PROYECTO GENERADOR DE HIDROGENO.docx

Taller de Ética.

Generador de Hidrógeno como el sustituto de combustibles fósiles

INTRODUCCIÓN --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4 CAPÍTULO I 1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. -------------------------------------------------------------------------------------------------- 6 1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA. -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8 1.3 OBJETIVOS. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 9 1.4 JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN. --------------------------------------------------------------------------------- 11 1.5 LIMITACIONES. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 12 CAPÍTULO II 2.1 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN. 2.1.1 Tipos de celda de combustible. ------------------------------------------------------------------------------------------------ 13 2.1.1.1 Celdas de combustible de membrana de intercambio de Protones (CCMP). --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 13 2.1.1.2 Las celdas de combustible de metanol directo (CCMD). ------------- 14 2.1.1.3 Las celdas de combustible de carbona fundido (CCCF). ------ 14 2.1.1.4 Las celdas de combustible de óxido solido (CCOS). ------------------- 14 2.1.2 Obtención de hidrógeno. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------2.1.2.1 Electrólisis. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 16 2.1.2.2 Descomposición de gas natural natural por arco de palma. ------------------------- 17 2.1.2.3 Termólisis. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 17 2.1.2.4 Termo catálisis. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 18 2.1.2.5 Reformado. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 18 2.1.2.6 Gasificación. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 18 2.1.2.7 Bio-fotolisis. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 19 2.1.2.8 Fermentación oscura. --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 19 2.1.3 Estado actual del diseño de electrolizadores. ------------------------------------------------------------ 19 2.1.3.1 Materiales. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 20 2.1.3.2 Eficiencia. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 21

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2.1.3.3 Clasificación de los electrolizadores. ----------------------------------------------------------------- 22 2.1.3.4 Clasificación de los electrolizadores según sus materiales de diseño. ------------------------------------------------------------------------------------------------ 22 2.1.3.5 Clasificación de los electrolizadores según la disposición y forma de conexión c onexión de los electrodos. e lectrodos. ------------------- 22 2.1.4 Selección del electrolizador. ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 23 2.1.5 Tipos de almacenamiento. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 26 26 2.1.5.1 Almacenamiento como un gas comprimido de un tanque. ---- 26 2.1.5.2 Almacenamiento como un hidruro de metal. ---------------------------------------------- 29 2.1.5.3 almacenamiento de hidrogeno en forma de Un líquido criogénico. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 29 2.1.5.4 Almacenamiento en nano fibras o nano tubos de carbono. --- 31 2.1.6 Materiales para el almacenamiento de hidrogeno. ------------------------------------------------ 32 2.2 BASES TEÓRICAS.------------------------TEÓRICAS.-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 33 2.3 DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS. ---------------------------------------------------------------------------------------- 37 2.4. HIPÓTESIS. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 39 2.5 SISTEMA DE VARIABLES.-------------------VARIABLES.-------------------------------------------------------------------------------------------------------- 40 40 CAPÍTULO III 3.1NIVEL DE LA INVESTIGACIÓN. INVE STIGACIÓN. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 41 3.2 DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN. -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 42 3.3 POBLACIÓN POBLACIÓN Y MUESTRA. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 43 3.4 TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS. ------------ 44 3.5 TÉCNICAS E INTRUMENTOS DE PROCESAMIENTO PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS DE DATOS.-------------DATOS.------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 45

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2.1.3.3 Clasificación de los electrolizadores. ----------------------------------------------------------------- 22 2.1.3.4 Clasificación de los electrolizadores según sus materiales de diseño. ------------------------------------------------------------------------------------------------ 22 2.1.3.5 Clasificación de los electrolizadores según la disposición y forma de conexión c onexión de los electrodos. e lectrodos. ------------------- 22 2.1.4 Selección del electrolizador. ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 23 2.1.5 Tipos de almacenamiento. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 26 26 2.1.5.1 Almacenamiento como un gas comprimido de un tanque. ---- 26 2.1.5.2 Almacenamiento como un hidruro de metal. ---------------------------------------------- 29 2.1.5.3 almacenamiento de hidrogeno en forma de Un líquido criogénico. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 29 2.1.5.4 Almacenamiento en nano fibras o nano tubos de carbono. --- 31 2.1.6 Materiales para el almacenamiento de hidrogeno. ------------------------------------------------ 32 2.2 BASES TEÓRICAS.------------------------TEÓRICAS.-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 33 2.3 DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS. ---------------------------------------------------------------------------------------- 37 2.4. HIPÓTESIS. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 39 2.5 SISTEMA DE VARIABLES.-------------------VARIABLES.-------------------------------------------------------------------------------------------------------- 40 40 CAPÍTULO III 3.1NIVEL DE LA INVESTIGACIÓN. INVE STIGACIÓN. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 41 3.2 DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN. -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 42 3.3 POBLACIÓN POBLACIÓN Y MUESTRA. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 43 3.4 TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS. ------------ 44 3.5 TÉCNICAS E INTRUMENTOS DE PROCESAMIENTO PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS DE DATOS.-------------DATOS.------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 45

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CAPÍTULO IV 4.1 RECURSOS NECESARIOS. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 46 4.2 CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES. --------------------------------------------------------------------------------------------------- 47 CONCLUSIÓN.---------------CONCLUSIÓN.--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 48 BIBLIOGRAFÍA. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 51 ANEXOS.-------------------------------------------------------------------------------------------- 55

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INTRODUCCIÓN. Las energías renovables son una nueva tendencia para la globalización de muchos países, es un fenómeno de evolución en la conducta del hombre para cambiar su entorno natural, es una iniciativa para la retención y erradicación del calentamiento global; las generación de energías eléctricas a través de diversos procesos como eólicos, mareomotrices, hidráulicas, etc. Está causando un impacto positivo en la sostenibilidad del planeta además de un estilo de vida para los humanos más eficiente, pero, en realidad no se han descubierto por completo las nuevas tendencias en la industria renovable principalmente en el campo del combustible fósil, es por eso que les presentamos una nueva expectativa del combustible fósil: El hidrógeno, el elemento más ligero de la naturaleza, así como el más abundante en el universo, totalizando más del 70% (revista galileu). Se encuentra en las estrellas jóvenes, en el polvo interestelar y en las enormes nubes de gas suspendidas en el espacio, pero la mayor parte de él se encuentra formando diversos compuestos químicos. Presenta muy baja solubilidad en líquidos, pero una alta solubilidad en metales, especialmente en paladio. En su forma atómica puede solubilizarse en metales dando lugar a compuestos con relación estequiométrica del tipo de aleaciones, o no estequiométrica del tipo de hidruros. El hidrógeno es un gas incoloro, inodoro, insípido, altamente flamable y no es tóxico. El hidrógeno se quema en el aire formando una llama azul pálido casi invisible. El hidrógeno es el más ligero de los gases conocidos en función a su bajo peso específico con relación al aire. Por esta razón, su manipulación requiere de cuidados especiales para evitar accidentes. El hidrógeno es particularmente propenso a fugas debido a su baja viscosidad y a su bajo peso molecular (peso molecular = 2,016 g/mol). Es un combustible con un alto contenido energético, que proporciona 28,7 kcal/g. de hidrógeno, frente a 11,9 kcal/g del gas natural, 10,8 kcal/g de la gasolina, 10,932 kcal/g del butano y 10,08 kcal/g del propano. Es el tercer elemento más común en la Tierra después del oxígeno y el silicio. El hidrógeno es el elemento más simple que conoce el hombre. Un átomo de hidrógeno tiene tan sólo un protón y un electrón y es el origen de toda la energía que proviene del sol. El sol es básicamente una bola gigante de gases de

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hidrógeno y helio. En un proceso llamado fusión, cuatro átomos de hidrógeno se combinan para formar un átomo de helio, liberando gran cantidad de energía en forma de radiación. Es almacenado como energía química en combustibles fósiles. El hidrógeno es un gas (H2), no obstante, no existe en forma natural en la tierra. Sólo se puede encontrar en forma compuesta. Combinado con oxígeno es agua (H2O), combinado con carbón es una forma orgánica tal como el metano (CH4), hulla, petróleo, entre otros. Se encuentra en todos los organismos crecientes (biomasa). La mayoría de esta energía que usamos hoy en día proviene de combustibles fósiles. Cada día utilizamos más energía y el hidrógeno es una de las energías portadoras más prometedoras del futuro. Es de alta eficiencia, produce baja polución, puede ser usado para transporte, calor y generadores de poder en lugares donde es difícil de usar electricidad. Mientras el hidrógeno no sea encontrado en manera natural, debe ser producido, es trabajo de los ingenieros preocuparse de su ambiente; parte de ello es un buscar alternativas de solución a problemas de nivel mundial como es el que presentamos en la actualidad a causa del uso desequilibrado de recursos no renovables. La contaminación por gases de dióxido de carbono (CO2) es un reloj cuenta atrás que anuncia el final o colapso total de la naturaleza, es misión de un ingeniero mecánico investigador aplicar sus conocimientos profesionales para el beneficio de la humanidad (económicamente, socialmente) y para el beneficio de sus alrededores, por consiguiente buscar alternativas de combustibles fósiles es uno de los avances con mayor relevancia en el ser humano, ya que involucra la evolución de la mentalidad socialista que incluye una conciencia ambiental de prosperidad y bienestar. Esto se puede traducir como una nueva revolución industrial donde la innovación y creación de alternativas para el beneficio de la naturaleza sea una prioridad al momento de investigar nuevos horizontes.

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CAPITULO I 1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA La situación energética actual se fundamenta en un modelo energético insostenible, ya que gran parte de la energía consumida proviene de fuentes no renovables, básicamente combustibles fósiles el carbón, el gas o el petróleo además de la energía nuclear. Si añadimos que cada año aumenta la población mundial y también el consumo energético, esto provoca que estas fuentes energéticas se agoten más rápidamente y no se pueda abastecer de energía suficiente a toda la población para mantener el nivel de vida de los paises desarrollados y los países emergentes. Todo esto lo que provoca es el encarecimiento del precio de las materias primas, que al final repercute en el precio final de la energía. Además también tienen otro gran problema, los gases contaminantes que generan al quemarse. Estos gases son perjudiciales para la salud, ya que son los causantes de numerosas enfermedades pulmonares. También provoca varios efectos negativos para el planeta, como son el efecto invernadero, el calentamiento global, el oscurecimiento global, la lluvia acida, etc., perjudiciales para la vida y el medio ambiente. Por eso, una de las soluciones a este problema pasa por utilizar un modelo energético sostenible, utilizando fuentes renovables de energía como la energía eólica, solar, mareomotriz, o el hidrogeno como combustible. Estas fuentes energéticas son inagotables y limpias, ya que no producen ningún tipo de contaminante ni residuo durante la generación de energía. Muchos países ya han empezado a apostar por las energías alternativas y se están haciendo investigaciones sobre estas mismas, pero todavía se sigue dependiendo de los combustibles fósiles y de la energía nuclear. Cuando hablamos del consumo de energía pensamos en la energía eléctrica, ya que es la principal energía que consumimos en el día a día. Pero no podemos olvidarnos de los vehículos. Estos también son principales consumidores de energía. En este caso de petróleo refinado, ya sea diésel o gasolina en vehículos 6

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terrestres, diesel-oil o fueloil en los barcos o queroseno en las aeronaves. Si tenemos en cuenta todos los vehículos existentes en el mundo, podemos observar que el consumo de petróleo no es poco. Y como hemos comentado antes, las reservas de petróleo se están agotando y además produce contaminación medioambiental. Llegar a un modelo energético sostenible no solo pasa por generar energía eléctrica con fuentes limpias, sino también por cambiar el modelo energético de los vehículos. Para la sociedad, los medios de transporte han significado una gran ayuda y de avance de la cual depende (Jones y Short, 1994), pero siendo este medio de gran ayuda para todos, las consecuencias de esta actividad no siempre son beneficiosas, puesto q generan externalidades negativas, siendo el humo el principal contaminante, dañando a las personas principalmente y generándoles costos adicionales por conceptos de salud. La Contaminación producida por el transporte público se debe al exceso de vehículos automotores, y por la quema de combustibles fósiles en especial la gasolina, el diésel, y el aceite, tan solo en la ciudad de Tuxtla Gutiérrez, Chiapas se tiene un registro de tres mil 700 taxis y 108 rutas de colectivo, indicó Fabián Estrada de Coss, secretario de Transportes a nivel estatal (el cuarto poder).

