Producción y almacenamiento de hidrógeno

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(1)PRODUCCIÓN Y ALM ACENAM IENTO DE HIDRÓGENO. CARLOS ESTEBAN CASTRO PÁEZ. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAM ENTO DE INGENIERÍA M ECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2004.

(2) PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE: INEGENIERO M ECÁNICO PRODUCCIÓN Y ALM ACENAM IENTO DE HIDRÓGENO. Autor: CARLOS ESTEBAN CASTRO PÁEZ. Asesor: Dr. JAIM E LOBOGUERRERO USCÁTEGUI. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES DEPARTAM ENTO DE INGENIERÍA M ECÁNICA BOGOTÁ, D.C. 2004.

(3) IM -2004-II-10. TABLA DE CONTENIDO TABLA DE CONTENIDO.....................................................................................................3 INDICE DE FIGURAS...........................................................................................................6 INDICE DE TABLAS.............................................................................................................7 INTRODUCCION...................................................................................................................8 1. HIDROGENO ...............................................................................................................11 1.1 1.1.1. Estructura atómica.........................................................................................11. 1.1.2. Propiedades Físicas .......................................................................................12. 1.1.3. Propiedades Químicas ...................................................................................12. 1.2 2. Propiedades ...........................................................................................................11. Aplicaciones ..........................................................................................................13. PRODUCCION DE HIDROGENO..............................................................................15 2.1. Producción a nivel de laboratorio..........................................................................15. 2.1.1. Elementos de diferente electropositividad ....................................................15. 2.1.2. Elementos incandescentes .............................................................................15. 2.1.3. Ácidos ó bases ...............................................................................................16. 2.1.4. Hidrólisis de hidruros ....................................................................................16. 2.1.5. Electrólisis de agua........................................................................................17. 2.2. Producción a nivel industrial .................................................................................17. 2.2.1. Proceso Bosch ...............................................................................................17. 2.2.2. A partir de gas natural ...................................................................................18. 2.2.3. A partir del petróleo ......................................................................................18. 2.3. Otros métodos de producción................................................................................18. 2.3.1. Fuentes biológicas .........................................................................................19. 2.3.2. Procesos fotovoltaicos...................................................................................19. 2.3.3. Separación térmica ........................................................................................21. 2.4. Producción hidrógeno en Colombia ......................................................................22.

(4) IM -2004-II-10. 3. 4. CELDA DE ELECTROLISIS DE AGUA....................................................................23 3.1. Reacción en los electrodos ....................................................................................23. 3.2. Electrodos ..............................................................................................................24. 3.3. Separadores en la celda .........................................................................................25. 3.4. Eficiencia de la celda.............................................................................................26. 3.4.1. Eficiencia térmica..........................................................................................26. 3.4.2. Eficiencia voltaica .........................................................................................27. 3.4.3. Serie o paralelo ..............................................................................................28. 3.5. ALMACENAJE DE HIDROGENO .....................................................................28. 3.6. M étodos de almacenaje .........................................................................................29. 3.6.1. Hidrógeno gaseoso ........................................................................................29. 3.6.2. Hidrógeno líquido..........................................................................................29. 3.6.3. Hidrógeno intermolecular..............................................................................30. DISEÑO Y CONSTRUCCION ....................................................................................32 4.1. Generador de hidrógeno ........................................................................................36. 4.1.1. Electrodos usados ..........................................................................................37. 4.1.2. Separador de gases ........................................................................................38. 4.1.3. Unidad de producción ...................................................................................40. 4.2. Recolección hidrógeno ..........................................................................................42. 4.3. Compresión ...........................................................................................................44. 4.3.1. Pruebas al compresor.....................................................................................45. 4.3.2. Caudal............................................................................................................45. 4.3.3. Presión del compresor en descarga ...............................................................46. 4.3.4. Presión del compresor en succión .................................................................47. 4.4 4.4.1. Almacenaje ............................................................................................................47. 4.5. Prueba de resistencia del tanque....................................................................49 M ontaje final .........................................................................................................51. 4.5.1. Costo de la unidad de producción-almacenamiento......................................51. 4.5.2. Costo de operación de la unidad de producción almacenamiento.................52.

(5) IM -2004-II-10. 4.6 4.6.1. Otro método de generación de hidrógeno .............................................................52. 4.7. Resultados obtenidos con el generador .........................................................55. 5. Comparación de las dos maneras de producción...................................................56. SEGURIDAD................................................................................................................57 5.1. Protocolo de almacenamiento ...............................................................................57. 5.1.1. Protocolo almacenamiento unidad construida...............................................57. 5.1.2. Protocolo almacenamiento unidad del CITEC..............................................58. 5.2. Seguridad de la unidad ..........................................................................................59. 6. CONCLUSIONES.........................................................................................................61. 7. RECOM ENDACIONES ...............................................................................................63. 8. APENDICE...................................................................................................................64. BIBILOGRAFÍA...................................................................................................................65.

(6) IM -2004-II-10. INDICE DE FIGURAS Figura 1. Ácido Clorhídrico con Zinc (reimpreso de Fuel from Water, Fig. 26, Pág. 49)....16 Figura 2. Potencial de electrolización (reimpreso de Fuel From Water, Fig. 4, Pág.18). .....27 Figura 3. Diagrama de fase del hidrógeno (reimpreso de ZÜTTEL, A)...............................30 Figura 4. Esquema unidad de Producción-Almacenamiento ................................................36 Figura 5. Diseño conceptual del electrolizador .....................................................................36 Figura 6. Lámina de aluminio (derecha), malla de aluminio (izquierda)..............................37 Figura 7. Proceso de des gaste de los electrodos....................................................................38 Figura 8. Textura de la tela de fibra de vidrio .......................................................................39 Figura 9. Efecto de la membrana...........................................................................................40 Figura 10. Disposición de electrodos y separador.................................................................41 Figura 11. Electrolizador.......................................................................................................42 Figura 12. Burbujeador..........................................................................................................43 Figura 13. Compresor............................................................................................................44 Figura 14. Comportamiento del caudal del compresor .........................................................46 Figura 15. Comportamiento de la presión del compresor .....................................................47 Figura 16. Tanque para almacenar el hidrógeno ...................................................................48 Figura 17. Unidad de producción-almacenamiento de hidrógeno ........................................52 Figura 18. Generador de hidrógeno del CITEC ....................................................................53 Figura 19. Esquema de funcionamiento del generador .........................................................54 Figura 20. Esquema conexión generador (derecha), conexión generador (izquierda) ..........55 Figura 21. Para detectar fugas ...............................................................................................60.

(7) IM -2004-II-10. INDICE DE TABLAS Tabla 1. Propiedades del Hidrógeno (reimpreso de BECHTOLD, R)..................................12 Tabla 2. Escenario 1 ..............................................................................................................33 Tabla 3. Escenario 2 ..............................................................................................................33 Tabla 4. Escenario 3 ..............................................................................................................34 Tabla 5. Costo unidad producción-almacenamiento .............................................................51 Tabla 6. Resultados generador ..............................................................................................56 Tabla 7. Costo de producción comparado.............................................................................64.

(8) IM -2004-II-10. INTRODUCCION Desde la concepción del motor de combustión interna el hombre ha venido desolando el planeta gracias a la obtención de energía a través de combustibles que no son “limpios”. Combustibles tales como el Diesel, la Gasolina y algunos otros derivados del petróleo, tienen un nivel de emisión de gases suficientemente alto para hacerle mucho daño al planeta aumentando el efecto de invernadero. Por esto, las nuevas generaciones generamos un sentimiento de cuidado y restauración del planeta, para recuperar, en parte, lo que se ha destruido y evitar que se siga destruyendo lo que aun queda, buscando que las generaciones venideras puedan vivir en un mundo menos derruido y más amable. En la búsqueda de soluciones para tal fin se han planteado novedosas formas de obtener energía a través de lo que se conoce como fuentes de energías renovables y limpias. Estas nuevas maneras comprenden celdas de combustible, energía eólica, combustión de hidrógeno y energía solar, entre otras. Sin embargo, estas tienen sus problemas particulares al momento de la implementación en masa. Generalmente, es bastante alta la inversión inicial en instalación, pero en proyectos de una larga vida útil los costos, a futuro, aparecen más rentables, frente a los costos de los combustibles producidos a partir del petróleo. El hidrógeno es considerado como el combustible ideal, por su combustión limpia poco contaminante. Las celdas y motores de combustión de hidrógeno, dependiendo de la pureza del gas, únicamente producen agua. Además, los motores de combustión de hidrógeno necesitan que el gas sea de un alto grado de pureza para su adecuado funcionamiento. En cuanto a su obtención, no genera grandes complicaciones, por lo que puede ser producido por la electrólisis del agua, entre otros métodos.. 8.

