Agua Electrolizada Como Combustible

Francisco Ugarte GarayIngeniero AmbientalJunio de 2014 Objetivo:Proponer dimensionamiento de electrolizdores de agua para ser usados en un generador elctrico de 2,9KWh y de 208cc. Hiptesis:Es posible usar agua electrolizada como combustible nico para el generador elctrico modelo HY 3000 FE - HY3100FE de 2,7 KWh.

1. IntroduccinEntre los aos 1833 y 1834 Michael Faraday enuncia las leyes de la electrlisis, para la escisin del agua mediante electricidad. Ya por esos aos se sospechaba que el agua sera el combustible del futuro. Pero por distintas razones los esfuerzos para que esta sospecha sea una certeza permanecen en el anonimato y los conocimientos tiles estn al alcance de pocas personas.Lo anterior no es motivo para dejar de investigar ya que el agua contiene mucha energa, asociada a los tomos de hidrgeno que contiene. Estos se presentan en 2 estados; ortohidrgeno y parahidrgeno. El estado energtico del primero es mayor que el del segundo1. Existen 3 formas de obtener una mezcla gaseosa combustible a partir de la electrlisis del agua. La primera , que es la ms fcil, es la electrlisis de fuerza bruta, regida por las leyes de la electrlisis de Faraday. El contenido de hidrgeno del gas producido se compone aproximadamente de un 25 % de ortohidrogeno y 75 % de parahidrgeno .

El segundo, un poco ms difcil, es mediante un catalizador. Las placas del electrolizador son sometidas a un proceso de limpieza y acondicionamiento a niveles de potencia muy bajos. En dicho proceso se forma una capa cataltica sobre las placas, que reduce su resistencia y aumenta la produccin de gas. Se han reportado eficiencias de hasta un 200% la eficiencia de Faraday.

El contenido de hidrgeno del gas producido se compone aproximadamente de un 70 % de ortohidrogeno y 30 % parahidrgeno.

El tercer mtodo, mucho ms difcil, es mediante resonancia. El voltaje se aplica por pulsos, a frecuencias altas, para provocar la rotura de los enlaces de la molcula de agua con una potencia mnima.

El resultado es gas ionizado negativamente que contiene una alta concentracin de hidrgeno monoatmico y ortohidrogeno. Es una mezcla gaseosa altamente energtica2.

El producto de la electrlisis del agua recibe distintos nombres en funcin de su composicin. Se llama oxihidrgeno a una mezcla gaseosa compuesta principalmente por hidrgeno y oxgeno diatmicos. Este gas se obtiene a partir del primer mtodo. Por otra parte, se llama gas Brown a una mezcla gaseosa que tiene un alto contenido de hidrgeno y oxgeno monoatmicos. Este gas se obtiene a partir del segundo mtodo.

Se debe tener presente que oxihidrgeno, gas Brown e hidrgeno molecular caractersticas energticas distintas.

El gas Brown tiene ventajas sobre el oxihidrgeno al no necesitar energa adicional para romper enlaces de las molculas de hidrgeno y oxgeno durante la combustin. El hidrgeno y oxgeno diatmico deben romper sus enlaces y volverse a estado monoatmico antes de combustionar. Esta rotura de enlaces demanda cierta energa. Por eso es mejor volcar los esfuerzos a una mayor produccin de gas Brown.

Adems, el gas Brown explota ms rpido que el oxihidrgeno; esto significa poco en espacios abiertos, pero en una cmara de combustin interna se obtendr ms energa debido a la aceleracin de partculas3.

La combustin del gas Brown produce 3.8 veces la energa calrica que produce el oxihidrgeno2.

Son muchos los documentos que dan seales del potencial energtico del agua electrolizada y la posiblidad de emplearlo como combustible en motores de combustin interna o generadores elctricos.

2. Parmetros de control en el diseo y construccin de un electrolizador.La informacin entregada a continuacin es la condensacin de datos obtenidos desde diferentes documentos y que aportan al diseo y construccin de electrolizadores eficientes para la escisin de las molculas de agua.Voltaje o tensin: Se necesita una cierta tensin por celda para que la corriente comience a fluir (tensin de saturacin)4. El voltaje requerido para realizar la electrlisis del agua es de 1,24 Volts, segn Faraday. Cualquier valor de tensin sobre 1,24V restar eficiencia al electrolizador y elevar su temperatura. Por sobre los 3V puede generarse una coloracin rojiza producto del recalentamiento de las placas2.

La tensin slo se necesita para empujar la corriente a travs de la clula y no tiene relacin de la cantidad de gas producido4.

Corriente: La corriente aplicada a la celda (par de placas; una positiva y otra negativa) fluye desde la placa negativa hacia la positiva8. Se mide en amperios (A).

Cuanto mayor sea la corriente , mayor ser la produccin de gas5.