Los temas ambientales son muy delicados, muy complejos y en los últimos años han ganado la importancia merecida a nivel mundial. Ahora más que nunca se está analizando el impacto de las actividades humanas en el medio ambiente y como consecuencia de esto, en la salud de las personas.

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1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

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¿Será el hidrogeno un combustible tan eficiente como para sustituir a los hidrocarburos?



¿Los modelos actuales para la generación de hidrogeno son eficientes?



¿Cómo se debe construir un generador de hidrogeno seguro?



¿Para quién está dirigido este proyecto?



¿Qué tan eficiente seria esta nueva técnica?

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1.3 OBJETIVOS. Buscar soluciones de aplicación inmediata para reducir el consumo de combustibles fósiles. Hay que intentar reducir el consumo de petróleo hasta que en un futuro haya la tecnología suficiente para no depender de él. Por eso el objetivo es realizar un estudio y un diseño de un generador de hidrogeno, no para la producción de hidrogeno en cantidades industriales como será necesario en un futuro, sino un generador de pequeñas dimensiones y producción de hidrogeno reducida, para la aplicación en vehículos con motor de combustión interna. Con la energía eléctrica generada por el motor y la batería, se alimenta el generador de hidrogeno, que produce una cantidad pequeña de gas, que científicamente no sirve para mover el motor debido a una de las leyes de termodinámica, pero que si lo utilizamos junto con el combustible normal, (gasolina o gasoil) podemos obtener un ahorro de combustible de 10-15%. Además también mejoramos la combustión, reduciendo así los gases contaminantes que se producen (NO y CO2). Esta sería una posible medida para reducir el consumo de petróleo hasta el día en que la tecnología está suficientemente desarrollada y el modelo energético global sea sostenible y no dependa de los hidrocarburos. Trabajar con honestidad e imparcialidad y servir con dedicación a sus superiores, sus empleados, sus clientes y al público en general. En todo caso propenderá a la humanización del trabajo y a la creación de mejores instrumentos de vida y tratará a sus trabajadores con verdadera justicia social, con el finalidad de optimizar el área de trabajo; al mismo tiempo de mantener su honor y dignidad de su profesión.

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Objetivos específicos:



Estudiar las propiedades intimas del combustible para resguardar la integridad y manejo del combustible.



Diseñar un generador de hidrogeno eficiente para la implementación en vehículos con motores de combustión interna.



Estudiar los comportamientos que conlleva la interacción de los materiales para asignarles una respuesta y una justificación.



Manejar las sustancias químicas con responsabilidad resguardando la integridad de los presentes y la comunidad.



Difundir las propiedades del nuevo combustible propuesto.



Los resultados serán publicados en una revista técnica o expuestos ante una comunidad profesional.



Demostrar que la idea planteada es una buena propuesta para un financiamiento.



Al culminar la investigación el grupo de ingenieros deberá cooperar a la difusión, intercambio de información y experiencia con otros ingenieros para contribuir a la innovación del prototipo propuesto.

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1.4 JUSTIFICACION DE LA INVESTIGACION. Cuando algunas sustancias en el aire sobrepasan cierta cantidad o valor de referencia, usualmente expresada en unidades de concentración, éstas producen consecuencias adversas al hombre y al medio ambiente. La alteración de la composición del aire por la emisión de gases y partículas ha llegado hasta el punto de causar alteraciones climáticas a gran escala como el efecto invernadero y el agotamiento

del

ozono

estratosférico.

Otros

efectos

medioambientales

perjudiciales también son la lluvia ácida y el calentamiento global (como ya se había mencionado anteriormente). Una fuente de contaminación del aire es una actividad que aporta contaminantes a la atmósfera. Las fuentes de emisión de origen antrópico suelen dividirse para su estudio en fuentes móviles y fijas. Las primeras incluyen todas las formas de transporte y las segundas son las sustancias emitidas en procesos de transformación de materia prima, trituración, generación de vapor, centrales eléctricas entre otras. La definición e implementación de estrategias de prevención y control de las emisiones de partículas y/o gases en la ciudad de Tuxtla Gutiérrez permitirá contar con diagnósticos del ambiente para luego buscar soluciones medioambientales para posteriormente dar a conocer los avances en la ciencia investigada y crear una cultura de auto cuidado en las personas y de corrección de problemas de contaminación atmosférica que puedan llegar a presentarse y que afecten la salud de toda una comunidad, nación o continente. Por ello el llevar a cabo este proyecto es para investigar y dar a conocer alternativas de solución para los puntos donde se sitúa más esta problemática, siempre ejerciendo principios éticos para el beneficio y satisfacción de la naturaleza como prioridad, con fin de poner en

practicar la ética profesional de nuestra carrera evitando corrupción,

contratiempos, etc. Todo aquello que valla en contra de la humanidad del profesionista.

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1.5 LIMITACIONES. 1.5.1. Limitaciones de tiempo: Al decir esto nos referimos al lapso de tiempo que nos llevará culminar el proyecto, al igual si se podrá o no terminarlo. Porque se tiene un tiempo estimado, es decir una fecha limite por la cual no se sabe con certeza si este se podría concluir en su totalidad, eso es una limitante, ya que las investigaciones tiene que ser exactas y precisas de no ser así el proyecto no será verídico o no tendrá éxito. Porque tenemos que saber todo sobre sus antecedentes y lo que se espera en el futuro. 1.5.2. Limitaciones de recursos: En este caso sería la falta de recursos humanos o materiales que nos harían falta por ser muy limitantes. Ya que estos se ejecutarían al mismo tiempo en la elaboración de dicho proyecto. Esto nos afectaría al momento de hacer las encuestas porque al ser muy pocos no se podría hacer en el tiempo establecido que ya tenemos que entrevistar a todas aquella población de Tuxtla y son demasiadas para 6 personas por ello al no contar con más personas sería un obstáculo para avanzar en nuestro proyecto porque se invertiría mucho tiempo en hacer esa en cuesta con solo 6 personas. Por otra parte la falta de materiales es decir hojas y ese tipo de cosas atrasarían las encuestas y u na parte del proyecto. 1.5.3. Limitaciones económicas: En este se buscara en costo óptimo para ver si se puede llevar a cabo el proyecto y así saber si puede ser factible o lo contrario. Si este se puede se buscara el tiempo necesario para que se ponga en marcha. Uno de los principales obstáculos y limitantes es el dinero ya que este prácticamente servirá para realizar el prototipo, encuestas, búsqueda y al no contar con los suficientes recursos económicos el proyecto quedaría estancado o solo como una ilusión.

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CAPITULO II

2.1 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN. 2.1.1 Tipos de celda de combustible Para transformar hidrógeno en energía es común usar las celdas de combustible, estas celdas se componen de tres partes que son: ánodo, electrolito y cátodo, el hidrógeno ingresa por el lado del ánodo entrando en contacto con la capa de difusión de gas, la cual se encarga de ubicar homogéneamente el hidrógeno sobre la capa catalizadora, esta capa, normalmente de platino y carbono, se encarga de separar los protones de los electrones, estos últimos realizan el trabajo, mientras que los protones pasan por el electrolito. Por el cátodo está ingresando oxígeno proveniente del aire, uniéndose con el hidrógeno del ánodo y formando agua. Generalmente todas las celdas tienen el mismo principio (anexo ej. 1) pero existen varios tipos de celdas de combustible las cuales se describen a continuación.

2.1.1.1 Celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (CCMIP) son un tipo de celda que contiene una membrana, la cual es fabricada generalmente en un polímero conductor de protones, la membrana conduce los protones hacia el cátodo debido a la composición química de esta, pero los electrones se ven forzados a tomar otro camino, debido a que la membrana es construida en materiales aislantes, este otro camino puede ser el abastecimiento de energía, después de esto, los electrones que han viajado por el circuito externo y los protones empiezan a reaccionar con el oxígeno generando agua en forma de líquido o vapor, que son los residuos que genera este proceso químico.

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2.1.1.2 Las celdas de combustible de metanol directo (CCMD) Son una subcategoría de las celdas de intercambio de protones las cuales utilizan el metanol como combustible. Su principal ventaja es la facilidad de transporte del metanol, un líquido denso en el cual su energía es razonablemente estable en condiciones ambientales, pero tiene como desventaja que sus eficiencias son bajas comparadas con otro tipo de celdas de combustible. Los rangos de trabajo en este tipo de celdas están entre los 25W y los 5kW y las temperaturas de trabajo entre 90 y 120 °C.

2.1.1.3 Las celdas de combustible de carbonato fundido (CCCF) Son un tipo de celdas que usan sal de litio de carbonato potásico como electrolito a altas temperaturas (superiores a 600 °C).Esta sal se funde permitiendo el flujo de carga, siendo la carga los iones negativos del carbonato dentro de la celda. Este tipo de celda puede utilizar como combustible además de hidrógeno puro, gases como el gas natural, biogás y el gas producido a partir de carbón. El hidrógeno presente en estos gases reacciona con los iones de carbonato y se generan como residuos agua, dióxido de carbono y pequeñas cantidades de otros productos químicos. Los electrones viajan a través de un circuito externo generando electricidad y regresan al cátodo, allí el oxígeno reacciona con el aire y el dióxido de carbono que son enviados desde el cátodo para formar iones de carbonato y reponer el electrolito. La principal desventaja de este tipo de sistemas está en su corta vida útil, pues el electrolito de carbonato acelera la corrosión del ánodo y el cátodo acortando la durabilidad del sistema.

