¿El Hidrógeno como Energía del Futuro?

Así comenzó esta investigación, ni siquiera estaba claro de como funcionaba esto, por eso le pregunte al profesor para ver si había escuchado mal, hasta que busque en google y vi que si existía este tipo de energía de la cual se habla muy poco, para mi era común escuchar, energía Geotérmica, Nuclear, Hidroeléctrica, Biomasa, solar, eólica, termo eléctrica, pero ¿Hidrógeno? Lo poco que conocemos es que ha sido utilizado en algunos carros, pero ¿Para mantener una cuidad han utilizado esta energía? La respuesta es.... Han realizado prototipos de plantas eléctricas de hidrógeno, pero no son factibles y a continuación les explicare el ¿por qué? Pero primero una breve introducción de lo más resaltante de esta investigación y de los conocimientos básicos necesarios.

Hidrógeno.

Fuente

El hidrógeno es el elemento químico de número atómico 1, representado por el símbolo H. Es el más ligero de la tabla de los elementos. Por lo general, se presenta en su forma molecular, formando el gas diatómico H2 en condiciones normales. Este gas es inflamable, incoloro, inodoro, no metálico e insoluble en agua.
El hidrógeno es el elemento químico más abundante, al constituir aproximadamente el 75 % de la materia visible del universo. En su secuencia principal, las estrellas están compuestas principalmente por hidrógeno en estado de plasma. El hidrógeno elemental es relativamente raro en la Tierra y es producido industrialmente a partir de hidrocarburos como, por ejemplo, el metano.
El hidrógeno puede obtenerse a partir del agua por un proceso de electrólisis, pero resulta un método mucho más caro que la obtención a partir del gas natural.

El Hidrógeno en la Historia.

El llenado del primer globo con gas hidrógeno fue documentado por Jacques Charles en 1783. El hidrógeno proveía el ascenso a la primera manera confiable de viajes aéreos después de la invención del primer dirigible de hidrógeno. El conde alemán Ferdinand von Zeppelin promovió la idea de utilizar el hidrógeno en dirigibles rígidos, que más tarde fueron llamados zepelines, el primero de los cuales tuvo su vuelo inaugural en 1900. Los vuelos normales comenzaron en 1910, y para el inicio de la Primera Guerra Mundial, en agosto de 1914, se había a trasladado 35 000 pasajeros sin ningún incidente grave. Los dirigibles elevados con hidrógeno se utilizan como plataformas de observación y bombarderos durante la guerra.

Combustión:
El gas hidrógeno es altamente inflamable y se quema en concentraciones de 4 % o más H2 en el aire. La entalpía de combustión de hidrógeno es 286 kJ/mol. El hidrógeno se quema violentamente en el aire; se produce la ignición automáticamente a una temperatura de 560 °C.

Hidrógeno como fuente energética.

El hidrógeno (H2) se considera como la energía más atractiva para el futuro próximo debido a que su combustión no resulta contaminante. El hidrógeno, cuando se combina con el oxígeno del aire, libera la energía química almacenada en el enlace H-H, generando solamente vapor de agua como producto de la combustión. Puede almacenarse como gas a presión y como líquido o distribuirse mediante gasoductos, por lo que se considera que puede reemplazar al gas natural a medio-largo plazo.

Puesto que no se producen gases de efecto invernadero durante su combustión, el hidrógeno ofrece un gran potencial para reducir las emisiones de CO2. El hidrógeno prácticamente no se encuentra en estado libre en la Tierra, por lo que no es una energía primaria.
Se dice que la producción de hidrógeno a gran escala aliviará la dependencia del petróleo como combustible primario.

Tipos de producción de Hidrógeno.

Producción por reformado de gas natural con vapor de agua.

Procesos industriales

Aunque el H2 puede producirse mediante el proceso de reformado del gas natural, nafta, fuel pesado o carbón, la relación atómica H/C (hidrógeno/carbono) más elevada de la molécula CH4 con respecto a otros combustibles indica que el gas natural, cuyo componente mayoritario es el CH4, sea el precursor más idóneo para producir hidrógeno.
Reformado de hidrocarburos y metanol:
El reformado de metano (CH4) con vapor es un proceso utilizado a lo largo de varias décadas para producir H2. Por tratarse de la tecnología más económica, este proceso es el que se utiliza en la actualidad en la producción industrial del hidrógeno. La reacción es:

