanzado por nanotubos de carbono


50

con un diámetro de 2,2 nm a 77 K a 10 MPa es de 11,24% Kg/Kg. Mientras que la cantidad

máxima de hidrógeno por átomo de carbono es igual a 2 (H/2C). [7]


51

6. EFECTO VAN DER WAALS

Para explicar el efecto de Van der Waals primero debemos asentar ciertos conceptos básicos

para ir desarrollando de manera óptima la explicación. En primer lugar, explicar el significado y

la diferencia entre el proceso de adsorción y el proceso de absorción. [8]

Existen varias acepciones, pero en cuanto a la empleada en física, el fenómeno de absorción es

el proceso en el cual el volumen de un gas (que es el absorbato) se distribuye de manera

homogénea en el líquido que es el absorbente, es un proceso endotérmico.

En cambio en la adsorción, un fluido; que puede ser tanto gas como líquido (el adsorbato), se

adhiere en la superficie de un sólido que es el adsorbente, la adsorción es un proceso

exotérmico.

Si las fuerzas de unión del adsorbato son altas y el proceso es prácticamente irreversible,

estamos ante la quimisorción. Si las fuerzas de unión son más débiles como: van der Waals,

enlaces de hidrógeno, interacciones de dispersión, y el proceso es reversible, estamos ante la

adsorción física. La descripción de la adsorción a partir de una solución es mucho más

compleja que la adsorción desde la fase gaseosa. En este caso hay, al menos, tres

componentes: el adsorbente, el adsorbato y el disolvente, que interactúan entre sí. Los

componentes adsorbidos de la solución líquida forman una capa apretada en la superficie del

adsorbente.

El estado de equilibrio del proceso de adsorción se define como el equilibrio entre

composición de la superficie y el volumen de la solución. La cantidad de adsorción de la fase

líquida se determina por la diferencia entre la solución a granel y la superficial (exceso de

adsorción) o por la composición de la capa superficial (adsorción verdadera).

Los estudios de adsorción a partir de soluciones llevan a trazar isotermas de exceso adsorción.

Giles y sus colaboradores propusieron una clasificación de isotermas para adsorción de

soluciones líquidas binarias con miscibilidad limitada. Este sistema es el más frecuente cuando

se realizan procesos de adsorción a partir de soluciones acuosas. Hay cuatro elementos básicos

en las isotermas de adsorción: S, L, H, C. La figura 23 muestra la clasificación anterior.


52

Figura 26. Grafica de adsorción (eje de abscisas: Concentración de equilibrio de la solución; eje de ordenadas: Adsorción) [8]

Clase S estas curvas se obtienen cuando el disolvente está fuertemente adsorbido y

hay fuerte atracción intermolecular en la capa de adsorción, en el caso de moléculas

adsorbidas monofuncionales. En estas condiciones, suele haber una verticalidad o la

orientación oblicua de las moléculas adsorbidas.

Clase L describe los casos en los que no hay una fuerte competencia de moléculas

de disolvente cuando el adsorbato ocupa los sitios activos de la superficie. En estos

casos, las moléculas de adsorbato están alineadas de forma plana en la capa de

adsorción.

Clase H corresponde a la adsorción, cuando la afinidad entre el adsorbato y el

adsorbente es muy fuerte. Esta afinidad es característica de la quimisorción o

adsorción de polímeros y micelas iónicas.


53

Clase C se refiere a la adsorción en la que hay una división constante de la sustancia

adsorbida entre la capa superficial y la solución, para mayores concentraciones de

equilibrio de los adsorbatos en la solución dentro de determinados grupos.

6.1. Factores que influyen en la adsorción desde la solución

El proceso de adsorción está determinado por las propiedades del adsorbato, del adsorbente,

de la solución y de la temperatura.

