DE TECNOLÓGICO

(1)

(2)

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY

CAMPUS MONTERREY

DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA

TECNOLÓGICO DE MONTERREY

PRODUCCIÓN DE HIDROGENO UTILIZANDO PANELES FOTOVOLTAICOS

T E S I S

PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL GRADO ACADÉMICO DE:

MAESTRO EN CIENCIAS CON

ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA ENERGÉTICA

HÉCTOR MANUEL GONZÁLEZ CRUZ POR:

MONTERREY, N. L. DICIEMBRE DE 2007

(3)

Resumen

En los próximos años, el costo de combustibles fósiles será muy alto debido a la escasez de reservas de petróleo. Es necesario desarrollar nuevas fuentes de energía para satisfacer las necesidades del ser humano. El hidrógeno es el elemento químico más abundante en el planeta y es un buen transportador de energía, por lo que puede utilizarse como combustible renovable para la mayoría de las actividades humanas.

El hidrógeno puede obtenerse por procesos de separación de compuestos como el metano o el agua. Al utilizar energía renovable como fuente principal para la producción de hidrógeno se evita la emisión de gases de efecto invernadero (GEI).

La presente tesis presenta una de tantas maneras de aprovechar la energía del Sol para producir hidrógeno por el método de electrólisis. El aprovechamiento de la energía solar se realiza mediante paneles fotovoltaicos, que alimentan un electrolizador al- calino para producir hidrógeno utilizando corno electrolito hidróxido de potasio (KOH).

El material utilizado para este sistema fue de bajo costo para establecer su factibilidad de funcionamiento y su posible aplicación a futuro. Se llevó a cabo una recolección de datos (temperatura, corriente, voltaje) para establecer las cantidades y las condiciones de producción del hidrógeno.

Como resultados se encontró que bajo las condiciones de diseño de 20A y IV los paneles fotovoltaicos trabajan con una eficiencia entre 7% y el 12%, el electrolizador tiene un rendimiento entre 43% y 51% y todo el sistema en conjunto tiene una eficiencia entre 3% y 6%. Estos valores dependen de las condiciones ambientales (soleado, nublado, nubes).

Considerando los valores promedios se encontró que las eficiencias de los paneles

fotovoltaicos, el electrolizador y el sistema completo trabajan con una eficiencia del

8 %, 50 % y 4 % respectivamente.

(4)

X

Dedicatoria

A mi familia (Héctor, María y Natalia)...

A mi abuelo (Pepe)...

A mis tíos (Leticia y Martín)...

Al Dr. Manrique (q.e.p.d.).

(5)

XI

Agradecimientos

Agradezco al Centro de Energía Solar que por medio de la Cátedra de Energía Solar me otorgó el apoyo tanto académico como económico para realizar este postgrado.

Doy las gracias a los profesores del claustro por su apoyo y sus enseñanzas en el área de la energía térmica; a Karla, a Don Max y a Jorge por su colaboración en la elaboración de este proyecto.

Y especial agradecimiento al Dr. José Ángel Manrique (q.e.p.d.) por darme la

oportunidad de colaborar en el Centro de Investigación y en la Cátedra de Energía

Solar.

(6)

Contenido

Resumen x

Contenido xiii

Lista de Figuras xvi

Lista de Tablas xix

1. Introducción 1

1.1. Panorama energético 2

1.2. Definición del Problema 3

1.3. Antecedentes de la producción de Hidrógeno Solar 4

1.4. Justificación 5

1.5. Objetivo 6

1.6. Metodología 7

2. Análisis de Fundamentos 8

2.1. Energía Solar 8

2.1.1. Geometría Solar 8

2.1.2. Radiación Solar Terrestre 10

2.2. Electroquímica 14

2.2.1. Leyes de Faraday 14

XII

(7)

Contenido xiii

2.2.2. Electrólisis 15

3. Prototipo 17

3.1. Diseño y construcción 17

3.1.1. Panel fotovoltaico 18

3.1.2. Electrolizador 23

3.1.3. Sistema de distribución 27

3.2. Arranque y puesta en marcha 31

3.3. Teoría y experimentos 33

4. Resultados 38

5. Conclusiones y trabajo futuro 102

5.1. Trabajo futuro 103

A. Balance de energía en el electrolizador 106

B. Datos de Insolación 108

C. Análisis económico 124

Bibliografía 129

(8)

índice de figuras

1.1. Diagrama esquemático de un sistema de producción de hidrógeno solar 4 1.2. Diagrama esquemático del proyecto de producción de hidrógeno solar . 5

2.1. Esquema para el cálculo de la masa de aire 11

2.2. Ángulo de incidencia 9 12

3.1. Celda Solar de Silicio Monocristalino 18

3.2. Base del panel fotovoltaico 19

3.3. Panel fotovoltaico 21

3.4. Módulo fotovoltaico 22

3.5. Tapa superior del Electrolizador 24

3.6. Electrodo positivo 25

3.7. Electrodo negativo 26

3.8. Conexiones internas del Electrolizador 27

3.9. Sistema de purificación de hidrógeno 28

3.10. Tapa superior del purificador 29

3.11. Electrolizador conectado al sistema de purificación 30

3.12. Purificador armado 30

3.13. Sistema de Producción de Hidrógeno Solar 33

3.14. Electrolizador y sus conexiones dentro del sistema de producción de

hidrógeno 34

XIV

(9)

Índice de figuras

xv

4.27. Gráfica de energía solar y fotovoltaica 22-Ago-07 94 4.1. Gráfica de energía solar y fotovoltaica 20-Jul-07 78

4.2. Gráfica de eficiencias 20-Jul-07 79

4.3. Gráfica de energía solar y fotovoltaica 21-Jul-07 80

4.4. Gráfica de eficiencias 21-Jul-07 81

4.5. Gráfica de energía solar y fotovoltaica 22-Jul-07 81

4.6. Gráfica de eficiencias 22-Jul-07 82

4.7. Gráfica de energía solar y fotovoltaica 23-Jul-07 82

4.8. Gráfica de eficiencias 23-Jul-07 83

4.9. Gráfica de energía solar y fotovoltaica 24-Jul-07 83

4.10. Gráfica de eficiencias 24-Jul-07 84

4.11. Gráfica de energía solar y fotovoltaica 25-Jul-07 84

4.12. Gráfica de eficiencias 25-Jul-07 85

4.13. Gráfica de energía solar y fotovoltaica 26-Jul-07 85

4.14. Gráfica de eficiencias 26-Jul-07 86

4.15. Gráfica de energía solar y fotovoltaica 27-Jul-07 87

4.16. Gráfica de eficiencias 27-Jul-07 87

4.17. Gráfica de energía solar y fotovoltaica 28-Jul-07 88

4.18. Gráfica de eficiencias 28-Jul-07 88

4.19. Gráfica de energía solar y fotovoltaica 29-Jul-07 89

4.20. Gráfica de eficiencias 29-Jul-07 90

4.21. Gráfica de energía solar y fotovoltaica 31-Jul-07 90

4.22. Gráfica de eficiencias 31-Jul-07 91

4.23. Gráfica de energía solar y fotovoltaica 17-Ago-07 92

4.24. Gráfica de eficiencias 17-Ago-07 92

4.25. Gráfica de energía solar y fotovoltaica 21-Ago-07 93

4.26. Gráfica de eficiencias 21-Ago-07 93

(10)