2.1.1.4 Las celdas de combustible de óxido sólido (CCOS) Son un tipo de celda en la cual el oxígeno cargado negativamente viaja del cátodo al ánodo y los iones de hidrógeno cargados positivamente viajan del ánodo al cátodo como en todos los demás tipo de celdas de combustible. Este tipo de celdas posee la ventaja de que el combustible utilizado no debe ser necesariamente hidrógeno puro, si no que puede ser un gas rico en hidrógeno como es el caso del metano, el butano y el propano, incluso es capaz de trabajar

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con hidrocarburos pesados como la gasolina y el diésel, pero con una reformación previa. Los residuos que genera este tipo de celda son agua, calor y energía eléctrica al igual que en los demás tipo de celda. Según el tipo de combustible que se utilice para su proceso puede generar dióxido de carbono CO2, pero sus emisiones son mucho menores comparadas con una planta de generación de energía eléctrica a partir de combustibles fósiles. Los rangos de operación de este tipo de celdas son de 100W a los 2MW y sus temperaturas de operación están entre los 800 y los 1000 °C.

2.1.2 Obtención de hidrógeno El hidrógeno hoy en día se ha convertido en una de las principales fuentes de estudio, referentes a las formas de energía alternativas, se están investigando a gran escala la forma más eficiente de obtenerlo, su gran potencial se debe a que es un elemento abundante, sin embargo no es posible encontrarlo libre. Su molécula más sencilla es el hidrógeno diatómico, en la tierra tampoco se encuentra esta forma elemental del hidrógeno, pero se le puede obtener a partir del agua o los hidrocarburos, después de realizar ciertos procesos eléctricos, térmicos, químicos o bioquímicos. La obtención del hidrógeno se puede clasificar dependiendo del tipo de energía utilizada en el proceso, eléctrica, térmica, fotónica y bioquímica. Dentro de esta clasificación encontramos diversas maneras de obtener el hidrógeno como lo son: 

Energía eléctrica:

- Electrólisis (agua) - Descomposición de gas natural por arco de plasma



Energía térmica:

- Termólisis - Termo catálisis - Proceso termoquímico: o Conversión de biomasa o División de agua o Gasificación

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o Reformación de metano



Energía fotónica:

- PV-electrólisis (agua) - Foto-catálisis (agua) - Método foto-electro -químico (agua) - Bio-fotolisis (agua)



Energía bioquímica:- Fermentación oscura (biomasa) - Enzimática (agua)

2.1.2.1 Electrólisis El proceso consta de dos electrodos que están conectados a un flujo de energía eléctrica y sumergidos en una solución (comúnmente agua), el que está conectado al polo positivo es conocido como ánodo y el conectado al polo negativo como cátodo, cada electrodo atrae a los iones opuestos, así el ánodo atrae a los iones negativos y es el lugar donde aparece el oxígeno, mientras que en el cátodo se atraen a los positivos haciendo que el hidrógeno aparezca allí.(anexo ej.2) Algunos aspectos importantes a tener en cuenta son: Nunca deben unirse los electrodos, ya que la corriente eléctrica no va a realizar



el recorrido correcto y por lo tanto la batería se sobrecalentará y quemará. Siempre debe utilizarse corriente continua como por ejemplo energía de



baterías o de adaptadores de corriente, nunca corriente alterna como la energía obtenida del enchufe de la red. La electrólisis debe hacerse de tal manera que los dos gases desprendidos no



entren en contacto, de lo contrario producirían una mezcla peligrosamente

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explosiva ya que el oxígeno y el hidrógeno resultantes se encuentran en proporción estequiométrica. Una manera de producir agua otra vez, es mediante la exposición a un



catalizador. El más común es el calor, aunque existen otros como el platino en forma de lana fina o polvo, en este caso debe hacerse con mucho cuidado, incorporando cantidades pequeñas de hidrógeno en presencia de oxígeno y el catalizador, de manera que el hidrógeno se queme suavemente, produciendo una llama tenue, de lo contrario podría ocurrir un accidente. El parámetro para ingresar a un catálogo y seleccionar el electrolizador



adecuado es únicamente el flujo volumétrico de hidrógeno deseado a la salida del sistema.

2.1.2.2 Descomposición de gas natural por arco de plasma Para este método se utiliza un reactor el cual está compuesto de 3 electrodos y plasma inyectado, el plasma se utiliza en estado ionizado, en donde sus electrones 20 se encuentran en estado excitado y es utilizado como medio de alto voltaje para la descarga de corriente eléctrica. Se utiliza como fuente de hidrógeno al gas natural, el cual está compuesto básicamente por metano, cuando se hace fluir el metano a través del arco de plasma ionizado, debido a la excitación de los electrones, este se disocia en hidrógeno y carbono negro, el hidrógeno permanece en su estado gaseoso mientras que el carbono se solidifica en forma de hollín.

2.1.2.3 Termólisis Es el proceso por el cual un compuesto se divide en dos o más componentes debido a un considerable aumento de temperatura, en el caso del agua, se encuentra que el proceso de disociación se presenta a partir de los 2500 K, temperatura en la cual se permite una disociación de poco más del 4% a presión atmosférica. Este proceso es reversible, por lo tanto, para no perder el hidrógeno obtenido se debe realizar un enfriamiento para detener la reacción química, este enfriamiento no debe tardar más de unos cuantos milisegundos, este se realiza

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con la ayuda de un gas auxiliar que se encuentra entre los 400 a 450 K y no es reactivo con el hidrógeno, pues de lo contrario se podría perder gran cantidad del hidrógeno.

2.1.2.4 Termo catálisis En vista de la limitación de los materiales existentes hoy en día para la realización de la termólisis, debido a las altas temperaturas involucradas, existe la posibilidad de utilizar catalizadores para disminuir las temperaturas de disociación, utilizando hilos metálicos como catalizador, se observa una disociación del hidrógeno a temperaturas de 1600 K, la descomposición del agua se aprecia en porcentajes menores, pero esto se ve compensado en el aumento en la tasa de reacción debido al catalizador.

2.1.2.5 Reformado Este proceso consiste en la reacción de un hidrocarburo con el vapor de agua, básicamente lo que se hace es exponer el hidrocarburo, generalmente metano, con vapor de agua a unas condiciones de presión entre 3 y 25 bares y temperatura entre 700 y 900 °C, generando varias reacciones químicas que arrojan como resultados hidrógeno y dióxido de carbono, debido a la gran cantidad de energía involucrada en el proceso, es generalmente utilizado para la producción a gran escala. En algunos casos la pureza del hidrógeno no es muy buena, por el contenido de azufre presente en el hidrocarburo.

2.1.2.6 Gasificación Es un proceso termoquímico en el cual mediante varias reacciones químicas, se logra obtener hidrógeno a partir de la biomasa y vapor de agua o aire, como resultado de estas reacciones químicas se obtienen principalmente hidrógeno y 21 monóxido de carbono, pero también otros productos en cantidades menores como lo son el dióxido de carbono, el metano y otros hidrocarburos, el principal impedimento en el proceso es el factor económico, pues el consumo energético involucrado es demasiado alto, lo que lleva su uso básicamente a laboratorios.

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2.1.2.7 Bio-fotólisis También conocido como foto disociación biológica del agua, este proceso trata de exponer micro algas o cianobacterias a la luz del sol, las cuales transforman el agua en hidrógeno y oxígeno, hoy en día no es muy viable este proceso, debido a su bajo ritmo de producción, pero se está estudiando mucho acerca de este método, por su gran potencial y bajo consumo energético para la producción del hidrógeno. Se está haciendo énfasis en encontrar un tipo de organismo adecuado para aumentar la eficiencia de la producción de hidrógeno.

2.1.2.8 Fermentación oscura El aprovechamiento energético de residuos por métodos biológicos, se suele vincular a la producción de metano en procesos de digestión anaerobia. Sin embargo, existen procesos biológicos, como la denominada fermentación oscura, que permiten obtener hidrógeno en lugar de metano como subproducto final de la conversión anaerobia de la materia orgánica. Este proceso se logra gracias a microorganismos anaerobios (que no utilizan oxígeno) los cuales digieren los residuos para obtener energía química generando como producto hidrógeno.

2.1.3 Estado actual del diseño de electrolizadores Un electrolizador es básicamente un aparato en el cual se realiza la electrólisis, y de este modo se puede obtener hidrógeno, se compone de un ánodo, un cátodo, una fuente de alimentación y un electrolito. Un flujo directo de corriente continua se aplica para que la electricidad fluya desde el terminal negativo de la fuente de corriente continua al cátodo, lugar en donde los electrones son consumidos por los iones de hidrógeno (protones) para formar hidrógeno, para mantener la carga eléctrica en equilibrio los iones de hidróxido se transfieren a través de la solución electrolítica al ánodo, donde los electrones regresan a la terminal positiva de la fuente de corriente continua.

2.1.3.1 Materiales

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Algunos aspectos importantes a tener en cuenta al momento de construir un electrolizador son los materiales en la construcción del ánodo, cátodo, separador y la eficiencia del electrolizador. El ánodo es el encargado de recolectar el oxígeno obtenido de la separación del agua por lo que es el sitio donde se podría presentar corrosión, dificultando su trabajo y disminuyendo la eficiencia del sistema completo, debido a esto, los materiales para esta pieza son especiales, al igual que el método de obtenerlos. La gama de materiales que se desarrollan como ánodos es muy amplia, sin embargo es posible agruparlos en: - Óxidos con diferentes características estructurales como espinelas, ferritas, entre otros. Aleaciones de níquel o cobalto. - Compuestos orgánicos metálicos. - Materiales aislados. El níquel y el cobalto forman parte de una gran mayoría de estos materiales y en muchos casos estos elementos son los mayoritarios en la composición del material. La técnica más utilizada para la obtención de estos materiales anódicos es el tratamiento térmico. El separador es el encargado de aislar el ánodo del cátodo, usualmente construido a base de asbesto que sigue siendo el componente principal, combinado con otro material como níquel, para mejorar las propiedades mecánicas o el titanato de 23 potasio que mejora las propiedades como intercambiador iónico, al igual que el ácido poliantimónico y el óxido de circonio. También se han propuesto otros materiales más novedosos como una placa de metal poroso o una malla de níquel recubierta con cerámica que permita el paso del hidrógeno, pero no el de las burbujas de los gases con un diámetro mayor. El cátodo, otra parte de este sistema también debe ir construido de materiales especiales para disminuir el sobre potencial que se presenta al reaccionar con el hidrógeno. Existen muy diversos materiales que se están desarrollando como cátodos, pero en su mayoría, el níquel y el cobalto son elementos presentes en su constitución y en muchos casos son componentes principales de estos materiales. Para la obtención de estos materiales se utilizan distintas técnicas, complejas, de difícil o fácil alcance. Se observa que la electrolisis es una técnica bastante utilizada en la producción de estos materiales, por lo que esta técnica se vislumbra a escala industrial con grandes perspectivas para lograr la producción de estos materiales

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2.1.3.2 Eficiencia La eficiencia es un factor importante en el desarrollo de un electrolizador, el aumento de esta eficiencia depende de dos factores, primero, una disminución del voltaje de la celda, que es el mayor costo de la producción de hidrógeno, y segundo, un aumento en la densidad de la corriente por encima de los valores normalmente usados en los electrolizadores comunes, pero estas dos opciones se contraponen, ya que por ejemplo, para un aumento de la densidad de la corriente, necesariamente debe existir un aumento en el voltaje del sistema, por lo que se debe entrar a encontrar un punto de mejor operación en donde el electrolizador trabaje de la mejor manera posible. Para esto se debe tener en cuenta que el potencial eléctrico debe ser mayor al potencial termodinámico, para que el proceso ocurra, este potencial se representa en la resistencia que el sistema interpone al paso de corriente eléctrica, resistencia que se presenta debido a los electrodos, la solución y el separador, esto significa que, para un mayor aumento de la eficiencia, debe reducirse el potencial aplicado al sistema, lo que se logra disminuyendo la resistencia de los componentes anteriormente señalados, esto se puede ver mejor en la siguiente ecuación. Eaplic = Et + ηc + ηa + ηsoln + ηsep (1)

Ecuación 1. Cálculo de la eficiencia de un electrolizador 

Et: voltaje termodinámico o reversible de la celda que depende de la reacción que ocurre en el electrodo.



