FACULTAD DE INGENIERA

ESCUELA ACADMICO PROFESIONAL DE INGENIERA INDUSTRIAL Y GESTION EMPRESARIAL

TEMA

OBTENCIN DE HIDROGENO A TRAVS DE LA ELECTROLISIS DEL AGUA

CURSOS : TECNOLOGA II Y MANEJO DE ENERGAINTEGRANTES:

1. ANTARA C., HECTOR2. CARHUARICRA ORELLANO, MILAGROS3. LARA DELGADO, CAROLINA4. RAMOS GARRIAZO, DANIELA

ASESOR: ING. NICOLAS ORTIZ VARGAS

LIMA-PER2015 I

INTRODUCCION

El modelo energtico actual, Electrolisis de Agua para producir hidrgeno, basado en los combustibles fsiles, presenta serios problemas de sostenibilidad. Por ello, resulta evidente la necesidad de buscar nuevas alternativas energticas. La escasez de petrleo, con su consecuente encarecimiento, y la normativa ambiental de emisiones, cada vez ms restrictiva, hacen del hidrgeno un vector energtico atractivo.

Tanto el mbito estacionario como en la industria del automvil, se han realizado avances importantes. La obtencin de electricidad a partir de la combinacin del oxgeno con el hidrogeno ha dado lugar a la pila de combustible, existiendo mltiples tipos en funcin de sus diferentes aplicaciones.

Sin embargo, el uso de hidrgeno directamente en motores de combustin interna (MCI) es tcnicamente viable con algunas modificaciones realizadas en los motores. Esta aplicacin es de inters en el mbito naval, dado que hasta el momento, la nica aplicacin del hidrgeno a bordo ha sido su uso en clulas de combustible.

Introducindonos a la obtencin de hidrogeno podemos mencionar lo siguiente.

El H2 es la forma de energa ms acabada no-pululante.

Cuando se combina con el O2 en una celda de combustible slo se produce H2O, calor y electricidad.

Esta generalizado y aceptado el criterio de que es necesario transformar la economa mundial basada en la energa a partir de combustibles fsiles en la economa del hidrogeno.

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1. ANTECEDENTES DEL PROBLEMAOptimizacion de la obtencion de Hidrogeno ,Nitrogeno y Agua por electrolisis de la Orina y construccion de un generador de electricidad con 6 horas de Autonomia.-Universidad de Valencia.(2009)El motor de hidrgeno o los generadores elctricos de clulas de hidrgeno, no son un misterio, el problema que se debata era la dificultad para obtener el hidrgeno por electrlisis del H2O, algo que suscitaba polmicas en la comunidad cientfica ms escptica.Pues bien, ese problema ha quedado totalmente resuelto, y no precisamente por un avanzado laboratorio del MIT, ni por un departamento de I+D de ninguna multinacional, sino por tres adolescentes nigerianas de 14 y 15 aos de edad, que acaban de presentar en LAOS un innovador prototipo que utiliza la Orina como fuente de combustible sustitutivo del Petrleo.Pero, lo ms apasionante es la precariedad y sencillez del prototipo, que es capaz de separar los componentes de la Orina en Nitrgeno (til para la produccin de fertilizantes, uso industrial diverso y agrcola), H2O, es decir Agua Purificada para consumo y regado, y HHO (Hidrgeno Combustible) Para uso electrodinmico. Por tanto de un litro de Orina, han demostrado generar HHO, suficiente para generar seis horas de electricidad utilizando un proceso sencillo de depuracin del gas, y almacenar el resto de los componentes obtenidos en la electrlisis, (Agua y Nitrgeno), para otros usos.

Evaluacin electro catalizadores para la produccin de Hidrogeno a partir de electrolisis de agua.-Universidad de los Andes Ing. Qumica (1999)En este trabajo se analizan ciertas aleaciones ternarias especficas, electro depositado en el ctodo y en el nodo de la electrlisis alcalina del agua, llamadas electro catalizadores. El anlisis se hace sobre la produccin de hidrogeno (ml/min) durante la electrlisis del agua, a diferentes densidades de corriente (mA/cm2). Fueron analizados tres diferentes electro catalizadores, dos en el ctodo (Ni, Pt y Mo) y uno en el nodo (Ni, Co y Cr). La diferencia de los electrodos catalizadores del ctodo fue dada por la composicin del nquel (54,4% y 74,4%), que represent un cambio en la estructura de las fases superficiales del Electrodo.

