MEMORIA

Industria Sostenible ®:
Ingeniería en Energía Solar y Medioambiente
MEMORIA
UTILIZACIÓN DE HIDRÓGENO COMO COMBUSTIBLE
PARA MOTORES NAUTICOS OBTENIDO A TRAVES DE
ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTÁICA COMBINADA CON
EÓLICA
Industria Sostenible ®
Ingeniería especializada en
Energías Renovables, Medioambiente y Técnicas Ambientales
C
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OBJETIVO
El objetivo principal es la utilización del hidrógeno como una de
las mejores soluciones a la crisis energética, por su abundancia y
por la alta capacidad de liberación de energía, cuya utilización
masiva haría posible la reducción de las emisiones de CO2.
El objetivo de este proyecto es desarrollar un sistema de
propulsión alimentado por hidrogeno obtenido con energía solar
fotovoltaica combinada con eólica, para su adaptación a
embarcaciones.
Se han elegido los motores náuticos, por la zona geográfica en la
que vivimos y porque somos cocientes de la contaminación
existente en los mares por parte de las embarcaciones, que están
aumentando su uso como medio de transporte y recreo.
¿QUÉ ES EL HIDRÓGENO?
El hidrógeno es el elemento químico de número atómico 1 y
símbolo H. A temperatura ambiente se lo encuentra como
hidrógeno diatómico, un gas inflamable, e inodoro, y es el
elemento químico más ligero y más abundante del Universo,
estando las estrellas formadas mayormente por este elemento en
estado de plasma durante la mayor parte de sus ciclos.
Aparece además en multitud de sustancias como, por ejemplo, el
agua y los compuestos orgánicos, y es capaz de reaccionar con la
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mayoría de los elementos, es el elemento más abundante en la
naturaleza.
El núcleo del isótopo más abundante está formado por un solo
protón. Además existen otros dos isótopos: el deuterio (que
además tiene un neutrón) y el tritio (que tiene además dos
neutrones).
En condiciones normales de presión y temperatura forma el
hidrógeno diatómico (H2). A muy alta presión, tal como la que se
produce en el núcleo de las estrellas gigantes de gas, las
moléculas mudan su naturaleza y el hidrógeno se convierte en un
líquido metálico. A muy baja presión, como la del espacio, el
hidrógeno tiende a existir en átomos individuales, simplemente
porque es muy baja la probabilidad de que se combinen, sin
embargo, cuando esto sucede pueden llegar a formarse nubes de
H2 que se asocian a la génesis de las estrellas.
Este elemento tiene una función fundamental en el universo, ya
que mediante la (combinación de átomos de hidrógeno del que
resulta un átomo de helio) proporciona ingentes cantidades de
energía.
Debido a su inexistencia en estado aislado, primero hay que
producirlo usando otras fuentes de energía primarias. El
hidrógeno se puede obtener con la electrólisis del agua; esta
técnica consume una cantidad de energía que debe ser
suministrada por alguna fuente energética. La Energía
Renovables, especialmente Energía Solar Fotovoltaica combinada
con eólica, 100% limpia, disponible e inagotable, resulta una de
las opciones más adecuadas para la obtención de hidrógeno para
embarcaciones; tanto para barcos de pesca industrial como de
recreo.
EL CICLO DEL HIDRÓGENO SOLAR Y POR QUÉ
ES IMPORTANTE
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El uso de energía solar para nuestras necesidades eléctricas
cotidianas tiene distintas ventajas: evitamos el consumo de
recursos naturales y la degradación del medio ambiente que
resulta de las emisiones contaminantes, derrames de petróleo, y
los productos tóxicos secundarios. El uso de recursos renovables
permite que los E.U.A. se independicen de los países política y
socialmente inestables, que actualmente son los que proveen el
50% de nuestro petróleo. Además, una economía basada en el
hidrógeno solar podría proteger a nuestro país contra los efectos
negativos de los cambios dramáticos en el abastecimiento y el
precio de la energía.
Sin embargo, hay una desventaja en la energía solar: el sol no
brilla constantemente. Necesitamos, pues, un método para
almacenar la energía solar para utilizarla cuando no haya sol. El
hidrógeno provee un método seguro, eficiente y sano para
hacerlo.
El ciclo del hidrógeno solar funciona así: la electricidad producida
por los módulos solares opera un equipo de electrólisis que divide
el agua (H2O) en sus componentes elementales, hidrógeno (H2) y
oxígeno (O2). El oxígeno se libera al aire y el hidrógeno se
bombea a los tanques, donde es almacenado en el lugar de
producción o se envía a las regiones donde el sol escasea.
En la noche, cuando no se dispone de energía solar, el hidrógeno
se combina nuevamente con el oxígeno del aire en una celda de
combustible, una planta de energía electroquímica que convierte
en electricidad la energía química contenida en el hidrógeno. El
único subproducto que resulta de este proceso es agua pura.
