FACULTAD DE INGENIERA
ESCUELA ACADMICO PROFESIONAL DE INGENIERA INDUSTRIAL Y GESTION
EMPRESARIAL
TEMA
OBTENCIN DE HIDROGENO A TRAVS DE LA ELECTROLISIS DEL AGUA
CURSOS : TECNOLOGA II Y MANEJO DE ENERGAINTEGRANTES:
1. ANTARA C., HECTOR2. CARHUARICRA ORELLANO, MILAGROS3. LARA
DELGADO, CAROLINA4. RAMOS GARRIAZO, DANIELA
ASESOR: ING. NICOLAS ORTIZ VARGAS
LIMA-PER2015 I
INTRODUCCION
El modelo energtico actual, Electrolisis de Agua para producir
hidrgeno, basado en los combustibles fsiles, presenta serios
problemas de sostenibilidad. Por ello, resulta evidente la
necesidad de buscar nuevas alternativas energticas. La escasez de
petrleo, con su consecuente encarecimiento, y la normativa
ambiental de emisiones, cada vez ms restrictiva, hacen del hidrgeno
un vector energtico atractivo.
Tanto el mbito estacionario como en la industria del automvil,
se han realizado avances importantes. La obtencin de electricidad a
partir de la combinacin del oxgeno con el hidrogeno ha dado lugar a
la pila de combustible, existiendo mltiples tipos en funcin de sus
diferentes aplicaciones.
Sin embargo, el uso de hidrgeno directamente en motores de
combustin interna (MCI) es tcnicamente viable con algunas
modificaciones realizadas en los motores. Esta aplicacin es de
inters en el mbito naval, dado que hasta el momento, la nica
aplicacin del hidrgeno a bordo ha sido su uso en clulas de
combustible.
Introducindonos a la obtencin de hidrogeno podemos mencionar lo
siguiente.
El H2 es la forma de energa ms acabada no-pululante.
Cuando se combina con el O2 en una celda de combustible slo se
produce H2O, calor y electricidad.
Esta generalizado y aceptado el criterio de que es necesario
transformar la economa mundial basada en la energa a partir de
combustibles fsiles en la economa del hidrogeno.
.
1. ANTECEDENTES DEL PROBLEMAOptimizacion de la obtencion de
Hidrogeno ,Nitrogeno y Agua por electrolisis de la Orina y
construccion de un generador de electricidad con 6 horas de
Autonomia.-Universidad de Valencia.(2009)El motor de hidrgeno o los
generadores elctricos de clulas de hidrgeno, no son un misterio, el
problema que se debata era la dificultad para obtener el hidrgeno
por electrlisis del H2O, algo que suscitaba polmicas en la
comunidad cientfica ms escptica.Pues bien, ese problema ha quedado
totalmente resuelto, y no precisamente por un avanzado laboratorio
del MIT, ni por un departamento de I+D de ninguna multinacional,
sino por tres adolescentes nigerianas de 14 y 15 aos de edad, que
acaban de presentar en LAOS un innovador prototipo que utiliza la
Orina como fuente de combustible sustitutivo del Petrleo.Pero, lo
ms apasionante es la precariedad y sencillez del prototipo, que es
capaz de separar los componentes de la Orina en Nitrgeno (til para
la produccin de fertilizantes, uso industrial diverso y agrcola),
H2O, es decir Agua Purificada para consumo y regado, y HHO
(Hidrgeno Combustible) Para uso electrodinmico. Por tanto de un
litro de Orina, han demostrado generar HHO, suficiente para generar
seis horas de electricidad utilizando un proceso sencillo de
depuracin del gas, y almacenar el resto de los componentes
obtenidos en la electrlisis, (Agua y Nitrgeno), para otros
usos.
Evaluacin electro catalizadores para la produccin de Hidrogeno a
partir de electrolisis de agua.-Universidad de los Andes Ing.
Qumica (1999)En este trabajo se analizan ciertas aleaciones
ternarias especficas, electro depositado en el ctodo y en el nodo
de la electrlisis alcalina del agua, llamadas electro
catalizadores. El anlisis se hace sobre la produccin de hidrogeno
(ml/min) durante la electrlisis del agua, a diferentes densidades
de corriente (mA/cm2). Fueron analizados tres diferentes electro
catalizadores, dos en el ctodo (Ni, Pt y Mo) y uno en el nodo (Ni,
Co y Cr). La diferencia de los electrodos catalizadores del ctodo
fue dada por la composicin del nquel (54,4% y 74,4%), que represent
un cambio en la estructura de las fases superficiales del
Electrodo.