Propiedades del adsorbente

Porosidad de la superficie

Propiedades químicas de la superficie

Tipo de sustancia (mineral)

Propiedades del adsorbato

Peso molecular

Tamaño y forma geométrica

Tipo de grupo funcional

Polaridad

Solubilidad

Constante de disociación

Propiedades de la solución

Fuerza iónica

pH

Temperatura

La textura porosa (superficie específica y la distribución del volumen de los poros) determina el

grado de eliminación de contaminantes de diferentes tamaños. El rasgo característico de los

carbones activados es su alta porosidad y su gran superficie interna. Basándose en la anchura

de los poros y en el mecanismo de adsorción de los vapores y gases, según la IUPAC (Unión

Internacional de Química Pura y Aplicada), podemos clasificar las siguientes categorías de

poros:


54

Macroporos poros con una anchura superior a 50 nm, no están totalmente llenos por

volumen con el adsorbato, según el mecanismo de condensación, actúan sólo como arterias de

transporte.

Mesoporos poros con una anchura de entre 2 y 50 nm. El llenado de su volumen con el

adsorbato sigue el mecanismo de condensación capilar. Los mesoporos además de parte

importante en la adsorción, también actúan como arterias de transporte del adsorbato.

Microporos poros con una anchura inferior a 2 nm, es decir, con dimensiones comparables

a las de las moléculas adsorbidas. La energía de adsorción en los microporos es mucho mayor,

ya que en estos poros tan estrechos hay una superposición de potenciales de adsorción.

Los potenciales de adsorción procedentes de las paredes opuestas de los poros se solapan en

estos poros tan estrechos, lo que da lugar a un aumento de la capacidad de adsorción en la

región de bajas presiones de equilibrio del adsorbato.

La adsorción de los microporos sigue el mecanismo de su llenado volumétrico. Los carbones

con un gran volumen de microporos se caracterizan por una gran superficie específica y alta

eficiencia en la eliminación de pequeñas moléculas, por ejemplo, fenoles. Los carbones con

gran volumen de mesoporos son eficaces en la eliminación de moléculas más grandes como:

los colorantes mientras que los carbones de macroporosos son eficaces para retener grandes

moléculas, como las bacterias. Por lo tanto, el rango de tamaño de los poros de los carbones

activados debe seleccionarse adecuadamente para que se adapte al tamaño de las partículas a

eliminar.

La naturaleza química de la superficie de los poros está determinada por el tipo y el número

grupos funcionales presentes en la superficie de los carbonos activos, que dependen de la

materia prima utilizada para la producción de adsorbentes, método de activación y tipo de

modificación de la superficie. Los grupos funcionales más comunes son los que contienen

oxígeno: hidroxilo, fenólico, carbonilo y peróxido. En general, se supone que la oxidación de la

superficie de los carbones activados disminuye el grado de adsorción de los compuestos

ácidos, mientras que aumenta la adsorción de los compuestos básicos.

El contenido mineral es una propiedad importante de los carbones activados que influye en el

proceso de adsorción. La presencia de materia mineral tiene un impacto negativo en el


55

proceso de adsorción. La materia mineral puede bloquear poros y debido a su naturaleza

hidrofílica puede adsorber preferentemente moléculas de agua, reduciendo así la adsorción de

materia orgánica.


56

7. ALTERNATIVAS AL HIDRÓGENO

A la hora de valorar otras opciones al hidrógeno compararemos opciones que tengan unas

características concretas que equiparamos entre ellas, básicamente compararemos otras

energías que tengan una baja huella ecológica. Y después haremos la comparativa con el

diésel, que es el combustible más usado en el sector naval, aunque no cumpla estas

características ecológicas; ya sea de manera directa con motores diésel.

7.1. Energía solar fotovoltaica

Esta energía es una aplicación de la energía solar, esta tiene otras aplicaciones como la energía

solar térmica, nos centraremos en la fotovoltaica ya que es la que se puede adaptar a más

situaciones.

La energía solar fotovoltaica consiste en generar electricidad a partir de la radiación solar, para

ello se emplean paneles solares fotovoltaicos. Estos paneles están hechos con células de silicio

que transforman la luz y el calor del sol en electricidad. Esto tiene aplicaciones domésticas e

industriales, la cantidad de energía que se requiera será directamente proporcional a los m2 de

la instalación.