Est estrechamente relacionada con la tensin. Cuando se supera la tensin de saturacin el flujo de corriente se incrementa de manera exponencial. Por ejemplo, el aumento de la tensin de 13.2V a 13.9V (5%) causar un incremento de cinco veces (500%) en el flujo de corriente (de 2 A a 10 A)4, como se ve en la Figura 1.

Figura 1. Relacin entre la tensin y la corriente para un electrolizador en serie de 7 placas.

Densidad de corriente: Es un relacin entre la corriente aplicada y la superficie de la placa. La densidad determina la temperatura a la que trabajar el electrolizador de agua. Es bueno trabajar a una densidad de corriente entre 0.05-0.1 amperios por centmetro cuadrado. De esta manera se evitar un sobrecalentamiento en el electrolizador y se prolongar la vida til de las placas6.Densidad de corriente=I/Ae,donde I=Corriente (A), Ae=superficie de la placa(cm2).Segn Bob Boyce ambos valores corresponden a puntos en el la curva de la campana de la potencia aplicada vs eficiencia energtica de las placas. Si las densidad de corriente es mayor a 0,1A/cm2, la eficiencia energtica disminuye rpidamente. Si la densidad de corriente es menor que 0,05A/cm2, las placas de acero inoxidable comienzan a deteriorarse durante la electrlisis2. Solucin electroltica o electrolito: Permite reducir la resistencia al paso de la corriente por el medio acuoso. Debe prepararse con agua destilada como solvente y un soluto que puede ser hidrxido de sodio (NaOH) o hidrxido de potasio (KOH). Esta solucin permite fijar la corriente que se desea aplicar en el electrolizador en funcin de la ecuacin V=R*I. Se debe adicionar el soluto al solvente hasta lograr el paso de corriente deseado.A mayor concentracin del electrolito, mayores son el flujo de corriente y la produccin de gas6.El soluto se consume muy lentamente por lo que cada vez que baje el nivel de agua en el electrolizador slo debe adicionarse agua destilada.Cuando se usa hidrxido de sodio (NaOH) como soluto, la concentracin mxima es al 20% en peso: a 800g de agua destilada (800ml) se adiciona 200g de NaOH.

Cuando se usa hidrxido de potasio (KOH) como soluto, la concentracin mxima es 28% en peso: a 720g de agua destilada se adiciona 280g de KOH6. Siempre ser mejor empezar con concentraciones bajas e ir aumentando hasta alcanzar el paso de corriente deseado.Tambin influye sobre el paso de la corriente la distancia entre las placas; a mayor espaciado mayor resistencia al paso de la corriente. Pero aqu entran en juego otros factores como la facilidad de liberacin de las burbujas o la formacin de espumas. Si se ha ajustado la concentracin del electrolito al paso de corriente deseado, pero ste en la prctica es mayor, entonces se debe usar un circuito elctrico llamado Modulador de Ancho de Pulso (PWM) que pondr un lmite al flujo de corriente6. La concentracin del electrolito es funcin del nmero de placas: a mayor nmero de placas mayor concentracin de electrolito para el paso de un mismo flujo de corriente. Pruebas muestran que agregar una placa ms a un electrolizador de 6 placas, hace necesario aumentar en 6-7 veces la concentracin de NaOH en el agua destilada y para permtir el mismo paso de correinte2.

En las Tablas 1 y 2 se muestran los resultados de una comparacin entre la concentracin de electrolitos, el flujo de corriente y la produccin de gas7.

Tabla 1. Corriente y produccin de gas (L/h), para distintas concentraciones de KOH.

Fuente: Performance of diesel engine using HHO gas (brown gas), Shishira Varada

Tabla 2. Corriente y produccin de gas (L/h), para distintas concentraciones de NaOH.

Fuente: Performance of diesel engine using HHO gas (brown gas), Shishira Varada

Se debe tener en cuenta que el KOH puede producir gran cantidad de espuma y conducir a una prdida en la concentracin de electrolito o una disminucin en la produccin de gas. Por ello el electrolito a base de NaOH puede ser ms conveniente7.

Es importante la concentracin del electrolito pero tambin es importante que este se encuentre aislado de una celda a otra. Si el electrolito es comn, la corriente pasar por alto todas las placas, excepto las dos que estn situadas en los extremos. En el mejor de los casos tendr lugar la electrlisis en los bordes de todas las placas centrales, pero se estar produciendo gas muy por debajo de su capacidad real3.