CH4 + H2O → CO + 3H2

El gas natural reacciona con vapor de agua sobre un catalizador de níquel colocado en el reformador primario a temperaturas de 1.200 ºK y presión total de 20-30 bar. Puesto que el gas natural contiene impurezas de azufre, se requiere una etapa previa de eliminación de este contaminante para evitar el deterioro de la actividad catalítica. La corriente limpia de metano se hace reaccionar después en un reactor al que se incorpora un catalizador de níquel. El gas de salida es rico en hidrógeno, pero contiene una cierta proporción de monóxido de carbono, que a su vez se transforma en otro reactor, o incluso en dos, en hidrogeno adicional mediante reacción con vapor de Puesto que no se producen gases de efecto invernadero durante su combustión. El gas resultante tiene un contenido elevado de hidrógeno, junto a dióxido de carbono y cantidades mucho más bajas de metano no convertido y monóxido de carbono remanente, usualmente 1% en volumen. En las plantas modernas de producción de H2 se incorporan unidades de purificación mediante compresión/adsorción/desorción que permiten alcanzar un hidrógeno muy puro (99,999% volumen).

Producción por Electrolisis del agua.

Cuando los volúmenes de hidrógeno requeridos en una determinada aplicación no son elevados, el hidrógeno se obtiene mediante electrolisis de agua. La reacción electrolítica se realiza en medio alcalino debido a que en este medio se incrementa la conductividad eléctrica. El hidrógeno producido en el cátodo se debe purificar ya que contiene impurezas de oxígeno y un cierto nivel de humedad. La corriente de hidrógeno se seca mediante un absorbente y las impurezas de oxígeno se eliminan con un convertidor De Oxo. Además, en el ánodo del electrolizador se produce oxígeno, cuyo volumen es la mitad del volumen de hidrógeno, tal como corresponde a la composición de la molécula de agua. La mayor parte de los electrolizadores son de tipo tanque con los electrodos dispuestos en paralelo. El calor liberado en el proceso se elimina recirculando agua alrededor de las celdas.

Conviene señalar el hecho de que el hidrógeno producido por electrolisis es del orden de 4.9-5.6 kWh por cada m3 de hidrógeno producido, lo que resulta al menos dos veces más caro que el hidrógeno obtenido por reformado del gas natural.

Producción a partir de Biomasa celulósica.

El hidrógeno puede obtenerse a partir de una fuente renovable como es la biomasa celulósica. La celulosa puede convertirse en H2 mediante varios procesos termoquímicos tales como combustión, licuefacción, pirólisis y gasificación. El material lignocelulósico se oxida parcialmente a temperaturas superiores a 1.000 ºK, se produce una fracción gaseosa junto a un residuo carbonoso que se reduce posteriormente para formar posteriormente H2, CO, CO2 y CH4. La gasificación de la biomasa en presencia de O2 genera una corriente gaseosa rica en hidrógeno que se reforma con vapor de agua a la salida del gasificador con el objetivo de producir hidrógeno adicional. El inconveniente principal de la gasificación de biomasa es la formación de alquitrán. Los residuos pesados polimerizan y forman estructuras más complejas que no resultan apropiadas para producción de hidrógeno mediante reformado con vapor.

Tipos de transformación del hidrógeno en energía eléctrica.

Pila de combustible.

Pila de combustible, también llamada célula de combustible o celda de combustible, es un dispositivo electroquímico en el cual un flujo continuo de combustible y oxidante sufren una reacción química controlada que da lugar a los productos y suministra directamente corriente eléctrica a un circuito externo.
Se trata de un dispositivo electroquímico de conversión de energía similar a una batería. Se diferencia en que está diseñada para permitir el abastecimiento continuo de los reactivos consumidos. Es decir, produce electricidad de una fuente externa de combustible y de oxígeno u otro agente oxidante, en contraposición a la capacidad limitada de almacenamiento de energía que posee una batería. Además, en una batería los electrodos reaccionan y cambian según cómo esté de cargada o descargada; en cambio, en una celda de combustible los electrodos son catalíticos y relativamente estables.