No se encuentra una diferencia significativa entre los dos
diferentes electro catalizadores en el ctodo, no obstante el mayor
contenido de nquel influye en una mayor produccin de hidrogeno. Se
alcanzan aumentos cercanos al 30% en la produccin de hidrogeno, a
partir de una referencia, con la presencia del electro catalizador
en el nodo y mayor presencia de nquel en el electro catalizador del
ctodo.
Estudio por el departamento de Ingenieria de Sistemas
Quimicos-Univ. De Tokio.-Desarrollo de catalizadores por la
electrolisis del agua.(2004)
En este marco, la prestigiosa revista Nature (Nature, 440 [7082]
pag. 295) se ha hecho eco de un avance en el desarrollo de
catalizadores para la electrolisis del agua por va fotocataltica
(el catalizador se activa al absorber fotones a partir de cierta
longitud de onda). El Departamento de Ingeniera de Sistemas Qumicos
de la Universidad de Tokio ha logrado preparar un nuevo catalizador
basado en una disolucin slida de galio y zinc en xido de nitrgeno
(Ga1-XZnX)(N1-XOX), sobre la que se incorporan nanopartculas de un
xido mixto de rodio-cromo. El citado material es activo con luz
visible, permanece estable durante su utilizacin y exhibe una
eficiencia en la generacin de hidrgeno superior a las encontradas
hasta el momento presente, cuando se emplean otros catalizadores en
condiciones equivalentes.
2. REVISIN DE LITERATURA Montero (1989)
Produccion de hidrogeno:La produccin de hidrgeno se realiza
mediante diversos mtodos que requieren la separacin del hidrgeno de
otros elementos qumicos como el carbono (en los combustibles
fsiles) y el oxgeno (del agua).El hidrgeno se extrae
tradicionalmente de los combustibles fsiles (habitualmente
hidrocarburos) compuestos de carbono e hidrgeno- por medio de
procesos qumicos.
Hellmey(1970)El problema tcnico que aqu se plantea es que los
dispositivos de produccin de hidrgeno conocidos actualmente
presentan al menos alguno de los siguientes inconvenientes: Berk
(1989):
Caracteristicas del sistema: Estn basados en el proceso de
electrlisis, presentando una tasa de produccin de gas hidrgeno
baja, entre 1 a 3 litros por minuto aproximadamente.
Son de aplicacin nica y exclusivamente en el campo de la
automocin. Para dicho campo de la automocin, los generadores de
hidrgeno siguen requiriendo de combustible, por lo que sigue
existiendo cierta emisin de gases contaminantes (vehculos hbridos)
. Presentan una produccin de gas continua y constante, que no tiene
en cuenta las necesidades de gas en cada momento, debiendo ser por
tanto el hidrgeno sobrante almacenado, con los peligros que ello
conlleva. Requieren para su funcionamiento un tipo concreto de
agua, limitando su uso, generalmente agua 'destilada'. No existe un
control personalizado e independiente de cada uno de los elementos
de produccin de gas, por lo que no es posible controlar el
rendimiento y produccin de cada uno de ellos.
William Grove(1996)Sistema de Produccion de Hidrogeno:En la
actualidad son conocidos los sistemas de produccin de hidrgeno,
existiendo diferentes tipos de electrolizadores de agua. Un
electrolizador descompone, mediante el aporte de energa elctrica,
la molcula de agua para generar hidrgeno y oxgeno (electrlisis) .
La generacin de los gases hidrgeno y oxgeno en las unidades de
electrlisis debe ser separada y canalizada convenientemente hacia
el exterior, evitando la mezcla de ambos gases por ser
potencialmente explosiva y peligrosa.
Cabrera(1993)Obtencion:El hidrgeno tambin puede ser obtenido del
agua por medio de produccin biolgica en un biorreactor de algas, o
usando electricidad (por electrlisis-electrolisis del agua)-
qumicos (por reduccin qumica) o calor (por termlisis); estos mtodos
estn menos desarrollados en comparacin con la generacin de hidrgeno
a partir de hidrocarburos pero su crecimiento aumenta ya que, por
sus bajas emisiones en dixido de carbono permiten reducir la
contaminacin y el efecto invernadero. El descubrimiento y
desarrollo de mtodos ms baratos de produccin masiva de hidrgeno
acelerara el establecimiento de la denominada economa de
hidrgeno.Paracelso(1971)El hidrgeno fue descubierto por primera vez
en el siglo XV por T. Von Hohenheim al realizar experimentos con
metales y cidos; empero, ignoraba de que el gas generado era un
elemento qumico y no una mezcla de varios. ste elemento recibi
dicho nombre desde el siglo XIX, cuando Antoine Lavoisier corrobor
los estudios de Henry Cavendish acerca de la obtencin de un gas
obtenido de manera similar a la de Hohenheim, y descubriendo tambin
que su combustin generaba agua (etimolgicamente significa generador
de agua).Wollaston (1802)Tras las observaciones en 1802 de
Wollaston, en las que mostraba que la luz solar descompuesta por un
espectroscopio de prisma produca una imagen en la que se formaban
lneas negras delgadas (lneas de Fraunhofer), G.G. Stokes supuso que
la luz que debiera llenar dichos espacios en el espectro solar deba
ser absorbida por ciertos tomos en la corona solar. Cada elemento
por separado absorba ondas de una cierta longitud, y stas eran
determinadas en un laboratorio midiendo el espectro de luz emitido
por descargas elctricas emitidas en contenedores con cada elemento.
