REPORTE FINAL DEL PROYECTO SIP RESPONSABLE: DR. ROBERTO HERNANDEZ CASTELLANOS

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1 REPORTE FINAL DEL PROYECTO SIP RESPONSABLE: DR. ROBERTO HERNANDEZ CASTELLANOS CENTRO DE INVESTIGACION EN CIENCIA APLICADA Y TECNOLOGÍA AVANZADA UNIDAD QUERETARO DEL INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL (CICATA-QRO IPN) ENERO DE 2008

2 RESUMEN En este proyecto se establecen las condiciones suficientes y necesarias para el desarrollo, implementación y planeación de sistemas de generación de hidrógeno, basados en fuentes alternas de energía, básicamente solar. El funcionamiento de este sistema híbrido consiste en utilizar la energía del sol para convertirla en electricidad durante las horas de luz, parte de esta electricidad satisfacerá los requerimientos cotidianos y el resto será utilizada para generar hidrógeno que se utilizará durante las horas de la noche ó días nublados en las celdas de combustible para seguir generando electricidad. Por tratarse de tecnologías emergentes, el análisis de su operación sustentable a largo plazo será basado en estudios económicos del rendimiento de la conversión, este método mide la pérdida de potencial energético del combustible que se produce en cada una de las etapas de la cadena de energía, desde la generación de electricidad por los páneles fotovoltaicos, incluyendo la generación del hidrógeno por electrólisis del agua hasta su combustión electroquímica en la celda de combustible para la generación de electricidad, contando así con una herramienta financiera que nos permitirá tomar decisiones sobre la factibilidad del proyecto. INTRODUCCION La demanda mundial de energéticos depende de combustibles fósiles hoy en día. Su virtual agotamiento, aunado a la contaminación inherente, motiva la búsqueda de fuentes alternas de energía basadas en recursos renovables disponibles y que no afecten el ambiente. Una alternativa potencial es el hidrógeno. El hidrógeno es el elemento más ligero, más básico y más ubicuo del universo. Cuando se utiliza como forma de energía, presenta un efecto de reciclamiento altamente aprovechable, además en procesos de combustión con el oxígeno, no emite gases de polucionantes. El hidrógeno se encuentra repartido por todo el planeta: en el agua, en los hidrocarburos y aún en los seres vivos. Sin embargo, raramente aparece en estado libre en la naturaleza, por lo cual tiene que ser extraído de fuentes naturales.

3 Hoy día ya se están sentando las bases para una economía del hidrógeno. Se están diseñando, manufacturando y comercializando celdas de combustible alimentadas con hidrógeno capaces de generar energía eléctrica para ser utilizada en la industria, oficinas, edificios comerciales y habitacionales, casas, coches, autobuses y camiones. Existen además otras ventajas de utilizar hidrógeno, como la de que el usuario puede disponer de una pequeña planta de energía propia lo que en la jerga energética se conoce como generación distribuida -. Bajo este esquema el usuario final no solamente consume, sino que también produce su propia energía. Los objetivos de un modelo energético sostenible son reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, aumentar la eficiencia energética, desarrollar las energías renovables, mejorar la calidad de vida de la población y reducir en general todos los impactos ambientales y sociales negativos asociados a la producción y consumo de energía. Las energías renovables podrían solucionar muchos de los problemas ambientales, como el cambio climático, los residuos radiactivos, las lluvias ácidas y la contaminación atmosférica. El presente proyecto se enmarca en el campo de desarrollo e implementación de nuevas tecnologías de sistemas de generación de energía eléctrica híbridos basados en sistemas fotovoltaicos/hidrógeno/celdas de combustible, que permitan garantizar en los próximos años el suministro de energía eléctrica a pequeña escala en zonas urbanas y rurales y la reducción de gases de efecto invernadero asociados al consumo de energía por uso de combustible no renovables. La implementación de estas ecotecnologías para un mejor desarrollo sustentable, es un objetivo primordial de este proyecto. El proyecto es de actualidad en México, ya que contempla el uso de dos fuentes alternas de energía para una aplicación en sectores rurales en un corto plazo y establece un mejor aprovechamiento de los recursos independientemente que garantiza un uso racional y eficiente de estas fuentes alternas de energía con las que cuenta el país. En base a lo anteriormente descrito, se Desarrolló e implementó un sistema híbrido autónomo sustentable basado en un electrohidrolizador alcalino acoplado a paneles fotovoltaicos que suministre el voltaje y amperaje necesario