Esta energía no solo es ecológica sino que tiene relativamente poco impacto en las

interacciones de la naturaleza, y no requiere de una instalación muy compleja ni aparatosa por

lo que es una buena opción para complementar cualquiera planta de consumo energético. En

el caso de la energía solar fotovoltaica tiene una desventaja frente a la energía solar térmica y

es que no se puede almacenar; si para su instalación requiere esta particularidad siempre

tendría la opción de poder hacer una instalación solar térmica en vez de solar fotovoltaica.

Para medir la potencia que desarrollan y hacer los cálculos fotovoltaicos se emplea la Hora

Solar Pico, para simplificar este concepto podemos decir que es la cantidad de energía solar

que recibe un m2 de superficie. En la actualidad y con la tecnología que tenemos 1 HSP (Hora

Solar Pico) la placa generará 1 kW/m2, esto es algo que puede variar según la época del año y

según la zona del hemisferio en la que nos encontremos, cuanto más nos acerquemos al

ecuador, más potencia se generará por m2. [9]


57

Valores de la Hora solar pico en Barcelona en HSP

Enero 2,564

Febrero 3,431

Marzo 4,157

Abril 4,607

Mayo 4,805

Junio 5,019

Julio 5,58

Agosto 5,229

Septiembre 4,908

Octubre 4,23

Noviembre 3,1

Diciembre 2,449

Media anual 4,173

Tabla 3. Se muestra la hora solar pico de Barcelona [10]

En el caso de que el día esté nublado, contrario a lo que mucha gente piensa, las placas

seguirán produciendo energía, ya que se nutren de la luz del sol y no de su calor. La luz tiene

muchas longitudes de onda, y aunque debido a niebla no pueda pasar la luz que nosotros

vemos, o pase de una forma muy tenue; otras longitudes de onda que nosotros no vemos

porque no están dentro de nuestro espectro de visión pueden pasar sin ningún tipo de

impedimento. Por lo que aunque se reduzca un poco su efectividad, pueden seguir trabajando

sin ningún tipo de problema.

Como el promedio de horas solares pico en Barcelona es de 4,173 HSP, se hará un

dimensionado para la obtención diaria de 30 kW. Cada HSP es capaz de generar 1 kW de

potencia, de modo que para la obtención de potencia diaria deseada tenemos que:


58

𝑚2 = 𝑃

𝐻𝑆𝑃 ×𝑃𝐻𝑆𝑃=

30 𝑘𝑊

4,173𝐻𝑆𝑃 ×1 𝑘𝑊/ℎ ×𝑚2 = 7,189 𝑚2 ; (9)

m2= Superficie; P= Potencia; PHSP= Potencia de cada hora solar pico; HSP= Hora solar pico

7.2. Energía eólica

La energía eólica es la que se produce a partir de la energía cinética del aire, cuando hace

viento somos capaces de obtener electricidad gracias a los aerogeneradores, estos

aerogeneradores no son nada más que un generador eléctrico al cual le llega el movimiento a

través de una turbina que es accionada por el viento, es el mismo concepto que el de un

molino de viento pero en vez de convertir la energía cinética del viento en energía mecánica

como producto final, esta vez vamos más allá y la convertimos en electricidad.

Figura 27. Esquema de las partes de un aerogenerador - Fuente: Google Imágenes

El funcionamiento de un aerogenerador es bastante sencillo por lo que no será muy extensa su

explicación, como partes importantes tenemos: el armario de acoplamiento a la red eléctrica,

el eje y el mando del motor, las palas, la torre, los cimientos, el freno, el sistema de

orientación, el generador, la góndola y el multiplicador, que aumenta la velocidad de giro a la


59

salida de la turbina(ya que el giro de las palas del aerogenerador es relativamente lento,

alrededor de 13/20 revoluciones por minuto).

Como beneficios de esta energía, además de ser una energía renovable, está el hecho de que

como las turbinas son una de las máquinas más eficientes de transformación energética, la

vida útil de estos aerogeneradores es larga, y la otra es una de las fuentes energéticas más

limpia, pero no más limpia que la energía solar; y además los costes de mantenimiento son

bastante bajos.