Por medio de estos experimentos es que se pudo determinar la
presencia de Helio e Hidrgeno en el sol.
Balmer (1885) Una frmula emprica por medio de la cual poda
relacionar las longitudes de onda observadas en el espectro del
hidrgeno para la regin visible y en el ultravioleta. El modelo
atmico de Bohr, parti, entre otras cosas, de la de la necesidad de
explicar la estabilidad de la materia y los espectros de emisin y
absorcin discretos que se observan en los gases (figura para lo
cual se bas en el tomo de hidrgeno, por la simplicidad que
ofreca.
Estructuras de las Celdas de combustible: La estructura bsica
consiste en una capa de electrolito que est en contacto a ambos
lados con un nodo y un ctodo poroso. DuPont logr combinar las
partes fundamentales de esta celda; el nodo, el ctodo y el
electrolito en una unidad muy compacta. El ensamblaje de electrodo
de membrana (MEA) no es ms grueso que unos cientos de micras. Esta
celda puede generar un voltaje prximo a 0,7 V y una potencia de 1
W.cm2 de rea de electrodo. El funcionamiento es el siguiente: El
compartimiento andico (electrodo negativo) se alimenta
continuamente de un combustible gaseoso. El compartimiento catdico
se alimenta con un oxidante gaseoso (O2 o aire). Las reacciones
electroqumicas ocurren en los electrodos y como resultado se
produce una corriente elctrica. Puede parecer que una celda de
combustible sea similar a una batera porque tienen componentes y
caractersticas similares, pero difieren en varios aspectos.
Estadisticas Evolucion de la produccion anual de hidrogeno en el
periodo 2005-2008.(Elaboracion de la produccion anual de Hidrogeno
a partir de datos externos)
Nota:El ao 1 representa al 2005 ,el 2 = 2006
,3=2007,4=2008Gardiner(1995)Electrolisis:La electrlisis o
electrolisis1 es el proceso que separa los elementos de un
compuesto por medio de la electricidad. En ella ocurre la captura
de electrones por los cationes en el ctodo (una reduccin) y la
liberacin de electrones por los aniones en el nodo (una
oxidacin).Howell(1971)Proceso Electrolitico Se aplica una corriente
elctrica continua mediante un par de electrodos conectados a una
fuente de alimentacin elctrica y sumergidos en la disolucin. El
electrodo conectado alpolo positivo se conoce como nodo, y el
conectado al negativo como ctodo. Cada electrodo atrae a los iones
de carga opuesta. As, los iones negativos, o aniones, son atrados y
se desplazan hacia el nodo (electrodo positivo), mientras que los
iones positivos, o cationes, son atrados y se desplazan hacia el
ctodo (electrodo negativo). La manera ms fcil de recordar toda esta
terminologa es fijndose en la raz griega de las palabras. Odos
significa camino. Electrodo es el camino por el que van los
electrones. Catha significa hacia abajo (catacumba, catstrofe).
Ctodo es el camino por donde caen los electrones. Anas significa
hacia arriba. nodo es el camino por el que ascienden los
electrones. Ion significa caminante. Anin se dirige al nodo y catin
se dirige al ctodo. La nomenclatura se utiliza tambin en pilas. Una
forma fcil tambin de recordar la terminologa es teniendo en cuenta
la primer letra de cada electrodo y asociarla al proceso que en l
ocurre; es decir: en el nodo se produce la oxidacin (las dos
palabras empiezan con vocales) y en el ctodo la reduccin (las dos
palabras comienzan con consonantes).Sandonas(2005) La energa
necesaria para separar a los iones e incrementar su concentracin en
los electrodos es aportada por la fuente de alimentacin elctrica.