(9) IM -2004-II-10. Cabe anotar que el hidrógeno posee tres veces la cantidad de energía por unidad de masa que posee la gasolina pero, en contraste, tiene tan sólo un tercio de la cantidad de energía por unidad de volumen que posee la misma. Esto hace necesario que para obtener una cantidad de hidrógeno gaseoso equivalente a la masa de gasolina, deba ser comprimido usando presiones demasiado altas, requiriendo mejoras en los métodos de almacenamiento actuales o métodos alternativos con los que se obtenga el mismo resultado. Actualmente se conocen algunos métodos, bastante novedosos, en los que entran en juego propiedades de algunos de los materiales de ingeniería e investigaciones acerca de nuevas propiedades a nivel estructural de los elementos, en la escala nanométrica. Por supuesto, los proyectos para los nuevos métodos y las nuevas propuestas incluyen presupuestos económicos bastante altos, que los hacen prácticamente inalcanzables si no se tiene la financiación ni los recursos. Entre los métodos conocidos, la producción de hidrógeno a través de la electrólisis del agua proporciona el hidrógeno de más alta pureza que es posible obtener. Aunque puede llegar a tener un precio considerable si se toma en cuenta que se utiliza energía eléctrica, y el costo de ésta puede ser bastante elevado, dependiendo del lugar. Por supuesto, tras el hidrógeno se encuentra el mito de ser un combustible muy peligroso luego del incendio del dirigible Hindenburg; como siempre, esto no pasa de ser una mala interpretación que se desmonta al conocer mejor cuales fueron las causas del accidente. Además, después de trabajar con el hidrógeno, en su producción, almacenamiento y uso, se pueden apreciar sus verdaderas ventajas.. 9.

(10) IM -2004-II-10. Con este proyecto se busca como objetivo un acercamiento al problema de la producción y el almacenamiento de hidrógeno, de la manera más segura posible, para el uso automotriz, teniendo en cuenta las limitaciones tecnológicas y económicas. Para lograr este objetivo, inicialmente, es necesario un acercamiento al problema, teniendo en cuenta la teoría de la producción de hidrógeno, el estudio de las diferentes maneras para el almacenamiento, para así diseñar y. construir una unidad de producción y. almacenamiento del hidrógeno funcionales para el proyecto.. 10.

(11) IM -2004-II-10. 1 HIDROGENO El hidrógeno es el elemento más abundante en el Universo, cerca de las tres cuartas partes del Universo se constituyen de hidrógeno y se estima que más del 90% son átomos de este elemento, el primero en la tabla periódica y el más simple de todos. En la corteza terrestre no es posible encontrarlo en más de 1% en masa. Se encuentra en la atmósfera en pequeñas cantidades, como en el gas natural, en las emanaciones volcánicas o en el petróleo; en algunos minerales y combinado se encuentra, generalmente, en los hidrocarburos, en los carbohidratos, en el agua y en los seres vivos, animales y vegetales. Es el más liviano de todos los gases; debido al tamaño pequeño de sus moléculas es altamente difusivo a través de paredes con cierto grado de porosidad, como por ejemplo la 1 porcelana sin esmalte .. 1.1 Propiedades 1.1.1 Estructura atómica El átomo más sencillo de hidrógeno esta compuesto por un protón y un electrón y se conoce como protio, es el único isótopo del hidrógeno que no tiene neutrones en el núcleo. Los otros dos isótopos del hidrógeno se conocen como deuterio y tritio, el primero con un neutrón en su núcleo y el segundo con dos. A su vez, encontrar tritio en la naturaleza es imposible debido a su inestabilidad, de forma similar el deuterio se halla tan sólo en una proporción del 0.02% del total de hidrógeno existente, de esta manera se puede decir que 2 éste elemento esta constituido por el isótopo más sencillo, es decir el protio .. 1 2. Tomado de Ref. [2]. Pág. 368. Tomado de Ref. [1], volumen 7, Pág. 1596.. 11.

(12) IM -2004-II-10. 1.1.2 Propiedades Físicas Es un gas diatómico, incoloro, inodoro e insípido. Propiedades más importantes están consignadas en la Tabla 1. Densidad líquido (kg/L). 0.07. Densidad gas (kg/L). 0.0013. Peso atómico. 2.02. Calor específico (kJ/(kg-K). 14.2. Punto ebullición (º C). 252.7. Punto solidificación (º C). -257. Punto licuefacción (º C). -220. Viscosidad (mPa-s @ 20º C) Solubilidad en el Agua @ 21º C. 0.009 No es soluble. Lower Heating Value (LHV). 448. 1000 kJ/L Limites de Flamabilidad, Vol% Bajo. 4. Alto. 75. Razón estequiométrica aire-. 34.3. combustible Visibilidad de la llama. Invisible a la luz del sol. Tabla 1. Propiedades del Hidrógeno (reimpreso de BECHTOLD, R). 1.1.3 Propiedades Químicas La estructura electrónica del hidrógeno permite justificar claramente su comportamiento frente a otros elementos. Al poseer un solo electrón en su única y última capa de valencia, puede cederlo a elementos con mayor electronegatividad, tales como flúor, cloro, bromo,. 12.

(13) IM -2004-II-10. oxígeno,. azufre, nitrógeno y carbono; dando origen a hidruros volátiles. Cuando esto. ocurre el átomo de hidrógeno se vuelve más estable porque adopta la estructura electrónica de menor energía. De igual manera cuando toma un electrón de elementos más electropositivos, de carácter metálico se forman los hidruros metálicos. A su vez, estas características permiten que el hidrógeno se comporte de varias maneras cuando se encuentra presente en reacciones con otros elementos, mostrando, así, varias 3 facetas, tales como, reductor, combustible, oxidante y participante de la hidrogenación .. 1.2 Aplicaciones Las principales aplicaciones del hidrógeno están fundamentadas en dos de las propiedades físicas del hidrógeno: su baja densidad y su gran reactividad química. Gracias a la primera se utilizó en el siglo XIX y a principios del siglo XX en globos y dirigibles. El hidrógeno fue dejado de utilizarse de esta manera después de haberse presentado el accidente del dirigible Hindenburg en el año de 1937. De este se creyó, por muchos años después, que el hidrógeno había sido el causante, pero hace pocos años logró encontrarse la causa real del accidente y además desmitificar que el hidrógeno es un gas extremadamente peligroso, lo que es cierto para todos los gases cuando no se manejan de 4 forma adecuada .. La segunda característica ha sido una ventaja. Cuando el hidrógeno se quema en el aire, o mejor solo en presencia de oxígeno, muestra una llama muy viva y calorífica, que lo hace bastante importante en procesos de corte con sopletes oxhídricos. Aprovechando también sus cualidades reactivas es usado en la obtención de algunos metales, en la fabricación de. 3 4. Tomado de Ref. [8]. Pags. 127-134. Tomado de Ref. [7].. 13.