4 para la generación de hidrógeno, que puede ser utilizado para alimentar una celda de combustible del tipo PEM. METODOS Y MATERIALES Para el desarrollo del proyecto se siguió la siguiente metodología para la implementación del hidrolizador alcalino acoplado a paneles fotovoltaicos. Actividad II.1: Análisis de dimensionamiento para un hidrolizador alcalino que genere Hidrógeno. Actividad II.2: Diseño, elaboración y evaluación de electrodos para desempeñarse como cátodos y ánodos con diferentes propiedades para efectuar con eficiencia las reacciones electroquímicas de la reacción de evolución de hidrógeno en medio alcalino. Actividad II.3: Elaboración de contenedores para el electrolito alcalino y manejo y conducción del hidrógeno producido. En estas Actividades los materiales utilizados fueron: 1.- placas de acrilico 2.- tornillos y tuercas 3.-placas de acero 4.- mangueras 5.- materiales de plastico 6.- materiales complementarios Los estudios de los electrodos de acero inoxidables y de su capacidad de generación de hidrógeno se encuentran reportados en el artículo publicado por el director del proyecto, el cual es: J. M. Olivares-Ramirez, M. L. Campos- Cornelio, J. Uribe Godínez, and R. H. Castellanos., Study of the Hydrogen Evolution Reaction on Different Stainless Steels. Int. J. Hydrogen Energy., 32 (2007) El plano del electrohidrolizador se muestra a continuación:

5 Posteriormente se realizó la siguiente actividad: Actividad II.4: Implementación y evaluación de un panel fotovoltaico que provea el suministro de voltaje y amperaje suficiente para satisfacer las necesidades eléctricas del hidrolizador alcalino. En esta actividad los materiales utilizados fueron: 1.- Panel fotovoltaico de 80 watts de potencia 2.- controlador de carga y descarga de 20 amperes 3.- batería de ciclo profundo de 115 Amp/hora 4.- convertidor CD-CD de 3 a 12 volts. 5.- Tablas de madera de ¾ 6.- Tornillos y clavos 7.- alambre de cobre num. 12

6 El montaje de la planta solar se muestra a continuación a).- Sistema fotovoltaico para generación de electricidad (planta solar) Finalmente se realizó la última actividad la cual es: Actividad II.5: Ensamblado y evaluación del panel fotovoltaico acoplado al hidrolizador alcalino para conformar el sistema solar fotovoltaico-hidrógeno solar fotovoltaico-hidrógeno. En esta última etapa, se realizaron las pruebas para la generación de hidrógeno utilizando un prototipo pequeño de electrohidrolizador el cual se muestra a continuación

7 b) electrohidrolizador para generación de hidrógeno A partir de este electrohidrolizador, se realizaron las pruebas de generación de hidrógeno obteniéndose los siguientes resultados:

8 La generación de hidrógeno es mas eficiente utilizando un electrolito de KOH 1.0 M y aplicando un voltaje de 12 Volts sobre los electrodos de acero inoxidable. A partir de estos resultados se puede concluir que la generación de hidrógeno utilizando el electrohidrolizador y la planta solar diseñados por nosotros cumplen los objetivos planteados en nuestro proyecto.

9 IMPACTO PRODUCTIVO El hidrógeno tiene el potencial suficiente para poner fin a la dependencia del mundo respecto a las importaciones de petróleo. Estamos en el umbral de una nueva economía basada en el hidrógeno, que cambiará radicalmente la naturaleza de nuestras instituciones sociales, políticas y mercantiles, al igual como lo hizo la energía del carbón y del vapor al comienzo de la era industrial. En consecuencia, la liberación de los mercados de energía, la influencia creciente del movimiento ambiental y el desarrollo de nuevas tecnologías en celdas de combustible nos ponen al borde de un nuevo desafío. En México podemos desarrollar, en virtud de que nos encontramos en la antesala de una crisis petrolera, un nuevo esquema económico-energético, que nos permita seguir obteniendo divisas como productor y exportador de energía y al mismo tiempo garantizar nuestras necesidades energéticas. IMPACTO SOCIAL: El uso eficiente de la energía contribuye al progreso y desarrollo del país. Los planes gubernamentales y privados enfocados a uso eficiente de nuevas fuentes alternas de energía repercutirán en mejorar la calidad de vida de los ciudadanos mexicanos. La buena administración y aprovechamiento de los recursos energéticos harán posible una distribución más equitativa de la riqueza de la nación. La implementación de sistemas híbridos de generación de electricidad, producto de su rentabilidad, generará cambios culturales y una apreciación más generalizada por el cuidado del medio ambiente tanto en el sector rural como urbano. La formación de recursos humanos en el esquema de este proyecto por otro lado, dará lugar a profesionales involucrados con el desarrollo tecnológico en el marco de criterios ambientales de vanguardia. Estos profesionales se involucrarán después en actividades que incluyan la divulgación, el ejercicio y el uso de estas nuevas tecnologías de empleo eficiente y racional de los recursos naturales enfocados hacia la población en general.