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TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO Instituto Tecnológico de Querétaro “2015, Año del Generalísimo José María Morelos y Pavón Av. Tecnológico s/n esq. Mariano Escobedo, Col. Centro, C.P. 76000, Querétaro, Qro., México Campus Centro Tel. 01(442) 2274400 Fax: 01(442)2169931 Campus Norte 01(442) 2435554 www.itq.edu.mx 9 A Expo-Ingenierías, Mayo 2015. Institución o Escuela: Instituto Tecnológico de Querétaro Carrera: Eléctrica Especialidad: Sistemas de Eléctricos de Potencia Proyecto: Generación de Electricidad por medio del uso de hidrógeno Integrantes: V. Luna, F. Molina, J. Quevedo Nombre del Asesor: M. Ramirez

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Generacion con hidrogeno

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TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICOInstituto Tecnológico de Querétaro“2015, Año del Generalísimo José María Morelos y Pavón

Av. Tecnológico s/n esq. Mariano Escobedo, Col. Centro, C.P. 76000, Querétaro, Qro., México

Campus Centro Tel. 01(442) 2274400 Fax: 01(442)2169931 Campus Norte 01(442) 2435554 www.itq.edu.mx

9A Expo-Ingenierías, Mayo 2015.

Institución o Escuela: Instituto Tecnológico de Querétaro

Carrera: Eléctrica

Especialidad: Sistemas de Eléctricos de Potencia

Proyecto: Generación de Electricidad por medio del uso de hidrógeno

Integrantes: V. Luna, F. Molina, J. Quevedo

Nombre del Asesor: M. Ramirez

Santiago de Querétaro, 22 de abril de 2023.

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Generación de Electricidad por medio del uso de hidrógenoNombres de los Integrantes: V. Luna, F. Molina, J. Quevedo

Asesor: M. Ramirez

I. Resumen.

Actuialmente existe una problemática presente en todo el mundo, la cual es el poder generar energía eléctrica sin necesidad de deteriorar el medio ambiente en el proceso y una posible solución es usar el elemento que tiene la mayor prescencia en el universo, el hidrógeno, un gas que se puede obtener prácticamnte de cualquier molécula, este elemento se puede aprovechar en una celda para obtener directamente la energía o también podría usarse como fuente de poder mecánica de una turbina en una planta generadora, este tipo de avance tecnológico se puede aplicar en cualquier parte del mundo ya que no hay escaces de hidrógeno en ningún lado, pero aun existen muchas limitantes, las cuales son las tecnologías para la obtención de este elemento o el mismo almacenamiento del mismo, ya que es un gras altamente flamable y también maneja presiones muy elevadas, pero con lo estudios necesarios se podrá llegar a un punto en el que la producción de energía eléctrica en base a el hidrógeno sea la nueva forma convencional de obtención de energía eléctrica.

II. Glosario de fórmulas.

Constate geométrica con un valor de 3.141 592. Constante de tiempo Velocidad angular = 2··ff frecuenciaFP factor de potencia tan(V – I) = Q/P (relaciona el

ángulo)Al AluminioHCl Acido Clorhídrico

III. Introducción.

Este proyecto servirá para demostrar el cómo se puede generar energía eléctrica usando hidrogeno en lugar del vapor de agua.Ya que el hidrógeno es el elemento más abundante en el universo, y pues el agua es un recurso críticamente limitado en el planeta y pues son demasiados los procesos para poder reutilizar el agua aunque ya recuperada no se puede volver utilizar en el proceso, en cambio el hidrógeno se puede obtener de cualquier lugar, claro, llevando a cabo una reacción química que lleva a cabo la liberación de hidrogeno de prácticamente cualquier compuesto.