No se encuentra una diferencia significativa entre los dos diferentes electro catalizadores en el ctodo, no obstante el mayor contenido de nquel influye en una mayor produccin de hidrogeno. Se alcanzan aumentos cercanos al 30% en la produccin de hidrogeno, a partir de una referencia, con la presencia del electro catalizador en el nodo y mayor presencia de nquel en el electro catalizador del ctodo.

Estudio por el departamento de Ingenieria de Sistemas Quimicos-Univ. De Tokio.-Desarrollo de catalizadores por la electrolisis del agua.(2004)

En este marco, la prestigiosa revista Nature (Nature, 440 [7082] pag. 295) se ha hecho eco de un avance en el desarrollo de catalizadores para la electrolisis del agua por va fotocataltica (el catalizador se activa al absorber fotones a partir de cierta longitud de onda). El Departamento de Ingeniera de Sistemas Qumicos de la Universidad de Tokio ha logrado preparar un nuevo catalizador basado en una disolucin slida de galio y zinc en xido de nitrgeno (Ga1-XZnX)(N1-XOX), sobre la que se incorporan nanopartculas de un xido mixto de rodio-cromo. El citado material es activo con luz visible, permanece estable durante su utilizacin y exhibe una eficiencia en la generacin de hidrgeno superior a las encontradas hasta el momento presente, cuando se emplean otros catalizadores en condiciones equivalentes.

2. REVISIN DE LITERATURA Montero (1989)

Produccion de hidrogeno:La produccin de hidrgeno se realiza mediante diversos mtodos que requieren la separacin del hidrgeno de otros elementos qumicos como el carbono (en los combustibles fsiles) y el oxgeno (del agua).El hidrgeno se extrae tradicionalmente de los combustibles fsiles (habitualmente hidrocarburos) compuestos de carbono e hidrgeno- por medio de procesos qumicos.

Hellmey(1970)El problema tcnico que aqu se plantea es que los dispositivos de produccin de hidrgeno conocidos actualmente presentan al menos alguno de los siguientes inconvenientes: Berk (1989):

Caracteristicas del sistema: Estn basados en el proceso de electrlisis, presentando una tasa de produccin de gas hidrgeno baja, entre 1 a 3 litros por minuto aproximadamente.

Son de aplicacin nica y exclusivamente en el campo de la automocin. Para dicho campo de la automocin, los generadores de hidrgeno siguen requiriendo de combustible, por lo que sigue existiendo cierta emisin de gases contaminantes (vehculos hbridos) . Presentan una produccin de gas continua y constante, que no tiene en cuenta las necesidades de gas en cada momento, debiendo ser por tanto el hidrgeno sobrante almacenado, con los peligros que ello conlleva. Requieren para su funcionamiento un tipo concreto de agua, limitando su uso, generalmente agua 'destilada'. No existe un control personalizado e independiente de cada uno de los elementos de produccin de gas, por lo que no es posible controlar el rendimiento y produccin de cada uno de ellos.

William Grove(1996)Sistema de Produccion de Hidrogeno:En la actualidad son conocidos los sistemas de produccin de hidrgeno, existiendo diferentes tipos de electrolizadores de agua. Un electrolizador descompone, mediante el aporte de energa elctrica, la molcula de agua para generar hidrgeno y oxgeno (electrlisis) . La generacin de los gases hidrgeno y oxgeno en las unidades de electrlisis debe ser separada y canalizada convenientemente hacia el exterior, evitando la mezcla de ambos gases por ser potencialmente explosiva y peligrosa.