ηc y ηa: sobre potenciales catódico y anódico y son proporcionales a la energía eléctrica adicional necesaria para que ocurra el proceso de transferencia a una velocidad dada.



ηsoln: resistencia eléctrica del electrolito o solución, que depende además de la geometría de los electrodos.



ηsep: resistencia eléctrica del diafragma o separador.



Para obtener un 100% de eficiencia, la suma de todos los η n o debe ser mayor que 0,25 V.

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2.1.3.3 Clasificación de los electrolizadores. Debido a que existe gran variedad de electrolizadores, es posible clasificarlos de diferentes maneras, a continuación se muestran las principales.

2.1.3.4 Clasificación de los electrolizadores según sus materiales de diseño Según los materiales de diseño del electrolizador, estos se pueden clasificar en alcalinos y PEM (membrana de intercambio de protones) Los electrolizadores alcalinos son más económicos y duraderos, pueden trabajar con presiones de hasta 25 bares, los PEM son más compactos que los alcalinos, pueden trabajar con presiones de varios cientos de bares, manejan densidades de corriente elevadas y su diseño aumenta la vida útil de las membranas.

2.1.3.5 Clasificación de los electrolizadores según la disposición y forma de conexión de los electrodos. Los electrolizadores también pueden clasificarse por la forma en cómo están dispuestos los electrodos, ya que pueden presentar diferencias en su forma constructiva, a continuación se describen los más representativos. Los electrolizadores de célula también son llamados electrolizadores mono polares, cada célula que contiene el electrolizador contiene su respectivo cátodo y ánodo, con el espacio necesario para el electrolito, separados por un diafragma que suele ser una bolsa que rodea el electrodo, por lo que dispone de doble diafragma, las células están conectadas en paralelo en este tipo de electrolizador, el hidrógeno y el oxígeno se recogen en tanques o módulos conectados a los espacios catódico y anódico respectivamente. Los electrolizadores filtro-prensa también son llamados electrolizadores bipolares, los electrodos están conectados en serie y funcionan como ánodo por un lado y cátodo por el otro, posee un diafragma entre cada par de láminas, este tipo de electrolizador es más eficiente en muchos aspectos respecto a los tipo célula, ocupa menos espacio para una misma capacidad, la pureza del hidrógeno es ligeramente más alta y el rendimiento energético es mayor, también su temperatura y presión de operación suelen ser

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más elevadas que en uno tipo célula, por estas razones son más cotosos los tipo filtro-prensa

2.1.4 Selección del electrolizador El electrolizador que se va a diseñar en este proyecto es el de membrana de intercambio de protones, ya que presenta ventajas como su alta eficiencia debido a las altas densidades de corriente que soporta, las elevadas presiones comparadas con las de los demás tipos de electrolizador pueden trabajar y su facilidad de construcción. El desarrollo de las membranas está limitado debido a su alto costo de fabricación, gracias al costo de los metales como el cobre incluido en los electrodos y la membrana de intercambio de protones. Estos electrodos cuestas alrededor de US$200/m3 de hidrógeno producido para una corriente de un amperio por centímetro cuadrado y US$200/m2 (para una membrana de Nafion). Estos son algunos de los limitantes, aunque se espera una reducción en el costo de este tipo de membranas a unos US$50/m3 de hidrógeno producido a una corriente de 1 amperio por centímetro cuadrado. La electricidad necesaria para generar hidrógeno por medio de un electrolizador PEM llega a representar el 70% del costo de producción de este producto. Además, su vida útil es en general de unos 5 años, por lo que avanzar en estos dos puntos 26 puede generar una reducción importante al momento de pensar en la producción en masa. Debido a todo esto, es más común ver este tipo de electrolizadores produciendo pequeñas cantidades de hidrógeno, ideal para un laboratorio. La actividad de una composición con 40-50% de dióxido de Rutenio (RuO2) es comparable a la actividad del dióxido de Iridio (IrO2) puro y los parámetros de rendimiento de la electrolisis con RuO2 (30%) IrO2 (32%) y dióxido de Estaño (SnO2) (38%) para un ánodo electrocatalizador con una cara de platino de 0,8 mg/cm2 es muy similar a los parámetros de rendimiento de la electrolisis con un ánodo electrolizado con iridio en una concentración de 2 a 2,4 mg/cm2 .Experimentos realizados por el Instituto

Kurchatov

demostraron

también

que

los

electrolizadores

con

catalizadores de Paladio en el cátodo dieron como resultados: Consumo de energía 3,9-4,1 kW-h/m3 de hidrógeno a 1 amperio por centímetro cuadrado,

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voltaje de celda 1,68 V a 1,72V, temperatura 90 °C, pureza de hidrógeno más de 99,98%, presión de trabajo hasta 30 bar, carga de metales nobles es de 0,3-1,0 mg/cm2 en el cátodo y el ánodo en 1,5-2 ,0 mg/cm2 , tiempo de operación hasta 10000 horas. Sin embargo, debido al alto costo que puede tener este tipo de materiales, se optó por electrodos de cobre, que gracias a sus propiedades físicas, como su alta conductividad y su resistencia a altas temperaturas lo hace un material idóneo para este proyecto. El desarrollo de electrolizadores que operan a una presión de hasta 30 bares ha generado gran interés, investigaciones compararon las características voltiampéricas en electrolizadores a esta presión y a presión atmosférica encontrando resultados como la reducción de la sobretensión en el ánodo, además, para una corriente de funcionamiento de 2 A/cm2 el voltaje de la electrolisis disminuyo entre 70 a 80 mV además de esto el aumento de presión permite un aumento de la temperatura hasta por encima de los 120 °C; presentando una reducción de la resistencia en la membrana. Para una presión de 25 bares y una corriente de 1 A/cm2 , la tensión de la celda fue de 1,65 voltios, también se demostró con la investigación realizada por el Instituto Kurchatov que la burbuja de gas generada durante la electrolisis se reduce, mejorando el contacto entre la capa catalítica y el colector de corriente además de que aumenta la facilidad para transportar el hidrógeno producido. En la siguiente figura se muestra el esquema general de un electrolizador PEM. Entre los diferentes tipos de electrolizadores, los PEM son los que ofrecen mejores eficiencias, además de la ventaja de poder obtener los gases (hidrógeno y oxígeno) comprimidos directamente del electrolizador, como ya se ha mencionado anteriormente su gran desventaja es el costo, por este motivo su comercialización ha sido en muy baja escala y se han utilizado principalmente para aplicaciones de laboratorio. En cuanto al diseño, factores como la geometría del electrolizador tiene mucha influencia, se encuentran electrolizadores cuadrados rectangulares y circulares, siendo estos últimos los mejores en cuanto al manejo de presiones, además de que ayuda a controlar la acumulación de gases, como la que se presenta en los vértices del electrolizador en el caso de los de forma geométrica cuadrada o rectangular. Se han realizado algunos

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experimentos con electrolizadores PEM en los cuales se observó que con el aumento de presión en el electrolizador no hay una gran variación en el rendimiento electroquímico, sin embargo en la eficiencia eléctrica si se obtuvieron cambios importantes, debido a la disminución de la resistencia óhmica, la cual en una conexión en serie disminuyó de 1,7 a 0,7 Ω cm2 , por lo tanto se requiere menos consumo de energía eléctrica y esto eleva la eficiencia del electrolizador. Para la construcción del electrolizador se necesita seleccionar empaques de sellado para los gases obtenidos del proceso, electrodos, materiales y geometría adecuados para el ánodo y el cátodo, el respectivo catalizador que requiere la 28 membrana de intercambio de protones, así como parámetros de funcionamiento tales como presión y temperatura con las cuales va a trabajar el sistema. El electrolito a utilizar en este electrolizador será una membrana de intercambio de protones (PEM) de nafion, que es un derivado del teflón y que tiene la estructura. Este material es muy utilizado en estas aplicaciones debido a su gran estabilidad química y térmica, los poros que este material posee permite el paso de los protones, mas no de los electrones, quienes deben viajar por un circuito externo y encontrarse con los protones para formar hidrógeno al otro lado de la membrana. Para el correcto funcionamiento de todo el dispositivo, la membrana debe mantenerse humedecida siempre, ya que esta absorbe el agua y debido a su estructura química no permite el paso de los iones negativos, mientras que los iones positivos pueden cruzar llevando la carga positiva del ánodo al cátodo. Por lo que la conductividad iónica del nafion aumenta a medida que lo hace la humedad relativa, mas no con el incremento de temperatura, ya que a temperaturas superiores a 80°C o 90°C no es capaz de retener agua, por lo que este valor se vuelve un factor importante a la hora de diseñar electrolizadores PEM . La parte encargada de distribuir de manera correcta los gases sobre los electrodos se llama difusor de gas, y su objetivo principal es que el gas entre en contacto con toda la superficie de estos optimizando al máximo el proceso, están hechas de una tela de grafito porosa. Otra parte esencial en la construcción son las placas bipolares, las cuales tienen como tarea distribuir correctamente el agua sobre los difusores de gas, deben ser construidas de un material ligero, fuerte,

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conductor de electrones e impermeable al gas. Entre los materiales están el grafito y distintos metales, pero la mayor dificultad es el mecanizado de estas piezas, ya que no se pueden permitir fugas de hidrógeno, tarea difícil ya que este gas es muy volátil, por lo tanto, se opta por el uso de empaques que mejoren la impermeabilidad del sistema. Estas placas tienen unos canales que distribuyen el agua sobre toda la superficie del difusor de gas y permiten recolectar el hidrógeno al otro extremo.