Índice de figuras

xvi

4.28. Gráfica de eficiencias 22-Ago-07 95

4.29. Gráfica de energía solar y fotovoltaica 23-Ago-07 95

4.30. Gráfica de eficiencias 23-Ago-07 96

4.31. Gráfica de energía solar y fotovoltaica 24-Ago-07 96

4.32. Gráfica de eficiencias 24-Ago-07 97

4.33. Gráfica de energía solar y fotovoltaica 25-Ago-07 97

4.34. Gráfica de eficiencias 25-Ago-07 98

4.35. Gráfica de energía solar y fotovoltaica 29-Ago-07 99

4.36. Gráfica de eficiencias 29-Ago-07 99

4.37. Gráfica de energía solar y fotovoltaica 30-Ago-07 100

4.38. Gráfica de eficiencias 30-Ago-07 100

4.39. Gráfica de eficiencias promedio del dispositivo 101

(11)

índice de tablas

3.1. Resistividad de materiales en K O H al 27% [1],[2] 23

4.1. Mediciones de voltaje y corriente alimentados al electrolizador, energía solar dispo-

nible y la energía solar teórica (20 Jul 2007) 38

4.2. Cálculos y resultados de volúmenes y eficiencias eléctrica, fotovoltaica y del sistema

(20 Jul 2007) 41

4.4. Cálculos y resultados de volúmenes y eficiencias eléctrica, fotovoltaica y del sistema

(21 Jul 2007) 45

4.6. Cálculos y resultados de volúmenes y eficiencias volumétrica, eléctrica, fotovoltaica

y del sistema (22 Jul 2007) 49

XVII

(12)

Índice de tablas XVIII

4.17. Medie ñones de voltaje y corriente de los paneles fotovoltaicos y su eficiencia (28 Jul

2007) 73

4.18. Mediciones de voltaje y corriente de los paneles fotovoltaicos y su eficiencia (29 Jul

2007) 75

B.l. Insolación del 21 al 25 de Julio del 2007 108

B.2. Insolación del 26 al 30 de Julio del 2007 110

B.3. Insolación del 31 de Julio al 4 de Agosto del 2007 112

B.4. Insolación del 5 al 9 de Agosto del 2007 114

(13)

índice de tablas

xix

C . l . Costos del material utilizado para fabricar los paneles fotovoltaicos 124 C.2. Costos del material utilizado para fabricar el electrolizador 126 C.3. Costos del material utilizado para fabricar el sistema de purificación del hidrógeno 127

(14)

Capítulo 1 Introducción

En los próximos años, el costo de los combustibles fósiles será muy alto debido a la escasez de reservas petroleras y a lo difícil que es obtenerlo en aguas profundas. Por ello, es necesario desarrollar nuevas fuentes de energía para satisfacer las necesidades del ser humano. El hidrógeno es el elemento químico más abundante en el planeta y es un buen transportador de energía, por lo que puede utilizarse como combustible renovable para la mayoría de las actividades humanas. El hidrógeno se obtiene por procesos de separación de compuestos como el metano o el agua. A l utilizar energías renovables como fuente primarias para la separación del hidrógeno, se evita la producción de gases de efecto invernadero.

Durante la crisis petrolera de la década de los 70's la humanidad se dio cuenta que depende en gran parte de los combustibles fósiles. Y el problema no es la posible escasez de este recurso energético sino la manera en que se encuentra distribuida dentro del planeta (La mayoría de las reservas petroleras del mundo se encuentran en el Medio Oriente). La principal consecuencia de dicha crisis fue el realizar innovación y conversión de la industria provocando que el ser humano se enfocara en la investi- gación y el desarrollo de nuevas fuentes de energía como la solar, la nuclear, entre otras.

1

(15)

1.1. Panorama energético

2 1.1 Panorama energético

Durante la era del carbón se desarrollaron diferentes conceptos en conocimiento y tecnología para poder extender la vida útil de las minas como los sistemas de drenaje para evitar inundaciones dentro de las mismas y la aplicación del concepto de presión atmosférica en la tecnología del bombeo.

Para 1705, Thomas Newcomen inventó la máquina de vapor que provocó la primera Revolución Industrial. En 1769, James Watt mejoró la máquina de Newcomen haciéndola cuatro veces más eficiente que su predecesora, esta mejora trajo consigo el desarrollo del sistema de transporte ferroviario.

Para la segunda mitad del siglo X I X , buscando pozos subterráneos de agua, se encontraron los primeros yacimientos de petróleo. Esto trajo una nueva revolución tecnológica con la creación de industrias extractoras, exploradoras, transportadoras, transformadoras y distribuidoras de este recurso y de sus derivados.

Con la patente de la lámpara incandescente, en 1880 se inició la industria eléctrica

cuyos generadores eran máquinas de vapor. La industria eléctrica comenzó con sistemas

aislados de iluminación pública, después se comienza a entregar energía durante el día

a las industrias provocando una interconexión de los sistemas hasta crear pequeños

monopolios regionales. Dentro de los cambios tecnológicos se encuentran el cambio

de motores de vapor por motores eléctricos y el cambio en la forma y tamaño de las

plantas industriales así como también su ubicación.

(16)

1.2. Definición del Problema,

3 La industria eléctrica fue afectada por la crisis petrolera de los años 70's debido al aumento de precio en los combustibles fósiles y el aumento en el costo de capital que provocó un aumento en la inflación en la mayoría de los países, sobretodo si eran importadores de petróleo.

A causa de los desastres ecológicos causados por los derrames petroleros en los mares y la acumulación de contaminación atmosférica en las grandes ciudades, durante la década de los 80's comenzó a surgir en la sociedad la conciencia ecológica. Para los 90's la preocupación se centró en el cambio climático debido a la acumulación de los gases de efecto invernadero.

1.2 Definición del Problema

Hoy en día la humanidad depende en gran medida de la producción de energía eléctrica por medio de combustibles fósiles. Se sabe que no quedan más de 50 años de reservas petroleras, aproximadamente; por lo que es necesario el desarrollo de nuevas fuentes y mecanismos de producción utilizando recursos renovables como el viento, el agua, el sol.

Es bien sabido que el hidrógeno es uno de los elementos químicos más abundante en el planeta, además su poder calorífico es mucho mayor que el de los combustibles usados en la actualidad como la gasolina, diesel, carbón, etc. El inconveniente de este elemento es que no existe en forma pura en el ambiente debido a que es un elemento muy ligero y fácil de combinar o reaccionar con los demás elementos químicos.