Es recomendable mantener el nivel del electrolito al menos 5cm bajo el borde superior de las placas (y sin que pueda pasar al siguiente compartimento en la serie), pero cuidando que la superficie activa de diseo se mantenga sumergida. Si la superficie activa de diseo es 10cm2, sta debe estar sumergida. Adicionalmente debe considerarse unos 5cm que estarn por encima del nivel del electrolito y evitarn el eventual ascenso de espumas. Cuanto ms juntas las placas, ms debe sobresalir la placa8.Material para las placas: Debido a la durabilidad del material, se emplea acero inoxidable 316L en la construccin de las placas. Se puede emplear acero inoxidable 304, pero durar menos que el 316L. Este material presenta una mayor resistencia al flujo de la corriente por lo que debr aplicarse una tensin entre 1,47-1,48V y los clculos de eficienica debrn hacerse en relacin a estos valores2. No obstante, el acero inoxidable sufre cadas de tensin de aproximadamente 0.5V6, por lo que la tensin que se aplique a las celdas deber estar entre 1,8-2V4. Un buen material ser la malla de acero inoxidable N 25, con hebras de 0.32mm de dimetro y abertura de 2mm. Otras mallas no dan tan buen rendimiento6.El acero inoxidable se consume en la electrlisis muy lentamente2, cuando se trabaja a una densidad de correinte adecuada.

El principal problema con su uso se generan cromatos. Cuando el agua en el electrolizador se torna amarilla es porque se han formado cromatos2. Una manera correcta de tratar este residuo es evaporar el electrolito y disponer los residuos en un recipiente sellado.

Acondicionado de las placas: Es un proceso que se realiza para formar una capa cataltica en la superficie de las placas que mejore la produccin de gas. El proceso consta de 2 fases: una de limpieza y otra de acondicionado. Para la fase de limpieza la tensin de trabajo es 2V y la corriente aplicada ser de unos 4A. El electrolizador se mantiene encendido por varias horas a la vez. Cuando el agua hierve se sueltan las partculas en la superficie de las placas. Este proceso debe hacerse al aire libre para evitar daos por explosin. Despus de varias horas, desconectar el suministro elctrico y vertir la solucin de electrolito en un contenedor. Limpiar las placas con agua destilada. Filtrar el electrolito con toallas de papel o filtros de caf para quitar las partculas. Vertir la solucin en el electrolizador y repetir el proceso de limpieza varias veces hasta que las placas dejen de soltar partculas. Cuando se logra esto (luego de unos 3 das) se hace un aclarado final con agua destilada.

Para la fase de acondicionamiento, volver a llenar el electrolizador con electrolito a igual concentracin y encenderlo. Cuado se estabilice el flujo de corriente, seguir en la fase de acondicionamiento de manera continua por 3 das, aadiendo agua destilada para sustituir la que se ha consumido. Si el electrolito se torna de algn color, las placas necesitan ser limpiadas nuevamente. Luego de estos 3 das vaciar el electrolizador y limpiar las placas con agua destilada.

Es muy importante que durante la limpieza, acondicionamiento y posterior uso del electrolizador, se mantenga la polaridad con la fuente de alimentacin elctrica. De lo contrario se daa la capa cataltica formada6.

La preparacin de la superficie de las placas tiene un efecto importante en la tasa de produccin de gas5.

Luego del proceso de acondicionamiento la placa se torna de color bronce, que es seal de la formacin de la capa cataltica. sta reduce la resistencia al flujo de corriente en la interfase placa-electrolito, produciendo una diferencia dramtica en el rendimiento del electrolizador. Ayudar al proceso de acondicionamiento sumergir las placas en el electrolito hasta por un mes2.

Conexin elctrica: Para un electrolizador eficiente la conexin elctrica debe ser en serie ya que de esta forma se divide el voltaje aplicado y se fija en un valor deseado, manteniendo constante la corriente asociada. Si tenemos una fuente que entrega 12V y 1A al electrolizador, podremos disponer en serie 6 celdas (12 placas), con compartimentos aislados, donde cada una recibir 2V y 1A2. Si conectamos esas 6 celdas a la misma fuente, pero en paralelo, cada celda recibir 12V y 0.16A. Es improtante que las conexiones elctricas en las celdas queden sumergidas para evitar que una eventual chispa encienda el gas que se encuentra sobre la superfice del electrolito6.

Es importante que cada celda est aislada de la siguiente. De lo contrario, gran parte de la corriente pasar por alto las celdas centrales y se vern activas slo las placas que estn conectadas a los polos positivo y negativo de la fuente de alimentacin.

La idea de aislar las celdas es obligar a la corriente a atravezar todas las celdas, solo assern realmente activas2. En la Figura 2 se muestra un ejemplo de 6 celdas aisladas y conectadas en serie a una bateria de 12V.

Figura 2. Celdas aisladas, conectadas en serie.Cableado8: Es importante utilizar para la conexiones cables de un calibre adecuado. La medida estadounidense para los mismos es AWG.Para una corriente de 10A, se necesita un cable de calibre 14.

Para una corriente de 20A, se necesita un cable de calibre 12.

Para una corriente de 30A, se necesita un cable de calibre 10.