En esta pequeña demostración lograremos hacer visible esta forma de generación gracias al uso de la sosa caustica y aluminio en una reacción química que provoca la liberación de hidrogeno a alta presión.Y este mismo hidrógeno lograra mover una turbina y esta a su vez moverá a un rotor de un generador de energía directa, claro, se presentan algunos riesgos ya que las presiones y la flamabilidad del hidrógeno son muy altas, haciendo que el uso del hidrógeno sea una tarea un tanto arriesgada pero más sustentable.Este proyecto tiene cómo objetivo demostrar cómo es rentable usar el hidrógeno como fuerza mecánica o de ignición y así poder considerar esta nueva tecnología en progreso como algo ya necesario para poder pasar a la siguiente era.

IV. Marco TeóricoHidrogeno

El hidrógeno es el elemento químico más ligero y abundante del Universo aunque es complicado encontrar yacimientos de hidrógeno libre en la Tierra. Como gas se presenta de forma incolora e inodora y con la cualidad de ser altamente combustible, es decir, de oxidarse en presencia de oxígeno o aire desprendiendo energía en forma de calor y como residuo únicamente agua pura.No es una fuente de energía primaria sino un vector energético empleado para almacenar y transportar energía a partir de: una materia prima que lo contenga y un aporte de energía externo, pudiendo ser éste renovable.El hidrógeno es de esta forma, un vector energético limpio y sostenible, seguro y eficiente, llamado a complementar en un futuro a la electricidad a la hora de garantizar el suministro energético. Además está especialmente indicado para incrementar la penetración de las energías renovables cuando se utiliza como fuente de almacenamiento.Procedimientos de obtención de hidrógenoActualmente existen tecnologías en distintas fases (investigación, desarrollo y comercialización) que permiten producir hidrógeno a partir de diversos tipos de materias primas como el agua, la biomasa o los recursos fósiles (carbón, petróleo y gas natural) y con un aporte de energía que puede provenir de combustibles convencionales, energía nuclear o fuentes renovables. Por tanto, la sostenibilidad del

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proceso de producción dependerá de la tecnología empleada y de la fuente energética externa.Hoy día el 94% del hidrógeno producido a nivel mundial se origina mediante reformado de gas natural (metano), que consiste en partir la molécula de este gas al combinarla con vapor de agua, requiriendo para ello de un aporte de energía adicional.Este proceso, el de menor coste económico a gran escala, emite CO2 al utilizar una materia prima de origen fósil. Estas emisiones son, en la práctica, de aproximadamente 7 kg de CO2 por 1 kg de hidrógeno producido.

Por otra parte, existe un grupo de procesos (electrólisis, termólisis, fotoelectrólisis, etc.) limpios en lo que a emisiones de CO2 se refiere, basados en la rotura de la molécula de agua según la siguiente reacción: H2O + energía > H2 + ½ O2

Generación de electricidad

El uso más prometedor del hidrógeno como energía es el de transformarlo en electricidad mediante una pila de combustible. Este proceso consiste en mezclar hidrógeno con oxígeno a través de unas membranas que separan a los protones de los electrones, obligando a estos últimos a pasar por un circuito externo dónde se genera electricidad, produciendo vapor de agua como único residuo. (Se puede usar cualquier combustible que contenga hidrógeno, pero en este caso también se emitiría CO2) Este método es más eficiente que la combustión del hidrógeno presentando un rendimiento del 50%, que pese a ser bueno queda muy lejos del 90% de las baterías convencionales.

Los usos para la pila de combustible son múltiples ya que se plantea como una alternativa a las baterías convencionales al tener unos tiempos de recarga mucho más bajos. Mientras la batería se ha de conectar a la red eléctrica para recargarse la pila de combustible solo necesita “repostar” hidrógeno para seguir produciendo electricidad.Aun así el campo más prometedor y en el que se está investigando más es en su utilización en vehículos, ya que como consumidores estamos acostumbrados a no esperar para repostar el coche. En la Wikipedia podéis encontrar una lista de vehículos con pila de combustible y en esta entrada hay algunos ejemplos de barcos que la utilizan.La primera empresa que comercializará un coche alimentado por pila de combustible es Honda que alquila su FCX Clarity en EE.UU. y Japón.

