Universidad Nacional Autónoma de México

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Programa Transdisciplinario en Investigación y Desarrollo en Facultades y Escuelas Macroproyecto: “La Ciudad Universitaria y la Energía”

“La Ciudad Universitaria y la Energía”
Aula Virtual. Energía del hidrógeno

¿ Qué es la Energía del Hidrógeno ?
El hidrógeno fue descubierto en 1776 por el científico británico Henry Cavendish, quien informó que había obtenido agua a partir de la combinación de oxígeno e hidrógeno, con la ayuda de una chispa eléctrica, los denominó "aire sustentador de la vida“ y "aire inflamable“ respectivamente. Figura 1. Henry Cavendish

El químico francés Antoine Lauren Lavoisier consiguió repetir con éxito el experimento en 1785 y dio el nombre de oxígeno al "aire sustentador de la vida" y el de hidrógeno al "aire inflamable". Hidrógeno: del griego hidro (agua) y genos (nacimiento) = generador de agua. Figura 2. Antoine Lauren Lavoisier

El hidrógeno es el elemento más ligero, más básico y más abundante del universo. Cuando se utiliza como fuente de energía, se convierte en el combustible eterno. Figura 3. Representación átomo de hidrógeno

El hidrógeno se encuentra repartido por todo el planeta: en el agua, en los combustibles fósiles y en los seres vivos. Sin embargo, raramente aparece en estado libre en la naturaleza, esto implica que debe de ser extraído de fuentes naturales. Figura 4. Hidrógeno presente en agua y hidrocarburos

El hidrógeno se encuentra en cualquier parte, en el agua, en el petróleo, en los cultivos, incluso en los rellenos sanitarios. Lo cual significa que la energía del hidrógeno puede producirse a partir de muchas fuentes primarias. Figura 5. Hidrocarburos, cultivos, basurero

Electrólisis del agua Cuando se hace pasar la corriente eléctrica por un recipiente con agua, en los electrodos se recogen dos gases: hidrógeno y oxígeno Figura 6. Electrólisis del agua

¿Cuáles son las aplicaciones prácticas de la energía del hidrógeno?
PILAS DE COMBUSTIBLE Podemos usarlas para hacer funcionar dispositivos electrónicos, ya que a diferencia de las baterías que almacenan la energía en su interior y se agotan cuando se consume el electrolito, las pilas de combustible siguen Funcionando mientras se les suministre combustible. Figura 7. Partes de una celda de combustible

SISTEMAS AUTÓNOMOS DE GENERACIÓN DE ENERGÍA: En un sistema compuesto por paneles solares y baterías, el aprovechamiento de la radiación solar disponible viene limitado por la batería, que una vez alcanzado su nivel máximo no admite más carga. Figura 8. Bateria

Una alternativa es utilizar el exceso de radiación solar para producir hidrógeno mediante un electrolizador, el cúal es un dispositivo electroquímico que descompone el agua en hidrógeno y oxígeno aplicando la energía que requiere el proceso. Figura 9. Sistema autónomo de generación de energía

TRANSPORTE: Se aplica en sustitución de gasolina por el hidrógeno y el motor de combustión por la pila de combustible y un motor eléctrico. Si utilizamos hidrógeno, lo único que produciremos será vapor de agua, con lo que disminuiría considerablemente la contaminación. Figura 10. Transporte

¿Cómo funcionan los dispositivos, aparatos y sistemas que aprovechan la energía del hidrógeno?
La celda de combustible es un dispositivo que produce electricidad y agua mediante un proceso inverso a la electrólisis. Electrólisis Electricidad + agua  Hidrógeno + Oxígeno Celda de combustible Hidrógeno + Oxígeno  Electricidad + agua Figura 11. Funcionamiento de una celda de hidrógeno

Elementos básicos de una celda de combustible:
¿Cómo funcionan los dispositivos, aparatos y sistemas que aprovechan la energía del hidrógeno? Elementos básicos de una celda de combustible: Dos electrodos (ánodo y cátodo). Electrolito: sustancia encargada de transportar los iones producidos en las reacciones redox. El electrolito a veces se utiliza acompañado de un catalizador. H2 y O2, utilizados como combustible y oxidante respectivamente. Figura 11. Funcionamiento de una celda de hidrógeno

1) En el ánodo tiene lugar la oxidación del combustible: las moléculas de hidrógeno se disocian en protones y electrones. 2) El electrolito permite el paso de los protones, e impide el paso de los electrones. Figura 11. Funcionamiento de una celda de hidrógeno