Espaciado entre placas por celda: para una corriente de trabajo entre 10-40A la mxima eficiencia se obtiene con un espaciado de 9mm. Con esto se favorece la rpida liberacin de las burbujas de gas generadas y se evita la formacin de espuma que pueda provocar fujas de corriente aplicada3. Cuando se trabaja a un espaciado menor las burbujas de gas formadas son atradas con mayor facilidad a la placa de carga opuesta obstruyendo la electrlisis y reduciendo la produccin de gas.Nmero de celdas: se determina en funcin de la produccin de gas deseada y lo que puede entregar la fuente a la cual se conecta el electrolizador. Si contamos con una fuente que entrega 24V podremos conectar en serie 12 celdas, con compartimentos aislados.Superficie de la placa: se determina en funcin de la densidad de corriente a la que se desea trabajar.Si la entrada de corriente es 10A y se escoge una densidad de corriente de 0.1A/cm2, la superficie del electrodo debe ser 100cm2 por cara.Cuanto mayor es la superfice de la placa por cara , mayor es la tasa de produccin de gas . Parte de este efecto puede ser debido a que las burbujas pueden escapar con mayor facilidad, sin adherirse a la superficie de las placas ni obstruir la electrlisis5.

Dimensiones de la placa: sta debe ser ms ancha que alta para favorecer la rpida liberacin de las burbujas de gas desde la solucin electroltica.Si el electrodo es ms alto que ancho entonces la burbuja de gas formada tendr mayor probabilidad de adherirse a la superfice del electrodo con carga opuesta2.Temperatura: La electrlisis se ve favorecida hasta en un 30% debido a aumentos en la temperatura (hasta aproximadamente 70C). Esto es porque electrolito caliente tiene menos resistencia al paso de la corriente que el electrolito frio. Cuanto ms rpido se caliente, ms rpido se alcanza la mxima produccin de gas8.

El problema con la temperatura surge cuando comienza a producirse mucho vapor de agua que lleva a una sobrevaloracin del gas producido y reduce la calidad del mismo. Adems, no es bueno que este vapor de agua ingrese al motor5.

Se estima que la mejor temperatura de operacin est entre 45-55C. En este rango la produccin de gas es muy alta7.

Circuitera electrnicaLa fuente de alimentacin es vital para una mayor formacin de gas Brown. La corriente continua no produce gas Brown, por lo que la corriente debe ser pulsada. 120 pulsos por segundo (cps) es sufieciente, incluso 100cps servirn.El voltaje de Corriente Alterna sube y baja 60 veces por segundo. La rectificacin con un Rectificador de Onda Completa, compuesto de 4 diodos, dar 120cps aumentando la produccin de gas a aproximadamente el doble.

El Doblador de Voltaje permite obtener 240cps o ms, debido a que el Rectificador duplica los 60cps originales a 120cps y el Condensador Leg duplica los pulsos por segundo de 120 a 240 pulsos por segundo (cuando la capacitancia del Doblador de Voltaje es correcta3.

Otras consideracionesSe debe evitar por todos los medios la fuga de corriente. Esto se logra aislando todas las conexiones elctrica e incluso sellando los bordes de cada placa para obligar a la corriente a fluir hacia la placa siguiente.Las placas deben ser desengrasadas antes de ponerlas en el electrolizador. De lo contrario, se perder eficiencia debido al bloqueo de la superficie donde tendra lugar la electrlisis3. En ningn momento se debe tomar las placas con las manos desnudas. Habr que usar guantes de goma limpios que eviten contaminar las placas con grasa o aceite. No intentar limpiar las placas con algn disolvente o limpiador.

Se debe mantener las placas sumergidas en agua destilada limpia y evitar que se sequen, ya que se puede agrietar la capa cataltica formada durante el proceso de acondicionado.

Si el acondicionamiento se lleva a cabo muy lentamente, a baja corriente, entonces la capa cataltica ser ms fina y se adherir con mayor firmeza a la placa2.

El electrolizador debe ser siempre operado a la corriente de diseo. Trabajar a un amperaje menor reducir la calidad del gas generado. Es ms conveniente trabajar a tensiones ms altas y amperajes bajos,que a tensiones bajas y amperajes altos, que es ms difcil conseguirlos.

Cuando se trabaja con amperajes altos, es ms eficiente pulsarlos, por tiempos ms cortos.

Nunca utilizar aluminio en el electrolizador, ya que reacciona violentamente con los hidrxidos de sodio o potasio.

Si hay problemas con la formacin de espuma, es probable que hayan materiales incompatibles en el electrolizador que estn reaccionando con el electrolito3.

El burbujeador, aparte de actuar como barrera ante el retroceso de llamas, retiene las trazas de soluto que pudieran ser arrastrados desde el electrolizador, evitando que lleguen hasta el motor donde pueden generar severos daos. El agua (destilada) contenida en el burbujeador puede utilizarse para rellenar el electrolizador y devolver las trazas de soluto fugadas. Ser una muy buena medida trabajar con 2 burbujedores, uno cerca del electrolizador y otro muy cerca del motor, reduciendo al mnimo el volumen de gas dentro de la manguera que los separa. Este segundo burbujeador servir como filtro extra al gas que proviene del primer burbujeador6.