(14) IM -2004-II-10. algunos compuestos tales como amoniaco o en la síntesis de algunos otros como el metanol5. Pese a todas las mitificaciones que existen frente al hidrógeno, ha seguido siendo utilizado como combustible en los últimos años, ya sea en celdas de combustible o en motores de combustión interna de hidrógeno. En las celdas de combustible se utiliza de la manera más pura posible y en forma gaseosa. En cuanto a los motores, básicamente existen dos tipos de motores de combustión interna con hidrógeno, el primero realiza una mezcla directa en la cámara de combustión con el aire, en el segundo la mezcla se realiza en el carburador, y se llevan los gases mezclados a través del múltiple de admisión; en ambos casos es necesario entregar el hidrógeno en forma gaseosa, aunque en motores más avanzados se puede utilizar hidrógeno líquido, pero este requerimiento es mucho más difícil de cumplir ya que 6 para tenerlo líquido son necesarias temperaturas cercanas a -220º C .. 5 6. Tomado de Ref. [8]. Tomado de Ref. [4]. Capítulo 2.. 14.

(15) IM -2004-II-10. 2 PRODUCCION DE HIDROGENO El hidrógeno elemental es necesario obtenerlo a partir de sus compuestos y debe ser producido para su utilización en sus diferentes aplicaciones y debe, en lo posible, ser aislado de otros elementos. Su producción es posible en pequeñas cantidades a nivel laboratorio o en grandes cantidades a nivel industrial.. 2.1 Producción a nivel de laboratorio7 A nivel de laboratorio, se puede obtener de diversas maneras. A continuación se listan y explican brevemente algunas de ellas.. 2.1.1 Elementos de diferente electropositividad Al agregar algunos de los elementos más electropositivos, tales como el sodio o el calcio, en agua fría se tienen reacciones en las que estos elementos son capaces de desalojar el hidrógeno del agua, gracias a su alta electropositividad. Elementos no tan electropositivos como el aluminio o el zinc, por ejemplo, logran desalojarlo del agua caliente. En cualquier caso, estos elementos se encuentran en estado sólido.. 2.1.2 Elementos incandescentes A través de un proceso en el que a elementos metálicos, como el hierro, y algunos no metálicos, como el carbono, en incandescencia, se someten a flujos de vapor de agua desalojan el hidrógeno presente.. 7. Tomado de Ref. [8], Pág. 104-111.. 15.

(16) IM -2004-II-10. 2.1.3 Ácidos ó bases A partir de algunos ácidos el hidrógeno puede ser liberado al agregar algunos metales más electropositivos. Una de las maneras más comunes consiste en agregar zinc al ácido clorhídrico y recogerlo bajo agua, tal como se muestra en la Figura 1.. Figura 1. Ácido Clorhídrico con Zinc (reimpreso de Fuel from Water, Fig. 26, Pág. 49). Con bases fuertes en soluciones concentradas, tales como hidróxido de sodio o de potasio, es posible desalojar hidrógeno al hacerlas reaccionar con elementos anfóteros, tales como aluminio o zinc, formando las correspondientes sales, aluminatos o cincatos, en solución 8 aunque pueden llegar a presentarse como un precipitado cuando se satura la solución .. 2.1.4 Hidrólisis de hidruros Algunas sales, como los hidruros metálicos, se descomponen cuando reaccionan con el agua obteniendo soluciones básicas y desprendimiento de hidrógeno. Este proceso se 8. Tomado de Ref. [5]. Capítulo 3.. 16.

(17) IM -2004-II-10. conoce como hidrólisis de hidruros y en general es bastante efectivo en hidruros alcalinos, ya que estos hidrolizan fuertemente.. 2.1.5 Electrólisis de agua Descomponer el agua en sus elementos, mediante el uso de una corriente eléctrica. Como el agua pura no conduce la corriente eléctrica, es necesario un electrolito que puede ser una sal, como el cloruro de sodio, un ácido, como el ácido clorhídrico ó una solución básica, como el hidróxido de sodio. En el cátodo (negativo) se desprende el hidrógeno y en el ánodo (positivo) el oxígeno. Este método es el que permite obtener hidrógeno más puro, hasta el momento no es uno de los métodos industrialmente competitivos.. 2.2 Producción a nivel industrial9 Cuando son necesarias grandes cantidades de hidrógeno para alguna aplicación industrial, los procesos difieren un poco de los métodos de laboratorio, estos no permiten en ningún caso obtener hidrógeno con altos grados de pureza, como es requerido para algunas de las aplicaciones, por ejemplo, en las celdas de combustible.. 2.2.1 Proceso Bosch Aunque este proceso esta cada vez más en desuso aun se utiliza, consiste en hacer pasar vapor de agua a través de carbón incandescente, de lo que se produce una mezcla gaseosa de hidrógeno y monóxido de carbono, conocida como gas de agua. El monóxido producido se convierte en dióxido por la acción del agua que es luego eliminado con agua fría a alta presión. Alternativamente a este proceso se encuentra uno en el que se utiliza hierro incandescente, produciendo entonces óxido férrico, que luego es reducido con gas de agua. El hidrógeno más puro que el obtenido con el proceso Bosch. 9. Tomado de Ref. [8].. 17.

(18) IM -2004-II-10. 2.2.2 A partir de gas natural Anteriormente era el proceso más popular en muchos países. Consiste en hacer una conversión catalítica del gas natural (metano) al agregarle agua, produciendo así monóxido de carbono e hidrógeno gaseoso. Hacía los años 60 este era el proceso de obtención de hidrógeno por excelencia en el mundo, fue, finalmente, reemplazado por métodos alternos de producción a partir del petróleo.. 2.2.3 A partir del petróleo Actualmente la obtención de hidrógeno a partir del petróleo es uno de los métodos más comunes alrededor del mundo como consecuencia de las necesidades mundiales de hidrógeno y del aumento de los subproductos del petróleo que no tienen costo elevado. Las necesidades actuales que generan una mayor demanda de hidrógeno se refieren a la síntesis de amoniaco y al aumento de la demanda por parte de las refinerías de petróleo para eliminar residuos de azufre. Son tres los métodos a través de los cuales se obtiene hidrógeno a partir del petróleo: La deshidrogenación de hidrocarburos saturados, sin desempeñar un papel importante aun; El reformado en fase de vapor, con una gran importancia entre los métodos; finalmente, La combustión parcial de hidrocarburos líquidos, con la mayor importancia entre los métodos mencionados.. 2.3 Otros métodos de producción 10 Se encuentran además otros métodos de producción alternativos a través de los cuales se puede obtener hidrógeno con algún grado importante de pureza.. 10. Tomado de Ref. [5]. Capítulo 3.. 18.

(19) IM -2004-II-10. 2.3.1 Fuentes biológicas Este es uno de los métodos alternativos que ha venido siendo explorado más recientemente, basándose en el hecho de que algunas plantas y bacterias pueden producir metano en medios pobres en oxígeno a partir de la conversión de materia orgánica. El mecanismo de funcionamiento tiene en cuenta que las algas son capaces de producir carbohidratos, agua y oxígeno a partir del dióxido de carbono y el agua. Sabiendo esto, se ha trabajado entonces en la obtención de hidrógeno interceptando la producción de carbohidratos durante la fotosíntesis de la planta. Para el caso de las algas se ha encontrado que producir hidrógeno es una perdida de tiempo debido a que existen bacterias que hacen el mismo trabajo con una mayor eficiencia. Con base en esto, se han estudiado bacterias que producen hidrógeno como desecho en el proceso de digestión de carbohidratos y en condiciones de ambientes pobres en oxígeno. En ambos casos el factor crítico es la cantidad de hidrógeno producido por cada mol de sustrato, del cual se esperaría tener un valor bastante elevado para pensar en una eficiencia de cierta manera alta y pensar que el proceso pueda ser rentable. Hasta el momento las investigaciones concluyen que el proceso de obtención de hidrógeno a partir de fuentes biológicas es ineficiente, en donde algunos de los problemas más comunes son el cumplimiento de los requerimientos biológicos exactos y la necesidad de reemplazar periódicamente los microorganismos y sus sustratos.. 2.3.2 Procesos fotovoltaicos Los estudios recientes en procesos que utilizan fotoceldas han estado encaminados en la búsqueda de una unidad de producción de hidrógeno que trabaje directamente con la energía que proporciona el sol para entregar hidrógeno. Se utiliza, entonces, un principio en el que la luz que golpea los fotoelectrodos genera un voltaje en la superficie de un. 19.

