ESCUELA MILITAR DE INGENIERÍA“MCAL. ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” BOLIVIA

PROYECTO DE INGENIERÍA

“DESARROLLO DE MOTOR A HIDROGENO POR PROCESO DE ELECTRÓLISIS DEL AGUA”

PAOLO OSCAR PIOTTI CAMARGOWALTER LEONARDO FLORES ANTELO

SOCRATES SANDOVAL ZELAYAROLANDO GARRON LOAYZA

SANTA CRUZ, 2015ESCUELA MILITAR DE INGENIERÍA

“MCAL. ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” BOLIVIA

PROYECTO DE INGENIERÍA

“DESARROLLO DE UN MOTOR A HIDROGENO POR PROCESO DE ELECTRÓLISIS DEL AGUA”

PAOLO OSCAR PIOTTI CAMARGOWALTER LEONARDO FLORES ANTELO

SOCRATES SANDOVAL ZELAYAROLANDO GARRON LOAYZA

DOCENTE TUTOR: ING. ORLANDO MELGAR

SANTA CRUZ, 2015

1. INTRODUCCIÓN

El uso de hidrógeno como combustible es una alternativa a los serios problemas

de contaminación que afronta la humanidad. El hidrógeno quemado dentro del

motor genera básicamente vapor de agua como producto de combustión que es

desechado por el escape. En caso de utilizar hidrógeno obtenido de electrólisis del

agua, el ciclo es ecológicamente sustentable ya que el agua generada por la

combustión es equivalente a la utilizada en el proceso de obtención del hidrógeno.

La adaptación de un motor convencional para que pueda utilizar hidrógeno

involucra modificaciones de importancia en el sistema de alimentación que debe

ser adaptado a las características específicas de este combustible.

En el proyecto el hidrogeno será obtenido mediante el proceso de hidrolisis del

agua, dicho hidrogeno será usado como combustible para el funcionamiento del

motor.

2. ANTECEDENTES

La Facultad de Ingeniería de la UNPSJB decidió incursionar en la investigación de

este tipo de motores y para ello implementó una serie de equipos y dispositivos

que permiten desarrollar las actividades experimentales asociadas a dicha

investigación. Para esto, se adecuó un pequeño motor monocilíndrico de 337 cm 3

modificando sus sistemas de control de potencia, diseñando un sistema de

inyección específico para las nuevas condiciones de operación y construyendo un

banco dinamométrico eléctrico adaptado a las necesidades específicas de los

ensayos a realizar.

Se realizaron modificaciones en la tapa de cilindro para poder sensar la presión

instantánea del ciclo y se realizaron las correspondientes mediciones de

prestaciones del motor adaptado.

La primera electrólisis del agua se llevó a cabo el 2 de mayo de 1800 por dos

químicos británicos William Nicholson (1753-1815) y sirAnthony Carlisle (1768-

1840), un par de semanas después de la invención por Alessandro Volta de la

primera batería eléctrica, la pila voltaica (publicación presentada el 20 de marzo

1800). Once años antes J. R. Deiman y A. Paets van Troostwijk ya habían logrado

una electrólisis del agua por medio de una máquina electrostática y una botella de

Leyden, pero sin ser capaces de interpretar la reacción observada.

A continuación se hablara de una cronología breve de los hechos mas relevantes

sobre el tema de motores a hidrogeno:

William Nicholson (1799): Experimentó con electrolisis del agua.

Isaac de Rivas (1805): Fue el primero en inventar un coche impulsado por

hidrogeno obtenido del agua.

Jean Joseph Etienne Lenoir (1860): El autor del segundo coche que

funciono con hidrogeno como combustible.

Henry "Dad" Garrett (1932): Este hombre inventó un carburador que

funcionaba con hidrogeno, como por aquel entonces aún no estaba la

Secrecy order le compraron la patente y al cajón.

Michael A. Peavey (1956):Escribió un libro titulado Agua como combustible

Yull Brown (1970-1998): De Sydney Australia desarrolló un método de

extraer el hidrógeno del agua en 1978 y de utilizarlo como un combustible

de coche y combustible para el acero del corte y soldadura. Después de

mucha publicidad el 22 de agosto de 1989 lo vendió por 2 millones de

dólares UCSA ofrece esta tecnología para el corte y soldadura del acero.