3. Clculos en la produccin y requerimiento de gas combustible La produccin de gas es directamente proporcional al consumo de corriente. En condiciones estndar de presin y temperatura (0 C, 1 atm) se necesita aproximadamente 1.594 amperios para cada L/h de gas por placa, mientras que se necesita menos si se mide el volumen de gas a temperatura ambiente4.A partir de 18g de agua se generan 33,6 litros de gas Brown (1866L de gas por litro de agua) o 11,2 litros de hidrgeno molecular (622,22L de gas por litro de agua)3.

3.1 Requerimiento terico de potencia en el electrolizador3

Para saber cunta potencia se requiere en la produccin de una cantidad determinada de gas, se realiza el siguiente clculo:

Potencia terica requerida=Vr*Ce,

donde

Vr=Volumen requerido (L/h o L/min), Ce=Consumo esperado (Wh). Es una estimacin del trabajo esperado. Para Faraday, a temperatura ambiente, el consumo terico es 2.16Wh/L.

Si el volumen requerido es 1000L/h (16.66L/min) y el consumo esperado es 4Wh/L, entonces:

Potencia requerida=1000L/h*4Wh/L=4000Wh

Para determinar la corriente que debe aplicarse en amperios (A) se divide la potencia requerida por la tensin de entrada3:

Tabla 3. Potencia y amperaje requeridos, en funcin de la tensin de entrada.Potencia requerida (Wh/L)Tensin de entrada (V)Amperios requeridos (A)

400024016.66

400012033.33

40004883.33

400024166.66

400012333.33

Fuente: Elaboracin propia.

3.2 Produccin mxima terica de gas

Para el clculo de la produccin mxima terica de 2H2:O2 (oxihidrgeno) por hora, se utiliza la siguiente frmula:

((A / 26,8) * 16.8) * C = Litros de 2H2:O2 por hora,

donde

A = amperios en CC que fluyen a travs del electrolizador.26.8 = amperios por hora (un Faraday).16.8 = volumen molar (en litros) de H2 y O2 producido por Faraday.C = Nmero de placas del electrolizador en serie.

Si por un electrolizador de 60 placas fluyen 10A, la frmula queda:

((10/26.8) * 16,8) * 60 = 376 L/h de 2H2:O2

Nota: La produccin mxima terica de 2H2:O2 estimada por Faraday es de unos 933L/h a presin y temperatura estndar3.

De igual forma se puede emplear la primera ley de la electrlisis de Faraday:

donde V = volumen del gas [L], R = constante de los gases ideales = 0.0820577 L * atm / (mol * K), I = corriente [A], T = Temperatura [K], t = tiempo [s], F = constante de Faraday = 96.485,31 As / mol, p = presin ambiente [atm], z = nmero de electrones en exceso (2 para H2, 4 de O2).

Suponiendo que se trabaja a condiciones estndar de presin y temperatura, y que el electrolizador funciona a 1A durante una hora:

T = 0 C = 273.15 K p = 1 atm t = 3,600 s I = 1 A

El volumen total de gas detonante es el volumen de hidrgeno + volumen oxgeno:

Esto corresponde a approximadamente 0,627L/h por amperio o 1.594Ah/L por placa o celda4.

3.3 Eficiencia en la electrlisis

La eficiencia energtica se estima en funcin del trabajo realizado para obtener 1L/h de gas en condiciones estndar de presin y temperatura. Segn Faraday, es 2.36Wh. A temperatura ambiente (20C) es 2.16Wh4.En trminos prcticos lo anterior significa que se necesitan 777.6Wh para producir 360L/h (6L/min) de gas al 100% la eficiencia de Faraday en temperatura ambiente6.

Para determianar la eficiencia se divide el trabajo terico por el trabajo real3. Si el trabajo real es 3.6Wh, entonces la eficiencia es un 60% respecto del trabajo de Faraday.

A temperatura ambiente, la eficiencia en la produccin de gas segn Faraday sera 0,684 L/h por amperio por placa. Para calcular la eficiencia real se divide la produccin de gas medida por la produccin de gas de Faraday.

Los electrolizadores en serie parecen tener la mejor eficiencia entre 2.5-3W por litro de gas y el electrolizador ms eficiente tendra un gran nmero de placas (100) trabajando a una baja corriente (10A)4.