Otro uso que se está potenciando mucho es su uso como generadores domésticos de calor y electricidad, reemplazando los calentadores de gas, en Japón hay un programa para incentivar su uso en los hogares.También se plantea su utilización como almacenes de electricidad eólica o solar para utilizarla cuando le conviene a la red y no sólo cuando está disponible, como sucede en la actualidad.

Economía del hidrogeno

La Economía de Hidrógeno es una economía hipotética en la cual el hidrógeno es un medio de transporte de energía y no una fuente primaria de energía como lo son la energía atómica, el petróleo, el carbón o el gas natural.La propuesta de una economía de hidrógeno tiene el propósito de resolver el efecto invernadero generado por el uso de combustibles fósiles en el transporte y otras aplicaciones donde se libera CO2 a la atmósfera.En la economía actual, el transporte de personas y bienes es energizado por los derivados del petróleo (bencina, diesel, carbón y gas natural). Sin embargo la combustión de estos hidrocarburos genera gases que ayudan a incrementar el efecto invernadero y que son tóxicos. Además las reservas mundiales son limitadas.En una economía de hidrógeno, el hidrógeno sería manufacturado a través de alguna fuente primaria de energía y usado como reemplazo de los combustibles fósiles usados para el transporte. El hidrógeno sería utilizado cómo combustible en celdas de combustible o en motores de combustión interna. Esta segunda opción es poco probable, debido a que la eficiencia de éstos motores es más baja que la de las celdas de combustible (los motores de combustión interna no superan el 35% de eficiencia) y es difícil que se logre aumentar esta eficiencia debido a la naturaleza de los procesos termodinámicos. Las celdas de combustibles pueden lograr eficiencias de entre un 45% y un 50% en aplicaciones móviles (automóviles, buses, etc) y un entre un 60% y un 70% en aplicaciones fijas (generadores de potencia eléctrica). De fuente de energía primaria se ocuparían plantas fijas que ocupen energías renovables, nuclear o hidrocarburos. Con el uso apropiado de energías primarias, se podría reducir en gran medida la emisión de gases que generan el efecto invernadero.La producción de hidrógeno puede ser centralizada, distribuida o una mezcla de éstas opciones. Mientras la generación de hidrógeno en grandes plantas centralizadas promete una mayor eficiencia en la producción del hidrógeno, tiene la dificultad de transportar un gran volumen a través de grandes distancias (lo cual es bastante costoso cómo se explica más adelante), lo que hace a la distribución de energía

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eléctrica más atractiva dentro de una economía de hidrógeno. En ese escenario, pequeñas plantas regionales o incluso estaciones de servicio pueden generar hidrógeno usando energía provista por la distribución eléctrica. Mientras la eficiencia de generación es menor en éste caso que en una generación centralizada, las pérdidas en el transporte de hidrógeno, la pueden hacer una opción mucho más eficiente.Una incertidumbre sobre una futura la economía de hidrógeno es si la distribución de hidrógeno va a competir con la distribución eléctrica. En otras palabras, si el hidrógeno va a ser generado de forma limpia (a través de energías renovables, nuclear, o a base de combustibles fósiles con secuestración de carbono) y transportado a los puntos de demanda de energía donde sería transformado en electricidad mediante una gran cantidad de pequeños generadores o si va a ser la electricidad la forma de transportar la energía para luego generar el hidrógeno y ser utilizado sólo en aplicaciones móviles. Esto va a depender del avance de las tecnologías. Por el momento el transporte del hidrógeno es sumamente caro, debido a la infraestructura necesaria, la cual es mucho más costosa que para el gas natural debido a que el hidrógeno se fuga fácilmente a través de los conductos y tiene una densidad de energía mucho menor, lo que hace que para transportar la misma energía se requiera transportar mucho más hidrógeno que gas natural.

Dinamo

Para conseguir sacar la corriente generada en la espira, colocamos unos colectores que giren con cada uno de los extremos de la espira y unas escobillas fijas por donde sacamos la corriente.