(20) IM -2004-II-10. semiconductor y del electrolito, siendo suficiente para descomponer el agua en oxígeno e hidrógeno; se debe tener en cuenta en este método que es necesario algún medio adicional para separar los gases después de que estos son producidos. La investigación en este campo ha estado enfocada en la obtención de foto electrodos que permitan generar aprovechando de manera más eficiente la luz que proviene del sol. Algunos de los materiales propuestos incluyen algunas sales, tintas orgánicas y semiconductores. Comúnmente los problemas de los materiales de los fotoelectrodos son los siguientes: La fotocorrosión que causa descomposición bajo la luz, dañando el electrodo, La diferencia de temperatura que se debe a que los procesos fotovoltaicos son más eficientes a bajas temperaturas mientras que los procesos electrolíticos ocurren a altas temperaturas y finalmente La diferencia de voltaje presentada, porque el voltaje que entregan la mayoría de los procesos fotovoltaicos no es superior a 1.5 voltios y se requieren generalmente alrededor de 2.2 voltios para los procesos electrolíticos. Según investigaciones algunos de los materiales propuestos para formar los electrodos están compuestos por óxido férrico y óxido de titanio para producir un foto ánodo, óxido férrico y óxido de magnesio para producir un foto cátodo; cuando estos se ubican en una solución neutra de agua y electrolito y en presencia de luz producen hidrógeno y oxígeno sin necesidad de suministrar un voltaje externo a la unidad. Sin embargo, el problema que estos traen es que aunque técnicamente sea posible construirlos, económicamente no es rentable ya que no se tiene un proceso industrial que permita obtener dióxido de titanio a bajo costo. Se ha propuesto la utilización de algunos compuestos que contienen hidrógeno que son más fáciles de separar que el agua en presencia de luz solar. Un ejemplo de estos es el sulfuro de hidrógeno, que es un derivado del gas natural, del carbón y de la refinación del petróleo. Para separar este compuesto se requiere solamente un séptimo de la cantidad de energía que se necesita para separar el agua. Este proceso es importante porque puede ser implementado. 20.

(21) IM -2004-II-10. industrialmente con buenos resultados en los tipos de industrias donde los desechos son sulfuros. En este momento la producción de hidrógeno en electrolizadores que son alimentados con celdas solares es mucho más eficiente que lo que se puede producir con las mezclas en los sistemas de foto electrolización, además de presentar una alta corrosión de electrodos y una mezcla indeseada de los gases.. 2.3.3 Separación térmica En este proceso se busca utilizar la energía del sol para separar el agua en hidrógeno y oxígeno. A una temperatura de 2730º C el agua se descompone en hidrógeno y oxígeno, la idea principal de este proceso es llevar a esa temperatura el agua utilizando un colector solar que enfoque los rayos solares a un solo punto en donde puede separarse el agua. Estos colectores tienen forma de antena parabólica similares a las antenas de recepción de televisión. Uno de los principales problemas que tiene esta idea de separación está en los materiales necesarios para lograr el punto de temperatura deseado sin que se dañen los colectores. Para esto se han venido implementando diseños con enfriamiento a través de fluidos, utilizando el principio de transferencia de calor por convección. El otro problema consiste en la separación de los gases producidos, para esto se han propuesto algunas ideas para separarlos tales como: centrifugar los gases usando las densidades, separarlos magnéticamente, pasarlos a través de una membrana y templar o enfriar los gases. Estos procesos alternativos están saliendo como nuevas propuestas de producción de hidrógeno teniendo en cuenta que se quieren buscar métodos completamente limpios de producción que no dependan en ninguna medida del petróleo. Hasta el momento todos son poco rentables frente a los industrializados basados en el petróleo, pero se espera que sean rentables en un futuro cercano teniendo en cuenta que el precio del petróleo esta subiendo cada vez más, de esta forma llegará a un precio que no será cómodo y para el cual los nuevos métodos serán mucho más rentables.. 21.

(22) IM -2004-II-10. 2.4 Producción hidrógeno en Colombia En Colombia existen algunas compañías dedicadas a la producción de gases en general, entre los cuales se encuentra el hidrógeno. Algunas de estas empresas son CRYOGAS, AGAFANO y OXIGENOS DE COLOM BIA. Durante este proyecto se realizó una visita a la planta de producción de Cryogas en Sibaté. Fue posible enterarse que ellos producen 3 hidrógeno a partir de electricidad en una unidad que permite generar 6.5m /hora, que son. almacenados en tanques de 6m3 a 2200psi. La demanda de hidrógeno no es alta para ellos, por esta razón pueden producirlo a partir de electricidad. Además pueden producir, almacenar y conservar algunos tanques de reserva en caso de una necesidad tal como mantenimiento del equipo. En general, en nuestro país el mercado del hidrógeno está siendo utilizado únicamente por algunas empresas que lo usan en procesos de combustión, algunos laboratorios que lo utilizan como fuente comparadora en cromatografía de gases y algunas otras que lo puedan llegar a necesitar en mayor cantidad prefieren producirlo dentro de sus mismas plantas. Es posible entonces saber que nuestro país permitiría crear una economía de hidrógeno como tal, en la que se puede llegar a generar una demanda que será suplida sin ninguna complicación en el futuro. Actualmente, una semana de alquiler del tanque de hidrógeno con el gas a 2200psi esta alrededor de los $40,000/semana, por este precio se puede 3 conseguir una cantidad de 6m . Si llega a pensarse que es posible crear toda una. infraestructura de hidrógeno, de tal forma que se construyeran estaciones de servicio de hidrógeno como se distribuye y vende cualquier combustible, sería necesario un trabajo aun mayor. En ese caso tiene que pensarse una serie de regulaciones y normas que deben incluir desde las estaciones de servicio hasta los montajes en los automóviles. Se espera que para llegar a ese punto nuestro país no tenga que pasar por un estado de letargo de la tecnología por mucho tiempo.. 22.

(23) IM -2004-II-10. 3 CELDA DE ELECTROLISIS DE AGUA Como se mencionó anteriormente la electrólisis es el proceso mediante el cual se produce hidrógeno a partir del agua. Para lograr esto es necesario pasar una corriente eléctrica a través del agua, para que los dos gases se separen, pero teniendo en cuenta que el agua pura no conduce, debido a que su resistencia eléctrica es de 100ohm/cm., se hace necesario reducirla de alguna de las siguientes maneras: calentando el agua entre 700-1000º C, agregándole una sal, como cloruro de sodio, agregando un ácido como ácido sulfúrico o 11 una base como hidróxido de potasio .. Calentar el agua se puede convertir en un problema bastante incómodo de resolver si se quieren trabajar grandes cantidades, por esto se sabe que es mejor agregar una sustancia similar a las propuestas. Las sales generalmente corroen los metales, así que no son la mejor opción para un electrolito. Algunos metales como el platino resisten la acción de los ácidos satisfactoriamente, pero económicamente el platino no es una solución para producción en masa de celdas. Por otro lado algunas de las bases son compatibles con algunos metales, en cuanto a que no los atacan tan fuertemente o no los atacan del todo. Este es el caso del hidróxido de potasio (KOH), o del hidróxido de sodio (NaOH), con acero inoxidable o con aluminio.. 3.1 Reacción en los electrodos12 Para este proyecto se ha escogido el trabajo con NaOH porque, aunque conduce menos que el KOH, es más económico. Para el proceso de electrólisis se utiliza una solución de NaOH en agua desionizada, o sea, que ha sido despojada de los iones que generalmente trae cuando sale de la llave, simplemente con la idea de evitar incrustaciones de otras sales en el 11 12. Tomado de Ref. [5]. Capítulo 2. C. Castro (conversación personal, septiembre 2004).. 23.