Cabrera(1993)Obtencion:El hidrgeno tambin puede ser obtenido del agua por medio de produccin biolgica en un biorreactor de algas, o usando electricidad (por electrlisis-electrolisis del agua)- qumicos (por reduccin qumica) o calor (por termlisis); estos mtodos estn menos desarrollados en comparacin con la generacin de hidrgeno a partir de hidrocarburos pero su crecimiento aumenta ya que, por sus bajas emisiones en dixido de carbono permiten reducir la contaminacin y el efecto invernadero. El descubrimiento y desarrollo de mtodos ms baratos de produccin masiva de hidrgeno acelerara el establecimiento de la denominada economa de hidrgeno.Paracelso(1971)El hidrgeno fue descubierto por primera vez en el siglo XV por T. Von Hohenheim al realizar experimentos con metales y cidos; empero, ignoraba de que el gas generado era un elemento qumico y no una mezcla de varios. ste elemento recibi dicho nombre desde el siglo XIX, cuando Antoine Lavoisier corrobor los estudios de Henry Cavendish acerca de la obtencin de un gas obtenido de manera similar a la de Hohenheim, y descubriendo tambin que su combustin generaba agua (etimolgicamente significa generador de agua).Wollaston (1802)Tras las observaciones en 1802 de Wollaston, en las que mostraba que la luz solar descompuesta por un espectroscopio de prisma produca una imagen en la que se formaban lneas negras delgadas (lneas de Fraunhofer), G.G. Stokes supuso que la luz que debiera llenar dichos espacios en el espectro solar deba ser absorbida por ciertos tomos en la corona solar. Cada elemento por separado absorba ondas de una cierta longitud, y stas eran determinadas en un laboratorio midiendo el espectro de luz emitido por descargas elctricas emitidas en contenedores con cada elemento. Por medio de estos experimentos es que se pudo determinar la presencia de Helio e Hidrgeno en el sol.

Balmer (1885) Una frmula emprica por medio de la cual poda relacionar las longitudes de onda observadas en el espectro del hidrgeno para la regin visible y en el ultravioleta. El modelo atmico de Bohr, parti, entre otras cosas, de la de la necesidad de explicar la estabilidad de la materia y los espectros de emisin y absorcin discretos que se observan en los gases (figura para lo cual se bas en el tomo de hidrgeno, por la simplicidad que ofreca.

Estructuras de las Celdas de combustible: La estructura bsica consiste en una capa de electrolito que est en contacto a ambos lados con un nodo y un ctodo poroso. DuPont logr combinar las partes fundamentales de esta celda; el nodo, el ctodo y el electrolito en una unidad muy compacta. El ensamblaje de electrodo de membrana (MEA) no es ms grueso que unos cientos de micras. Esta celda puede generar un voltaje prximo a 0,7 V y una potencia de 1 W.cm2 de rea de electrodo. El funcionamiento es el siguiente: El compartimiento andico (electrodo negativo) se alimenta continuamente de un combustible gaseoso. El compartimiento catdico se alimenta con un oxidante gaseoso (O2 o aire). Las reacciones electroqumicas ocurren en los electrodos y como resultado se produce una corriente elctrica. Puede parecer que una celda de combustible sea similar a una batera porque tienen componentes y caractersticas similares, pero difieren en varios aspectos.

Estadisticas Evolucion de la produccion anual de hidrogeno en el periodo 2005-2008.(Elaboracion de la produccion anual de Hidrogeno a partir de datos externos)

Nota:El ao 1 representa al 2005 ,el 2 = 2006 ,3=2007,4=2008Gardiner(1995)Electrolisis:La electrlisis o electrolisis1 es el proceso que separa los elementos de un compuesto por medio de la electricidad. En ella ocurre la captura de electrones por los cationes en el ctodo (una reduccin) y la liberacin de electrones por los aniones en el nodo (una oxidacin).Howell(1971)Proceso Electrolitico Se aplica una corriente elctrica continua mediante un par de electrodos conectados a una fuente de alimentacin elctrica y sumergidos en la disolucin. El electrodo conectado alpolo positivo se conoce como nodo, y el conectado al negativo como ctodo. Cada electrodo atrae a los iones de carga opuesta. As, los iones negativos, o aniones, son atrados y se desplazan hacia el nodo (electrodo positivo), mientras que los iones positivos, o cationes, son atrados y se desplazan hacia el ctodo (electrodo negativo). La manera ms fcil de recordar toda esta terminologa es fijndose en la raz griega de las palabras. Odos significa camino. Electrodo es el camino por el que van los electrones. Catha significa hacia abajo (catacumba, catstrofe). Ctodo es el camino por donde caen los electrones. Anas significa hacia arriba. nodo es el camino por el que ascienden los electrones. Ion significa caminante. Anin se dirige al nodo y catin se dirige al ctodo. La nomenclatura se utiliza tambin en pilas. Una forma fcil tambin de recordar la terminologa es teniendo en cuenta la primer letra de cada electrodo y asociarla al proceso que en l ocurre; es decir: en el nodo se produce la oxidacin (las dos palabras empiezan con vocales) y en el ctodo la reduccin (las dos palabras comienzan con consonantes).Sandonas(2005) La energa necesaria para separar a los iones e incrementar su concentracin en los electrodos es aportada por la fuente de alimentacin elctrica. En los electrodos se produce una transferencia de electrones entre estos y los iones, producindose nuevas sustancias. Los iones negativos o aniones ceden electrones al nodo (+) y los iones positivos o cationes toman electrones del ctodo (-). En definitiva lo que ocurre es una reaccin de oxidacin-reduccin, donde la fuente de alimentacin elctrica se encarga de aportar la energa necesariaELECTROLISIS DEL AGUA Si el agua no es destilada, la electrlisis no slo separa el oxgeno y el hidrgeno, sino los dems componentes que estn presentes como sales, metales y algunos otros minerales (lo que hace que el agua conduzca la electricidad no es el puro H2O, sino que son los minerales. Si el agua estuviera destilada y fuera 100% pura, no tendra conductividad.)Es importante hacer varias consideraciones: Nunca deben unirse los electrodos, ya que la corriente elctrica no va a conseguir el proceso y la batera se sobrecalentar y quemar. Debe utilizarse siempre corriente continua (energa de bateras o de adaptadores de corriente), nunca corriente alterna (energa del enchufe de la red). La electrlisis debe hacerse de tal manera que los dos gases desprendidos no entren en contacto, de lo contrario produciran una mezcla peligrosamente explosiva (ya que el oxgeno y el hidrgeno resultantes se encuentran en proporcin estequiomtrica). Una manera de producir agua otra vez, es mediante la exposicin a un catalizador. El ms comn es el calor; otro es el platino en forma de lana fina o polvo. El segundo caso debe hacerse con mucho cuidado, incorporando cantidades pequeas de hidrgeno en presencia de oxgeno y el catalizador, de manera que el hidrgeno se queme suavemente, produciendo una llama tenue. Lo contrario nunca debe hacerse sin debida investigacin y ayuda profesional.Electrolisis del Agua:Bateria