4. El hidrgeno como combustible Debe tenerse muy presente la diferencia que existe el hidrgeno molecular, el oxihidrgeno y el gas Brown. Este ltimo tiene un estado energtico mayor que el oxihidrgeno, que tiene un estado energtico mayor que el hidrgeno molecular.No existen datos exactos sobre energa contenida por el gas Brown o el oxihidrgeno, pero se sabe que el gas Brown contiene hasta 3,8 veces la energa del hidrgeno molecular, y que el nivel energtico del oxihidrgeno es aproximadamente la mitad del gas Brown9 (de acuerdo a las proporciones de orto y parahidrgeno). Por su parte, el oxihidrgeno tiene aproximadamente 1,9 veces la cantidad de energa del hidrgeno molecular. Para conocer el nivel energtico exacto ha de conocerse la densidad del oxihidrgeno y del gas Brown, que con toda seguridad ser mayor que la del hidrgeno molecular gaseoso debido a la presencia de tomos o moleculas de oxgeno.En la Tabla 4 se muestran los niveles de energa para distintos combustibles, donde queda de manifiesto la superioridad energtica del hidrgeno molecular gaseoso sobre la gasolina o el diesel.Tabla 4. Contenido energtico por tipo de combustible.Tipo CombustibleMJ/KgBTU/lbDensidad (Kg/L)

Gas Brown*456,7196.391-

Oxihidrgeno*228,398.195-

Hidrgeno gaseoso120,251.6829,004E-5

Metano50,221.4336,356E-4

Gas Natural47,120.2677,768E-4

Propano46,319.9040,540

Gasolina43,118.6790,745

Diesel42,818.3970,837

Biodiesel(metil ester)37,516.1340,888

Etanol26,911.5870,789

Biogas23,710.1849,887E-4

Fuentes: -Units and Conversion, Massachusetts Institute of Technology -GREET, The Greenhouse Gases, Regulated Emissions, and Energy Use In Transportation Model, GREET 1.8d.1, developed by Argonne National Laboratory, Argonne, IL, released August 26, 2010.-http://www.engineeringtoolbox.com/gas-density-d_158.html *: La estimacin se hace teniendo en cuenta que el gas Brown es 3,8 veces ms energtico que el hidrgeno molecular, y que el nivel energtico del oxihidrgeno es la mitad del gas Brown. Implcitamente se asume que las densidades del gas Brown y del oxihidrgeno, son equivalentes a la densidad del hidrgeno molecular gaseoso.El efecto cataltico (eficientizador de la combustin) del gas Brown es mucho mas eficaz en los hidrocraburos de cadena larga. As el metano y el gas natural comprimido puede suplementarse hasta con un 5% de gas Brown; la gasolina hasta con un 25%; el diesel hasta con un 50%; y aceites pesados como el crudo hasta con un 90%10. Lo anterior sugiere que si no es posible arrancar un artefacto exclusivamente con agua electrolizada, al menos puede reducirse notablemente el uso de combustibles fsiles.

5. Ejecutando un generador elctrico con agua electrolizadaEn el Reino Unido, tres amigos lograron arrancar un generador elctrico con agua electrolizada como nico combustible. Usaron un flujo de gas que midieron a slo 3 L/min. El generador elctrico tena una potencia de de 5.5KWh. Conectaron al mismo distintos artefactos (taladros y calefactores), incluido el electrolizador acupando un total 4KWh, durante ms de 4 horas. Ocuparon un electrolito al 0.4% por volumen. El gas producido se condujo a un tanque de gas butano de baja presin que tena una vlvula de liberacin a 18psi. Este tanque alimentaba la toma de aire del generadorelctrico.

Para lograrlo, el sistema contaba con una entrada de aire a travs del filtro areo del generador; sistema de alimentacin con agua electrolizada; y un generador de niebla de agua fra para refrescar el interior del motor.

Al generador elctrico se le hicieron ajustes para retardar la chispa de encendido en aproximadamente 11 grados respectos del Punto Muerto Superior y para eliminar las chispas residuales6.

Por lo tanto se debe contar con un electrolizador, un generador de niebla de agua fra, el resincronizado de la chispa de encendido y la eliminacin de chispas residuales. El sistema completo se ve as:

Figura 3. Componentes del sistema de generacin de electricidad a partir de agua electrolizada.

Este grupo de amigos aliment el gas despus del filtro de aire, lo que normalmente no se hace, pero para reproducir esta exitosa experiencia se debe seguir el mtodo que ellos emplearon y luego ver si se puede mejorar. Tambin se alimenta en esta zona la niebla de agua fra (miles de gotas diminutas, NO vapor de agua)6.

5.1 Creacin de la niebla de agua fra La inyeccin de niebla de agua , aumenta el rendimiento del motor debido a la expansin del agua cuando se calienta. Esto mejora tanto la potencia del motor y el kilometraje por volumen de combustible, adems de enfriarlo y prolongar su vida til5.

Una forma de crearla es utilizar un tubo de Venturi, y su construccin es muy sencilla:

Figura 4. Tubo de Venturi y punto de inyeccin de la niebla de agua fria.