2.1.5 Tipos de almacenamiento 2.1.5.1 Almacenamiento como un gas comprimido en un tanque Este tipo de almacenamiento es la más sencilla y común para una pequeña cantidad de gas. En la tabla 3 se comparan dos sistemas de almacenamiento de hidrógeno presurizado. El primero es un cilindro estándar de aleación de acero de 200 bar. El segundo es para ampliar la escala de almacenamiento de hidrógeno para el uso por ejemplo en un autobús. Estos tanques están construidos con un forro de aluminio de 6 mm, alrededor del cual se envuelve un compuesto de fibra de aramida y resina epóxica. Este material tiene una elevada ductilidad. La presión de rotura es de 1200 bar, aunque la presión máxima utilizada es 300 bar. El sistema de almacenamiento a gran escala es mucho más eficiente. Sin embargo, esto es un poco engañoso. Estos tanques son de gran tamaño pero son necesarios varios de ellos para alimentar un motor. En un experimento donde un bus utilizó hidrógeno para alimentar su motor de combustión interna, 13 de estos tanques fueron montados en el techo. La masa total de los tanques, más la estructura que se utilizó para ensamblar los tanques al techo fue de 2550 kg o 196 kg por tanque. Esto hace que caiga la eficiencia de almacenamiento del sistema a un 1,6%, lo que significa que el 1,6% del peso total del sistema es hidrógeno, por lo que su eficiencia no es muy diferente de la del cilindro de acero. Otro punto a considerar es que en ambos sistemas se han ignorado el peso de las válvulas de conexión, y de cualquier reducción de presión o reguladores. Para el sistema del cilindro de acero de 2 litros, solo sería añadir aproximadamente 2,15 kg a la masa del sistema, y reducir la eficiencia de almacenamiento a 0,7%.

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El primero es un cilindro de acero convencional y el segundo un tanque más grande complejo para su uso en un autobús impulsado por hidrógeno. La razón de la baja masa de hidrógeno almacenado, incluso a tales presiones tan altas, es 37 debido a su baja densidad. La densidad de gas hidrógeno a condiciones estándar de presión y temperatura es 0,084 kg/m3 , en comparación al aire, que es aproximadamente 1,2 kg/m3 . Por lo general, menos del 2% de la masa del sistema de almacenamiento es en realidad hidrógeno. El hidrógeno a alta presión se utiliza principalmente en cantidades bastante pequeñas y tiene que ser transportado con mucho cuidado, esto tiende a ser muy costoso debido a la depreciación de los cilindros, la administración y costo de las válvulas reductoras de presión y así sucesivamente, por lo que el costo se aprecia alrededor de US$ 2,2/g, esto corresponde a cerca de US$125/kWh de electricidad a partir de una celda de combustible de la eficiencia del 45%. Esto es absurdamente caro en comparación a la red eléctrica, pero es considerablemente más barato que el costo de la electricidad desde baterías y pilas. La selección del metal que el recipiente de presión usa es de extremo cuidado, el hidrógeno es una molécula muy pequeña, de alta velocidad, y por lo tanto es capaz de difundirse en materiales que son impermeables a otros gases. Esto se agrava por el hecho de que una pequeña fracción de molécula de gas de hidrógeno se puede disociar en la superficie del material, pudiendo afectar el rendimiento mecánico de los materiales, acumulándose en ampollas internas, agrietando la pared del tanque. En los metales carbonosos tales como el acero el hidrógeno puede reaccionar con el carbono formando burbujas atrapadas de metano (CH4). La presión del gas en los huecos internos puede generar una tensión interna lo suficientemente alta para generar fisuras, grietas, o una ampolla de acero. El fenómeno es bien conocido y se denomina fragilización por hidrógeno. Algunas aleaciones ricas en cromo y molibdeno Cr-Mo, se han encontrado que son resistentes a la fragilización por hidrógeno. Materiales compuestos reforzados con plásticos se utilizan también para tanques más grandes, como se ha descrito anteriormente. Además del problema de la gran diferencia de masa entre el sistema de almacenamiento

y

el

hidrógeno

almacenado,

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hay

también

problemas

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considerables de seguridad asociados con el almacenamiento de hidrógeno a alta presión. Una fuga del cilindro haría generar fuerzas muy grandes al momento que el gas es lanzado hacia fuera, pudiendo convertir estos tanques en torpedos generando grandes daños. Además, esta fractura es comúnmente acompañada de una autoignición producida por la mezcla del hidrógeno y el aire, que dura hasta que el contenido del tanque se consuma por completo. No obstante, este método es ampliamente utilizado y de forma segura, siempre que los problemas de seguridad, especialmente aquellos asociados con la alta presión, se eviten mediante el seguimiento de los procedimientos correctamente. Las principales ventajas de almacenamiento de hidrógeno como un gas comprimido son: • Simplicidad. • El tiempo de almacenamiento por tiempo indefinido. • No hay límites de pureza en el hidrógeno. • Es el método más utilizado en lugares donde la demanda de hidrógeno es variable y no tan alta. También se utiliza para autobuses, tanto para las celdas de combustible como para los motores de combustión interna. • Es muy adecuado para almacenar el hidrógeno a partir de electrolizadores que se ejecutan en momentos de exceso suministro de electricidad.

2.1.5.2 Almacenamiento como un hidruro de metal Un hidruro es un compuesto formado por hidrógeno y un elemento metálico, los hidruros son los métodos de almacenamiento con mayor capacidad (6,5 átomos_H2/cm3 para MgH2) para gas hidrógeno (0,99 átomos_H2/cm3 ) y para hidrógeno líquido (4,2 átomos_H2/cm3 ), por lo que este tipo de almacenamiento se convierte en el método más potencial para grandes cantidades de hidrógeno, sin embargo, el rendimiento del sistema en la carga y la descarga de hidrógeno depende de la transferencia de calor, haciéndose necesario incluir como parte del

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diseño intercambiadores de calor para acelerar la absorción y expulsión del hidrógeno, investigaciones mostraron que cuando el intercambiador se utiliza, los tiempos de carga y descarga se reducen considerablemente. Un modelo mostró que un buen diseño optimiza el proceso en un 80% en el tiempo de almacenamiento, equipando el intercambiador de calor con aletas y con un fluido de enfriamiento, además se encontró que el uso de estas aletas tiene un impacto en la presión interna dentro del depósito cuando la demanda de hidrógeno se hace de manera periódica. El gran inconveniente de este sistema es que el tiempo de carga y descarga del hidrógeno en el metal puede mejorarse pero sus efectos son visibles en la parte superficial del material, cuando se profundiza en este el tiempo de absorción se aumenta disminuyendo su rendimiento.

2.1.5.3 Almacenamiento del hidrógeno en forma de un líquido criogénico Este tipo de almacenamiento también es llamado LH2 (hidrógeno líquido), en la actualidad es el método utilizado para almacenar grandes cantidades de hidrógeno, consiste en enfría el hidrógeno hasta una temperatura aproximada de 22 K (-251 °C), temperatura mucho menor de 123 K (150°C) temperatura a partir de la cual una sustancia se denomina en estado criogénico. Para almacenar el hidrógeno se utiliza un recipiente vacío, fuertemente reforzado, la presión en el depósito se mantiene normalmente por debajo de los 3 bar, pero se podrían tener presiones mayores dependiendo de las características del tanque utilizado. El abastecimiento desde el depósito hacia el lugar requerido se realiza mediante 39 evaporación, el hidrógeno se va evaporando lentamente dentro del contenedor, cuando la evaporación del hidrógeno supera la demanda se utilizan sistemas de ventilación para asegurar que la presión en el tanque no suba demasiado, lo que podría ocasionar graves daños. Para problemas de sobrepresión también se suelen utilizar válvulas que permiten el escape del hidrógeno a la atmósfera en pequeñas cantidades, pero para sistemas demasiado grandes se pasa el hidrógeno por un quemador en el cual eventualmente es quemado como medida de seguridad para evitar incendios o explosiones. Antes de realizar el llenado del tanque con hidrógeno se debe asegurar que no haya aire en el sistema ni que

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haya posibles filtraciones, ya que se podría formar una mezcla explosiva lo que es altamente peligroso, para evitar esto el tanque se purga con nitrógeno previamente. Como ya se mencionó este tipo de almacenamiento es utilizado para grandes cantidades, sin embargo se ha hecho una gran inversión en diseño y desarrollo de tanques para vehículos, aunque en este tipo de aplicaciones no se han utilizado las celdas de combustible como medio para la generación de energía a partir del hidrógeno, si no que se ha invertido mucho en el desarrollo de motores de combustión interna para el hidrógeno, como es el caso de Bayerische Motoren Werke BMW, quien ha realizado algunas pruebas con este tipo de sistema, bajo condiciones de seguridad muy estrictas. El problema de utilizar este tipo de almacenamiento para abastecer una celda de combustible es que necesariamente el hidrógeno tendrá que ser un gas al entrar a la celda, lo que podría implicar un calentamiento previo del mismo, lo que significa una disminución en la eficiencia del sistema, pero se ha tratado de solucionar utilizando el mismo calor expulsado por la celda para realizar este precalentamiento con la ayuda de intercambiadores de calor. El principal problema con el hidrógeno criogénico es que el proceso de licuefacción tiene un alto consumo energético ya que hay varias etapas involucradas en este proceso. Primero el gas es comprimido y en este estado se temperatura se baja hasta aproximadamente 78 K (-195°C) utilizando nitrógeno líquido. Luego mediante una turbina se realiza un proceso de expansión lo cual se aprovecha para bajar aún más la temperatura del hidrógeno. Según estudios realizados por un importante productor de hidrógeno en el mejor de los casos la energía utilizada para licuar el hidrógeno es de aproximadamente el 25% del poder calorífico del hidrógeno, y debido a los demás procesos que entran para poder obtener la energía y las eficiencias que se manejan en cada uno de estos, hace que este tipo de almacenamiento de hidrógeno sea muy ineficiente [26]. Hay otro tipo de problemas que se presentan con el almacenamiento criogénico, como lo son el peligro con de congelación, debido a que el hidrógeno criogénico estará inevitablemente cerca de las personas el contacto con este o con cualquier tipo de superficie criogénica, generaría el congelamiento inmediato de la piel, lo 40 cual

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sería extremadamente peligroso, por lo cual todo el sistema de tubos y demás que intervienen en el sistema deben estar muy bien aislados. Otro motivo por el cual se debe aislar es que el aire exterior al entrar en contacto con la superficie criogénica se condensaría, y si este aire líquido entra en contacto con algún tipo de combustible esto podría generar una explosión, además de que el aire líquido es altamente inflamable. Sin embargo una clara ventaja de este tipo de almacenamiento respecto al almacenamiento en tanques a presión es que en caso de un fallo en el tanque el hidrógeno tendería a quedarse en el mismo lugar, lo que se podría aprovechar para evitar explosiones o incendios.