Daniel Dingle (1970 -2008) : Desde hace 30 años Daniel Dingle ha

conducido un auto que el mismo convirtió para que funcione con

hidrógenos y durante ese tiempo convirtió 6 vehículos más, de origen

filipino su gobierno no lo apoyo y hasta ahora sigue tratando de registrar su

patente

Stanley Meyer (1980-98): El más famoso, participo en el documental Runs

of water, salió en varias cadenas de noticias americanas y falleció en el 98

(se cree que fue envenenado), adapto su vehículo (bugui) para que

funcionara con hidrogeno.

3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Durante mucho tiempo se ha usado como combustible la gasolina y diesel,

productos del derivado del petróleo, la combustión de dichos combustibles

producen dióxido de carbono (CO2) y monóxido de carbono (CO) dependiendo si

es una combustión completa o incompleta, los cuales son gases que contaminan

el medio ambiente específicamente la capa de ozono.

Por lo tanto se ve la necesidad de buscar e implementar un combustible ecológico

que no dañe al medio ambiente.

4. HIPÓTESIS

Mediante la realización del proyecto es posible tener un funcionamiento eficiente

de un motor cuyo combustible principal es el hidrogeno.

5. OBJETIVOS

Objetivos generales

Diseñar un modelo de motor a hidrogeno extraído del agua.

Objetivos específicos

- Explicar las propiedades y características del hidrogeno como alternativa de

combustible.

- Explicar los conceptos del proceso de hidrolisis.

- Diseñar y ensamblar los componentes para el proceso de hidrolisis.

- Llevar a cabo el proceso de hidrolisis del agua.

- Diseñar el tipo de conexiones que se realizaran al motor.

6. JUSTIFICACIÓN

El motor de hidrogeno es una alternativa de solución a la problemática energética

y ambiental que se vive hoy en día a nivel mundial, ya que es una fuente

abundante y limpia.

Es de suma importancia el desarrollo de un motor a hidrogeno pues es

sumamente económico en el consumo del combustible a comparación de los

combustibles convencionales que se usan como por ejemplo la gasolina y el gas

natural.

7. MARCO TEÓRICO

El combustible de hidrógeno es un combustible de emisión cero que usa celdas

electroquímicas o la combustión en motores internos, para propulsar vehículos y

dispositivos eléctricos. También es usado en la propulsión de naves espaciales y

potencialmente puede ser producido en masa y comercializado para su uso en

vehículos terrestres de pasajeros y aeronaves.

El hidrógeno está ubicado en el primer grupo y el primer período de la tabla

periódica, es el primer elemento de la tabla periódica, convirtiéndolo en el

elemento más liviano en el universo. El hidrógeno no es ni un metal ni un no

metal pero aún es considerado un no metal. Actúa como un metal cuando es

comprimido a altas densidades.

Dado que el gas de hidrógeno es tan ligero, se eleva en la atmósfera y por lo tanto

raramente es encontrado en su forma pura, H2. En una llama de gas de hidrógeno

puro, quemándose en el aire, el hidrógeno (H2) reacciona con el oxígeno (O2) para

formar agua (H2O) y liberar calor.

2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g)

Si se produce en el aire atmosférico en vez de oxígeno puro (como normalmente

es el caso), la combustión del hidrógeno puede producir pequeñas cantidades

de óxido de nitrógeno, junto con el vapor de agua.

El calor de la combustión le permite al hidrógeno actuar como combustible. Sin

embargo, el hidrógeno es un vector energético, como la electricidad, no un recurso

de energía. Las empresas de energía primero deben producir el gas de hidrógeno

y esa producción induce impactos ambientales. La producción de hidrógeno

siempre requiere más energía que la que puede ser recuperada del gas como un

combustible en forma posterior. Esta es una limitación de la ley física de

la conservación de la energía.

Producción: Debido a que el hidrógeno puro no ocurre naturalmente, se

requieren substanciales cantidades de energía para su producción industrial.

Existen diferentes formas de producirlo, tal como la electrólisis y el proceso de

reformación vapor-metano. En la electrólisis, se conduce electricidad a través

del agua para separar los átomos de hidrógeno de los átomos de oxígeno. Este

método puede utilizar diferentes fuentes de energía tales como

la eólica, solar, geotermal, hidráulica, combustibles fósiles, biomasa y muchas

otras. Obtener hidrógeno por este proceso está siendo estudiado como una forma

viable de producirlo domésticamente a bajo costo. La reformación vapor-metano,

la actual tecnología líder para producir hidrógeno en grandes cantidades, extrae el

hidrógeno del metano. Sin embargo, esta reacción causa una producción colateral

de dióxido de carbono y de monóxido de carbono, que son gases de efecto

invernadero y que contribuyen al calentamiento global.