El tubo de Venturi es simplemente un tubo que se estrecha y termina en una muy pequea boquilla. A medida que la mezcla de aire/agua-electrolizada es alimentada se crea la niebla de agua fria que sale como un chorro de diminutas gotas6.

5.2 Razn para modificar el cronometrado de la chispa de enecendido

En un motor de gasolina, un fino roco de gasolina es alimentado a cada cilindro durante la carrera de admisin. Lo ideal sera alimentar con combustible vaporizado, pero esto no es rentable para las compaas petroleras porque dar ms kilometraje por volumen de combustible.

Si el agua electrolizada es un gas combustible, entonces puede mejorar el rendimiento en un motor de combustin interna. El factor clave aqu es retrasar la chispa y junto con ello la combustin del combustible.

En el caso de un generador elctrico alimentado con agua electrolizada, se requiere agua electrolizada (oxihidrgeno o gas Brown), aire y niebla de agua fra. La chispa de enecendido del generador debe ser retrasada en once grados (despus del Punto Muerto Superior) y las chispas residuales deben ser eliminadas. Si no se hace esto el motor sufrir graves daos6.

Para lograr esto se utiliza un circuito electrnico llamado Monoestable y se muestra en la siguiente figura:

Figura 5. Circuito Monoestable, para el retraso de la chispa de encendido en el motor.

Se puede utilizar dos de estos circuitos, el primero para dar retardo ajustable y el segundo para dar un breve pulso al circuito de encendido para generar la chispa:

Figura 6. Circuito para el retardo y generacin de la chispa de encendido.

Se ha demostrado que una tasa de produccin de gas de alrededor de 3 L/min (180 L/h) es suficiente para ejecutar un generador de 5.5KWh con agua electrolizada.

Con una potencia de entrada tan alta como 4,32Wh (el doble de la estimada por Faraday) se requiere un total de 777,6Wh para generar 180L/h de gas. An as quedaran ms de 4KWh para ejecutar cualquier otro artefacto6.

Roy McAlister ha experimentado mucho en motores de combustin interna alimentados con agua electrolizada. l aconseja comenzar con un motor monocilndrico de cinco caballos de fuerza o menos. De esa manera , las tcnicas se aprenden fcilmente y se adquiere experiencia para afinar un motor sencillo que pueda ser ejecutado con un combustible distinto5.

5.3 Determinacin de requerimientos de agua electrolizada en un motor de combustin interna

Una caracterstica interesante del hidrgeno es su flamabilidad. El hidrgeno ser combustible en una mezcla con aire en el rango del 4 al 75%1. Esto significa que el hidrgeno es combustible en mezclas con aire tan diluidas como el 4% o tan concentradas como 75%.Entonces para ejecutar un motor con agua electrolizada como nico combustible, el volumen necesario de sta es aproximadamente el 4% de la mezcla de combustible/aire, es decir, una 25ava parte de la mezcla2.

Para determinar el volumen de mezcla para un motor de combustin interna (de 4 tiempos) se ocupa la siguiente ecuacin:

Vm=Cm/2 * rpm,

donde

Vm=Volumen de mezcla requerida (L/min), esto es; aire + agua electrolizadaCm=Cilindrada del motor (L)2=nmero de revoluciones en que se completa el ciclo en el motor de 4 tiempos.rpm=Revoluciones por minuto11

Para un motor de combustin interna con 5L de cilindrada, funcionando a 2000rpm, la capacidad completa del motor es aspirada en 2 revoluciones, por lo que el requerimiento total de mezcla durante un minuto es 5000L:

Vm=5L/2*2000rpm=5000L/min

Como se necesita 4% de hidrgeno en la mezcla o 1/25ava parte, 5000L/min dividido en 25 es 200L/min. Esto es el volumen de hidrgeno molecular requerido en la mezcla2.

Como hidrgeno molecular es distinto de oxihidrgeno y este es distinto del gas Brown, el volumen requerido puede ser menor.

Considerando el mismo motor, el requerimiento de oxihidrgeno ser 105,26L/min (el oxihidrgeno tiene 1,9 veces ms energa que el hidrgeno molecular). El requerimiento de gas Brown ser 52,63L/min (el gas Brown tiene 3,8 veces ms energa que el hidrgeno molecular).

Expertos automotrices han calculado que un motor funcionando a velocidad, slo consigue la sustitucin de un 85 % de contenido de los cilindros en las carreras de escape y de admisin . Entonces slo el 85 % de hidrgeno molecular se necesita para ejecutar un motor de 5L. Esto es 170L/min2.

