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TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SALINA CRUZ

MATERIA: SISTEMA DE GENERACION DE ENERGIA

ECOESTUFA CLAVE: MEF1404 : 141020193 DOCENTE: M.E.E BARRAGAN RUIZ FRANCISCO

CARRERA: INGENIERÍA MECÁNICA

SEMESTRE: 8

GRUPO: B1

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA: En la universidad Autónoma de Chiapas se implementó la investigación y diseño de una estufa a base de hidrogeno por medio de la electrolisis para generar hidrogeno de una manera más económica y poder ser usado de uso domestico En Salina Cruz Oaxaca se caracteriza por la cocción de alimentos de manera tradicional usando como combustible las diferentes maderas de la región provocando gases tóxicos que afectan directamente la salud de las personas. El campo de estudio del hidrogeno como combustible es muy escaso debido al alto costo que este tiene al producirse, sin embargo diferentes instituciones como lo son la UNIVERSIDAD POLITECNICA SELESIANA implemento un sistema de generación de hidrogeno a base de celdas secas para ser implementado en un automóvil como combustible alternativo produciendo hidrogeno de una manera más económica y ecológica, también la FACULTAD DE NAUTICA en Barcelona investigaron como era el diseño de un electrolizador por los diferentes métodos de obtención ya sea por medio de celdas secas o celdas húmedas arrojando valores importantes para elegir el mejor método para la generación de hidrogeno y aprovecharlo de la manera más eficiente

Uno de los grandes problemas que enfrenta la estufa de hidrogeno es manera de almacenar el hidrogeno, ya que su almacenamiento es potencialmente peligroso, y generar hidrogeno de una forma constante se vuelve el eslabón de este proyecto Las limitaciones que enfrenta la estufa de hidrogeno son referentes a los materiales necesarios para la construcción de la estufa de hidrogeno, sin embargo, economizar en su construcción es un trabajo importante porque se tomaran materiales de la zona para economizar en su construcción.

OBJETIVO GENERAL: Reconstruir una estufa convencional de gas, para que funcione a base de hidrogeno para ahorra en gas LP y además sea accesible a la comunidad haciéndola autosustentable por medio de la instalación de paneles solares.

OBJETIVO ESPECÍFICO:    

Rediseñar el sistema de la estufa convencional. Generar la cantidad suficiente de hidrogeno Evaluar la producción de hidrógeno y relación eficiencia-costo del sistema Por medio de paneles solares alimentar el reactor de hidrogeno para iniciar su producción

ESTADO DEL ARTE Las energías renovables tienen diversas problemáticas, las cuales pueden ser solucionadas mediante un vector energético que establezca la conexión entre la energía producida y el usuario. Como ya fue mencionado, el hidrógeno está considerado como un prometedor vector energético. En este capítulo se presenta los aspectos principales del vector hidrógeno, así como su desarrollo tecnológico, el uso del hidrógeno como vector energético y las aplicaciones de hidrógeno fotovoltaico. Al igual se expone el desarrollo tecnológico en el área de estufas para la cocción de alimentos. 1.1 Vector Hidrógeno 1.1.1 Características del Hidrógeno El hidrógeno (H) es uno de los elementos más abundantes del Universo, está presente en forma molecular o iónica en la Tierra se encuentra principalmente combinado con otros elementos formando sustancias, como lo es el agua (H2O), el metano (CH4) o el petróleo (CnH2n+2), etc. El elemento se dio a conocer desde 1766 por el inglés Henry Cavendish, más tarde Antonio Lavoisier le dio el nombre de Hidrógeno. A partir de la mitad del siglo XX se comenzó a impulsar el estudio y sus aplicaciones como vector energético debido a la preocupación por el medio ambiente, los cambios drásticos del clima y el posible agotamiento de los combustibles fósiles [5]. 1.1.2 Métodos de producción Existen diversos métodos para producir el hidrógeno, se pueden dividir de acuerdo a la energía prima que utiliza para realizar el proceso, se encuentran los métodos clásicos basados en los combustibles fósiles y sus derivados, y los métodos renovables o alternativos los cuales son los procesos que utilizan energía limpia o renovable. A escala mundial el 48% de la producción utiliza el reformado catalítico de gas natural con vapor, le siguen el 30% a partir de hidrocarburos, el 18% por carbón gasificado y 4% por electrólisis, siendo este el único proceso renovable que se encuentra actualmente en la industria mundial, encontrándose los demás métodos alternativos en etapas experimentales [2],[6],[7]. En este caso particular, se enfocara a la electrolisis del agua debido a que en este sector, es el tema de interés para lograr los objetivos planteados en el proyecto.