(24) IM -2004-II-10. sistema durante la operación. Para producir la corriente en la solución se utiliza adicionalmente una fuente de voltaje DC y a través de dos electrodos de aluminio (Ánodo y Cátodo) se genera el campo eléctrico que logra crear la corriente en el medio. Se busca que en el Ánodo (+) se libere oxígeno y en el Cátodo (-) se libere hidrógeno. + La corriente en la solución se presenta debido a la disociación del NaOH en iones Na e. iones OH-, los primeros se ubican en el Cátodo recibiendo electrones, para convertirse en + sodio metálico que reacciona inmediatamente con el H2O para formar de nuevo iones Na ,. iones OH- e hidrógeno gaseoso. Los iones OH- se ubican en el Ánodo y donan electrones: producen oxígeno gaseoso y agua. Las ecuaciones de las reacciones son, 2( Na + + 1e − → Na 0 ) , reacción inicial.. Cátodo:. Na 0 + H 2 O → Na + + OH − + H ↑ , reacción de producción del hidrógeno. Ánodo:. 2OH − − 2e − →. 1 O ↑ + H 2 O , producción de oxígeno. 2 2. A partir de estas reacciones se puede explicar que el ciclo que cumple el NaOH nunca termina, siempre se esta regenerando, así que el electrolito para este tipo de reacciones dura bastante tiempo, no tiene que ser reemplazado con frecuencia. Se debe mencionar que son reacciones exotérmicas, así que la tasa de producción de calor es alta y esto tiene que ser tenido en cuenta para la construcción del dispositivo de producción.. 3.2 Electrodos Generalmente los electrodos deben ser construidos en metales que tengan una buena conductividad eléctrica, que sean resistentes a la corrosión y que además sean económicos. Se propone siempre en la literatura que los electrodos se construyan en platino, como material ideal, pero el platino es demasiado costoso. El acero inoxidable puede llegar a ser. 24.

(25) IM -2004-II-10. una alternativa interesante, dependiendo de la cantidad y de la forma en que desea ser utilizado; una mejor alternativa es el aluminio, que aunque sufre algo de corrosión es barato y muy buen conductor. Es necesario también tener en cuenta que se puede presentar una reacción de desgaste del electrodo de aluminio, esto quiere decir que debe ser reemplazado con alguna frecuencia para que la celda de producción funcione de manera adecuada. Para que esto no ocurra es necesario que la solución de NaOH este por debajo de 0.25M , es decir que no se pueden agregar más de 10 gramos de NaOH en un litro de agua, sin embargo al hacer la solución menos concentrada la corriente de la celda de producción será más baja y por tanto la tasa de producción de hidrógeno también. La reacción generada cuando la concentración esta por encima de 0.25M es la siguiente, 2 Al + NaOH + 6 H 2O → 2 NaAl(OH ) 4 + 3H 2 . Esto se traduce directamente en desgaste del electrodo y del electrolito, situación que puede llegar a ser bastante incómoda y no deseada. Sin embargo, estos problemas podrían evitarse usando materiales más resistentes como el platino o el acero inoxidable, pero estos 2 incrementan demasiado el costo de construcción de la celda ya que 1m de malla de acero. inoxidable esta alrededor de los $90,000, mientras que la misma cantidad en malla de Aluminio cuesta $8,000 (valores en el año de 2004). De la misma manera 100cm2 de lámina de acero inoxidable cuestan alrededor de los $10,000, mientras que la misma cantidad en aluminio no excede los $3,000.. 3.3 Separadores en la celda13 Una de las partes más importantes de la celda es el separador de los gases. Este debe cumplir la tarea que evitará que el trabajo para el cual se diseña el electrolizador no se pierda. A través del separador se debe permitir el paso de la corriente y los iones, pero no de los gases que se han liberado, es decir, el hidrógeno y el oxígeno, para evitar una mezcla que debe ser manejada con precaución. 13. Tomado de Ref. [5]. Capítulo 2.. 25.

(26) IM -2004-II-10. Fuera de los rangos de concentraciones de 4-75% de hidrógeno en aire o de 4-94% en oxígeno, el hidrógeno puede quemarse pero no explotar, es por esto que debe ser manejado con cuidado. Algunos de los materiales más recomendados para cumplir la función de separadores son la fibra de asbesto, gracias a que la presión capilar es siempre mayor que la presión por celda, la tela de fibra de vidrio, algunas fibras plásticas o malla metálica. Siempre debe tenerse en cuenta que la distancia entre los electrodos debe ser minimizada para que se tenga la menor resistencia eléctrica entre los mismos para una mayor eficiencia de producción de la celda.. 3.4 Eficiencia de la celda14 Cuando se habla de eficiencia de una celda se deben tener en cuenta varios factores, esto porque la eficiencia de la celda no es una medida única de ciertos parámetros. Una celda se puede caracterizar de acuerdo a dos eficiencias, la eficiencia térmica y la eficiencia voltaica.. 3.4.1 Eficiencia térmica La eficiencia térmica se encarga de comparar la energía de combustión del hidrógeno con el oxígeno, con la energía necesaria para separarlos. En este caso la eficiencia típica de la electrólisis del agua es de 30 – 35%. La relación con la cual se pueden comparar estas dos cantidades se presenta a continuación.. η thermal =. 14. energía _ in energía _ out. Tomado de Ref. [5]. Capítulo 2.. 26.

(27) IM -2004-II-10. 3.4.2 Eficiencia voltaica La eficiencia voltaica relaciona el voltaje mínimo requerido con el voltaje al cual esta operando la celda. Para electrolizadores comerciales a un voltaje de 1.9V la eficiencia de la celda es de 65%, algunos otros con electrodos de platino con un voltaje de 1.7V presentan eficiencias de hasta un 73%. En las celdas se presenta una relación del voltaje contra la temperatura para la generación de hidrógeno, que permite encontrar una línea que se conoce como el voltaje termo neutral, que determina el voltaje necesario para que se presente la producción de hidrógeno para determinadas temperaturas, sin que la reacción en la celda produzca o utilice calor. Por encima de esta línea se produce hidrógeno y calor, por debajo se produce igualmente hidrógeno y la reacción utiliza calor del medio. Existe además otra línea por debajo de la cual no se produce hidrógeno, esta se conoce como la línea de voltaje reversible e indica el voltaje mínimo de producción de hidrógeno para determinada temperatura, como puede apreciarse en la Figura 2.. Figura 2. Potencial de electrolización (reimpreso de Fuel From Water, Fig. 4, Pág.18).. 27.

(28) IM -2004-II-10. La producción ideal de hidrógeno se presenta cuando los voltajes se bajan y las temperaturas aumentan, ayudando esto a que la eficiencia mejore en la celda.. 3.4.3 Serie o paralelo15 Es posible construir celdas que se encuentren conectadas en serie o en paralelo, dependiendo del diseño que se tenga. Las diferencias presentan ventajas y desventajas de un método frente a otro que afectan directamente el método que se escoja para producir y algunas de las características de energía que deben ser entregadas a la celda. Cuando se tienen electrolizadores en paralelo las celdas pueden ser aisladas sin afectar las celdas vecinas, de igual manera se puede obtener una mayor densidad de corriente, lo que directamente se refleja en una mayor eficiencia. Por el contrario, es necesario tener bajo voltaje y alta corriente, siendo necesario utilizar transformadores. Además se debe utilizar mayor espacio de piso, debido a que cada celda está separada y no son compartidos los componentes, y el electrolito debe mantenerse en movimiento en cada celda para controlar el calor y remover los gases de desperdicio. La decisión de tener una celda en paralelo o en serie, depende simplemente del resultado que se quiera obtener, en ambos casos se pueden obtener muy buenos resultados, pero de diferentes maneras, que estarán determinando el uso del electrolizador.. 3.5 ALMACENAJE DE HIDROGENO Uno de los problemas que está enfrentando en este momento la tecnología frente a la producción de hidrógeno está asociado con el almacenaje. A temperatura ambiente y presión atmosférica, 1kg de hidrógeno ocupa un volumen de 11m3, este valor representa una cantidad bastante alta de volumen en el espacio, sobre todo si se piensa implementar una solución importante al problema del almacenaje de hidrógeno para fines de transporte, 15. Tomado de Ref. [5]. Capítulo 2.. 28.