Como inconvenientes o partes negativas de este tipo de energía cabe resaltar que el espacio

que ocupan los aerogeneradores es bastante amplio y las operativas y montajes de los mismos

son más complejos de lo que se debiera esperar; si lo comparamos con la simpleza de las

placas fotovoltaicas. Además depende de unas condiciones climatológicas muy concretas, ya

que el rango de funcionamiento de los aerogeneradores está entre vientos de 2 a 60 m/s.

Como es un aerogenerador y la electricidad no se puede almacenar, contamos también con

ese inconveniente, este lo vamos a encontrar siempre que trabajemos con fuentes energéticas

que acaban siendo transformadas en generadores. La fauna aviar también se ve afectada por

este tipo de instalaciones, sobre todo de noche, ya que a las aves se les dificulta la visión de las

palas del aerogenerador.

Debido a que la potencia que podrían ofrecer los aerogeneradores estaría relacionada con el

viento, que no es una variable constante; ofrecer datos precisos es complicado, y es por ello

que los planes de rentabilidad de estas instalaciones son siempre a largo plazo.

He estado buscando datos sobre turbinas eólicas y aerogeneradores y dentro de la disparidad

de opiniones, es complicado encontrar una uniformidad debido a que los datos de potencia de

estas máquinas dependen de muchos factores, ya que los estándares ofrecen una amplia gama

de posibilidades; ya sea en el número de palas, peso de las mismas y velocidad del viento

entre otras.

La energía cinética del aire que reciben estas turbinas se puede calcular con una simple

fórmula, en la que intervienen la densidad del aire (𝜌), y la velocidad del aire (𝑣).

𝐸 =1

2𝜌𝑣2 ; (10)

E= Energía; 𝜌= Densidad del aire; v= Velocidad del aire


60

Esta fórmula es prácticamente la de la energía cinética pero sustituyendo la masa de elemento

en cuestión por la densidad del aire, la densidad del aire no deja de ser una masa específica.

Partiendo de la fórmula anterior podemos derivar a la de potencia, para ello multiplicaremos la

energía por distancia para obtener trabajo, y después el trabajo lo dividiremos por el tiempo

para obtener la potencia del aire.

𝐸 × 𝑚 = 𝑊 𝑊 ÷ 𝑡 = 𝑃 𝑃 = 𝐸 ×𝑚

𝑡 𝑚 ÷ 𝑡 = 𝑣 𝐸 × 𝑣 = 𝑃; (11)

E= Energía; m= Distancia; W= Trabajo; t = tiempo; P= Potencia; v = Velocidad

De esta manera podemos llegar a la conclusión final de que la fórmula de la potencia del

viento solo depende como hemos dicho anteriormente de la densidad del aire y de la

velocidad del mismo.

𝑃 =1

2𝜌𝑣3; (12)

Para conocer la potencia que sería capaz de transformar en electricidad solo tendríamos que

multiplicar la potencia de la fórmula anterior por el área de barrido de las palas. Quedando la

fórmula de la siguiente forma:

𝑃 =1

2𝑆𝜌𝑣3; 𝑆 = 𝜋

1

4𝐷2; (13)

S= Superficie de barrido de las palas

Turbina ENAIR modelo 70PRO

Diámetro 4,3m

Área de barrido 14,5m2

Peso 165Kg

Aplicaciones Carga de baterías 24 o 48V y conexión a red

Viento de arranque 2m/s

Velocidad nominal 11m/s

Velocidad regulación del paso variable 12m/s

Velocidad de supervivencia 60m/s

Sentido de giro Horario

Rango de generación eficiente De 2 a 60m/s

Tabla 4. Características de la Turbina ENAIR modelo 70PRO [11]


61

Para el ejemplo se emplearán las dimensione de un aerogenerador de la marca ENAIR,

concretamente el modelo 70PRO, no es un aerogenerador de los que se emplean en los

parques eólicos es uno de menor potencia. Tiene un diámetro de barrido de 4,3m y un área de

barrido de 14,5 m2. Se estimará un viento de 15 m/s, con lo que queda la fórmula de la

siguiente manera:

𝑃 =1

2× 14,5(𝑚2) × 1,225(𝐾𝑔/𝑚3) × 15(𝑚/𝑠)3= 29974,21875 w; (14)