CatodoAnodo

Diagrama simplificado del proceso de electrolisis Elaboracion Propia.

Marley(1995)Usos del hidrogeno en motores de combustion interna: Se trata de motores de combustion interna normales,adaptados para consumir hidrogeno. La adaptacion del combustible a los actuales motores es relativamente facil. La tecnologia de estos motores esta muy desarrollada. Diversas marcas de autos ya han desarrollado prototipos de vehiculos con motor termico que consume hidrogeno.

TIPOS DE MOTORES DE HIDROGENO:Salvador(1995)Motor de 4 tiempos:Se denomina motor de cuatro tiempos al motor de combustin interna alternativo tanto de ciclo Otto como ciclo del disel, que precisa cuatro, o en ocasiones cinco, carreras del pistn o mbolo (dos vueltas completas del cigeal) para completar el ciclo termodinmico de combustin. Estos cuatro tiempos son:

Motor de 4 Tiempos-Universidad de Valencia

Motor Wankel:El motor Wankel es un tipo de motor de combustin interna, inventado por Flix Wankel, que utiliza rotores en vez de los pistones de los motores alternativos.Wankel concibi su motor rotativo en 1924 y obtuvo la patente en 1929. Durante los aos 1940 se dedic a mejorar el diseo. En los aos 1950 y los 1960 se hicieron grandes esfuerzos en desarrollar los motores rotativos Wankel. Eran especialmente interesantes por funcionar de forma suave y silenciosa, y con escasas averas, gracias a la simplicidad de su diseo.

3. PROBLEMA Los precios del combustible los cuales siempre estan en ascenso,la electricidad con hidrogeno es una de las opciones a utilizar a modo de alternativo asi como las soluciones de combustible hibrido existentes los cuales se usan en los automoviles.

Las personas estan buscando maneras de ahorra en su combustible,y alternativas a la gasolina.Los costos crecientes del combustible conducen a los consumidores y los inventores de combustible alternativo. El hidrogeno se ha considerado un combustible alternativo,lo que buscamos es aplicarlo a la generacion de higrogeno,el cual es un gas y cuando se le aade un motor de combustion interna se quema como combustible,esto reduciria la cantidad de gas que estos tendrian que comprar. Para entender este problema las burbujas de hidrogeno se mueven a la ventilacion de aire de la camara de recoleccion, a partir de aqu se transportan a la camara de combustion,donde el hidrogeno se inflama.Estos son los fundamentos de como un combustible de hidrogeno generador funciona.Al usar un motor de gasolina, el tubo de escape que existe en los autos en perjudicial para salud y el medio ambiente en el que vivimos,el escape de hidrogeno que utilizaremos es vapor de agua por lo que no contamina el medio ambiente. El primero es aclarar de dnde se obtendra el hidrgeno. La fuente puede ser el mismo petrleo, el gas natural, el metanol producido por la fermentacin de la biomasa o finalmente del agua (H2O). Luego hay que decidir cmo almacenarlo y distribuirlo. Finalmente, cmo utilizarlo.