Energía: Una vez fabricado, el hidrógeno es un vector energético (almacena la

energía generada primero por otros medios). La energía puede ser entregada a

células de combustible y generar electricidad y calor, o ser quemado para hacer

funcionar a un motor de combustión. En cada caso el hidrógeno es combinado con

oxígeno para formar agua. El calor de una llama de hidrógeno es un emisor

radiante de las nuevas moléculas de agua recién formadas. Las moléculas de

agua están en un estado excitado en el momento de la formación inicial y luego

transitan a un estado fundamental; la transición libera radiación térmica. Cuando

es quemado en el aire, la temperatura es de aproximadamente 2000 °C.

Históricamente, el carbón ha sido literalmente el portador de hidrógeno ya que

más hidrógeno se almacena en los combustibles fósiles que en la misma cantidad

de hidrógeno puro. Los átomos de carbón tienen clásicas capacidades de

almacenamiento y también agregan más energía de salida cuando se queman con

hidrógeno. Sin embargo, la combustión de combustibles basados en el carbón y la

liberación de sus productos ha producido calentamiento global debido al efecto de

invernadero de los gases resultantes. El hidrógeno puro es el elemento más

pequeño y algo de este inevitablemente escapará de cualquier contenedor o

tubería conocidos en cantidades micrométricas, aunque la ventilación simple

podría prevenir tales fugas de alcanzar la volátil mezcla de 4% hidrógeno-aire. En

tanto el producto esté en un estado gaseoso o líquido, las tuberías son una forma

clásica y muy eficiente de transporte. Sin embargo, el hidrógeno puro causa que

los metales se vuelvan quebradizos, es por eso que las tuberías de metal podrían

requerir un poco más de mantenimiento en el largo plazo.

Potencialmente, existe abundante energía eólica como para abastecer toda la

demanda mundial de electricidad. Una vez que se paga el costo de construcción

de un molino de viento, el costo de mantención es muy pequeño y la energía es

prácticamente gratis. Aunque la electricidad pueden ser transmitida por largas

distancias, grandes cantidades de electricidad no pueden ser almacenadas y esta

debe ser generada en la medida de que es necesaria; esto requiere una compleja

red de distribución y procesos de administración. Este punto es donde el

hidrógeno puede actuar como un buen medio de transporte. Con la electrólisis, la

electricidad puede afectar la extracción de hidrógeno y oxígeno del agua con poca

pérdida de energía en el proceso. Luego el hidrógeno puede ser transportado por

largas distancias por medio de una red apropiada de tuberías y reconvertido en

electricidad posteriormente. Una mayor cantidad de hidrógeno puede ser enviada

mientras se encuentra enlazado a moléculas de carbón en la forma de

combustible fósil, evitando así las microfugas y el debilitamiento del metal de las

tuberías.

Usos: El empleo más importante del hidrógeno es en la síntesis del amoniaco. La

utilización del hidrógeno está aumentando con rapidez en las operaciones de

refinación del petróleo, como el rompimiento por hidrógeno (hydrocracking), y en el

tratamiento con hidrógeno para eliminar azufre. Se consumen grandes cantidades

de hidrógeno en la hidrogenación catalítica de aceites vegetales líquidos

insaturados para obtener grasas sólidas. La hidrogenación se utiliza en la

manufactura de productos químicos orgánicos. Grandes cantidades de hidrógeno

se emplean como combustible de cohetes, en combinación con oxígeno o flúor, y

como un propulsor de cohetes impulsados por energía nuclear. 

Hidrolisis del agua

La electrólisis del agua es la descomposición de agua (H2O) en los

gases oxígeno (O2) e hidrógeno (H2) por medio de una corriente eléctrica a través

del agua acidulada.

Una fuente de energía eléctrica se conecta a dos electrodos, o dos platos

(típicamente hechos de algún metal inerte como el platino o el acero inoxidable),

como dos chinchetas, las cuales son puestos en el agua. En una celda

propiamente diseñada, el hidrógeno aparecerá en

el cátodo (el electrodo negativamente cargado, donde los electrones son

bombeados al agua), y el oxígeno aparecerá en el ánodo (el electrodo

positivamente cargado).