El proceso electroquímico que tiene lugar es de alta eficiencia y mínimo impacto ambiental. En efecto, dado que la obtención de energía en las pilas de combustible está exenta de cualquier proceso térmico o mecánico intermedio, estos dispositivos alcanzan eficiencias mayores que las máquinas térmicas, que están limitadas por la eficiencia del Ciclo de Carnot. En general, la eficiencia energética de una pila de combustible está entre 40-60%, y puede llegar hasta un > 85%-90% en cogeneración, si se captura el calor residual para su uso. Por otra parte, dado que el proceso no implica la combustión de los reactivos, las emisiones contaminantes son mínimas.

El mercado de las pilas de combustible está creciendo. Pike Research estima que en 2020 se comercializarán pilas de combustible estacionarias, que alcanzarán los 50 Gw.

El fabricante de automóviles japonés Honda, la única firma que ha obtenido la homologación en Japón y Estados Unidos para comercializar su vehículo impulsado por este sistema, el FCX Clarity, ha desarrollado también la Home Energy Station (HES), un sistema autónomo y doméstico que permite obtener hidrógeno a partir de gas natural para repostar vehículos de pila de combustible y aprovecha el proceso para generar electricidad y agua caliente para el hogar.

Esquema de Funcionamiento de una Pila de Combustible.
[Fuente Link.3].Wikipedia

Existen pilas de combustibles de: Ácido Fosfórico (PAFC), Carbonato fundido (MCFC), Óxido Sólido (SOFC), todas trabajan bajo el mismo principio antes mencionado.

Pila de Combustible de Carbonato fundido (MCFC)
[Fuente Link.3].Wikipedia

Características generales de las pilas de combustible.

Las pilas de combustible tienen las siguientes características generales:

– Tiempo de construcción. Normalmente las instalaciones serán ejecutadas de manera repetitiva y, por tanto, la preparación del terreno se puede estandarizar, permitiendo bajos costes de instalación y cambios regulares con facilidad y rapidez.

– Factor de carga. Con las pilas de combustible se pueden esperar factores de carga de alrededor del 90%.

– Modularidad. Los módulos individuales pueden construirse tan pequeños como sea necesario, de manera que puede ensamblarse el sistema completo a base de ensamblar estas unidades.

– Generación de corriente continua. Las pilas de combustible son generadoras de corriente continua, por lo que puede ser esta una gran ventaja (actualmente se están empezando a poner en servicio sistemas de distribución eléctrica en corriente continua).

– Ausencia de ruido. Otra gran ventaja de las pilas de combustible es su propiedad de funcionar sin producir ruido por la ausencia de componentes dinámicos en su interior. Los únicos ruidos producidos serán los que se produzcan en los componentes auxiliares, lo que las capacita para su utilización en edificios y zonas habitables.

– Sistemas híbridos. El mercado potencial de las pilas de combustible se puede incrementar combinándolas con otros equipos de generación energética como son las turbinas de gas y vapor, para el caso de las pilas de alta temperatura y con motores de combustión interna y baterías en el caso de las de baja temperatura.

Ventajas e inconvenientes.

Ventajas:

Beneficios medioambientales

1. Altas eficiencias en la utilización del combustible. Como las pilas de combustible no son máquinas térmicas, su rendimiento no viene limitado por el ciclo de Carnot y pueden llegar a alcanzar, teóricamente, valores próximos al 100%. Sus límites vienen impuestos por el aprovechamiento de la energía generada y los materiales utilizados en su construcción.

2. No emiten contaminantes. Los productos obtenidos en la reacción electroquímica catalizada de la pila de combustible entre el hidrógeno y el oxígeno son agua, calor y electricidad.

3. Reducción del peligro medioambiental inherente de las industrias extractivas. El hidrógeno puro es producido a través de sistemas de generación evitando la extracción de combustibles fósiles.

4. Funcionamiento silencioso. Al carecer de partes móviles, se ha estimado que el nivel de ruido a 30 m de una pila de combustible de tamaño medio es únicamente de 55 decibelios. Por ello, podrían usarse pilas de combustible en recintos urbanos.

Beneficios en la ingeniería de pilas de combustible.

1. Admisión de diversos combustibles. Cualquier combustible si incluye hidrógeno en su composición puede ser reformado. Pueden emplearse para este proceso, por ejemplo, gas natural, carbón gasificado, gasóleo o metanol.

2. Altas densidades energéticas. La cantidad de energía que puede generar una pila de combustible con un volumen determinado es normalmente dada en kWh/litro. Estos números continúan aumentando conforme se realizan nuevas investigaciones y desarrollos asociados de los productos respectivos.