(29) IM -2004-II-10. pues es necesario obtener la mayor cantidad de hidrógeno en masa, en el menor volumen posible, logrando que la cantidad sea lo suficientemente alta para poder servir como aplicación de transporte.. 3.6 Métodos de almacenaje16 Los métodos que han sido estudiados hasta el momento están basados en cada una de las formas en las que se puede presentar el hidrógeno, líquido, gaseoso e intermolecular.. 3.6.1 Hidrógeno gaseoso Se busca que el hidrógeno gaseoso sea almacenado en tanques a una presión considerable para que se pueda obtener la mayor cantidad de masa. Los tanques de alta presión más comunes manejan presiones alrededor de 2900psi. Dependiendo del material utilizado los tanques tienen diferentes espesores. Actualmente los tanques utilizados en algunos de los prototipos de vehículos de algunas compañías pueden soportar presiones hasta de 10,000psi. Por otro lado, se debe tener en cuenta que el hidrógeno tiene una alta capacidad difusiva, así que el material que se utilice no puede permitir escapes, adicionalmente, debe ser un material que soporte altas presiones o un alto esfuerzo de tensión a la ruptura, una baja densidad para reducir el peso del tanque y no debe ser un material que reaccione con hidrógeno o un material que permita que el hidrógeno se difunda a través del mismo.. 3.6.2 Hidrógeno líquido El almacenamiento del hidrógeno en estado líquido debe realizarse en tanques criogénicos a una temperatura de 21.2º K a presión atmosférica, pero no puede ser almacenado en sistemas con algo de presión, debido a que la temperatura crítica del mismo es muy baja, 33º K, y además no se encuentra ninguna fase líquida por encima de esta temperatura, como puede verse en la Figura 3. Teniendo en cuenta que cualquier aumento en la presión 16. Tomado de Ref. [9].. 29.

(30) IM -2004-II-10. conllevaría directamente a un aumento en la temperatura, es posible únicamente el almacenaje en sistemas abiertos a temperatura ambiente.. Figura 3. Diagrama de fase del hidrógeno (reimpreso de ZÜTTEL, A). El proceso necesita una gran cantidad de energía, utilizada para comprimir y luego enfriar el hidrógeno en un intercambiador de calor antes de que pase por una válvula de expansión para producir algo de líquido. A esto se agrega el problema de evaporación constante de hidrógeno, que reduce aun más las aplicaciones. Es por esto que el hidrógeno líquido se utiliza solamente en aplicaciones donde el costo y el gasto energético no son un inconveniente y en donde es consumido en poco tiempo, como combustible para cohetes, por ejemplo.. 3.6.3 Hidrógeno intermolecular Actualmente se propone almacenar hidrógeno molecularmente de dos formas, la adsorción física y en compuestos de hidrógeno. El primero es un método en el que se utilizan elementos tales como carbón activado o nanotubos de carbono. El carbón activado ha sido utilizado con efectividad en ciertos tipos de filtros en la adsorción de gases en aplicaciones industriales.. 30.

(31) IM -2004-II-10. Los nanotubos de carbono son estructuras que se han venido desarrollando en los últimos años bajo el auge de las nanoestructuras, obteniéndose buenos resultados. La adsorción máxima presentada para los nanotubos de carbono es del 2% en masa. En ambos casos, la idea es aprovechar la mayor cantidad de área superficial para introducir átomos de hidrógeno en los espacios intermoleculares que se presentan en las estructuras que reciben. La presión de trabajo para este tipo de almacenaje es baja, lo cual es una ventaja frente a otras maneras de almacenaje; además, el costo relativamente bajo de los materiales usados y la sencillez del sistema, refuerzan aún mas la idea de investigar en este campo en un futuro, para así poder utilizarlo como uno de los métodos importantes. Las temperaturas de trabajo están alrededor de los 193º K y las presiones son cercanas a los 1450psi. Los compuestos de hidrógeno son compuestos ínter metálicos que permiten almacenar átomos de hidrógeno en los espacios intersticiales de las estructuras de los demás elementos en el compuesto, aprovechando la propiedad del hidrógeno de reaccionar, a altas temperaturas, con la mayoría de los metales de transición. Generalmente, tienen un elemento con alta afinidad al hidrógeno y uno con una baja afinidad que comúnmente es níquel, que es un excelente catalizador para la disociación del hidrógeno. Algunos de los compuestos metálicos de hidrógeno pueden absorber o entregar el hidrógeno a temperatura estándar de 293K y a presiones cercanas a 1atm o sea 14psi, básicamente, depende de la estabilidad del compuesto metálico. En general, los compuestos metálicos de hidrógeno son buenas alternativas para almacenar grandes cantidades de hidrógeno de manera segura y compacta, la mayoría de compuestos reversibles que trabajan a temperatura y presión estándar utilizan metales de transición y, teniendo en cuenta que la máxima cantidad de hidrógeno que puede ser almacenado depende directamente de los espacios intersticiales de los compuestos ínter metálicos, se ha logrado hasta un 3% en masa.. 31.

(32) IM -2004-II-10. 4 DISEÑO Y CONSTRUCCION Inicialmente, se hacen diferentes aproximaciones al problema, teniendo en cuenta los recursos tanto económicos como tecnológicos del proyecto; el análisis de las ventajas y desventajas de tres escenarios planteados, para determinar cual puede ser la mejor solución al problema planteado de acuerdo con lo que se tiene. Los escenarios que se plantean están basados en una condición de presión que se quiere alcanzar para poder suplir las necesidades que exige una celda de combustible o un motor de combustión interna de hidrógeno.. ES CENARIO 1 Presión de almacenaje de 10psi máximo. Se puede producir en una pequeña unidad, de manera similar al proyecto especial realizado por el estudiante Simón Salinas en 2004-I. En ese caso el almacenaje se realizaba en una botella de gaseosa. Las ventajas y desventajas pueden verse en la Tabla 2. Ventajas. Desventajas. No requiere alta tecnología de producción La presión no es lo suficientemente alta por lo que puede considerarse el más para un motor de combustión interna de “casero” de los escenarios. Hidrógeno (ICE H2). No se necesita un compresor para alcanzar A. esa. presión. la. cantidad. de. H2. la presión deseada. Esta presión puede ser almacenado es demasiado baja, porcentaje alcanzada con una válvula. en masa, en comparación con el volumen ocupado. No se necesita un contenedor especial ya Para esta presión la cantidad de H2 que la presión de almacenaje no es alta. producido es bastante costosa debido al. 32.

(33) IM -2004-II-10. precio de la electricidad utilizada para generar No se necesitan buenos sellos, a esa El H2 recogido no tiene una alta pureza y presión no se presentan fugas fácilmente, no permite ser utilizado en aplicaciones un sello con silicona es más que suficiente. importantes. como. una. celda. de. combustible o un ICE H2 Tabla 2. Escenario 1. ES CENARIO 2 Para este escenario se propone una presión de almacenaje de hasta 100psi, que pueden ser utilizados en un ICE H2. Las ventajas y desventajas pueden verse en la Tabla 3. Ventajas. Desventajas. Se pueden alcanzar algunos de gramos de Es necesario el uso de un compresor para H2. almacenar el H2. Se pueden usar tanques de aire o de otros Es necesario tener un buen sello para los gases para almacenar el H2. tanques y las válvulas. El electrolizador no necesita ser de alta Los tanques pueden llegar a ocupar un tecnología, aun puede ser de nivel casero volumen considerable refinado A este nivel se puede trabajar con cierta facilidad, las precauciones necesarias por presión. y. demás consideraciones son. relativamente bajas Tabla 3. Escenario 2. 33.