2.1.5.4. Almacenamiento en nano fibras o nano tubos de carbono. Este tipo de almacenamiento consiste en utilizar nano fibras o nano tubos de carbono los cuales absorberán el hidrógeno, su principal ventaja es que el hidrógeno almacenado estarían en condiciones de presión y temperatura ambiente lo que podría ser una gran ventaja, sin embargo grandes discusiones se han dado acerca de la viabilidad de este tipo de almacenamiento ya que investigaciones y resultados experimentales realizados inicialmente sugerían que las nano fibras de grafito podían absorber un exceso del 67% de hidrógeno, lo que daría una impresionante eficiencia a este tipo de almacenamiento. Después de la publicación de estos resultados muchos grupos de investigación se dedicaron a comprobar la veracidad de estos resultados pero no pudieron ni acercarse a los resultados esperados, los mejores resultados obtenidos en estos experimentos fue del 6,5% del peso total del sistema en hidrógeno. Investigaciones posteriores trataban de encontrar el porqué de los resultados iniciales y se llegó a la conclusión de que las nano fibras evaluadas en estos experimentos poseían vapor de agua lo que habría alterado los resultados de las mediciones. Con los porcentajes de peso de hidrógeno para un sistema alcanzados en la actualidad no es muy viable este tipo de almacenamiento, pues la producción de las nano fibras de carbono no es muy económica. El método principal para la producción de los nano tubos es a través de arcos eléctricos establecidos entre dos electrodos, pero también existen métodos de alta tecnología mediante los cuales se pueden

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producir, como lo son la ablación por láser, y la deposición de vapor químico, pero el gran problema es el alto costo que conllevan estos métodos. Las dimensiones de las nano fibras se encuentras entre 50 a 1000 nm de longitud y 1 a 5 nm de diámetro, las estructuras esenciales de estas nano fibras se encuentran en la siguiente figura Debido a las grandes variaciones arrojadas por los resultados experimentales en cuanto a la eficiencia de este tipo de almacenamiento de hidrógeno, hace incierta la viabilidad de este proceso, sin embargo hay que tener en cuenta que es un método que se encuentra en pleno desarrollo.

2.1.6 Materiales para el almacenamiento del hidrógeno Cleveland State University (Universidad Estatal de Cleveland) realizó estudios acerca de uno de los materiales que se está usando actualmente, es una aleación nano-estructurada continua tridimensional de metal, se cree que su área superficial aumentará bastante y por lo tanto la capacidad de absorción, debido a su forma tridimensional, para este diseño se están usando materiales porosos, como la zeolita. También University of Missouri-Columbia Pacific North West National Laboratory (la Universidad de Missouri-Columbia, Laboratorio Nacional del Pacífico noreste) estuvo en una investigación en busca de un nuevo material para el almacenamiento del hidrógeno, encontrando un clatrato como una posible solución a este problema. Un clatrato es una sustancia química formada por una red de un determinado tipo de molécula, que atrapa y retiene a un segundo tipo diferente de molécula en su interior. En este caso el clatrato está formado de un cáliz arenoso que en su estructura forma vacios en su interior, además, no presenta reacciones con el hidrógeno, y solo requiere un leve cambio en la temperatura para que libere el hidrógeno, por lo que solo se necesita una pequeña cantidad de energía. (Anexo ej., 3 generalidades de un almacenamiento)

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2.2 BASES TEORICAS. La naturaleza del agua ha sido durante mucho tiempo un enigma. Desde la antigüedad se considerada una sustancia elemental, hasta que su compuesto fue probado durante el siglo XVIII. En 1781, el químico británico Joseph Priestley (1733-1804) señaló que cuando el “gas inflamable ‘(nuestro hidrógeno) la quema en el aire, se puede observar la aparición una especie de “rocío”. Su compatriota Henry Cavendish (1731-1810) fue más allá y llevó a cabo el experimento de una manera más precisa mediante la recopilación y medición de rocío que producido, lo que demuestra que era muy corto de agua. Fue hasta químicos El francés Antoine Lavoisier (1743-1794) da una explicación teórica completamente satisfactoriamente el fenómeno, demostrando que era reversible, es decir, que el agua también puede se sintetiza a partir de los gases que ha salido todo bien ahora se llama de hidrógeno y oxígeno. En el año 1800 el físico italiano Alessandro Volta (1745-1827) escribió un carta al presidente de la Royal Society de Inglaterra, Sir Joseph Banks (1743-1820), que pronto lo publicó, lo que provocó enormes consecuencias. En la carta, describió la Volta que había estado llevando a cabo experimentos con la electricidad y su invento reciente que llegó a ser conocido como una célula fotovoltaica o la energía de la batería (ver “Un descubrimiento excitante” en Hoy en la Ciencia 155). El dispositivo consistía simplemente en una célula (de ahí el nombre) pequeños discos de dos metales diferentes (cobre y estaño, o mejor aún, plata y zinc) dispuestas alternativamente el uno del otro y separados por trozos de cartón o de fieltro empapado en agua salada. También se obtiene un efecto similar cuando se sumerge en una solución salina pares de los dos metales unidos por piezas de metal, como se muestra Original Volta.Quando una persona le puso la mano en el primer disco y la otra celda mano sentí un golpe en los últimos débil pero constante. La intensidad eléctrica se incrementó con el número de pares de discos de metal. Hoy sabemos que los dos metales se debe elegido para formar una pareja en que uno tiende a oxidarse

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(perder electrones) en comparación con los otros, lo que debería ser más propensos a caer (ganar electrones). Cerrando el circuito y tener la posibilidad de conducción de energía eléctrica por a través de la solución de agua salada, que es la formación de una corriente eléctrica de la fuente choques reportados por Volta. En el mismo año 1800 el químico Inglés William Nicholson (1753-1815) y el Inglés médico Sir Anthony Carlisle (1768-1840) construyó una pila hecho de 17 piezas de plata de media corona y el mismo número de piezas de zinc. El circuito fue cerrado con alambre de latón. Para un mejor contacto, Carlisle puso una gota de agua en placa superior y vio el lanzamiento de un gas, que Nicholson se suponía que era del hidrógeno. En artículo que los dos publicados el mismo año, 1800, dice que “un torrente de pequeños burbujas que salen del cable conectado a la plata y el otro alambre estaba oxidado”. El gas fue identificado como el hidrógen o, mientras que el oxígeno se fijó para el otro cable (oxidantes) a una distancia cerca de dos pulgadas. Pasado un gran tiempo a mediados del año 1834 El británico William Whewell, científico, filósofo y autor de numerosos textos, junto a Michael Faraday- acuñó el término "electrolisis" para definir el proceso de descomposición química de la corriente galvánica. Durante las primeras décadas del siglo XIX, la palabra electrolisis se introdujo rápidamente en el argot técnico de autores de miles de experimentos en curso con corriente galvánica, y en campos como la química, mineralogía o metalurgia. En estos experimentos, un conductor (llamado "electrodo" por Faraday y Whewell) es introducido en una sustancia fluida que permite el flujo de electricidad. Dependiendo de la sustancia, pueden surgir diferentes descomposiciones, permitiendo a los científicos comprender mejor los elementos constitutivos de la sustancia.

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Ese mismo año Michael Faraday establece leyes con relaciones cuantitativas basadas en las investigaciones electroquímicas publicadas por el mismo. Varias versiones del enunciado de las leyes se pueden encontrar en los libros de texto y la literatura científica. La más utilizada es la siguiente: 

1 a ley de Faraday de la electrólisis - La masa de una sustancia depositada en un electrodo durante la electrólisis es directamente proporcional a la cantidad de electricidad transferida a este electrodo. La cantidad de electricidad se refiere a la cantidad de carga eléctrica, que en general se mide en coulombs.



2 a ley de Faraday de la electrólisis - Para una determinada cantidad de electricidad (carga eléctrica), la masa depositada de una especie química en un electrodo, es directamente proporcional al peso equivalente del elemento. El peso equivalente de una sustancia es su masa molar dividido por un entero que depende de la reacción que tiene lugar en el material. La ley de Faraday en la forma moderna:



Dónde: m es la masa de la sustancia producida en el electrodo (en gramos), Q es la carga eléctrica total que pasó por la solución (en coulombs), q es la carga del electrón = 1.602 x 10 -19 culombios por electrón, n es el número de valencia de la sustancia como ion en la solución

(electrones por ion), F = qN A = 96500 C·mol -1 es la Constante de Faraday, M es la masa molar de la sustancia (en gramos por mol), y N A es el Número de Avogadro = 6.022 x 10 23 iones por mol. I es la corriente eléctrica (en amperios) t es el tiempo transcurrido (en segundos)

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En los años 1850 y 1860, médicos de Norteamerica y Europa ensayaban con electrólisis en el tratamiento de una gran variedad de dolencias médicas. Experimentos llevados a cabo con botellas de Leyden, pilas galvánicas, y diferentes tipos de "curaciones magnéticas" en un mercado cada vez mayor de productos y procedimientos eléctricos. Fascinados por la curativa (y lucrativa) promesa de la electricidad, médicos a ambos lados del Atlántico comenzaron a fijar alambres o agujas delgadas en el extremo de hilos conductores que se insertaban en el cuerpo del paciente para tratarlo casi todo, desde epilepsia hasta cualquier tipo de lesiones cutáneas.

El primer trabajo sistemático sobre las posibilidades terapéuticas de la electrólisis fue llevado a cabo por Julius Althaus, un neurólogo nacido y educado en Born (Alemania), que se trasladó a Londres donde se especializó en neurología y donde pasaría el resto de su vida. Los resultados de su trabajo fueron publicados en 1867.

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2.3 DEFINICION DE TERMINOS BASICOS. Hidrógeno: el hidrógeno es un elemento químico representado por el símbolo H y con un número atómico de 1. En condiciones normales de presión y temperatura, es un gas diatómico (H2) incoloro, inodoro, insípido, no metálico y altamente inflamable. El hidrógeno es el elemento químico más ligero y es, también, el elemento más abundante, constituyendo aproximadamente el 75% de la materia visible del universo. Electrodo: un electrodo es una superficie en donde ocurren reacciones de óxido reducción. Por lo que los procesos tienen lugar en la interface metal-solución de cualquier metal en contacto con un electrolito. El metal en contacto con el electrolito tiene, por un lado, tendencia a disolverse, con lo que queda cargado negativamente. Y por otro lado, a que iones del electrolito se depositen sobre el metal. Corriente galvánica: implican un flujo sostenido de electrones desde el polo negativo al positivo, sin cambio de polaridad y con la intensidad que se ajuste a la dosis requerida por el tratamiento. Ánodo: es un electrodo en el cual se produce una reacción de oxidación. Cátodo: es un electrodo en el cual se produce una reacción de reducción. Reducción: reacción química mediante la cual un átomo gana electrones. Oxidación: reacción química mediante la cual un compuesto sede electrones al medio. Electrolito: un electrolito es cualquier sustancia que contiene iones libres, los que se comportan como un medio conductor eléctrico. Celda de combustible: una celda de combustible es un dispositivo electroquímico cuyo concepto es similar al de una batería. Consiste en la producción de electricidad mediante el uso de químicos, que usualmente son hidrógeno y

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oxígeno, donde el hidrógeno actúa como elemento combustible y el oxígeno es obtenido directamente del aire. Combustible: sustancia que reacciona químicamente con otra sustancia para producir calor, o que produce calor por procesos nucleares. El término combustible se limita por lo general a aquellas sustancias que arden fácilmente en aire u oxígeno emitiendo grandes cantidades de calor. Combustibles fósiles: sustancias ricas en energía que se han formado a partir de plantas y microorganismos enterrados durante mucho tiempo. Los combustibles fósiles, que incluyen el petróleo, el carbón y el gas natural, proporcionan la mayor parte de la energía que mueve la moderna sociedad industrial. Petróleo: líquido oleoso bituminoso de origen natural compuesto por diferentes sustancias orgánicas. También recibe los nombres de petróleo crudo, crudo petrolífero o simplemente “crudo”. Se encuentra en grandes cantidades bajo la superficie terrestre y se emplea como combustible y materia prima para la industria química. Reacción química: proceso en el que una o más sustancias denominadas reactivos, se transforman en otras sustancias diferentes llamadas productos de la reacción. Electrolizador: equipo capaz de descomponer el agua en sus elementos base (oxígeno e hidrógeno) mediante la electrólisis Estequiometría: es el cálculo de las relaciones cuantitativas entre los reactivos y productos en el transcurso de una reacción química. Mol: Unidad de cantidad de materia del Sistema Internacional, de símbolo mol , que equivale a la masa de tantas unidades elementales (átomos, moléculas, iones, electrones, etc.) Amperio: intensidad de corriente eléctrica.