CARACTERÍSTICAS DEL HIDRÓGENO El hidrógeno (H) es uno de los elementos más abundantes del Universo, está presente en forma molecular o iónica en la Tierra se encuentra principalmente combinado con otros elementos formando sustancias, como lo es el agua (H2O), el metano (CH4) o el petróleo (CnH2n+2), etc. El elemento se dio a conocer desde 1766 por el inglés Henry Cavendish, más tarde Antonio Lavoisier le dio el nombre de Hidrógeno. A partir de la mitad del siglo XX se comenzó a impulsar el estudio y sus aplicaciones como vector energético debido a la preocupación por el medio ambiente, los cambios drásticos del clima y el posible agotamiento de los combustibles fósiles [5] MÉTODOS DE PRODUCCIÓN Existen diversos métodos para producir el hidrógeno, se pueden dividir de acuerdo a la energía prima que utiliza para realizar el proceso, se encuentran los métodos clásicos basados en los combustibles fósiles y sus derivados, y los métodos renovables o alternativos los cuales son los procesos que utilizan energía limpia o renovable. A escala mundial el 48% de la producción utiliza el reformado catalítico de gas natural con vapor, le siguen el 30% a partir de hidrocarburos, el 18% por 5 carbón gasificado y 4% por electrólisis, siendo este el único proceso renovable que se encuentra actualmente en la industria mundial, encontrándose los demás métodos alternativos en etapas experimentales [2],[6],[7]. En este caso particular, se enfocara a la electrolisis del agua debido a que en este sector, es el tema de interés para lograr los objetivos plateados en el proyecto.

ELECTRÓLISIS DEL AGUA La electrolisis permite la obtención de hidrógeno por medio de la descomposición de la molécula del agua en sus elementos constitutivos (hidrógeno y oxígeno) cuando se aplica corriente directa (CD) a través de electrodos separados por un electrolito con buena conductividad iónica, siendo su reacción química total La siguiente. (𝒍) + 𝑬𝑵𝑬𝑹𝑮Í𝑨 𝑬𝑳É𝑪𝑻𝑹𝑰𝑪𝑨 → (𝒈) + 𝟏 𝟐 (𝒈) Reacción 1. 1 La ventaja de la electrolisis ante los demás métodos radica en que la producción del hidrógeno se efectúa sin la generación de gases de efecto invernadero.

El desarrollo de esta tecnología comenzó hace más dos siglos, en la primera revolución industrial, en el año 1800 Nicholson y Carlisle fueron los primeros en descubrir el proceso de separación electrolítica de la molécula de agua un siglo después ya existían en operación más de 400 sistemas electrolíticos industriales presurizados fabricados por Zdansky / Lonza. Continúo el desarrollo de la tecnología en 1966 con el primer sistema de electrólisis de polímero sólido (SPE) construido por General Electric, para después desarrollarse el primer electrolizador de óxido sólido. En 1978 se hicieron los primeros sistemas alcalinos, finalizando el desarrollo con las actuales tecnologías encabezadas por la membrana de intercambio protónico construida por DuPont y otros fabricantes, dicha membrana se puede implementar en electrolizadores y en celdas de combustibles [8]. 1.1.2.2.1 ELECTROLIZADORES COMERCIALES Casale Chemicals S.A. (& Metkon-Alyzer). S.A: es una empresa suiza radicada en Lugano, suministradora de electrolizadores bipolares en el rango 0.5– 100 𝑁𝑚3 ℎ de H2. El diseño de los equipos permite una operación bajo presión hasta 30 bar, una pureza de 99.8 % de en volumen. El diseño y construcción de los equipos ha superado las normas de seguridad de diversos organismos certificadores y es el único equipo asegurado por Lloyds para su operación en plataformas de perforación petrolíferas marinas. Sus equipos se han utilizado en diversas experiencias de acoplamiento de sistemas de producción de hidrógeno a fuentes de energías renovables. A modo indicativo, el coste de una unidad de 10 𝑁𝑚3 ℎ con una pureza de 99.8% volumen y 10 bar es de unos 190,000 Euros (€) [11]. ErreDue: es una compañía italiana fabricante de equipos electrolíticos que sacrifica aspectos de seguridad a cambio de ofertar equipos a bajo precio. El consumo específico de sus unidades es de unos 6 𝑘𝑊ℎ 𝑁𝑚3 de H2 producido, con una pureza estándar de 99.7% vol. La presión habitual de sus equipos es de 6 bares. Siendo el costo de una unidad de 20 𝑁𝑚3 ℎ de H2 (a 6 bar) de unos 100,000 €. Giovanola Freres: Esta firma suiza construye electrolizadores no presurizados con tecnología Bamag, con capacidades comprendidas entre 3 y 330 𝑁𝑚3 ℎ de H2. El consumo de energía específica es de 4.8 𝑘𝑊ℎ 𝑁𝑚3 de H2 con una pureza de 99.9 % en volumen.