Por lo anterior el presente trabajo se centra en el desarrollo de la producción de

hidrógeno por medio de energía renovable, específicamente la energía solar fotovoltaica.

(17)

1.3. Antecedentes de la producción de Hidrógeno Solar

4 1.3 Antecedentes de la producción de Hidrógeno Solar

Existen diferentes procedimientos para separar el hidrógeno a partir de algún compuesto químico natural (como el agua y el metano) tales como la electrólisis, la gasificación, procesos fotoelectroquímicos, entre otros. Los métodos más comunes que se aplican para producir hidrógeno utilizando energía solar son la termolisis y la electrólisis. La primera consta de elevar la temperatura del agua por medio de un concentrador a temperaturas del orden de 1000° C y la segunda consiste en alimentar energía eléctrica al agua por medio de electrodos.También existen métodos compuestos o híbridos, como a partir del vapor que produce un concentrador se pasa por un ciclo de vapor para generar electricidad y por medio de ésta el hidrógeno.

Solar Hydrogen Production

Qnydrogen gas

Electric power controller

Electric utility grid

(^Hydrogen gas\ (^Oxygen gas J) Hydrogen piirifier Oxygen purifier

Electrolyzer

CP Makeup water purifier Electrolyte tank

Figura 1.1: Diagrama esquemático de un sistema de producción de hidrógeno

solar

(18)

1.4. Justificación

5 La eficiencia de un sistema de producción de hidrógeno por electrólisis con celdas solares es de 11 % [3], 7% [4]. Para un sistema de concentradores solares y un ciclo de vapor para generar energía eléctrica y alimentar,con ésta, a un electrolizador es de 21.4% [3]. Y para un sistema de alta temperatura vía concentradores solares se calcula una eficiencia del 32.9% [3].

En la figura 1.1 se muestra un esquema [5] general de un sistema de producción de hidrógeno con celdas solares vía electrólisis y, en la 1.2 se expone el diagrama del sistema que se construyo para este proyecto.

Tanque de agua y Hidrógeno

Purificador deH2

Oxigeno

Figura 1.2: Diagrama esquemático del proyecto de producción de hidrógeno solar

1.4 Justificación

La justificación principal del desarrollo de este proyecto es el de encontrar una

fuente de energía capaz de competir dentro del mercado actual o el futuro. Esto

se debe a que los costos por combustibles son las principales causas de la quiebra

financiera de industrias y plantas de generación alrededor del mundo. Lo anterior hace

que se cambie a combustibles más baratos que, en la mayoría de los casos son más

(19)

1.5. Objetivo

6 contaminantes debido a la alta producción de gases de efecto invernadero (GEI), como el combustóleo o el coke.

Otra ventaja es que la combustión del hidrógeno es limpia, esto quiere decir que el producto de su quema es vapor de agua. Por lo que se dejaría de emitir GEI a la atmósfera. Esto siempre y cuando la forma de obtener el hidrógeno sea por medio de un proceso que no utilice combustibles fósiles como fuente principal.

También se dejaría de depender al 100% de los recursos energéticos fósiles. Lo cual traería como beneficio una diversificación en el mercado de fuentes de energía.

Al implementar pequeñas plantas basadas en este sistema de producción de energía eléctrica se obtendría el beneficio de la generación distribuida, que no es más que el evitar las pérdidas por transmisión y distribución teniendo así un sistema eléctrico más estable.

1.5 Objetivo

El objetivo de este proyecto es el encontrar los costos de producción del hidrógeno

por medio de electrólisis teniendo como fuente la energía solar fotovoltaica, así como

también su eficiencia tomando en cuenta que es un sistema doméstico. La idea principal

de este proyecto es el comprobar qué tan eficiente es la producción distribuida de

hidrógeno por medio de energía solar fotovoltaica.

(20)

1.6. Metodología 7

1.6 Metodología

Para este proyecto se utilizarán el método analítico y el experimental. El primero se utilizará para obtener una eficiencia nominal de acuerdo a los datos de cada parte manufacturada como el panel solar donde se obtendrán el voltaje y corriente que serán datos para obtener la eficiencia de conversión de energía para el proceso de electrólisis, el electrolizador donde se obtendrán los datos de flujo de entrada del electrolito y de salida de los gases (oxígeno e hidrógeno) para obtener una eficiencia par- cial de esta parte del sistema, para así obtener finalmente la eficiencia total del sistema.

Para la parte experimental se obtendrán los datos arriba mencionados tomando

un valor promedio sobre las mediciones realizadas cada cinco minutos durante varios

días para cada parte del sistema para así obtener una eficiencia real total y para cada

parte del prototipo desarrollado en base al modelo del libro electrónico Build a Solar

Hydrogen Fuel Cell System [6].

(21)

Capítulo 2

Análisis de Fundamentos

En este capítulo se presentan los conceptos fundamentales de Energía Solar y Electroquímica. En el apartado de Energía Solar se presentan conceptos de geometría solar los cuales se utilizan para obtener la cantidad de energía disponible para la conversión fotovoltaica. En la parte de Electroquímica se muestran los conceptos básicos de la electrólisis así como las ecuaciones que rigen esta materia.

2.1 Energía Solar

Para aprovechar la energía solar que incide en la superficie terrestre, es necesario analizar la radiación que emite el Sol, así como las características de ésta al incidir en la atmósfera de la Tierra.

2.1.1 Geometría Solar

El Sol tiene una estructura muy compleja, por lo que para aplicaciones de ingeniería es bueno considerar al Sol como un cuerpo negro a una temperatura de 5762 K. La

8

(22)

2.1. Energía Solar

9 constante solar I

⁰

es la cantidad de energía por unidad de tiempo que recibe una superficie de área unitaria, en el espacio, perpendicular a la radiación solar. El valor de I

⁰

es de 1.353kW/m

² = 429Btu/hr • ft²

[7].

Suponiendo que la Tierra está fija en el espacio y que el Sol gira alrededor de ésta.

La posición del Sol se describe por medio de dos variables angulares: la altura solar

(a) y el acimut solar (7). La primera variable (altura solar) es el ángulo que forma el

Sol con el horizonte y, el acimut solar, es el ángulo que se forma entre la proyección horizontal de la ubicación del Sol y el sur verdadero. El valor de estas variables depende de la latitud del lugar (0), la declinación (ó) y el ángulo horario (u).

La latitud es el ángulo que forma un lugar determinado en la Tierra con respecto al plano del ecuador. Su valor es positivo cuando se mide hacia el norte del ecuador, y negativo cuando se mide hacia el sur del mismo.

La declinación es el alejamiento del Sol respecto el ecuador. El desplazamiento puede ser hacia el sur o hacia el norte y depende del día del año, calculándose con la siguiente expresión:

Donde n es el día del año (1 < n < 365). El último parámetro es el ángulo horario, éste es cero al mediodía solar y toma valores de 15° cada hora, con signo positivo antes del medio día y negativo por las tardes.