(34) IM -2004-II-10. ES CENARIO 3 Finalmente se plantea un tercer escenario que requiere un presupuesto más alto y mayor tecnología. Se presentan las ventajas y desventajas en la Tabla 4. Ventajas. Desventajas. Se puede obtener una mayor cantidad, en El peso del tanque es 100 veces el peso del masa, de H2 (dependiendo del tanque) Es. posible. utilizar. tanques. H2 almacenado de Para alcanzar aun mayores cantidades de. almacenamiento de GNV. H2. almacenado. es. necesario. utilizar. tanques especiales Es necesario tener un electrolizador de alta tecnología Se deben usar compresores con muy buenos sellos y las válvulas deben estar diseñadas para el trabajo con un gas como el H2 a altas presiones El manejo de tanques con esta presión debe llevarse a cabo con cuidado, no por que contengan H2, sino porque estas presiones representan un peligro un poco mas alto Tabla 4. Escenario 3. Teniendo en cuenta cada uno de los escenarios de acercamiento al problema, para los objetivos, se decide, entonces, ir con la solución planteada en el escenario 2, que permite alcanzar los objetivos con relativa facilidad. El generador debe contar con dos cámaras de generación, una para el hidrógeno y otra para el oxígeno; no es necesario que este último sea recogido así que puede ser entregado al aire.. 34.

(35) IM -2004-II-10. La característica más importante que debe tener el generador es evitar que las dos cámaras estén conectadas para no mezclar los dos gases, una mezcla de los dos gases puede ser peligrosa si no se maneja con cuidado. El generador debe ser alimentado con una fuente de voltaje de 5V, aunque es mucho más importante la corriente que se tenga en el electrolito, para esto se debe alcanzar una concentración alta de este en la solución, como se había explicado en el capítulo 2. El sistema de recolección del hidrógeno producido, idealmente, debería actuar además como una trampa para recoger algunas de las trazas de electrolito que se encuentren en el gas. En este caso se ha construido un burbujeador, que permite además medir la cantidad de hidrógeno producido por el generador. Es necesario, además, un módulo de compresión del hidrógeno que se produce, para esto se emplea un compresor de nevera del año 95. La presión de entrega esperada del compresor debe estar alrededor de los 150psi, mínimo. Finalmente, para este proyecto se ha decidido almacenar el hidrógeno en un tanque, teniendo en cuenta el presupuesto y para evitar complicaciones con otros tipos de almacenaje, esta idea ha sido reforzada con el uso del hidrógeno producido. En este caso es utilizado en el proyecto de grado del estudiante Simón Salinas, quien ha convertido un motor de combustión interna de gasolina a combustión interna de hidrógeno (ICE H2). Es posible entonces considerar un diseño en 4 etapas para el sistema que son mostradas esquemáticamente en la Figura 4.. 35.

(36) IM -2004-II-10. Figura 4. Esquema unidad de Producción-Almacenamiento. Generador Recolector (burbujeador) Compresor Almacenamiento (tanque H2). 4.1 Generador de hidrógeno Conociendo las condiciones iniciales del diseño se realizó una primera aproximación conceptual en la que se presentan las condiciones básicas del diseño (véase Figura 5).. Figura 5. Diseño conceptual del electrolizador. 36.

(37) IM -2004-II-10. 4.1.1 Electrodos usados En la figura se ven en color naranja y plata los electrodos, están llenos de agujeros representando una malla de aluminio, que finalmente fue sustituida por lámina de aluminio que presenta una mejor resistencia frente al electrolito. Por otro lado, la malla posee un calibre muy delgado que hace suponer que no presenta la misma duración que la lámina.. Figura 6. Lámina de aluminio (derecha), malla de aluminio (izquierda). Adicionalmente, la lámina de aluminio presenta una ventaja económica frente a la malla, porque, aunque la malla no es extremadamente cara en comparación con la lámina, presenta un desgaste más rápido, así que, debe ser reemplazada más frecuentemente, aumentando su costo. Se reemplaza entonces el área superficial que puede entregar la malla, por la economía que presenta la lámina. En la Figura 6 se puede observar la calidad que presenta la lámina y además la calidad que presenta la malla. Los electrodos escogidos en este caso han sido conformados en S para poder obtener una mayor cantidad de material de producción en la celda, esto con el fin de poder hacerla más eficiente, pero a su vez lo más casera y desechable posible, para mostrar que es una unidad que puede ser construida y reemplazada fácilmente.. 37.

(38) IM -2004-II-10. La reacción de desgaste que se presenta en los electrodos ha sido explicada anteriormente en el capítulo 3 y puede observarse en la Figura 7, claramente se ve la manera como se desgastan los electrodos al estar en contacto con el electrolito, cada vez pierden más material; una lámina de un calibre de 0.2mm puede llegar a convertirse en una lámina de 0.04mm similar al papel aluminio, si se llegan a utilizar por más tiempo, es decir alrededor de 8 horas, el espesor que se encuentra es de 0.02mm. Este proceso de desgaste es una de las cosas que esta en contra del uso de electrodos de aluminio, pero teniendo en cuenta su costo se convierte en la mejor solución en cuanto al los electrodos se refiere.. Figura 7. Proceso de desgaste de los electrodos. 4.1.2 Separador de gases En color rojo, en la Figura 5, se ve el material separador, que debe cumplir la función de evitar que se mezclen los gases después de producirse. Para cumplir esta función se ha utilizado una tela de fibra de vidrio, que comúnmente es usada para impermeabilizar. La tela se dobló y se cosió en el extremo superior obteniendo una capa doble de protección, adicionalmente, se pintó la parte superior de la tela con esmalte acrílico para exteriores, la textura que presenta la tela es posible observarla en la Figura 8, de donde se puede esperar. 38.

(39) IM -2004-II-10. que se obtengan buenas propiedades de permeabilidad de electrolito, pero no de permeabilidad a los gases.. Figura 8. Textura de la tela de fibra de vidrio. El separador de tela se mantiene sumergido en agua hasta cierto nivel (véase Figura 9), por encima de ese nivel se encuentran los gases en cada una de las cámaras a ambos lados del separador. La tela ha sido pintada en esa parte para que los gases no se mezclen en esa zona, la parte inferior no ha sido pintada para que permita el transporte de solución con electrolito entre los electrodos y se genere la corriente necesaria. Además, esta parte no permite el intercambio de los gases porque cuando estos son generados en los electrodos se desprenden en forma de burbujas, que cuando se encuentran con la tela no se rompen sino que ruedan sobre ésta, ascendiendo hacia la superficie en la cámara correspondiente. La parte superior de la tela al estar pintada es impermeable al transporte de los gases entre cámaras, así que, cuando las burbujas de alguno de los gases, ya sea hidrógeno u oxígeno dependiendo de la cámara, alcanzan la superficie no pueden ir hacia la otra cámara evitando la mezcla de los gases.. 39.

(40) IM -2004-II-10. Figura 9. Efecto de la membrana. 4.1.3 Unidad de producción En la Figura 5 se presenta de color azul transparente la imagen conceptual del recipiente en el que debían ser acomodados los electrodos y el separador. Este recipiente ha sido reemplazado por una caja de HDPE (polietileno de alta densidad) en la que se han dispuesto además un par de tornillos de acero inoxidable a manera de electrodos (véase Figura 10), es posible ver la manera en como se han acomodado los electrodos y claramente se ven las dos cámaras de producción.. 40.

(41) IM -2004-II-10. Figura 10. Disposición de electrodos y separador. En la parte inferior del recipiente, en el fondo de la Figura 10, es posible ver un par de elementos de madera que tienen como función levantar el conjunto de electrodos y separador, para que exista comunicación del electrolito entre las dos cámaras gracias al principio de vasos comunicantes. El separador ha sido pegado con silicona a las paredes del recipiente, para generar un buen sello y evitar escapes indeseados. Finalmente, el sello sobre el recipiente se consigue con la tapa original del mismo, que ha sido cortada con la forma S que tienen los electrodos y el separador, de esta manera, usando silicona se obtiene como resultado la imagen que presenta la Figura 11, adicionalmente, la tapa es sellada con silicona alrededor del recipiente evitando que se presenten fugas.. 41.