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2.4. HIPÓTESIS El hidrogeno, debido a sus propiedades intimas nos porcina una gran fuente de energía que propone ser un combustible que, en su tiempo no sea un sustituto completo, pero si un aditivo que mejore el performance y economía del motor en más de un 25%, además de ser cero emisiones y 100% renovable.

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2.5. SISTEMA DE VARIABLES. Variables

Definición

Dimensión

Indicadores

Ítems

Independiente: Problemáticas en el uso de un gas para combustible



Cuando

se

procesa

el



Natural

combustible (En este caso el hidrogeno) este genera un gas no toxico para el medio



Cantidad  Flujo dentro del motor  Composición



2 ítems en uso

ambiente.



La cantidad en exceso del combustible puede saturar el motor, haciendo que ocasione

 Artificial



Cantidad exceso



3 ítems en uso



2 Ítems

en

leves explosiones.  Mantenimiento

del motor

Dependiente: Saturación del combustible



Al

poner

un

exceso

de



Artificial

 Mantenimiento

combustible (Hidrogeno) este

del motor

puede actuar de una manera

 Cantidad

en uso de

algo no normal porque al ser

gas adquirido

un motor pues produce fricción

por el motor

que con el contacto con el gas pues

sucederían

leves

explosiones no dañinas para el componente del automóvil

40

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CAPITULO III 3.1 NIVEL DE LA INVESTIGACION. La presente investigación brinda una amplia noción sobre la problemática que afecta a nuestra comarca, amenazada por los altos índices de contaminación masiva que posee, y las consecuencias que se originan debido a este problema. Esto hará posible entender las diversas consecuencias a que uno se expone debido a este problema y así poder dar las soluciones al caso. La investigación está al tanto con bases teóricas y antecedentes del problema. Se tienen aparatos sofisticados que miden hora tras hora los niveles de contaminación en diferentes puntos de las zonas; se conocen los tipos de contaminantes, sus fuentes y sus cantidades; se sabe de los planes de contingencia que se tienen que llevar a cabo cuando hay muchos contaminantes; pero todo esto es independiente de lo que podemos realizar para combatir la contaminación. Actualmente el gobierno realiza la recolección de basura, en donde se divide por días la recolección de los diferentes tipos de desecho, como cartón, papel, aluminio, desechos inorgánicos y desechos orgánicos. La contaminación del aire es actualmente uno de los problemas ambientales más severos

a

nivel

mundial.

Está

presente

en

todas

las

sociedades,

independientemente del nivel de desarrollo socioeconómico, y constituye un fenómeno que tiene particular incidencia sobre la salud del hombre. El presente artículo de revisión define esta contaminación, sus principales fuentes, los agentes contaminantes y la importancia de los sistemas de vigilancia de la calidad del aire. Enfatiza en la contaminación de ambientes exteriores y expone una síntesis de la manifestación histórica de este problema, que incluye la referencia de convenciones y eventos internacionales. También aborda su repercusión como problema de salud, a través de ejemplos en distintos países de América.

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3.2 DISEÑO DE LA INVESTIGACION. El diseño de investigación constituye en nosotros aclarar el proyecto para obtener respuestas a sus interrogantes o comprobar la hipótesis de investigación. el diseño de investigación desglosa las estrategias básicas que el investigador adopta para generar información exacta e interpretable. Los diseños son estrategias con las que intentamos obtener respuestas a preguntas como: contar.



medir.



describir.



Debe ser claro, sencillo, especificar las variables fundamentales del estudio, la población a estudiar y en caso de ser un estudio experimental, el tipo de diseño. Normalmente se redacta cuando está desarrollada la propuesta, es junto con el resumen la primera parte en la que se van a fijar los evaluadores. La propuesta de este proyecto es tener en cuenta los principios y valores éticos realizaremos este proyecto de manera eficiente de manera que sea comprensible para toda aquella persona que esté interesada. Cabe recalcar que este proyecto es un protocolo de cómo hacer una investigación profesional, pues las posibles soluciones obtenidas están basadas solo en la investigación tediosa y meticulosa de la teoría mas no de la experimentación y del análisis de procesos químicos y físicos, pues los conocimientos adquiridos hasta el día de hoy no son suficientes para llevar

a cabo alguno de estos

procedimientos que, en un futuro serán necesarios para poder presentarlo hacia una comunidad científica.

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3.3 POBLACIÓN Y MUESTRA. La ciudad de Tuxtla Gutiérrez es la capital del estado de Chiapas y la ciudad más grande de la misma, localizada en las coordenadas 16°45′11″N 93°06′56″O (google maps 2010), la zona está ubicada a 520 m.s.n.m con un clima cálido subhúmedo con lluvias en el verano, de menor humedad, que abarca el 99.71% de la superficie municipal. La temperatura media anual es de 25,4 °C. La temporada cálida dura desde mediados de febrero hasta septiembre. El período más caluroso del año es desde abril hasta la segunda semana de mayo donde se alcanzan temperaturas alrededor de los 40 °C. La temporada fresca dura desde la segunda semana de noviembre hasta mediado de febrero. El período más frío del año es el mes de diciembre cuando la temperatura puede llegar a descender hasta 8 °C. La precipitación pluvial oscila según las áreas municipales y es en promedio 900 mm anuales. La temporada normal de lluvias abarca desde mayo hasta la segunda semana de octubre. Normalmente, los meses más lluviosos son junio y septiembre. Cuenta con una densidad poblacional de 1342.84 habitantes por kilómetro. Por su ubicación geográfica y liderazgo, Tuxtla Gutiérrez representa un importante espacio de desarrollo donde se concentran las condiciones necesarias para potenciar las ventajas competitivas requeridas para dinamizar de manera sostenible la economía de la región. De acuerdo con los resultados del Censo de Población y Vivienda 2010 del Inegi (Instituto Nacional de Estadística y Geografía), más de la mitad de la población en Tuxtla Gutiérrez es menor de 30 años y una proporción similar, 56.96%, representa a la Población Económicamente Activa (PEA). En este contexto demográfico, destacan algunos puntos relevantes de la dinámica económica como la creciente participación de las mujeres en el mercado laboral, la necesidad de atraer nuevas inversiones, consolidar un parque industrial y planear el desarrollo metropolitano en áreas estratégicas como el turismo, comercio e industria. La principal vocación económica de la Ciudad se ubica en el sector servicios; sin embargo, en el medio rural predominan las actividades agropecuarias, caracterizadas por prácticas de monocultivo, producción de

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autoconsumo, inconsistencias en los canales de comercialización, reducida asistencia técnica y capacitación, así como inadecuadas técnicas de cultivos, entre otros. En el ámbito de comunicaciones y transportes el inegi reporto que 6 de cada 10 familias posee algún tipo de vehículo particular. Según el secretario de trasporte del estado de Chiapas, se reportaron 700,000 taxis registrados y alrededor de 125 rutas de colectivo en la capital (cuarto poder). Conectados por una red de carreteras de 54.25 km. (2010).

3.4

TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS.

Encuestas.



Es un procedimiento dentro de los diseños de una investigación descriptiva en el que el investigador recopila datos por medio de un cuestionario previamente diseñado, sin modificar el entorno ni el fenómeno donde se recoge la información ya sea para entregarlo en forma de tríptico, gráfica o tabla. Observación.



Es una técnica que consiste en observar atentamente el fenómeno, hecho o caso, tomar información y registrarla para su posterior análisis. 

Diagramas de flujo. Es la representación gráfica del flujo o secuencia de rutinas simples. Tiene la ventaja de indicar la secuencia del proceso en cuestión, las unidades involucradas y los responsables de su ejecución, es decir, viene a ser la representación simbólica o pictórica de un procedimiento administrativo.

44

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3.5


TÉCNICAS DE PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS DE DATOS. Gráficas.



Es la descripción e interpretación de datos e inferencias sobre éstas generalmente

numéricos,

mediante recursos

gráficos (líneas, vectores, superficies o símbolos), para que se manifieste visualmente la relación matemática o correlación estadística que guardan entre sí. Tablas.



Es la manera de organizar los datos obtenidos de manera que, la información sea clasificada según la característica que posea o se le quiera dar.

45

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CAPÍTULO IV 4.1 Recursos necesarios. A lo largo de este proyecto las cosas que se necesitaran son: No.

Artículo

cantidad

Prog.

costo unitario

total

01

Hojas blancas

1000

$0.60

$600.00

02

Lápices

30

$2.50

$75.00

03

Sacapuntas

6

$3.00

$18.00

04

Goma de borrar

20

$3.00

$60.00

05

Lapiceros

20

$2.00

$40.00

06

Interne

6 meses

$300.00

$1,800.00

07

Dinero (impresiones y

400

$400.00

$400.00

08

esquemas)

8

$12.00

$84.00

09

viáticos

1m3

$3,600.00

$700.00

10

membrana nafion

1

$1000.00

$1000.00

Lamina de acero inoxidable. 12

Tubos de acero ¼

10 m

$150.00

$1500.00

13

Estaño

20

$20.00

$400.00

14

Aislante

15

$15.00

$225.00

15

Cable

10 m

$5.00

$50.00

16

Tubos de goma

15m

$13

$195

Total:

$7,201.00

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4.2 Cronograma de actividades.