Este es el valor de energía que recibe el aerogenerador proveniente de la velocidad del aire,

pero debido a que las máquinas tienen un rendimiento interno intrínseco, debido a fricciones y

demás elementos nunca se podrá transformar la totalidad de esta energía, en nuestro caso

solo tenemos como dato el rendimiento del inversor, que es del 97%. [11]

𝑃 × 𝜂𝑖 = 𝑃′ ⇒ 29974,2187 × 0,97 = 29074,99239 𝑊 = 29,07499 𝑘𝑊; (15)

ɳi = Rendimiento interno del autogenerador

Esta sería la potencia que generaría el aerogenerador en las condiciones descritas

anteriormente si el rendimiento del inversor fuera el único rendimiento del aerogenerador.

7.3. Combustibles fósiles: Gasoil Marino

Todos conocemos el Gasoil ya que es el combustible más usado en el sector marino, es el

combustible que se emplea en los motores Diésel, por eso es común utilizar la palabra Diésel,

como sinónimo de Gasoil.

El funcionamiento del gasoil como combustible no es algo que interese mucho en este

proyecto, se mezcla con el comburente y mediante una fuente de calor se inicia una reacción

exotérmica. Lo que realmente es interesante es la energía que se obtiene de este combustible

fósil para poder hacer una comparativa con las respectivas alternativas.

Es por ello que haremos un análisis superficial y centraremos la atención en lo más

interesante, su poder calorífico.

Debido a que ha sido difícil encontrar datos de combustibles específicos; emplearemos datos

generales del gasoil, y daremos los dos poderes caloríficos: 9,98 KWh/l PCI (Poder Calorífico

Inferior) y 10,18 KWh/l PCS (Poder Calorífico Superior).


62

Con el poder calorífico del gasoil y la potencia de un motor se puede calcular los litros por hora

de gasoil necesarios para equipararse al resto de energías.

𝑃 =𝑃𝐶𝐼 × 𝐿

𝑡⇒

𝐿

𝑡=

𝑃

𝑃𝐶𝐼 ; (16)

P= Potencia; PCI= Poder calorífico inferior; L= Litros de combustible; t = Tiempo

Características generales del motor MINI-74

Base Mitsubishi

Tipo Diésel 4 tiempos

No de cilindros 4

Sistema de admisión Aspiración natural

Diámetro x carrera (mm) 94 x 120

Cilindrada total (cc) 3331

Relación de compresión 22:1

Potencia intermitente 64 cv (47 kW)

Potencia continua 57,5 cv (42,3 kW)

Sistema de inyección Mecánico e indirecto

Alternador 12 V – 95 A

Angulo máximo de instalación 15o

Cumplimiento de emisiones EU: RCD II

Tabla 5. Características generales del motor MINI-74 [12]


63

Aislamos la fórmula despejando L/t que se llamará, consumo de combustible a la hora; y que

servirá para saber la cantidad de combustible que se necesita para dar de manera continua la

potencia de 42,3 kW.

𝐿

𝑡=

𝑃

𝑃𝐶𝐼⇒

𝐿

𝑡=

𝑃

𝑃𝐶𝐼=

42,3 𝑘𝑊

9,98 𝑘𝑊ℎ/𝐿= 4,2384 𝐿/ℎ


64

8. CONCLUSIONES DEL PROYECTO

El futuro del hidrógeno es algo muy alentador, pero hasta la fecha de hoy; faltan muchos

aspectos de la logística que le rodean por ser mejorados. A continuación expondré los puntos

más relevantes para tomar una decisión a la hora de implementarse en cualquier instalación

energética que quiera ser alimentada con este combustible ya sea de manera específica o en

colaboración con otros tipos de fuentes energéticas.

1) Es un combustible que tiene una baja energía de encendido, esto lo hace muy rentable

como combustible para motores de combustión interna pero a la vez lo hace peligroso, ya

que las condiciones de seguridad de su almacenamiento y transporte deben ser muy

restrictivas y concretas para que no se generen peligros innecesarios.

2) El residuo de la combustión tradicional (en un motor de combustión interna) y en una pila

de combustible (reacción electroquímica) es agua.