Definidos la latitud, el ángulo horario y la declinación, se puede calcular el acimut y la altura solares con las ecuaciones:

(2.1)

(23)

10 sin

^a

= eos

^é

eos

⁵

eos

^LO

+ sin

^<f>

sin

⁶

(2.2) eos

5

sm o,

¹

sin 7 =

cosa (2.3)

Las ecuaciones descritas en este apartado se ocupan para saber la trayectoria del Sol y la radiación solar que recibe cierta superficie (Panel, colector, etc.) con determi- nada inclinación y orientación en la superficie terrestre en cualquier día o época del año.

2.1.2 Radiación Solar Terrestre

La atmósfera terrestre se compone de varias capas: troposfera, estratosfera, ionosfera y exosfera. La composición de la atmósfera hasta unos 80km de altura se considera constante con una composición de 78 % N2, 21 % O2 y el resto de otros gases como CO2, Ar, ozono y vapor de agua. El ozono absorbe la radiación ultravioleta (A < 0.29/Ltm), y el vapor de agua la radiación infrarroja (A > 2.3¿/m); por lo que la radiación que llega a ser transmitida a la superficie terrestre está compuesta, casi en su totalidad, por longitudes de onda entre 0.29/xm y 2.3/im, con atenuaciones debido a los fenómenos de absorción (O3, H

²

0 y CO2) y dispersión (polvo, vapor de agua, etc.).

A la longitud de la trayectoria que sigue la radiación solar al cruzar la atmósfera

se le conoce como masa de aire. Esta es unitaria a nivel del mar a 1 atm de presión y

cuando la trayectoria de la radiación es vertical; es decir, cuando el Sol se localiza en

el cénit (9

^Z

= 0). En la figura 2.1 se muestra como la masa de aire (m) depende de la

distancia AB y el ángulo cenital (0

^Z) o la altura solar (a).

(24)

11

m = sec 9^Z

(2.4)

V

{1229 + (614 sin a )

^{2i V 2}²

} 614 sin a (2.5)

m Po

La ecuación 2.5 es útil para calcular la masa de aire para presiones diferentes a la presión a nivel del mar (P

⁰ = 101.325A;Pa), esto debido a la altitud.

Existen diferentes tipos de radiación como la radiación directa, la cual es la que no experimenta cambios en su trayectoria debido a dispersión o absorción; la radiación

difusa, que es la que experimenta dispersión en la atmósfera y no tiene una dirección

específica; y la radiación total, cuyo valor es igual a la suma de la radiación difusa y directa.

o

Figura 2.1: Esquema para el cálculo de la masa de aire

(25)

12 Radiación sobre una superficie inclinada

Para una superficie inclinada con ángulo p respecto a un plano horizontal y un ángulo acimutal (7) respecto al sur, el ángulo de incidencia (0) para una radiación directa es aquel que se forma entre la normal de la superficie y el haz de radiación.

Expresando matemáticamente:

eos 0 = sin 6 sin (p eos fj — sin ó eos é sin (3 eos

y^s

+ eos S eos

0

eos ¡3 eos u? + + eos S sin (f) sin 0 eos

7^

eos u> + eos 5 sin ¡3 sin

7^

sin u> (2-6)

Para la ecuación 2.6 existen ciertos casos especiales:

Radiación en superficie horizontal. Ocurre cuando el ángulo 9 = dando como resultado la ecuación 2.2.

0, y P =

0

^o

(26)

13 eos 9

^Z

= eos 0 eos ó eos u + sin r¿> sin 6 (2-7)

Radiación en superficie vertical orientada hacia el sur. Es el caso para cuando 7s = 0

^o

y 0 = 90°. Matemáticamente queda:

eos 9 = — sin ó eos cf> + eos 6 sin ó eos

^UJ

(2.8)

Radiación en superficie inclinada hacia el sur. En este caso el ángulo de inci- dencia 9 es igual al ángulo acimutal 7, para una superficie ubicada en una latitud equivalente a ( 0 — 0).

eos 9 = sin 5 sin (4> — 0) + eos 5 eos (</> — 0) eos

u>

(2.9)

Normalmente se conoce la radiación directa sobre una superficie horizontal, pero para conocer la radiación directa sobre una superficie inclinada es necesario definir el cociente (Rb) de la radiación directa en una superficie inclinada 7¡,

^)C

y la radiación directa sobre una superficie horizontal h,h- De la figura 2.2 se puede observar las pro- yecciones de h sobre el plano horizontal, que depende del ángulo 9

^Z y la de la superficie

inclinada que depende del ángulo 6.

h,^c heos 9 eos 9

b * h,h h eos 9z

eos

#2

Para el caso en que se tiene una superficie inclinada con vista hacia el sur las ecuaciones 2.7 y 2.9 para tener como resultado la ecuación 2.11.

sin 5 sin (4> — 0) + eos S eos (<p — 0) eos

^UJ

b

sin í5 sin <¡> + eos ó eos <¡> eos u

(2.10)

. se utilizan

(27)

2.2. Electroquímica

14 2.2 Electroquímica

La electroquímica es la rama de la química que se encarga de la relación entre la electricidad y las reacciones químicas. A continuación se presentan las principios más elementales de la electroquímica que se utilizaron para desarrollar el presente proyecto.

2.2.1 Leyes de Faraday

Para comprender las leyes que rigen a la electroquímica es necesario tener en cuenta los siguientes conceptos:

Constante de Faraday Es la cantidad de carga eléctrica contenida por un mol de electrones.

F = N^av • e~ = 6.02310²³

• 1.60210

^{- 1 9}

= 9 6 4 9 0 C / W • e" (2.12)

Equivalente electroquímico Masa de un compuesto depositada en un electrodo du- rante la electrólisis producida por un Coulomb.

E

< - m

⁽²

-

¹³⁾

Donde P.A. es el peso atómico del elemento o compuesto y N.V. es el número de valencia del elemento o compuesto.

Una vez definidos estos conceptos, se describen las leyes de Faraday que gobiernan

cualquier proceso de electrólisis, sin importar si es un medio ácido o alcalino.

(28)

15

P H m p r n T,f>v H«

Faraday La masa de un elemento depositada en un electrodo es a la cantidad de electricidad que pasa a través del electrolito.

m =

l ^

^{= < ?}

^

⁽²

-

^M)

Segunda Ley de Faraday La masa de diferentes elementos depositados o disueltos en un electrodo por la misma cantidad de electricidad, son proporcionales a sus equivalentes electroquímicos.

2.2.2 Electrólisis

La reacción química (combustión) del hidrógeno ( i/ 2 ) con el oxígeno (O2) es espontánea, produciéndose agua (H2O) y una corriente eléctrica. Este tipo de reacción química se conoce como de oxido-reducción. Es posible realizar la reacción inversa, pero para ello es necesario utilizar una fuente de energía (electricidad). Este tipo de reacciones impulsadas por una fuente externa de energía se conocen como reacciones

de electrólisis y se realizan en celdas electrolíticas.