3. Bajas temperaturas y presiones de operación. Las pilas de combustible en función de su tipo, operan desde 80 ºC a más de 1.000 ºC.

4. Flexibilidad de emplazamiento. Las celdas de combustible, con su inherente operatividad sin ruidos, emisión cero y requerimientos mínimos, pueden ser instaladas en multitud de lugares, de interior o exterior, residenciales, industriales o comerciales.

5. Rápida respuesta a variaciones de carga. Para recibir energía adicional, se debe introducir más combustible en el sistema. A más combustible, más energía.

Hidrogeno en calderas.

Como se ha mencionado anteriormente este combustible en combinación con otros combustibles permite mejorar la eficiencia de la combustión por lo cual, Se ha desarrollado un nuevo sistema generador de hidrógeno (HHO) para calderas que de acuerdo a las primeras pruebas realizadas ofrece unas excelentes expectativas en cuanto a mejora de eficiencia y ahorro de combustible en calderas. Según los resultados de las pruebas realizadas hasta el momento, estamos consiguiendo resultados de ahorro estimados que varían entre un 24% y un 28% en calderas de gasóleo. Dichas pruebas se realizaron haciendo funcionar las calderas primero sin hidrógeno y a continuación con el sistema hidrogenerador. Tras conectar nuestro sistema hidrogenerador a la caldera, el tiempo de funcionamiento de las calderas hasta alcanzar la misma temperatura programada se redujo entre un 24% y un 28%. Estos primeros resultados son muy alentadores, ya que apuntan a que a largo plazo se podrían conseguir resultados espectaculares en el ahorro de combustible en calderas empleando hidrógeno como combustible adicional.

Comparación de la llama en la Caldera.
Fuente

¿Qué ocurre al añadir gas HHO a mi caldera?

Le aportamos átomos de hidrógeno, un segundo combustible.

Le aportamos átomos de oxígeno, lo que aumenta la eficiencia del combustible estándar de la caldera (se quema mejor y produce más calor)

Como consecuencia de los puntos anteriores se reducen los elementos no combustionados contaminantes, eliminando hollín de la misma.

Caldera híbrida con hidrógeno.

• Ahorrar combustible (dinero).
• Evitar emisiones contaminantes y nocivas para la salud.
• Eliminar la carbonilla y residuos sólidos.
• Alargar la vida de la caldera al generar menos residuos.

Inconvenientes:

• El hidrogeno es extremadamente inflamable.
• Si se produce fugas de hidrogeno la fuga se evaporará muy rápido y puede crear explosiones.
• Una chispa o una descarga eléctrica cerca del generador de hidrogeno puede ser suficiente para provocar una ignición.

¿Para qué tipos de calderas es válido?

El sistema es válido para calderas independientemente del tipo de combustible primario que utilice (gasoil, gas natural, GLP, biomasa, carbón, etc). También es válido para grandes calderas industriales, comunitarias, etc.
La obtención de energía eléctrica se puede realizar mediante la utilización de un ciclo Rankine con mayor eficiencia u otro método donde se utilice la combustión interna para producir energía.

Ciclo Rankine Simple.
Fuente

Después de esta información recolectada me toco elegir cual método de producción de energía iba a utilizar para mi proyecto, la persona que le toco este tipo de energía el semestre anterior hablo acerca de las pilas de combustible, así que tenía que variar y escogí el hidrogeno utilizado en la combustión para producir energía. Encontré una planta prototipo productora de hidrogeno y energía eléctrica ubicada en España en el cual realizaron los estudios correspondientes para verificar la factibilidad de este tipo de energía, en cambio yo me fui por mi parte y cree un planteamiento de problema totalmente distinto con unas variables distintas, ya contaba con los componentes de la planta lo que me tocaba era calcular ¿Cuantas plantas de estas iba a necesitar?

• Planteamiento del problema.
El conjunto residencial Villa de Coro ubicado en el Edo Falcón está constituido por 40 vivienda, dicho conjunto requiere la planificación del diseño de una planta para producir energía alternativa y limpia para promover el cuidado del medio ambiente y sacar provecho a los avances tecnológicos.

Recursos.

• Se cuenta con datos estadísticos del consumo actual del conjunto residencia, obteniendo por cada vivienda un consumo de 4200Kvh y el conjunto completo de 168000Kvh.
• Planta de generación eólica se encuentra a 2500km del conjunto residencial con una producción de 1500Mv.
• El conjunto cuenta con un pozo de agua.
• Espacio libre de 2500m^2 dentro del conjunto residencial.