La electrolisis de agua pura requiere una gran cantidad de energía extra en forma

de sobre potencial para romper varias barreras de activación; Sin esa energía

extra la electrólisis de agua pura ocurre muy lentamente si es que logra suceder.

Varias celdas electrolíticas pueden no tener los electrocatalizadores requeridos. La

eficacia de la electrólisis aumenta con la adición de un electrolito (como la sal, un

ácido o una base) y el uso de electro catalizadores es un cambio químico.

8. METODOLOGÍA (MATERIALES Y MÉTODOS)

Para comenzar con el desarrollo del motor a hidrogeno, necesitamos aplicar un

proceso para la obtención de hidrogeno, usaremos el proceso ya explicado de la

hidrolisis para el cual necesitaremos los siguientes componentes:

Batería de 14 voltios

2 metros de manguera

Recipientes plásticos con tapa

Pistola de silicona

Soda caustica

Agua destilada

Celda para la hidrolisis

Para poder diseñar las celdas necesitamos los siguientes materiales:

1 placa de acero inoxidable de 1 metro de longitud y 0.16 mm de espesor

10 tuercas de acero inoxidable

Dos barras de agrilico

Cables conductores de corriente

Goma eva

Hilo plástico de pescar

Como hacer las celdas de hidrolisis

A continuación vamos a ver unas cuantas características de estas celdas de

hidrogeno:

Para tener una buena producción de gas hho la corriente entre cada uno de los

electrodos de la celda no tiene que superar los 2 voltios. En el caso de alimentar

nuestro generador de hidrogeno desde una bateria de coche, es recomendable

utilizar una celda de  7 electrodos.

Esta celda es operada con corriente directa para 12VDC con un amperage

máximo de 20A.

Es una de las menos sofisticadas en su diseño y de armado sencillo.

No requiere de electrónica, se conecta directamente a una fuente de 12VDC ya

sea una batería o una fuente rectificada .

Utiliza 6 placas neutrales, una positiva y dos negativa. Las placas neutrales son

para disminuir la aceleración de electrones entre placa y placa reduciendo así

altas temperaturas.

Las placas neutrales no se conectan ni entre si ni a positivo ni negativo son

neutrales.

El tamaño y el espesor y la separación entre placa y placa influyen en el

funcionamiento de la celda así como la calidad del material en este caso acero

inoxidable antimagnético 304 o también 316 de 0.016 de espesor en pulgadas ( en

mm 0.48 mm).

El tamaño de las placas es de 13 centimetros de ancho x 15 centimetros de largo.

Estas medidas están relacionadas con la cantidad de energía por centímetro

cuadrado a utilizarse así como el espesor y la calidad del material para mayor

eficiencia.

Se puede reducir el tamaño de estas placas, pero no aumentarlas. Si se aumenta

el tamaño hay que aumentar el voltage de entrada.

Si se reduce el tamaño la temperatura de las placas se eleva y al reducir superficie

se reduce la producción de gas.

Las placas son cortadas de la siguiente manera:

Las placas neutrales son diferentes de las positivas y negativas.

Las placas neutrales y las positivas llevan agujeros en el centro de 10mm de

diámetro.

Las negativas llevan sólo un agujero en la parte posterior izquierda.

Las extensiones de metal de las placas positivas y negativas son para las

conexiones eléctricas. Estas conexiones se logran con tornillos de 6mm y tuercas.

Los cables que se utilizan para la conexión tienen que ser de 6 mm como mínimo.

Las planchas para prensar las placas y las juntas pueden ser de nailon, pvc o

metraquilato

de 1.5cm de espesor x 17 centímetros de ancho x 22 centímetros de largo. Estas

planchas llevan 8 agujeros de 7 milímetros de diámetro. Estos agujeros son para

tornillos

pasantes con tuercas y arandelas de los dos lados para prensar las placas con

sus juntas e impedir así el escape de agua o gas. Una de las planchas de prensa

lleva 2 agujeros de 10 mm en el centro marcadas con círculo rojo y azul. Estos

agujeros deben de estar en línea con las placas de metal son la entrada y salida

de agua y gas.