Una celda electrolítica está formada por dos electrodos en una solución, ya sea acida o alcalina. La celda se activa al conectarse a una fuente de corriente directa, que inyecta electrones en un electrodo y los toma del otro.

El electrolito es la sustancia que contiene iones al estar en solución acuosa. Existen

dos tipos de electrolitos: los electrolitos fuertes, que son básicamente compuestos

iónicos y algunos compuestos moleculares que crean iones al disolverse, como el ácido

clorhídrico (HCL); y los electrolitos débiles, compuestos moleculares que producen

pequeñas concentraciones de iones al disolverse.

(29)

16 Electrólisis del agua

La electrólisis del agua se representa por la siguiente reacción química:

2H²0—>0² + 2H²

(2.15)

Las reacciones químicas en cada electrodo dependen de la solución electrolítica. Si se lleva a cabo en un medio alcalino se tiene:

4H⁺ + 4e' —• 2H²

(2.16)

40H- —> 2H²0 + 0² + 4e~

(2.17)

La reacción 2.17 corresponde al ánodo y la reacción 2.16 al cátodo de la celda electrolítica. En cambio, para un medio ácido:

4 0 f f

⁺

+ 4e- — • 2 #

²

0 + 0

²

(2.18)

4H- —> 2H² + 4e~

(2.19)

donde la reacción 2.18 corresponde al ánodo y la reacción 2.19 al cátodo de la

celda electrolítica.

(30)

Capítulo 3 Prototipo

En este capítulo se divide en tres partes: diseño y construcción, donde se describe las bases y el procedimiento que se realizó para armar el prototipo de producción de hidrógeno; arranque y puesta en marcha; y el apartado de teoría y experimentos donde se describe el cálculo teórico de la eficiencia por aparato (paneles y electrolizador), así como también qué tipo de datos y el cómo se obtuvieron para realizar los cálculos de eficiencia por aparato y del sistema completo y compararlos.

3.1 Diseño y construcción

Para el diseño y desarrollo de este prototipo se tomaron en cuenta materiales que fueran de bajo costo y fáciles de conseguir. En el electrolizador se verificó que los materiales tuvieran una resistencia adecuada para soluciones alcalinas.

17

(31)

3.1. Diseño y construcción 18

Figura 3.1: Celda Solar de Silicio Monocristalino

Para la parte trasera o base de cada panel se utilizaron hojas de aluminio de 1/I6"x28"x30". Para la parte frontal de los paneles se prefirió el aerifico transparente sobre el cristal, debido a su costo, a su alta resistencia a golpes y a que su transmitancia es de 92 %².

Para marcar la separación entre la parte frontal y la base de cada panel se utilizaron barras de aluminio de 1" de ancho y 1/4" de grosor, para el marco de cada

1Silicon solar, http://www.siliconsolar.com

2Plaskolite. http://www.plaskolite.com

3.1.1 Panel fotovoltaico

En el diseño del panel fotovoltaico, se tomaron en cuenta celdas solares¹ de 5"x5", que producen bajo condiciones estándar 4500my4. y aproximadamente 0.5V; esto para poder tener una buena magnitud de corriente. Para poder llevar a cabo la electrólisis del agua es necesario alimentar al electrolizador con alrededor de 2V. además como se vio en el Capítulo 2 entre más corriente se alimente mayor es la producción del gas hidrógeno.

(32)

3.1. Diseño y construcción 19

panel; además se distribuyeron pedazos de plástico en la parte interna, sin que estos provoquen sombras, para evitar el contacto de la cubierta con las celdas solares.

Cada una de las bases de aluminio se lijaron y se limpiaron. Posteriormente se colocó una capa delgada de pegamento silicón para poner sobre ésta una cubierta de nylon para evitar la entrada de agua y humedad a los paneles, además de evitar el contacto con las celdas solares.

Para terminar la base de los paneles se aseguro a una mesa la hoja de aluminio, el acrílico y las barras de aluminio y se marcaron los puntos donde se colocarían los tornillos. Los tornillos, tuercas y arandelas utilizados fueron de acero inoxidable para evitar su corrosión debido a las condiciones ambientales. Se uso un taladro para realizar las perforaciones en los tres materiales. Posteriormente se limpiaron las superficies y se pegaron con silicón las barras a la base de aluminio, formándose el marco de los paneles.

Figura 3.2: Base del panel fotovoltaico

Antes de empezar la conexión entre las celdas para formar los paneles, fue necesario realizar una prueba para checar el funcionamiento individual de las celdas e identificar cuales son sus características de corriente y voltaje. Esto sirve para que se

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3.1. Diseño y construcción

20 puedan ubicar las celdas de forma tal que no afecten en el desempeño del panel debi- do a un rendimiento bajo de alguna de ellas. Para esta prueba se utilizó un multímetro.

De acuerdo al tamaño de las celdas solares y a sus características de corriente y voltaje, se decidió el ponerlas de tal manera que cada panel pueda producir 2V y 20A para después conectarlos en serie y tener un sistema de 4V y 20A para alimentar al electrolizador.

Las celdas fotovoltaicas se colocaron sobre una superficie plana de dimensiones similares al panel, para distribuirlas de manera uniforme y checar los espacios entre las mismas. Para realizar las conexiones entre celdas, primero se utilizó alambres de cobre de 10 milésimas de pulgada de espesor, que se obtuvieron a partir del corte de hojas del mismo material. También se utilizó un cautín con soldadura de estaño-plomo (60/40) para pegar cada listón sobre las tiras de conexión de cada celda, la parte frontal de la celda es la terminal negativa y la parte posterior es la terminal positiva.

El procedimiento de soldadura de cada conexión para las celdas solares fue primero fundir soldadura con el cautín y aplicar sobre un listón de cobre para evitar ejercer presión sobre la celda solar, este paso se repitió hasta tener listo todos los listones de conexión para las celdas. Al terminar se toma una celda y se aplica sobre la superficie a soldar una solución de flux utilizando un aplicador tipo lápiz, inmediatamente se toma un listón preparado con soldadura y el cautín para soldar la conexión, el proceso fue repetido hasta tener listas las 40 celdas que formaran los paneles solares.

A l terminar de soldar las conexiones de las celdas, se procedió a producir los bus

de conexión que fueron fabricados a partir de listones de cobre de 20 milésimas de

pulgada de espesor y 1 1/4" de ancho, para obtener listones de 3/8". La manera

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Ya que se tienen los arreglos en paralelo se hace nuevamente una prueba de desempeño de corriente y voltaje para confirmar que cada conjunto este produciendo las mismas cantidades aproximadamente. Esto es para evitar la baja producción de corriente/voltaje que afecte el rendimiento de los paneles.