• Propuesta de diseño.
Diseñar una planta de generación eléctrica a través de la utilización de Hidrogeno como combustible principal y oxígeno, utilizados en un motor de combustión conectados a un generador eléctrico, la producción de esta energía tiene como resultado vapor de agua lo que no representa un riego de contaminación para los habitantes del conjunto residencial en general, es un sistema totalmente ecológico y tecnológico.

• Diseño de planta de generación.
El diseño se va a basar con el mayor aprovechamiento de los recursos disponibles en el conjunto y otros medios externos; en el principio de operación de este tipo de obtención de energía desde la obtención del hidrogeno hasta transformarlo en energía eléctrica.

• Etapas.
En la primera etapa del diseño debemos realizar la obtención del hidrogeno a través de un electrolizador, para realizar el proceso de separación del H2 del H2O obtenido del pozo del conjunto; para este proceso se requiere una conexión directa con la planta generadora eólica.

En la segunda etapa, se procede a pasar el hidrogeno por una serie de compresores de tres etapas que almacenan en tanques cilíndricos el hidrogeno obtenido.

En la cuarta etapa, se utiliza el hidrógeno almacenado en los tanques en el motor de combustión a través de control computarizado se regula la entrada del mismo que en combinación con el aire y una chispa de ignición genera una fuerza mecánica que mueve el eje conectado al generador produciendo energía eléctrica.

En la quinta etapa, la energía producida es transformada en una Sub estación para ser consumida por los usuarios.

Diagrama de Obtención del H2 y Operación de planta.

[Fuente Link.4]

• Selección de Equipos.

[Fuente Link.4]

[Fuente Link.4]

Fuente

[Fuente Link.4]

• Sistema de control.

En el siguiente esquema se puede visualizar el Sistema de control automatizado de la planta donde tenemos PLC en la planta electrolítica conectado a módulos, también en los compresores y generador que envían información a la computadora de la sala de control del operario, transmisores de flujo y presión a la salida de cada una de las líneas con señal inalámbrica, todo esto facilitando la operación de la planta, permite obtener registro de la producción y prevenir accidentes no deseados.

Sistema de control automatizado.

• Cálculos.

Tabla Realizada por mi Autoria

POTENCIA GENERADA POR LA PLANTA:
POTENCIA DE GENRADOR: 55KW
55Kw x 24H = 1320Kwh
POTENCIA CONSUMIDA EN 24H:
8707,200 Kwh
GANANCIA:
(1320 - 8707,200) Kwh = -7387,200Kwh es decir no Obtuvimos ganancia alguna con estar producción de energía, más bien perdemos al poner a funcionar esta planta 24h.

Consumo del conjunto de viviendas: 168000Kwh

CONCLUSIÓN.

SE TENDRÍA QUE INSTALAR (128) PLANTAS PARA LA GENERACIÓN DE (168960KWh) PARA CUBRIR LA DEMANDA DE LOS HABITANTES, PERO POR OTRA PARTE LA DEMANDA DE CONSUMO DE LA PLANTA EÓLICA SERIA DE (1114,522MW) ES DECIR EL 74,30% DE SU CAPACIDAD, LO CUAL GENERARÍA UN COSTO DE PRODUCCIÓN MUY ELEVADO EN COMPARACIÓN CON LO PRODUCIDO Y NO APROVECHADO, LA ENERGÍA DEL HIDRÓGENO A PESAR DE SER UNA ENERGÍA LIMPIA Y RENOVABLE SE ENCUENTRA EN UNA ETAPA DE DESARROLLO CONSTANTE PARA LA MEJORA DE LA EFICIENCIA PARA OBTENER ENERGÍA DEL MISMO.

A PARTE DE LA INVESTIGACIÓN COMO OTRO REQUISITO PARA LA NOTA, TUVIMOS QUE REALIZAR UNA MAQUETA RELACIONADA CON LA ENERGÍA INVESTIGADA POR CADA GRUPO DE ESTUDIANTES, A CONTINUACIÓN UNA FOTO DE MI TRABAJO DONDE RECREE LOS ELEMENTOS SELECCIONADO EN MI DISEÑO INCLUYENDO LOS GENERADORES EÓLICOS.

Foto tomada con mi Blu Dash 4.5

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