3) Los electrones generan corriente eléctrica a su paso por un circuito externo. 4) En el cátodo se produce una reacción de reducción: electrones y protones se combinan con el oxígeno para formar agua. Figura 11. Funcionamiento de una celda de hidrógeno

Existen cinco tecnologías distintas de pilas de combustible, la empleada por los americanos en el programa “Gemini” fue la basada en electrolito alcalino. En ella la reacción se produce a una temperatura de entre 90 y 100ºC, sin embargo, la pila llamada a ser la reina en la propulsión de vehículos es la basada en electrolito de membrana de polímero, cuya reacción tiene lugar entre los 60 y los 100ºC. Figura 12. Tipos de celdas

Del resto de tecnologías, la pila de ácido fosfórico es la más empleada en grupos electrógenos o pequeños generadores de energía eléctrica (temperatura de la reacción entre 175 y 200ºC). Las otras dos tecnologías, la de carbonato fundido y la de óxido sólido, parecen más adecuadas para la generación de energía eléctrica a mayores escalas, ya que las temperaturas a las que tiene lugar la reacción es de unos 600 a 1000ºC. Figura 12. Tipos de celdas

¿Cuáles son los recursos existentes en México y el mundo de energía del hidrógeno?
Los recursos dependen directamente del tipo de energía primaria que se utilice para la obtención del hidrógeno.Actualmente, en su mayoría se obtiene a partir de fuentes fósiles. Progresivamente se han implementado diferentes tecnologías para obtener el hidrógeno usando fuentes renovables. Figura 13. Obtención del hidrógeno

PRODUCCIÓN: El Hidrógeno se puede obtener mediante los procesos de reformado y electrólisis a partir de diferentes fuentes de energía El proceso más limpio e ideal, es la electrólisis del agua, usando electricidad provenienete de energías renovables. Figura 14. Reformado y electrólisis

En el mundo hay diferentes áreas geográficas y sociales, que se definen por diferentes aspectos; el de consumo energético, o de disponibilidad de fuentes de energía, va a ir teniendo su peso y a la vez se irá superponiendo a otros matices políticos y económicos. Figura 15. Regiones

AMERICA DEL NORTE Incluye Canadá, Estados Unidos y quizás a México. Tiene poder político y capacidad de desarrollo tecnológico, no olvidemos que la más importante investigación en hidrógeno y celdas de combustible para la automoción se está realizando aquí. Figura 16. América del norte

Su reto es disponer de petróleo y gas natural hasta el año 2040, sus reservas están descendiendo sensiblemente; luego pueden ir a la vía del hidrógeno a partir de energías renovables o nuclear. Tienen carbón, y pizarras bituminosas, para soportar esa transición. Pero previsiblemente incidirán en el resto del mundo para controlar el petróleo y el gas natural de otras procedencias. Figura 17. América del norte

AMÉRICA CENTRAL La producción de etanol a través de la caña de azúcar es uno de los incentivos para el crecimiento económico de Centroamérica ante la falta de otros recursos energéticos. Centroamérica está en desventaja frente a norteamérica y sudamérica al no contar con petróleo, gas natural ni carbón. Figura 18. América central

El etanol es una opción "obvia" por la importancia de Centroamérica en la producción de la caña de azúcar. Los países del Caribe y algunos de Centroamérica tienen una dependencia muy grande del petróleo, por lo que deberían trabajar otras fuentes de energía, aunque la tecnología de hidrógeno aún no es viable. Figura 19. América central

AMÉRICA DEL SUR Tiene recursos propios de diversos tipos de petróleo, ligero y pesado, y en menor medida de gas natural, para poder abastecerse durante el siglo XXI. Ahora bien ha de exportar para tener ingresos con los que cumplir su desarrollo social. Figura 20. América del sur

En el tránsito, ahora ya, tiene una buena oportunidad de producir
¿Cuáles son los recursos existentes en México y el mundo de energía del hidrógeno? Hay una lógica en guardar hidrocarburos para bastantes décadas, las capacidades de inversión de América Latina en energías renovables son limitadas, y el posterior acceso al vector hidrógeno y nuevas tecnologías llevará un tiempo de desarrollo e implantación. En el tránsito, ahora ya, tiene una buena oportunidad de producir Figura 21. América del sur

EUROPA. Su dependencia exterior del suministro energético puede ser un problema que se agrave en unas décadas, teniendo además en cuenta que su disponibilidad de territorio para cultivos energéticos y otras energías renovables no es muy elevada. Figura 22. Europa