Las celdas solares conectadas en paralelo, se colocaron en grupos de 4 sobre una base guía y se unieron con pedazos de bus de cobre y, en los extremos, se sol- daron los bus que se conectarán a los cables para la distribución de la energía producida.

Figura 3.3: Panel fotovoltaico

Para realizar las conexiones eléctricas se utilizaron unas cajas plásticas donde se colocaron con pegamento terminales eléctricas para hacer las conexiones bus-cable y entre paneles. Estas cajas se colocaron por fuera en la parte superior de la base de en que se conectaron las celdas fue en grupos de 5 celdas en paralelo para tener un arreglo que produciera 2CL4. y 0.5V. Para unir las celdas, primero se puso solda- dura en el bus justo en el área donde se conectara con cada celda; posteriormente de colocaba el bus por debajo del listón de la celda y con la ayuda del cautín se soldaba.

(35)

3.1. Diseno y construcción 22

aluminio, también se hicieron las perforaciones correspondientes para dejar salir los bus. A cada bus se le coloco una terminal de ojillo (forma de O) para poder insertarla en el banco de terminales y evitar el amontonamiento de cables. A la salida de los bus se colocó un tubo plástico para evitar que la humedad entre a los paneles y esto afecte su desempeño.

Para hacer un sello hermético entre el acrílico y la base se colocaron tiras de hule rojo cuya composición es Caucho Estireno Butadieno (SBR). Se cortaron tiras del tamaño de las barras de aluminio y se untó pegamento silicón en ambos lados del hule, se colocó el acrílico en su posición y se cerró con los tornillos, tuercas y arandelas de acero inoxidable.

Para terminar se conectan los paneles en serie y se llevan los cables de alimentación hacia el electrolizador. Los cables utilizados fueron calibre 12 A W G , el cual puede llevar hasta 3 0 A

Figura 3.4: Módulo fotovoltaico

(36)

3.1. Diseno y construcción

23

Tabla 3 . 1 : Resistividad de materiales en KOH al 27% [1],[2]

KOH al 27 % Nivel de Corrosión Temperatura

Acrílico Resistente 60 - 90° F

PVC Tipo 1 Resistente 60 - 140° F

PVDF (kynar) Resistente 60 - 220° F

Pilopropileno Resistente 60 - 150° F

Hule Rojo (SBR) Resistente

-

Aluminio Insatisfactorio

-

Acero Inox 304 < 20 Mils/año 60 - 210° F

Bronce < 20 Mils/año

-

Latón < 20 Mils/año 60 - 90° F

Pegamento epóxico

- -

Pegamento silicón Resistente 60 - 210°F

Nylon Resistente 60 - 210° F

3.1.2 Electrolizador

De acuerdo con tabla ?? ([1],[2]) el PVC y el hule rojo, Caucho Estireno Butadieno (SBR) por sus siglas en inglés, son materiales resistentes al hidróxido de potasio (KOH), de fácil acceso y no cuestan mucho. Para el cuerpo del electrolizador se opto por un tubo de PVC Tipo I de 3" de diámetro, 1/2" de grosor y 9 1/8" de largo.

Existen varios tipos de PVC: el Tipo I, el Tipo I I y el de uso común (pared delgada), para este proyecto se utilizó el PVC Tipo I, aunque no se especifique.

En el cuerpo del electrolizador, 3" aproximadamente de uno de los extremos, se

realizaron dos agujeros, uno opuesto al otro, con la ayuda de un taladro para que

pudieran entrar dos tornillos que harán la función de terminales positivas dentro del

electrolizador. Se colocaron 4 tiras de 1/4" x 6" desde la base (parte más cercana a

los huecos para las terminales positivas) utilizando pegamento epóxico. Esto último

es para evitar que el electrodo positivo haga contacto con las paredes evitando la

producción de gas de ese lado.

(37)

24

C o m o cubierta superior se utilizó tapas de P V C para tubo de 3", a la cual se le hizo un agujero de 3/8" en el centro que hará la labor de salida de hidrógeno. Por la parte interna se pegó un acoplador de 1 15/16", de manera que el hueco quedara en el centro y, entre éste y la tapa se hizo otro hueco de 3/8" que actuara como salida del gas oxígeno.

A cada uno de los puertos de salida se colocaron, con pegamento epóxico, dos conectores de 3/8" tipo espiga cortados de manera tal que no sobresalieran por la parte interna de la tapa y que tuvieran suficiente distancia por la parte externa para poder tener distancia suficiente para hacer la conexión con la manguera evitando posibles fugas.

Figura 3.5: Tapa superior del Electrolizador

Para evitar la interacción entre el hidrógeno y el oxígeno dentro del electrolizador se colocó un separador. Este separador fue hecho con hojas de polipropileno, material resistente al K O H a una concentración del 2 7 % [1]. A partir de un rectángulo de 7 3 / 4 " x 5 15/16" y utlizando el cautín para sellarlo, se formó un cilindro de 7 3/4" de largo y con una circunferencia que se ajusta al diámetro del acoplador en el cual es colocado.

(38)

25

Figura 3.6: Electrodo positivo

Para el electrodo positivo se optó por malla de acero inoxidable 304 tipo 200x200 ya que tiene buena resistencia sobre soluciones de KOH [1]. De un pedazo de 6"x9 1/2"

se formó un cilindro de 6" de largo y se insertó en el cuerpo del electrolizador, evitando que la malla toque las paredes y, utilizando unas grapas de níquel se aseguró el electrodo.

Con una punta de taladro se marcaron los puntos donde están las terminales y con ayuda de un cortador se hicieron los huecos a la malla. Posteriormente se insertaron tornillos de acero inoxidable de adentro hacia afuera del cuerpo, insertando primero una arandela de acero inoxidable, luego la malla y por último una arandela de hule rojo. Por la parte externa se colocó una tuerca en cada tornillo, aplicando previamente una pequeña cantidad de silicón como sellador. Al haberse secado el silicón se colocó otra tuerca que se ajustó hasta la primera y después dos arandelas y otra tuerca más en cada terminal.

El electrodo negativo se formó a partir de una malla de inoxidable 304 con

(39)

dimensiones 6"x9 3/4" y una lengüeta de 3/4" de ancho en la parte inferior. Utilizando una regla se dobló la malla para formar un paralelepípedo con base en forma de estrella de 12 picos. La parte de la lengüeta se dobló por la mitad a lo largo y se hizo un pe- queño doblez a lo ancho y con ayuda de un cortador se realizó el hueco para un tornillo.

Figura 3.7: Electrodo negativo

Para la tapa inferior del electrolizador, se utilizó una tapa semejante a la de la parte superior. En este caso se realizó un hueco para tornillo 10/24 en el centro y uno de 3/8" entre la pared de ésta y una tapa de P V C de 1" colocada en el centro, este hueco es la entrada del electrolito. Se pegó con epóxico un conector tipo espiga cortado de 3/8" en el hueco del extremo. A la tapa de P V C de 1" se le hizo un hueco para tornillo 10/24 y en la parte interna se le pegó con silicón una arandela de acero inoxidable.