Si nos fijamos en los colectores estos están cortados. El motivo es para que por fuera de la espira la corriente siempre vaya en el mismo sentido (corriente continua). Giremos mentalmente la espira y analicemos que si los colectores fueran anillos completos (sin cortar) la corriente por fuera de la espira saldría por la escobilla (fija sin moverse) en un sentido y cuando la espira gira media vuelta saldría por el sentido contrario, es decir estaríamos generando corriente alterna, y no sería una dinamo sería un alternador (generador de corriente alterna).

V. Desarrollo. Reacción química

El aluminio está recubierto por una capa protectora de óxido de aluminio, este oxido de aluminio reacciona con

la base y forma un complejo de hidróxido de aluminio (el aluminio forma muy fácilmente complejos de coordinación que presentan equilibrio la adicionar ácidos o bases). El aluminio queda desprotegido y reacciona vigorosamente con la solución y desprende hidrogeno La reacción es la siguiente:

Al + NaOH + H2O -----> AlO2Na + 3/2 H2

La reacción es bastante rápida y exotérmica, si se calcula bien la cantidad de agua los residuos son totalmente sólidos. En teoría la reacción es completa con 35 gramos de aluminio, 40 de sosa y 18 de agua. Por cada gramo de aluminio se obtienen aproximadamente 10 litros de hidrogeno.

El aluminio se coloca en el fondo del frasco y por el embudo se añade una disolución lo más concentrada posible de hidróxido sódico (soda cáustica) tener cuidado al disolver la soda en agua ya que la disolución se calienta bastante y es corrosiva para la piel y la ropa. La disolución de soda entra hasta el fondo del frasco haciendo un lazo que actúa de sifón. Antes de poner el generador en marcha se mantiene a baja altura para que el líquido no entre en contacto con el aluminio. Cuando se sube a unos 30 cm el líquido pasa al frasco del reactor y reacciona con el aluminio. Si la reacción es excesivamente violenta la presión en el interior aumenta mucho y la propia presión devuelve al embudo la solución de soda. El único problema es que el hidrogeno formado arrastra sosa cáustica y humedad. Esto también ocurre en la reacción ácido-metal, por ello es conveniente hacer pasar el hidrogeno por un frasco de lavado o de desecación. Se puede observar que después de la reacción queda un residuo grisáceo. El aluminato sódico es blanco pero el aluminio puede contener algo de silicio o cobre que queda sin reaccionar oscureciendo el aluminato.

Al2O3 + 2 NaOH + 3 H2O => 2 Na+ + 2 [Al(OH)4] - 2Al + 3H2O > 2Al(OH) 3 + 3H2

El hidrógeno obtenido en forma de gas en altas presiones y gracias a eso se puede mover la turbina acoplada en la misma flecha de un generador de 12 volts, gracias al corte de líneas que realiza internamente el dinamo, por la ley de Faraday induce un voltaje y este mismo es entregado en los terminales del generador para ser usados para alimentar cualquier otra cosa, no se espera que la eficiencia de la generación sea más alta del 50% como en el caso del ciclo combinado, el cual se usa mayoritariamente en todo el mundo.

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VI. Resultados y Conclusiones.

Este proyecto fue muy útil ya que se logró demostrar que el hidrógeno en su forma gaseosa es muy útil para poder impulsar una turbina y así generar energía eléctrica en un alternador, la eficiencia sigue siendo muy baja pero es una obtención de energía mucho más sustentable que cualquier otra ahora implementada.El aprovechamiento sigue estando lejos del 100%, pero el obtener hidrógeno salva al planeta de la alteración de los ecosistemas por la creación de presas, plantas geotérmicas entre otras plantas generadoras.

VII. Referencias Bibliográficas

http://queinventenellos.com/el-hidrogeno-como-fuente-de-energia/

http://web.ing.puc.cl/power/alumno07/Pagina%20Web/energia.html

https://www.agenciaandaluzadelaenergia.es/ciudadania/renovables/energia-hidrogeno

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