3) El proceso de electrólisis con los medios de los que se disponen en la actualidad plantea la

problemática de un déficit energético, aunque el modelo energético basado en hidrógeno

planteado en el proyecto es una posible solución para esto.

4) La producción de hidrogeno no está lo suficientemente optimizada como para plantearse

el uso de este combustible a gran escala. En lo personal el método de producción de

hidrógeno mediante el uso de algas y bacterias me parece muy interesante ya que se

puede obtener hidrógeno a un coste muy bajo mientras de forma simultánea se puede

acabar con residuos contaminantes de otros procesos.

5) En cuanto al almacenamiento de hidrógeno hay opciones con una buena proyección de

futuro, un claro ejemplo es el empleo de hidruro químicos, que almacenan el hidrogeno de

manera muy eficiente incluso más eficientemente que los hidruros metálicos. Además

liberar el hidrógeno del hidruro químico es relativamente sencillo, ya que se puede realizar

empleando agua o alcoholes.

6) Como solución a la problemática de su peligrosidad planteada en el primer punto

encontramos el bromuro de sodio, este hidruro químico tiene una gran capacidad de

almacenamiento de hidrógeno mientras que también nos ofrece una manera muy segura

de transportarlo ya que el hidrógeno contenido en este hidruro no podría inflamarse y no

genera subproductos peligrosos cuando mediante la hidrólisis se separa el hidrogeno del

hidruro.


65

Hay energías renovables que pueden ayudar a la producción de hidrógeno si se combinan con

ciertos procesos ya expuestos, la energía solar fotovoltaica me parece la más adecuada para

ello.

Tiene un buen rendimiento en comparación con sus competidores; tanto económico como

energético. La instalación de dicho modelo energético no es ni aparatosa ni compleja, por lo

que probablemente se vean en un futuro no muy lejano modelos de producción de hidrógeno

que implementan este tipo de energía como recurso para mejorar su eficiencia.


66

9. BIBLIOGRAFÍA

[1] Electrolisis. IES La Magdalena. Avilés. Asturias.

https://fisquiweb.es/Apuntes/Apuntes2Qui/Electroquimica3.pdf

[2] Lenntech; Proceso de electrolisis

https://www.lenntech.es/electrolisis.htm

[3] Luis reyes; La pila de combustible está de moda (2014).

https://www.autonocion.com/la-pila-de-combustible-de-hidrogeno-esta-de-moda-pero-

sabes-como-

funciona/#:~:text=La%20pila%20de%20combustible%20funciona,para%20formar%20vapor%2

0de%20agua.

[4] P. Tomczyk, Oportunidades y barreras para el desarrollo de la energía del hidrógeno,

Política energética (Pila de Hidrógeno) En el apartado del experimento

[5] J. Kieć, Fuentes de energía renovable. (Tanques de presión de hidrógeno gaseoso)

[6] L. Romański, Hidrógeno como portador de energía. (tanques de hidrógeno líquido)

[7] P.J. Nowacki, el hidrógeno como nuevo portador de energía (Hidruros metálicos)

[8] Adsorción, Ościk J, editor científico estatal de Varsovia

[9] Hora pico solar, Efimarket.com.

https://www.efimarket.com/blog/la-hora-solar-pico-hsp-sirve-calcularlo/

[10] Cálculo de Hora pico solar (2020).

https://fusionenergiasolar.es/contenido/14-calculo-hps

[11] Aerogeneradores; La última tecnología (2021)

https://www.enair.es/es/aerogeneradores/E30PRO

[12] Catálogo de Solè Diésel (2020 – 2021).

https://fisquiweb.es/Apuntes/Apuntes2Qui/Electroquimica3.pdf

https://www.lenntech.es/electrolisis.htm

https://www.autonocion.com/la-pila-de-combustible-de-hidrogeno-esta-de-moda-pero-sabes-como-funciona/#:~:text=La%20pila%20de%20combustible%20funciona,para%20formar%20vapor%20de%20agua




https://www.efimarket.com/blog/la-hora-solar-pico-hsp-sirve-calcularlo/

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https://www.enair.es/es/aerogeneradores/E30PRO

IMPLEMENTACIÓN DEL HIDROGENO EN EL SECTOR MARINO

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