GHW: fue fundada por Linde, MTU-Friedrichshafen y HEW (Hamburgische Electricitäts Werke). Su electrolizador es del tipo bipolar, a una presión hasta 30 bares y el stack se encuentra en el interior de un recipiente a presión, rodeado del agua de alimentación del electrolizador. La temperatura de operación puede alcanzar los 150 °C y la eficiencia energética es del 80 % con densidades de corriente de 10 𝑘𝐴 𝑚2. La compañía está desarrollando actualmente electrolizadores con una potencia comprendida entre 500 kW y 2 MW. Su único electrolizador en servicio es uno de 100 kW operativo en el aeropuerto de Múnich. El electrolizador opera con una solución de KOH al 40 % en peso a 130°C y 30 bares. La temperatura del sistema permanece constante utilizando un intercambiador de calor entre el electrólito y agua de refrigeración. PANORAMA MEXICANO Actualmente debido al posible agotamiento de los combustibles fósiles y a las problemáticas ambientales y económicas que trae consigo el uso de este combustible, se ha extendido un campo de investigación en el sector energético, involucrando a fuentes renovables de energía con el vector hidrógeno. México no ha sido la excepción, habiendo ya una amplia investigación de este sector. En México desde ya hace algunos años determinados centros de investigación enfocados al área de energías renovables y la electroquímica están realizando trabajos relacionados al hidrógeno fotovoltaico, encabezados por el Instituto Politécnico Nacional (IPN), contando con el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (CINVESTAV-IPN) y la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), siendo parte de ella el Instituto en Energías Renovables (IER). Uno 13 de los primeros artículos reportados fue escrito en 1996, entre sus autores se encuentra Sebastián y Martínez, donde marca que la producción del hidrógeno en México se comenzó empleando varios procesos físicos químicos y biológicos, con la colaboración de tres institutos mexicanos y con el politécnico École (Canadá). Principalmente se enfocaron a la producción de hidrógeno empleándolo en celdas de combustibles y a determinar la eficiencia de cada método. Un ejemplo más actual es el artículo escrito por L.G. Arriaga donde mostraron los primeros resultados obtenidos en la interconexión de un sistema fotovoltaico (FV) de 2.7 kW con un electrolizador de polímero solido (SPE). Ellos consideran que el almacenamiento de la energía FV por un elemento químico como el hidrógeno puede ser ventajoso para ciertas aplicaciones. Uno de los argumentos es que a diferencia de los sistemas de baterías tradicionales, el hidrógeno presenta la gran ventaja de que no descarga su energía cuando no se utiliza.

ESTUFAS DE HIDRÓGENO La primera estufa que combustiona hidrógeno fue desarrollada por una empresa Asiática ubicada en Taiwán, la industria EPOCH tiene dos principales modelos, uno de ellos es una estufa dedicada especialmente para la elaboración de Té, esta consume aproximadamente 1 a 2 kW/h, el otro modelo de la marca es una estufa especializada para restaurant o cocinas profesionales tiende a consumir hasta 3.3 kW/h de electricidad. En la página web de la empresa presentan algunos datos relevantes del producto, dejando en incertidumbre la cantidad de hidrógeno producido por el sistema y su costo. La empresa tiene diversas patentes, principalmente en el continente asiático, no teniendo distribución ni comercialización en América

DISEÑO En esta etapa se establecerán los diseños de los principales componentes, que son:  Electrolizador, compuesto por la estructura de unión y soporte, electrodos y separadores.  Estructura de soporte y sistema de combustión, incluyendo los componentes electrónicos.

1. Contenedor, este recipiente almacena el electrolito necesario para realizar la electrólisis, compuesto por hidróxido de sodio más agua. 2. Electrolizador, es el dispositivo encargado de generar el hidrógeno demandado. 3. Filtros, su actividad principal es la de purificar los gases producidos en el electrolizador, disminuyendo así el posible porcentaje de hidróxido en el gas. 4. Sistema de cocción, integrado por hornillas y quemadores, donde se combustiona el hidrógeno, generando calor. 58 5. Equipos de seguridad y monitoreo, principalmente pensados para el encendido del equipo, además de regular el flujo de gas y contabilizar la energía eléctrica consumida por el equipo. 6. Estructura de soporte, su actividad principal es el de soportar o almacenar en su interior todos los demás componentes, conformada por pared superior, paredes laterales e inferior, para proteger a los equipos, siendo en la parte superior exterior donde se colocan los recipientes necesarios para la cocción de alimentos

COSTOS:

CONSTRUCCIÓN DE LA ECOESTUFA