Posteriormente se pegó la tapa de 1" con silicón sobre el interior de la tapa de 3" evitando que llegará el pegamento hacia los huecos. Se insertó un tornillo en la lengüeta del electrodo negativo y después en el agujero de la tapa de 3" haciendo que la malla se asiente sobre la arandela colocada dentro de la tapa interna. Se colocó la respectiva tuerca al tornillo por la parte externa y al terminar se sello la unión con

(40)

3.1. Diseño y construcción

27

Figura 3.8: Conexiones internas del Electrolizador

pegamento silicón. Se insertó un empaque de 1" entre el electrodo y la parte interna de la tapa de 1", para evitar que quede desalineado el electrodo negativo y llegue a tocar el electrodo positivo.

Para pegar la tapa superior con cuerpo se untó silicón sobre el área de la tapa y del cuerpo que harán contacto. Se insertó el separador en el acoplador de la tapa superior, después el separador fue insertado en el electrodo negativo (en forma de estrella) y se pegó a la parte externa de la tapa de 1". El siguiente paso fue colocar el cuerpo del electrolizador dentro de la tapa superior y al final en la parte inferior.

3.1.3 Sistema de distribución

En este proyecto se diseñaron unos purificadores de burbujas para la parte del hidrógeno, si se quisiera aprovechar el oxígeno se debería contar con un sistema de purificación semejante. Para el sistema de alimentación del electrolito y de distribución de los gases se utilizaron mangueras de poliuretano con 3/8" y 1/2" de

(41)

3.1. Diseño y construcción 2 8

diámetro. Para el aseguramiento de las conexiones se utilizo cinta teflón para las roscas y abrazaderas de acero inoxidable para las de tipo espiga. Para la seguridad del sistema de purificación se utilizaron válvulas globo y válvulas check. En la fi- gura ?? se muestra un esquema del sistema de purificación diseñado para este proyecto.

Figura 3.9: Sistema de purificación de hidrógeno

El diseño del sistema de purificación cuenta con dos bubblers hechos de tubos de PVC de 3" de diámetro y 12" de largo, tapas de PVC para tubos de 3", un niple de 1/2", manguera de 1/2" de diámetro y 9" de largo, pedazos de la malla de acero inoxidable y conectores de PVDF (kynar) de 1/2".

uperior se hicieron dos huecos uno de 3/8" y el otro de 1/2", uno opuesto al otro. Con

pegamento epóxico se unieron en el hueco de 3/8" un conector espiga cortado, y en el

de 1/2" un conector espiga-rosca, de forma tal que la conexión espiga quedará hacia

la parte externa de la tapa. Por la parte interna se pegó un extremo de un pedazo de

manguera de ~ 9" que en el extremo opuesto con una unión de la mitad del nipple

que tenía, a su vez, pegado un pedazo de malla de acero inoxidable. La malla en el

extremo de la manguera sirve para cortar el gas y provocar pequeñas burbujas para

que al pasar por el líquido contenido dentro del bubbler, éste absorba las impurezas

(42)

29

como partículas de polvo, KOH, entre otros.

Figura 3.10: Tapa superior del purificador

En la tapa inferior solo se realizó un hueco central de 1/2" y se pegó un conector de espiga cortado. Para ensamblar los bubbler fue necesario untar en la parte externa del tubo y la parte interna de cada tapa una capa de silicón, asegurando que quede la unión bien sellada y la manguera no quede doblada o mal colocada de forma que evite el paso del gas.

El alimentador de agua fue hecho con un vaso de yogurt comercial (1 kg), en la base se realizó un agujero de 1/2" y se pego un conector cortado tipo espiga. En la parte externa se unió el extremo de una manguera de 6' de largo asegurándola con una abrazadera y el otro extremos en la tapa inferior del electrolizador. En el puerto de salida del oxígeno del electrolizador se conectaron 7' de manguera de 3/8" y en la salida del hidrógeno alrededor de 14' de manguera de la misma medida.

Al término de este tramo de manguera se realizó una conexión 3/8" — 1/2" que precede a dos válvulas esfera de 1/2" que sirven para abrir y cerrar el sistema de purificación y / o simplemente dejar escapar el gas hidrógeno. Al final de una válvula

(43)

30

Figura 3.11: Electrolizador conectado al sistema de purificación

esfera se conecta a la entrada del primer purificador con manguera de 1/2". Los purificadores están interconectados por una manguera de 3/8".

Figura 3.12: Purificador armado

Cada purificador tiene en la parte inferior una válvula esfera de 1/2" conectada por medio de un trozo de manguera de la misma medida, las válvulas sirven para realizar los cambios de líquido purificador, para este proyecto se utilizó agua destilada.

(44)

3.2. Arranque y puesta en marcha

31 A la salida de los dos purificadores se conectó otro sistema de válvulas que pueden llevar al gas hacia un sistema de distribución y/o almacenamiento, ya sea un tanque presurizado o a una alimentación directa de un combustor o celda de combustible.

Como el objetivo principal de este proyecto es el análisis de las condiciones de producción de hidrógeno vía electrólisis, el gas se deja escapar después de pasar por una válvula check que funciona para prevenir posibles propagaciones de ñama hacia el interior del sistema.

3.2 Arranque y puesta en marcha

A l ya tener listo el sistema sólo quedaba el prepararlo para su inicio de funciones.

Para esto fue necesario primero hacer una prueba con agua al electrolizador para encontrar posibles fugas. Esta prueba constó de llenar el electrolizador con agua y revisar todas las uniones con pegamento para ver si existían filtraciones del líquido. En esta ocasión no se presentaron por lo que se paso a revisar los purificadores. A l término de esta revisión y limpieza de estos dispositivos se pasó a llenar los purificadores hasta tres cuartas partes con agua destilada.

Posteriormente se paso a preparar la solución alcalina que estará dentro del electrolizador. Se consiguió hidróxido de potasio en escamas, por lo que fue necesario agregar agua destilada para tener la solución. Se tomaron 500gr de KOH y se agregaron a un recipiente que contenía 52oz de agua destilada, que de acuerdo a la

porcentaje de masa = masa de un componente de la solución

(3.1)

masa total de la solución

(45)

3.2. Arranque y puesta en marcha

32 ecuación 3.1 da como resultado una solución de KOH al 24.53%. Está solución se hace más concentrada conforme se vaya consumiendo el agua como combustible del proceso de electrólisis, el alimentador del electrolito debe estar bajo supervisión para que cuando pase del 30% aproximadamente se pueda agregar más agua destilada para regresar a una solución cercana al 27 %, debido a que este es el punto de mayor conductividad de esta solución.