Por un lado está obligada a buscar acuerdos de suministro de hidrocarburos desde: Rusia, Oriente Medio y África del Norte. De otro lado la capacidad europea de desarrollo tecnológico es importante, ya diseña programas de hidrógeno y celdas de combustible. Figura 23. Europa

ÁFRICA. Es un buen suministrador de gas al sur de Europa. Tiene una población que crece de manera significativa, y que en parte emigra a Europa. La relación entre ambos lados del Mediterráneo debiera mejorarse en muchos aspectos. Figura 24. Äfrica

Es una zona que precisa de un esfuerzo inversor muy fuerte, en servicios e infraestructuras; que en el contexto energético han de incluir no sólo las de exportación de hidrocarburos, sino también las de electrificación para muchos usos, entre ellos los de desalación de agua de mar. Figura 25. Äfrica

MEDIO ORIENTE. Las grandes reservas de crudo en los países de Medio Oriente son en torno al 62% de las reservas mundiales. En la producción por países, existe una excepcional concentración en torno al Golfo, tan sólo con algunas áreas productivas de menor entidad más alejadas (S.E. de Turquía y N.E. de Siria e Irak). Figura 26. Medio Oriente

Sobresalen los siguientes campos: - En Irak, Kirkuk. - En Arabia Saudita, Ghawar, el mayor del mundo, y también el campo submarino de Safaniya. - En Kuwait, yacimientos someros, bajos costos de explotación. - En Bahrein, Qatar y E.A.U. las producciones se reparten entre los yacimientos submarinos (off shore) y los continentales (on shore). Sólo Arabia Saudita está entre los diez primeros productores mundiales de gas natural Figura 27. Medio Oriente

LEJANO ORIENTE. La mayoría del parque nuclear actual pertenece a la 2da generación de reactores nucleares, los reactores que actualmente se están instalando en Taiwan, Japón y Corea son de 3ra generación. Los reactores nucleares de 4ta generación en un escenario racional de generación eléctrica, podrían comenzar su explotación comercial en la segunda década de este siglo. Figura 28. Lejano Oriente

Se calcula que si estos reactores se emplearan para la producción conjunta de H2 y electricidad se podrían alcanzar eficiencias del 60 %, lo cual podría situar un escenario de producción de hidrógeno cuyo costo estaría desligado de los combustibles fósiles. Éste hidrógeno podría propulsar vehículos con pilas de combustible, independizando un sector, totalmente dependiente de los combustibles fósiles. Figura 29. Lejano Oriente

TEMAS SIMILARES Y CONEXOS
En la UNAM se desarrolla un vehículo ecológico multifuncional, primero en su tipo en México, totalmente impulsado por hidrógeno y celdas de combustible. La Ciudad Universitaria y la Energía Laboratorio de Tecnología del Posgrado de Diseño Industrial. Responsable Técnico : Gerardo Mauricio Arzate Pérez Figura 30. Proyecto ECOVÍA

Este trabajo de punta forma parte del proyecto ECOVÍA, encabezado por Óscar Salinas, coordinador del Posgrado en Diseño Industrial, y forma parte del macroproyecto La Ciudad Universitaria y la Energía –a cargo de Eduardo Arriola, de la Facultad de Ingeniería (FI)– enmarcado en el Programa Transdisciplinario en Investigación y Desarrollo para Facultades y Escuelas. Figura 30. Proyecto ECOVÍA

DESARROLLO DE UN SISTEMA HÍBRIDO SUSTENTABLE DE FOTOVOLTAICA-HIDRÓGENO-CELDA DE COMBUSTIBLE PARA LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA La Ciudad Universitaria y la Energía Centro de Investigación en Energía Universidad Nacional Autónoma de México Responsable Técnico : Dr. Sebastian P. Joseph Figura 31. Laboratorio

OBJETIVO DEL PROYECTO: Desarrollar un sistema híbrido sustentable basado en fuentes renovables de energía, tales como la solar y de hidrógeno, que permita demostrar la factibilidad técnica en el suministro de energía eléctrica para su aplicación en instalaciones de baja potencia en Ciudad Universitaria Figura 31. Laboratorio

DESARROLLO DE CATALIZADORES PARA CELDAS DE COMBUSTIBLE La Ciudad Universitaria y la Energía Facultad de Química Responsable Técnico : Dr. Pedro Roquero Tejeda

Objetivo general : Desarrollar nuevos catalizadores para celdas de combustible, a través de establecer métodos experimentales para sintetizar, caracterizar y probar materiales para estos componentes principales de una celda galvánica. Estos materiales serán utilizados para la generación de potencia en un stack de celdas de combustible de metanol.

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