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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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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%.
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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
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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.
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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.
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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
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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
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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%.
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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.
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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.
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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
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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
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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
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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]
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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
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Figura 12. Uno de los dos recipientes de plástico (ambos son iguales)
Figura 13. Tornillo de métrica 5M
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Figura 14. Pelacables
Figura 15. Cables negro/blanco y azul/blanco con terminal circular (forma de anillo)
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Figura 16. Dos tubos de ensayo
Figura 17. Bicarbonato de sodio
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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
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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· 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.
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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.
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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)
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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
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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.
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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]
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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
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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]
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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.
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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.
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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:
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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
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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.
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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]
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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:
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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
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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
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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]
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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).
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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]
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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
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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.
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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.
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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).