La electricidad producida por las celdas de combustible se puede
usar exactamente como utilizamos la energía ya generada por las
compañías de electricidad para operar los electrodomésticos y las
luces, incluso para impulsar los carros. El hidrógeno solar nos
permite utilizar la energía solar las 24 horas del día, y nos provee
de un recurso energético abundante, sano, eficiente y producido
localmente.
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DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA
El hidrogeno puede obtenerse por electrolisis de agua, separando
los átomos de hidrógeno de oxigeno. Para ello son necesarios
energía eléctrica, agua y un dispositivo de electrolisis.
Una vez obtenido el hidrogeno se utiliza como combustible para
motores de vehículos náuticos o embarcaciones.
Generador de Energía Eléctrica
La energía necesaria para el proceso de separación de las
moléculas de agua en hidrogeno y oxigeno, llamado electrolisis,
es aportada por dos fuentes de energía renovable, energía solar
fotovoltaica y eólica, ya que la combinación de estas dos energías,
hacen que el rendimiento del generador de energía sea mayor.
Una vez que el hidrogeno se ha separado del oxigeno, este ultimo
elemento se ha liberado a la atmósfera, se procede a almacenarlo
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en botellas a una presión determinada para luego ser transportado
o utilizado in-situ en una pila de H2.
La pila de Hidrogeno o celdas de combustible es similar en
funcionamiento a una batería. Es un dispositivo electroquimico
cuyo concepto es similar al de una batería. Consiste en la
producción de electricidad mediante el uso de químicos, que
usualmente son hidrógeno y oxigeno, donde el hidrógeno actúa
como elemento combustible, y el oxigeno es obtenido
directamente del aire.
Otra forma de generar hidrogeno, pensamos que puede ser más
económica y fácil, sería utilizarlo de forma directa y continua,
evitando el gasto de almacenarlo y trasportarlo.
Uno de los objetivos de este proyecto es ver que procedimiento es
el más adecuado y económico si almacenarlo y luego
transportarlo o utilizarlo de forma directa, continua y segura.
Motores
Existen dos tipos básicos de motor de combustión que emplean
hidrógeno como combustible. El primero es el motor de
combustión de hidrógeno de cuatro tiempos, que es en esencia un
motor típico de combustión interna, y el segundo se trata del
motor Wankel, que pensamos que para nuestro proyecto es el más
adecuado..
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Motor Wankel
Este tipo de motor rotativo parece dar buenos resultados al
emplear hidrógeno como combustible, según lo atestiguan
ensayos realizados con dinamómetro y una vez resueltos los
problemas que presentaba en lo que a estanqueidad se refiere.
Estos buenos resultados se deben a la configuración de este
motor, el cual minimiza las dificultades de combustión que se dan
en otros tipos de motores. El motor rotativo no suele dar
problemas de autoencendido pues, tal y como se puede apreciar
en la fotografía del motor, la cámara de combustión presenta una
geometría adecuada para la combustión del hidrógeno, o sea,
presenta una relación volumen/superficie muy elevada. De todos
modos, suponiendo que los gases de escape fueran responsables
del autoencendido, tampoco plantearían problemas en el motor
Wankel ya que, cuando los gases frescos entran, la cámara ya se
encuentra vacía y los gases de escape se encuentran lejos.
En el motor Wankel es posible el aprovechamiento de la alta
temperatura de ignición del hidrógeno. Se está investigando la
posibilidad de incluir agua pulverizada en la mezcla de entrada, la
cual se evapora al quemarse el hidrógeno llegando a ejercer
presiones muy altas de forma elástica, a diferencia de lo que
ocurre en el pistón, en el cual se da una detonación. Actualmente
se está tratando de conseguir que la mayor parte de la potencia se
deba a la acción del vapor de agua y no al hidrógeno.
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Otra ventaja más de este motor radica en su relación
potencia/peso, este motor desarrolla una alta potencia en
comparación con su tamaño lo que permite tener un sistema
motriz de alta potencia sin emisiones y de reducido tamaño. Hoy
en día ya se ha conseguido una relación potencia/peso cerca de los
0,34 kg por caballo 9 de potencia, una cantidad ínfima comparada
con los 2,72 kg/CV que presenta el motor de émbolo, este último
ya en desuso.
CONCLUSIÓN
Este proyecto además de ser innovador desde el punto de vista
energético, tiene como objetivo despejar las siguientes incógnitas.
1. Qué procedimiento es el más adecuado y económico, si
almacenarlo y luego transportarlo o utilizarlo de forma
directa, continua y segura.
2. Ver si es posible la combinación de un sistema hibrido de
generación de energía entre fotovoltaica y eólica es mas
eficiente que estas dos fuentes de energía por separado.
3. Ver costes y viabilidad para su posterior comercialización