E R B M E I C I D

E R B M E I V O N

E R B U T C O

E R B M E I T P E S

O T S O G A

. S E D A D I V I T C A E D A M A R G O N O R C

O I L U J

O I N U J

O Y A M

L I R B A

O Z R A M

O R E R B E F

O R E N E

. S E N O I C C A

o j a b a r t e d o p i u q e l e e d n o i c a m r o f

l e e d n o i c a e r c ( a m ) e o b t c o e r p y l o e r e p d o t n e i m a e t n a l p

a a r a p i n o i i c t a m r o i f n i e d t n o i c a l i p o c e r

e d a t t c s e e y u r p o r l e p e n o i c a t e n s e i t s u s

e l

i c i t s e v i

r l e e i c e i v e r

t l i c r f i l r l i c e r

c e r

47

t

t

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l

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z t i z i l

i i i

e t r e r l e e i c l c c

i t t r e i c e l

i t t r e i c e r c

n e o t c e y o r p l l e e d n o i c a c i f i r e v

j r t l e e t

i c i l c

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CONCLUSIÓN. Actualmente existen varios métodos por los cuales se puede obtener hidrógeno, mediante la energía eléctrica, térmica, química y algunos métodos bioquímicos entre otras, esta variedad de opciones se debe a la necesidad de encontrar una fuente de energía renovable que sea competitiva respecto de los combustibles a base de hidrocarburos. La gran variedad de celdas de combustible permiten rangos de operación amplios, de entre 0,1 W para las que funcionan con membrana de intercambio de protones, hasta 2MW para las celdas de combustible de óxido sólido. Los electrolizadores PEM que usan metales como el platino y el paladio en sus electrodos y llevan la presión a treinta bares, permiten jornadas de hasta diez mil horas de trabajo continuo, además, gracias a este aumento de presión, la resistencia óhmica disminuye, aumentando la eficiencia eléctrica. La energía necesaria para extraer el hidrógeno de un litro de agua se obtiene en base a la energía de formación del agua líquida, a partir del hidrógeno y oxígeno moleculares, que es de 285,8 kJ/mol. 18 gramos de agua forman un mol, así que en un litro hay 55,56 moles de agua. Por lo tanto la energía necesaria para disociar un litro de agua por electrolisis en sus componentes Oxígeno e Hidrógeno es: 15793,31 KJ, esta cantidad corresponde a 4,39 kWh Luego de la disociación de dos moles de agua se obtienen dos moles de hidrógeno y un mol de oxígeno, por lo tanto de un litro de agua se obtienen 111,1 g H2. Aunque las investigaciones avanzan cada vez más rápido y llegan más lejos en el campo de la generación de hidrógeno, hoy no es posible suprimir completamente la dependencia que existe hacia los combustibles fósiles. Para definir las dimensiones y el alcance que tendrá el generador de hidrógeno, es necesario conocer la demanda de potencia y especialmente la corriente a la que funciona la celda de combustible que va a ser conectada a este sistema, pues a partir de esta información se determinan las dimensiones de la membrana de intercambio de protones, quien determina la capacidad del electrolizador.

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La forma geométrica del electrolizador influye es su funcionamiento, una forma de sección transversal circular, ayuda a evitar la acumulación de gases dentro del electrolizador, lo que alarga su vida útil, además 45 disminuye posibles sobre presiones dentro de este y mejora la eficiencia del electrolizador debido al flujo uniforme de gas dentro de este. En la actualidad no es muy viable el almacenamiento a baja escala de hidrógeno, esto se debe a las bajas eficiencias que se manejan en los sistemas actuales, por este motivo se está trabajando en el desarrollo de un sistema más eficiente, para conseguir una disminución en el costo del valor del hidrógeno, que lo haga más competitivo respecto de los combustibles fósiles. Existen gran variedad de sistemas de almacenamiento de hidrógeno, pero para el caso en el que se desee generar una cantidad pequeña de gas (inferior a los 2 L) es más viable diseñar un sistema de generación de hidrógeno que funcione alimentando directamente a la celda de combustible. Las pruebas realizadas en motores de combustión interna dan como resultados mejores eficiencias en la combustión que los motores convencionales debido a la elevada difusividad que permite mezclas combustible-aire más homogéneas, al amplio intervalo de inflamabilidad con el que se consigue una combustión más completa y limitar la temperatura final de la combustión, y la alta temperatura de auto-ignición que permite mayor relación de compresión. El inconveniente es que las propiedades que hacen del hidrógeno un combustible muy atractivo para su utilización en motores de combustión interna, se traducen en problemas para obtener una combustión controlada. La pequeña distancia de apagado, la baja energía de ignición y la alta velocidad de la llama, dan como resultado fenómenos indeseables en la combustión que, generalmente, se traducen en una combustión anómala. Estas anomalías incluyen la combustión superficial y el retroceso de la llama, además de problemas de autoencendido. La mayoría de estos problemas pueden ser controlados con un exceso de aire en la

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mezcla, mejoras en el sistema de refrigeración que eviten zonas calientes, recirculación de los gases de escape o inyección de agua. En cuanto a las turbinas de gas operadas con hidrógeno, el gran potencial de las mismas asociadas a la generación vapor en ciclos combinados lo convierten en la tecnología más prometedora con el inconveniente de las altas temperaturas alcanzadas en la reacción de hidrógeno con aire. El rango de temperatura alcanzado en la llama (2500 – 3000 ºK) suponen un gran problema debido a que la tecnología de materiales actual no ha conseguido sintetizar materiales capaces de aguantar durante periodos de tiempo prolongados temperaturas tan elevadas. Para solventar este problema se suele recurrir a la inyección de agua adicional, lo que permite ajustar la temperatura de la combustión. Además de todo lo enunciado, se debe tener en cuenta las particularidades del hidrógeno. Su principal fortaleza como combustible es el nivel de emisiones cero que se puede lograr teniendo en cuenta que el único producto de la combustión, o de la reacción química de hidrógeno con oxígeno, es vapor de agua, y su principal debilidad es su baja densidad energética en términos volumétricos (energía / volumen) lo que conlleva la necesidad de grandes volúmenes de acumulación. En mi opinión, el nivel de emisiones “cero” de los motores de combustión de hidrógeno, sumado a que estructuralmente se podrían utilizar los sistemas de combustión actuales (con pequeñas modificaciones) lo que abarataría los costes de fabricación y aumentaría la vida de funcionamiento de los equipos, hace que los motores de combustión con hidrógeno puedan desempeñar un papel protagonista en un nuevo modelo energético a corto plazo.

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Taller de Ética.


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Taller de Ética.

13. Green


methods for hydrogen production, Ibrahim Dincer, Facultad de ingeniería

y ciencia aplicada, Universidad de Ontario, instituto de tecnología, Oshawa, Canadá. 14. Recent

progress in alkaline wáter electrolysis for hydrogen production and

applications, Kai Zeng, Dongke Zhang, Centro para el petróleo, combustible y energía, escuela de ingeniería mecánica, Universidad de western, Crawley, Australia. 15.

PROYECTO CITMA “NUEVOS MATERIALES PARA EL DESPRENDIMIENTO DE HIDRÓGENO”, Agencia CITMA, C. de la Habana, 2017, Habana, Cuba.

16.

Evaluation and calculation on the efficiency of a wáter electrolysis system for hydrogen production, Houcheng Zhang, Guoxing Lin, Jincan Chen, Departamento de física e instituto de física teórica y astrofísica, Universidad de Xiamen, República de China.

17.

INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA INDUSTRIAL, Ángel Iván Ortuño, editorial reverté.

18.

Pure hydrogen production by PEM electrolysis for hydrogen energy, S.A. Grigoriev, V.I., Zorembsky, V.N. Fateev, instituto tecnológico de energía de hidrógeno y plasma, centro de investigación de Rusia “instituto Kurchatov”, Kurchatov, Moscú, Rusia.

19.

Optimization of components and assembling in a PEM electrolyzer stack S. Siracusano, A. Di Blasi, V. Baglio, G. Brunaccini, N. Briguglio, A. Stassi, R. Ornelas, E. Trifoni, V. Antonucci, A.S. Arico.

20.

Dynamic modeling and simulation of a proton exchange, membrane electrolyzer for hydrogen production, departamento de ingeniería química, instituto hindú de tecnología Delhi, Nueva Delhi, India y escuela de ingeniería química y materiales avanzados, Universidad de Newcastle upon Tyne, Newcastle.

21.

Descripción y modelado de una pila de combustible de membrana de intercambio protónico, Universidad Carlos III de Madrid, Escuela Politécnica Superior departamento de ingeniería eléctrica, Madrid, España.

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Taller de Ética.

22.


Research frontier on new materials and concepts for hydrogen storage, Shangzhao Shi, Jiann-Yang Hwang, departamento de ciencia de materiales e ingeniería, Universidad Tecnológica de Míchigan.

23.

Fuel Cell Systems Explained, Segunda edición, James Larminie y Andrew Dicks, editorial John Wiley & sons. 49

24.

Comparison of optimal design methods for type 3 high-pressure storage tanks, P. Francescato, A. Gillet, D. Leh, P. Saffré, Universidad de Saboya, laboratorio SYMME. Universidad de Burdeos, Francia.

25.

Hydrogen storage in metal hydride tanks equipped with metal foam heat exchanger, S. Mellouli, H. Dhaou, F. Askri, A. Jemni, S. Ben Nasrallah, Escuela Nacional de Ingenieros de Monastir, Túnez.

26.

Analytical and experimental evaluation of insulated pressure vessels for cryogenic hydrogen storage, S.M. Aceves, J. Martinez-Frias, O. GarciaVillazana, Laboratorio nacional Lawrence Livermore, Livermore, Estados Unidos, Centro de Ingeniería y Desarrollo Industrial, Querétaro, México, Universidad de Guanajuato, Salamanca, México.

27.

Three-dimensional analysis for liquid hydrogen in a cryogenic storage tank with heat pipe –pump system, Son H. Ho, Muhammad M. Rahman, Departamento de Ingeniería mecánica, Universidad del sur de Florida, Tampa, Estados Unidos.

28.

Activation of carbón nano-fibres for hydrogen storage. James M. Blackman, John W. Patrick , Ana Arenillas, Wei Shi, Colin E. Snape, centro de combustible y energía de Nottingham, Escuela de Química, Universidad Parque, Nottingham, Reino Unido.

29. Estilos

de Desarrollo y Medio Ambiente en América Latina, un Cuarto de Siglo

después 30. órgano

de difusión del Instituto Argentino del Petróleo

31. Manual

de la técnica del automóvil. Escrito por Robert Bosch GmbH. pág. 732.

32. Pilas

de combustible: una alternativa limpia de producción de energía Ricardo

Escudero-Cid, Enrique Fatás, Juan Carlos Pérez-Flores y Pilar Ocón,2013

53

Taller de Ética.

33. International


Energy Agency. (2006) World Energy Outlook 2006. ISBN 92-64-

10989-7 34. Informe

energético anual 2006, DOE/EIA-0384(2006), por la Administración de

Información sobre la Energía del Departamento de Energía 35. Contaminación atmosférica .

Ernesto Martínez Atas y Yolanda Díaz de Mera

Morales. Universidad de Castilla-La Mancha. 2004 ISBN 8484273245, 9788484273240 pág. 13 36. Contaminación

atmosférica. J. Spedding. Editor Reverte, 1981 ISBN 84-291-

7506-7 pág. 33

54

Taller de Ética.


ANEXOS.

Fabricación de la primera celda hecha con láminas de acero inoxidable (limitación de recursos)

Ej.1 “principio de una celda de combustible.”

Frascos de plásticos herméticos donde se colocara la el electrolito y la celda. E j. 2 “proceso de la electrolisis.”

Batería de 12 voltios como una FEM. Ej. 3 “generalidad de almacenamiento del hidrogeno”

55

PROYECTO GENERADOR DE HIDROGENO.docx

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