En los electrodos se produce una transferencia de electrones entre
estos y los iones, producindose nuevas sustancias. Los iones
negativos o aniones ceden electrones al nodo (+) y los iones
positivos o cationes toman electrones del ctodo (-). En definitiva
lo que ocurre es una reaccin de oxidacin-reduccin, donde la fuente
de alimentacin elctrica se encarga de aportar la energa
necesariaELECTROLISIS DEL AGUA Si el agua no es destilada, la
electrlisis no slo separa el oxgeno y el hidrgeno, sino los dems
componentes que estn presentes como sales, metales y algunos otros
minerales (lo que hace que el agua conduzca la electricidad no es
el puro H2O, sino que son los minerales. Si el agua estuviera
destilada y fuera 100% pura, no tendra conductividad.)Es importante
hacer varias consideraciones: Nunca deben unirse los electrodos, ya
que la corriente elctrica no va a conseguir el proceso y la batera
se sobrecalentar y quemar. Debe utilizarse siempre corriente
continua (energa de bateras o de adaptadores de corriente), nunca
corriente alterna (energa del enchufe de la red). La electrlisis
debe hacerse de tal manera que los dos gases desprendidos no entren
en contacto, de lo contrario produciran una mezcla peligrosamente
explosiva (ya que el oxgeno y el hidrgeno resultantes se encuentran
en proporcin estequiomtrica). Una manera de producir agua otra vez,
es mediante la exposicin a un catalizador. El ms comn es el calor;
otro es el platino en forma de lana fina o polvo. El segundo caso
debe hacerse con mucho cuidado, incorporando cantidades pequeas de
hidrgeno en presencia de oxgeno y el catalizador, de manera que el
hidrgeno se queme suavemente, produciendo una llama tenue. Lo
contrario nunca debe hacerse sin debida investigacin y ayuda
profesional.Electrolisis del Agua:Bateria
CatodoAnodo
Diagrama simplificado del proceso de electrolisis Elaboracion
Propia.
Marley(1995)Usos del hidrogeno en motores de combustion interna:
Se trata de motores de combustion interna normales,adaptados para
consumir hidrogeno. La adaptacion del combustible a los actuales
motores es relativamente facil. La tecnologia de estos motores esta
muy desarrollada. Diversas marcas de autos ya han desarrollado
prototipos de vehiculos con motor termico que consume
hidrogeno.
TIPOS DE MOTORES DE HIDROGENO:Salvador(1995)Motor de 4
tiempos:Se denomina motor de cuatro tiempos al motor de combustin
interna alternativo tanto de ciclo Otto como ciclo del disel, que
precisa cuatro, o en ocasiones cinco, carreras del pistn o mbolo
(dos vueltas completas del cigeal) para completar el ciclo
termodinmico de combustin. Estos cuatro tiempos son:
Motor de 4 Tiempos-Universidad de Valencia
Motor Wankel:El motor Wankel es un tipo de motor de combustin
interna, inventado por Flix Wankel, que utiliza rotores en vez de
los pistones de los motores alternativos.Wankel concibi su motor
rotativo en 1924 y obtuvo la patente en 1929. Durante los aos 1940
se dedic a mejorar el diseo. En los aos 1950 y los 1960 se hicieron
grandes esfuerzos en desarrollar los motores rotativos Wankel. Eran
especialmente interesantes por funcionar de forma suave y
silenciosa, y con escasas averas, gracias a la simplicidad de su
diseo.
3. PROBLEMA Los precios del combustible los cuales siempre estan
en ascenso,la electricidad con hidrogeno es una de las opciones a
utilizar a modo de alternativo asi como las soluciones de
combustible hibrido existentes los cuales se usan en los
automoviles.
Las personas estan buscando maneras de ahorra en su
combustible,y alternativas a la gasolina.Los costos crecientes del
combustible conducen a los consumidores y los inventores de
combustible alternativo. El hidrogeno se ha considerado un
combustible alternativo,lo que buscamos es aplicarlo a la
generacion de higrogeno,el cual es un gas y cuando se le aade un
motor de combustion interna se quema como combustible,esto
reduciria la cantidad de gas que estos tendrian que comprar. Para
entender este problema las burbujas de hidrogeno se mueven a la
ventilacion de aire de la camara de recoleccion, a partir de aqu se
transportan a la camara de combustion,donde el hidrogeno se
inflama.Estos son los fundamentos de como un combustible de
hidrogeno generador funciona.Al usar un motor de gasolina, el tubo
de escape que existe en los autos en perjudicial para salud y el
medio ambiente en el que vivimos,el escape de hidrogeno que
utilizaremos es vapor de agua por lo que no contamina el medio
ambiente. El primero es aclarar de dnde se obtendra el hidrgeno. La
fuente puede ser el mismo petrleo, el gas natural, el metanol
producido por la fermentacin de la biomasa o finalmente del agua
(H2O). Luego hay que decidir cmo almacenarlo y distribuirlo.