 Para montar la celda tenemos que colocar las juntas entre cada una de las placas

de acero inoxidable, como se puede observar en la imagen de abajo.

En el lado de la placa positiva colocamos la plancha para prensar que tiene los

agujeros para la entrada de agua y salida de gas, y en la placa negativa

colocamos la otra plancha. Colocamos los tornillos de apriete de las planchas en

su sitio y los apretamos bien para que la celda no tenga perdidas. Hay que apretar

todos los tornillos de tal forma para que las prensas se queden paralelas.

El burbujeador / bubbler.

Para completar esta parte de la celda se necesita un recipiente de plástico duro

que aguante temperaturas altas con capacidad como mínimo de 2 litros de

capacidad.

El recipiente debe tener una entrada con tapa hermética de rosca que no permita

el escape de gas (los vasos de expansión de los coches son muy eficientes para

esto). El recipiente tiene que tener 3 conexiones para mangueras. Estas

conexiones se pueden aplicar haciendo agujeros y conectando pipetas de 6

milímetros, metálicas o plásticas.

La celda siempre debe estar por debajo del burbujeador, para que estellena de

agua.

Al agua se le agrega 2 cucharadas pequeñas de sosa cáustica en escamas o

hidróxido de potasio, esto se hace con el fin de reducir la resistencia del agua.

 

Conexiones eléctricas de la celda.

La celda se conecta directamente a una batería de 12V DC o a una fuente

rectificada de dc de 20A por medio de un relay de 30A. Si se conecta en un

automóvil se debe conectar a la caja de fusibles o a una conexión que esté activa

solo cuando el motor está en marcha.

 

Una vez tengamos todos los componentes necesarios realizaremos el proceso de

hidrólisis para así obtener el hidrogeno que actuara de combustible para nuestro

motor.

Las placas llevan juntas de goma o material parecido que soporte altas

temperaturas y fuertes productos químicos. Las juntas son de 1.5 centimetros de

ancho, en forma de marco, como lo muestra la imagen a continuación, y de 1.5mm

de espesor. Estas juntas van entre placa y placa y esta celda lleva 7 juntas.

9. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

Este proyecto se llevara a cabo a partir en un lapso de 21 días en el cual la

recaudación de información teórica tendrá un tiempo de tres días, las pruebas de

funcionamiento de la electrolisis demorara siete días y la adaptación de los

equipos y las pruebas de funcionamiento del motor de la moto se llevara a cabo en

once días, completando los veintiún días de la completación del proyecto.

10. RESULTADOS ESPERADOS

Demostrar el funcionamiento de un motor a hidrogeno a partir de la hidrolisis que

se aplicara al agua, explicando las características y propiedades de este

combustible.

10.1 RESULTADOS DIRECTOS

Con la realización de este proyecto se presentara una motocicleta funcionando

con hidrogeno como combustible.

10.2 RESULTADOS INDIRECTOS

El primer paso será realizar la electrolisis del agua para obtener el hidrogeno que

funcionara como el combustible de la motocicleta.

Como segundo paso será adaptar este sistema a una motocicleta logrando el

funcionamiento del motor con hidrogeno.

11. IMPACTO

Esta investigación traerá beneficios tanto económicos, con la reducción de costos

en la compra de combustibles, y ambientales, con una reducción de casi el 100%

de emisiones de gases contaminantes a la atmosfera.

12. ESTRATEGIAS DE COMUNICACIÓN

Los resultados de la investigación se darán a conocer en forma física explicando

los pasos a realizar para la adaptación del sistema de electrolisis a un motor de

motocicleta.

13. PRESUPUESTO

En el siguiente cuadro se mostrara un breve resumen del material con su

respectivo precio a utilizar en el proyecto:

Materiales Precio (Bs.)

Motocicleta 150 cc. Ya adquirida

Agua destilada 50

Soda caustica 20

Laminas de acero inoxidable 120

Cableado, materiales plásticos 120

Recipientes 100

Gastos adicionales 150

TOTAL 560

15. BIBLIOGRAFÍA

- https://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3lisis_del_agua

- https://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3geno

- https://www.youtube.com/watch?v=bYuY4VXi-Ao&spfreload=10

- https://www.youtube.com/watch?v=rcnZNocAqI0&spfreload=10 (celdas HHO)

- Planos para celda generadora de hidrogeno y oxigeno para motocicletas, José

Vaesquen.