De nuevo se llevó a cabo una prueba de fugas en el electrolizador, pero esta vez con la solución electrolítica. También se aprovechó para evaluar las conexiones entre las mangueras y los conectores para evitar fugas de líquido, ya que el KOH es corrosivo, aunque en estos niveles de concentración no es muy agresivo.

Al tener cero fugas en el sistema de distribución y en el electrolizador mismo, se vació el sistema y paso a colocarse con ayuda de sujetadores plásticos sobre un panel de madera. Los dispositivos, válvulas y mangueras de conexión se distribuyeron de forma tal para evitar en lo posible dobleces en las manqueras que pudieran impedir el libre paso del hidrógeno por el sistema. Al terminar de colocar todos los dispositivos en el panel de madera, se pasó a llenar el electrolizador con la solución de KOH desde el alimentador. Posteriormente se colocó el alimentador a una altura de 6' evitando que su altura sea superior a la de los tubos de salida del oxígeno e hidrógeno, para evitar escurrimientos de la solución hacia los purificadores.

Ya listo el sistema de producción de hidrógeno se conectaron los cables de

alimentación de los paneles fotovoltaicos en las terminales del electrolizador. El cable

negro (negativo) se conecto a la terminal negativa que está en la parte inferior del

electrolizador y el cable rojo (positivo) se coüecto en las dos terminales al costado del

electrolizador.

(46)

3.3. Teoría y experimentos 33

3 . 3 Teoría y experimentos

En esta sección se expondrán las ecuaciones utilizadas para llevar el cálculo de producción de hidrógeno tanto teórico como su aplicación en este sistema. En el apéndice A se muestra el balance de energía del electrolizador y en la figura ? ? .

C o m o datos iniciales son necesarios la corriente y voltaje de entrada al electrolizador y la temperatura de los gases de salida. Para los primeros dos datos fue necesario el uso de un multímetro que midiera las condiciones de este sistema que son 20A y AV.

Para saber la temperatura de los gases de salida se realizaron varios procedimientos, el primero fue colocar un termopar en la pared externa del electrolizador para calcular la temperatura de operación del electrolizador y asumir que la temperatura de la solución es la temperatura de salida de los gases. En este procedimiento es necesario conocer la temperatura ambiente para poder realizar los cálculos necesarios y obtener

(47)

3.3. Teoría y experimentos 34

la temperatura de operación. El segundo procedimiento, que fue más sencillo, fue colocar un termómetro con adaptación para conectarse a tuberías de 1/2" del lado de la tubería de hidrógeno y se asumió que la temperatura es igual para el gas oxígeno.

Figura 3.14: Electrolizador y sus conexiones dentro del sistema de producción de hidrógeno

P V P m =

n RT P.M. P

RT P Vol^real

(3.2) (3.3) (3.4)

Para obtener el cálculo del volumen teórico (3.5, donde P es la presión del electroli- zador, T la Temperatura y R la constante del gas ideal) de producción de hidrógeno se utiliza el dato de corriente y temperatura de los gases de salida y utilizando la ecuación del gas ideal se obtiene dicho valor.

Vol^Teo Vol^Real

i t RT, gas 2 F P (1/4) • D² • A L

(3.5) (3.6)

(48)

3.3. Teoría y experimentos

35 Para el cálculo del volumen real (3.6, donde AL es la diferencia de alturas y D el diámetro de la manguera) de producción se marco una regla sobre la manguera de la salida del hidrógeno, para medir las alturas inicial y final en cierto lapso y así, con la medida del diámetro de la manguera obtener el valor buscado. El procedimiento que se realizó para obtener las lecturas de todos los datos de entrada fue el siguiente:

• Con la llave de paso, que conecta la salida del hidrógeno con el sistema de purifica- ción, cerrada se mide la altura inicial del electrolito en el conducto del hidrógeno.

• Se miden los valores de corriente y voltaje en el electrolizador y la temperatura ambiente.

• Después de 5 minutos se mide la altura final.

• Se abre la llave de paso y se mide la temperatura de salida del hidrógeno.

Para el cálculo de las eficiencias/rendimientos de cada parte del sistema se presentan las siguientes ecuaciones:

r)PF^teo = (3.7)

* teo I V

VPF^real = p — (3.8)

-'rea/

Vol^reai Volteo

Velec^teo = (3.10)

Velec

Vterm / o i i \

Velec^real = -rz (3.11)

''real

Donde PF es panel fotovoltaico, / es la corriente y V es el voltaje que producen los paneles y alimentan al electrolizador, Vol son los volúmenes real y teóricos producidos por el dispositivo.

AG = AH — T⁰AS

(3.12)

(49)

36 En las ecuaciones 3.10 y 3.11 se anotan tres tipo de voltaje, el voltaje eléctrico (V

^ei^ec)

se refiere al voltaje que se obtiene por medio de la ecuación 3.13, que resulta de la ecuación 3.12.

V^elec = — AC (3.13)

V^term = ^ (3.14)

n b

El voltaje térmico {Vterm) se refiere al voltaje que se obtiene por medio de la ecuación 3.14, que ocurre cuando el proceso de electrólisis no intercambia calor con los alrededo- res. El voltaje real (V

^reai) se refiere al voltaje que se obtiene de los paneles fotovoltaicos.

Para condiciones estándar (1 atm y 25°C) los valores de V

^ei^ec, V^term

son 1.229 V, 1.47 V respectivamente. Además, conforme la temperatura de operación del electroli- zador varía también el voltaje eléctrico necesario para llevar a cabo la electrólisis.

Para, encontrar la eficiencia del sistema se utilizaron las ecuaciones siguientes:

motteo = VPF^teor]Elec

(3.15)

VTotreal = VPFreal VElec

(3-16)

En el Apéndice B se encuentran tabulados los datos de Insolación [W/m

²], estos datos

fueron obtenidos y prestados por el Grupo de Geotermia de baja temperatura ubicado

en los Campos Escamilla del Instituto. Estos datos de insolación fueron promedia-

dos para el intervalo de tiempo ocupado en las mediciones del sistema (cada 5 minutos).

(50)

37 Las mediciones se llevaron a cabo entre las 11 : 30am y las 3 : 30pm que en tiempo real solar serían entre las 10 : 30am y las 2 : 30pm aproximadamente, considerándose este lapso como el de mayor insolación teórica.

Algunas de las suposiciones para los cálculos realizados en este proyecto fueron:

• Los datos de entrada: voltaje, corriente, temperatura ambiente y temperatura de salida del hidrógeno (V, I, T

^amb y T^gas) se mantienen constantes durante el

intervalo de medición.

• Los datos de insolación real se consideraron constantes durante el intervalo de medición.

• La temperatura de los reactivos (Agua + electrolito) es igual a la temperatura ambiente ( T

^{a m 6}

) .

• La temperatura de los productos (hidrógeno y oxígeno) es igual a la temperatura de salida del hidrógeno

(T^gas).

• La temperatura del electrolizador es igual a la temperatura de salida del hidrógeno

{Tgas)-