Finalmente, cmo utilizarlo.
3.1 JUSTIFICACION DEL PROBLEMA:
La presente investigacin es viable, porque:
En la actualidad, la mayor preocupacin, para los seres humanos
en cuestin de materia energtica y ambiental, est centrada en
encontrar opciones viables sustitutivas de los combustibles fsiles,
ya que estos ltimos son el principal causante de la contaminacin
atmosfrica en las grandes ciudades, debido que hoy en da constituye
la base energtica actual de los pases avanzados. En este proyecto
se propone al hidrgeno como el combustible perfecto para
representar la fuente de energa renovable, extrada a partir de la
electrolisis de agua.
4. OBJETIVO DEL DISEO DEL PRODUCTO:
Los objetivos para este proyecto, son definidos a
continuacin:
4.1 Objetivo General :
Contribuir con la bsqueda de nuevos usos para el hidrgeno
generado a partir de la electrolisis del agua.
4.2 Objetivos Especficos:
Evaluar los costos de produccin y almacenamiento del hidrgeno a
partir de la electrlisis del agua.
Analizar las ventajas, desventajas y viabilidad tcnica y
econmica-financiera del uso del hidrgeno a partir de la electrlisis
del agua.
Identificar una aplicacin particular para el uso del hidrgeno
proveniente de la electrlisis de agua.
Mejorar la combustion,reduciendo los gases contaminantes que se
producen NOX Y CO2,mediante este proyecto.
Estudiar el fenomeno de la Electrolisis y su utilizacion para la
formacion de materia Prima,y poner en practica este proceso,cual es
su desarrollo y sus caracteristicas./Evidenciar que el oxigeno esta
formado por un atomo y el hidrogeno por dos. Estudiar los
fundamentos y caracteristicas del hidrogeno y su elaboracion
mediante generadores. Obtener Combustible biodegradable
(hidrogeno)por medios electricos ,es decir por
electrolisis,comprobando que se cumpla la proporcion de 2 a 1 que
cumple el H2O por medio de volumenes de gases obtenidos. Evitar la
dependencia del petrleo,El hidrgeno tiene el potencial de poner fin
a la dependencia que el mundo tiene del petrleo importado asimismo
reducir drsticamente las emisiones de dixido de carbono y mitigar
los efectos del calentamiento global. Y dado que es tan abundante y
existe en todas las partes del mundo, todos los seres humanos
dispondrn de energa.(contribuir con este estudio a lo
mencionado).
5. IMPORTANCIA Es de fundamental importancia que el estudiante
de Ingenieria adquiera los conocimientos relacionados a las fuentes
de energia fosiles y renovables las cuales se pueden adquirir en un
centro de produccion y/o servicios por los cuales es fundamental
que el estudiante tenga la capacidad de realizar comparanciones de
su poder calorifico y de cantidades. Es de Importancia que se tenga
la capacidad para disear el equipo generador de hidrogeno apartir
de la electrolisis del agua , ya que mediante este proyecto
aplicara los conocimientos tecnologicos en los procesos de
generacion o transformacion y su aplicacin en estas. Importancia en
el conocimiento de celdas de combustible con el fin de utilizar el
producto para fines empresariales y/o aplicados a otros
estudios(Funcionamiento,energia producida,aplicaciones ,ventajas y
desventajas,el impacto,social,economico y ambiental.
Importancia del hidrogeno como combustible Por el creciente
desarrollo industrial y el avance tecnolgico alcanzado en las
ltimas dcadas, se ha originado un problema preocupante por el
aumento de la demanda de energa y por los altos ndices de
contaminacin ambiental.
En el ao 1992 el 80% de la demanda energtica mundial fue
suministrada por combustibles fsiles.
El nivel actual de consumo de stos se ha convertido en una
fuerza destructiva de la humanidad (emanacin de contaminantes,
calentamiento del globo terrqueo, cambios climticos, etc.).
Con el crecimiento actual del consumo de combustibles fsiles, se
estima que las reservas de stos solo alcanzarn para los prximos 25
aos.
Todo esto ha incentivado la bsqueda de fuentes energticas
alternativas, no contaminantes, que puedan disminuir el consumo de
petrleo y los altos costos de la energa elctrica.