(42) IM -2004-II-10. Figura 11. Electrolizador. 4.2 Recolección hidrógeno Luego de que el hidrógeno es producido en el electrolizador, es recogido a través de la manguera de color verde y llevado a un tanque con agua como se ve en la Figura 12. En la parte superior del tanque con agua y de forma invertida se encuentra otro recipiente que está aforado y que tiene en la parte superior una manguera de color azul y una válvula de alivio. El tanque ha sido aforado para determinar cual es la cantidad de hidrógeno producido por el electrolizador para determinado tiempo. La válvula de alivio permite eliminar las primeras tandas de producción del electrolizador teniendo en cuenta que inicialmente el sistema puede contener aire y es necesario que sea purgado.. 42.

(43) IM -2004-II-10. Esta es una de las partes fundamentales de la producción en el sistema, es aquí donde debe realizarse el control del hidrógeno, primero que todo, es calculada la rata de producción que este tiene, permitiendo de esta manera caracterizar el electrolizador y además permitiendo obtener el costo de producción de hidrógeno mediante este sistema. Por otro lado el hidrógeno producido tiene aun trazas de electrolito y de oxígeno en una pequeña cantidad, estas deben ser eliminadas en esta etapa, para que en la etapa de compresión y almacenamiento no se presenten problemas, por ésta razón es necesario burbujear el hidrógeno producido en el tanque de agua, de tal manera que se pueda garantizar que quedan atrás las impurezas que generan el electrolito y el oxígeno al encontrarse en el hidrógeno gaseoso. Es importante tener en cuenta que al momento de recoger el hidrógeno la manguera debe estar cebada, de manera que se genere vacío en el recipiente invertido para garantizar el llenado, de lo contrario el gas producido se escapará hacia la otra cámara y podrá generar una mezcla indeseada y una pérdida de gas producido.. Figura 12. Burbujeador. 43.

(44) IM -2004-II-10. 4.3 Compresión Después de que se ha producido hidrógeno y se ha recogido en el burbujeador empieza la etapa de la compresión. Para ésta etapa se utiliza un compresor de nevera que permite comprimir el hidrógeno producido y recogido en el burbujeador, para eso es necesario detener la producción del electrolizador y poner en funcionamiento el compresor, esto se debe a que la producción no es en serie en esta unidad. El compresor toma entonces el gas del burbujeador y lo lleva al tanque. Como el compresor tiene una antigüedad de casi 10 años, presenta un problema de fuga de aceite en la línea de descarga, contaminando el hidrógeno, para esto se ha utilizado un serpentín en tubería de cobre que atrapa el aceite que entrega el compresor a la descarga, como puede verse en la Figura 13. Es ésta una solución temporal al problema del compresor, para arreglarlo definitivamente sería necesario, en caso de no ser posible usar otro compresor, recoger el aceite que esta botando y recircularlo de nuevo en el compresor. Se comentan más adelante las pruebas realizadas al compresor para garantizar que sirve en el propósito de este proyecto.. Figura 13. Compresor. 44.

(45) IM -2004-II-10. 4.3.1 Pruebas al compresor El compresor utilizado no tenía catálogo en donde se pudieran conocer las características, así que, fue probado para caracterizarlo y poder determinar si podría ser útil para el proyecto. Se realizaron tres pruebas, una para determinar el caudal que maneja, otra para determinar la presión que entrega en descarga y adicionalmente fue probada la capacidad en succión del compresor.. 4.3.2 Caudal Para probar el caudal del compresor se ha conectado a la descarga un rotámetro y se ha puesto en funcionamiento el compresor tomando la medida del rotámetro. La fluctuación en el flujo que presenta el compresor debido al uso y el tiempo de servicio no permiten obtener un caudal con seguridad. Es por esto que se realizó otra prueba mientras era llenado el tanque. Se utilizó el compresor para llenar el tanque hasta 100psi, tomando una lectura de la presión del manómetro cada 10 segundos. Lo que se obtuvo fue una serie de datos de presión para cada tiempo, con estos datos y usando la ley de gases ideales se calculó el flujo de masa de aire que transporta el compresor. Finalmente, después del cambio de unidades, se tiene la gráfica de la Figura 14, en donde se observa un particular movimiento oscilatorio del comportamiento del caudal en el tiempo, esto puede ser producto de las fallas que presenta el compresor y del paso de aceite del mismo. Se encuentra que el caudal promedio que maneja el compresor es de 3L/min.. 45.

(46) IM -2004-II-10. Caudal vs Tiempo 7.0. Q (L/m in). 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. 400. T(s). Figura 14. Comportamiento del caudal del compresor. 4.3.3 Presión del compresor en descarga Para garantizar la presión a la que el compresor trabaja a la descarga, es necesario conectarlo al tanque y medir la presión que entrega durante un intervalo de tiempo determinado, esto permite saber si la presión máxima deseada para el compresor puede ser alcanzada y además permite saber la manera como se comporta el caudal que entrega el compresor durante el tiempo. La curva de la presión a lo largo del tiempo se observa en la Figura 15, en donde puede verse la tendencia que sigue la curva a medida que avanza en el tiempo. Se espera que se encuentre una presión para la cual el compresor deje de entregar gas, y esta será la presión límite. En este caso no importa la presión límite porque la prueba muestra que el compresor trabaja bastante bien en la zona de presión objetivo de este proyecto, es decir de 40-100psi.. 46.

(47) IM -2004-II-10. Presión vs Tiempo. P(psi). 150 100 50 0 0. 100. 200. 300. T(s) Figura 15. Comportamiento de la presión del compresor. 4.3.4 Presión del compresor en succión La prueba del compresor en succión ha sido realizada conectando el tanque de almacenamiento a la línea de succión del compresor. Esta prueba, además de servir para caracterizar por completo el compresor, tiene como objetivo generar vacío en el tanque de almacenamiento, para garantizar que en el momento de llenarlo con hidrógeno existiera la menor cantidad de aire posible para evitar riesgos innecesarios mezclando los dos gases. La presión de vacío obtenida con éste compresor fue de 20inHg, es decir, 9.3psi.. 4.4 Almacenaje De acuerdo con los recursos tecnológicos y buscando que sea económicamente realizable, se decide almacenar el hidrógeno en estado gaseoso en un tanque a presión. Para esto ha sido necesario conseguir un tanque que pueda cumplir algunas de las características importantes del almacenaje necesario del hidrógeno. No es posible garantizar que no se presenten fugas debidas a difusión de hidrógeno a través de las paredes del tanque, para esto sería necesario modificar el tanque obtenido reforzándolo con algún tipo de fibra, tal. 47.

(48) IM -2004-II-10. como fibra de carbono o fibra de vidrio con una matriz epóxica, esto elevaría bastante los costos del proyecto. El almacenaje del hidrógeno gaseoso, producido por el electrolizador, se lleva a cabo en un tanque que era utilizado para almacenar R-12 para los cuartos fríos (véase Figura 16). El tanque tiene una capacidad de 13.5L, posee además una válvula con una sola entrada, que en este proyecto es utilizada para el llenado y el vaciado. La válvula ha sido acondicionada con un manómetro de 100psi, para controlar tanto la presión de llenado como la que maneja el tanque durante su uso. Este tanque ha sido además probado para garantizar que soporta la presión que se espera entregue el compresor, la prueba se describe más adelante en este capítulo. Se ha adaptado, además, una válvula antes del manómetro, como medida preventiva y de seguridad para desconectar el sistema en caso de necesidad. Antes de la válvula ha sido instalado un rotámetro para medir el flujo que sale del compresor hacia el tanque.. Figura 16. Tanque para almacenar el hidrógeno. 48.