6. Diseo de un electrolizador para el arranque de un generador elctrico con agua electrolizada

Para construir un electrolizador eficiente que genere gas de alto contenido energtico ha de fijarse en primer lugar la cantidad de gas requerida. En este caso se intenta arrancar con agua electrolizada un generador elctrico modelo HY 3000 FE - HY3100FE con 208cc de cilindrada, monocilndrico de 4 tiempos, con un mximo de 3600rpm, y con una potencia de salida de 2,9KWh.El requerimiento de mezcla para un motor de combustin interna con esta cilindrada es 374,4L/min (0,208/2*3600). Como slo se requiere en 4% de hidrgeno en la mezcla (1/25), 374,4/25=14,976L/min de hidrgeno molecular gaseoso.Como el electrolizador crear oxihidrgeno, en el peor de los casos, se requerirn 7,88L/min de este gas. En el mejor de los casos, el producto de la electrlisis ser gas Brown y por tanto slo se requerirn 3,94L/min de gas.En una hora se requieren 898,56L de hidrgeno molecular, 472,8L de oxihidrgeno y 236,4L de gas Brown.Segn Faraday, se puede producir 0,627L/h de gas por amperio por placa, a partir de la electrlisis del agua a 0C y 1atm de presin. Aplicando 15A al proceso electroltico, se producirn 9,405L/h por placa. Para electrlisis de fuerza bruta se requieren aproximadamente 50 placas para producir 472,8L de oxihidrgeno en una hora. Para la electrlisis con catalizador se requieren 26 placas para producir 236,4L de gas Brown en una hora.Las placas se conectarn en serie y la tensin de trabajo entre un par de placas ser de 1,8-2V. Para un electrolizador de 50 placas se necesita una fuente de alimentacin con una salida mxima de 50V (1 batera de 48V estar bien) y para un electrolizador de 26 placas una de 26V (1 batera de 24V estar bien). En ambos casos las placas se disponen de a pares, formando celdas.El requerimiento de potencia ser de 720Wh en la produccin de oxihidrgeno y 360Wh en la produccin de gas Brown. En este ltimo caso no se considera el requerimiento de potencia por la circuitera electronica asociada.El material para las placas ser malla de acero inoxidable 304 o 316L, N25. La densidad de corriente ser entre 0.05-0,1A/cm2. Por lo tanto, se necesita una superficie de 150-300cm2 por placa. Por practicidad, la superfice de cada placa ser de 200cm2. Cada placa ser ms ancha que alta; 5cm de alto por 40 cm de ancho u 8cm de alto por 25 de largo estar bien. La separacin entre placas por celda ser de 9mm. Cada celda tendr su propio compartimento con su respectivo electrolito.Cada placa ser sometida a un proceso de limpieza y acondicionamiento para crear una capa cataltica en su superficie que permita reducir la resistencia del acero inoxidable y producir una mayor cantidad de gas. Adems, la corriente ser pulsada a al menos 100cps con la ayuda de un Rectificador de Onda Completa, para aumentar la produccin de gas y mejorar su calidad.La concentracin del electrolito se ir aumentando de a poco hasta medir el flujo de corriente deseado. Todas las conexiones elctricas deben aislarse para evitar cualquier fuga de corriente.La Figura 2 servir para entender mejor cmo deben disponerse las celdas conectadas en serie.La Figura 7 muestra una carcasa para un electrolizador, con compartimentos separados y que puede servir como idea para construir el electrolizador que se propone.

Figura 7. Carcasa para un electrolizador en serie con compartimentos separados.

7. Palabras finalesEmplear agua electrolizada como nico combustible para motores de combustin interna es posible, pero no es fcil.Segn la primera ley de la electrlisis de Faraday, en la escisin del agua mediante electricidad interviene la corriente aplicada, la temperatura de trabajo y la presin ambiental. Habr que experimentar con estos valores para lograr una electrlisis ms eficiente, con mayor produccin de gas y de mayor contenido energtico.Habr que investigar y experimentar ms, adentrarse en sistemas ms complejos para alcanzar el objetivo final ().La molcula de agua es especial, tiene propiedades impresionantes y una energa oculta.Nuevamente, obtener combustible a partir del agua es posible y viable.

8. Bibliografa1 EPRI, Hydrogen: Background info & R&D Needed for application to the SuperGrid, 2004.

2 Panacea-BOCAF On-Line University, Hydroxy course.3 George Wiseman, Brown Gas: Book two, 1998.

4 Tero Ranta, High-efficiency series-cell electrolyzer, 2006.5 Patrick J. Kelly, A Practical Guide to Free Energy Devices, Devices part 9, 2005.6 Patrick J. Kelly, PracticalGuidetoFree-Energy Devices, Chapter 10, 2014.7 Shishira Varada, Performance of diesel engine using HHO gas (brown gas).8 George Wiseman, Hyzor technology, 2001.9 http://www.ionizationx.com/index.php?topic=2132.010 George Wiseman, Proof that On-Board Browns Gas (BG): Generation & Supplementation Works, 2011.11 http://www.piratamotor.com/art%C3%ADculos-t%C3%A9cnicos/gasolina-aiere-y-potencia.html