3.1 JUSTIFICACION DEL PROBLEMA:

La presente investigacin es viable, porque:

En la actualidad, la mayor preocupacin, para los seres humanos en cuestin de materia energtica y ambiental, est centrada en encontrar opciones viables sustitutivas de los combustibles fsiles, ya que estos ltimos son el principal causante de la contaminacin atmosfrica en las grandes ciudades, debido que hoy en da constituye la base energtica actual de los pases avanzados. En este proyecto se propone al hidrgeno como el combustible perfecto para representar la fuente de energa renovable, extrada a partir de la electrolisis de agua.

4. OBJETIVO DEL DISEO DEL PRODUCTO:

Los objetivos para este proyecto, son definidos a continuacin:

4.1 Objetivo General :

Contribuir con la bsqueda de nuevos usos para el hidrgeno generado a partir de la electrolisis del agua.

4.2 Objetivos Especficos:

Evaluar los costos de produccin y almacenamiento del hidrgeno a partir de la electrlisis del agua.

Analizar las ventajas, desventajas y viabilidad tcnica y econmica-financiera del uso del hidrgeno a partir de la electrlisis del agua.

Identificar una aplicacin particular para el uso del hidrgeno proveniente de la electrlisis de agua.

Mejorar la combustion,reduciendo los gases contaminantes que se producen NOX Y CO2,mediante este proyecto.

Estudiar el fenomeno de la Electrolisis y su utilizacion para la formacion de materia Prima,y poner en practica este proceso,cual es su desarrollo y sus caracteristicas./Evidenciar que el oxigeno esta formado por un atomo y el hidrogeno por dos. Estudiar los fundamentos y caracteristicas del hidrogeno y su elaboracion mediante generadores. Obtener Combustible biodegradable (hidrogeno)por medios electricos ,es decir por electrolisis,comprobando que se cumpla la proporcion de 2 a 1 que cumple el H2O por medio de volumenes de gases obtenidos. Evitar la dependencia del petrleo,El hidrgeno tiene el potencial de poner fin a la dependencia que el mundo tiene del petrleo importado asimismo reducir drsticamente las emisiones de dixido de carbono y mitigar los efectos del calentamiento global. Y dado que es tan abundante y existe en todas las partes del mundo, todos los seres humanos dispondrn de energa.(contribuir con este estudio a lo mencionado).

5. IMPORTANCIA Es de fundamental importancia que el estudiante de Ingenieria adquiera los conocimientos relacionados a las fuentes de energia fosiles y renovables las cuales se pueden adquirir en un centro de produccion y/o servicios por los cuales es fundamental que el estudiante tenga la capacidad de realizar comparanciones de su poder calorifico y de cantidades. Es de Importancia que se tenga la capacidad para disear el equipo generador de hidrogeno apartir de la electrolisis del agua , ya que mediante este proyecto aplicara los conocimientos tecnologicos en los procesos de generacion o transformacion y su aplicacin en estas. Importancia en el conocimiento de celdas de combustible con el fin de utilizar el producto para fines empresariales y/o aplicados a otros estudios(Funcionamiento,energia producida,aplicaciones ,ventajas y desventajas,el impacto,social,economico y ambiental.

Importancia del hidrogeno como combustible Por el creciente desarrollo industrial y el avance tecnolgico alcanzado en las ltimas dcadas, se ha originado un problema preocupante por el aumento de la demanda de energa y por los altos ndices de contaminacin ambiental.

En el ao 1992 el 80% de la demanda energtica mundial fue suministrada por combustibles fsiles.

El nivel actual de consumo de stos se ha convertido en una fuerza destructiva de la humanidad (emanacin de contaminantes, calentamiento del globo terrqueo, cambios climticos, etc.).

Con el crecimiento actual del consumo de combustibles fsiles, se estima que las reservas de stos solo alcanzarn para los prximos 25 aos.

Todo esto ha incentivado la bsqueda de fuentes energticas alternativas, no contaminantes, que puedan disminuir el consumo de petrleo y los altos costos de la energa elctrica.