Piloto de celda para la producción de hidrogeno verde implementada en la institución educativa San José de Clemencia

INFORMACION GENERAL

País

COLOMBIA

Nodo

BOLIVAR

Universidad

SENA

Nombre del Semillero

Grupo de Investigación Biotecnología e innovación

Nivel de Formación

Bachillerato

Programa Académico

Tecno academias

Título del Proyecto

Piloto de celda para la producción de hidrogeno verde implementada en la institución educativa San José de Clemencia

Autor (es)

Elis Daniela Medina Chico –  Nathalia Elit Coneo Pardo – Endrik Peluffo

Identificación

1049827949  - 1049827960  - 1143362817

Ponente (s)

Elis Medina – Nathalia Coneo

E-mail de Contacto

Endri        endrickpeluffo@gmail.com

Teléfonos de Contacto

3007329075

Categoría

(seleccionar una)

Propuesta  de         ☐

Investigación

Investigación          ☒

en Curso

Investigación    ☐    Terminada

Área de la investigación

(Marque solo una opción)

Ciencias Agrarias                          ☐

Biológicas y del mar                      ☐

Ciencias de la Salud                      ☐

Ciencias exactas y de la tierra     ☐

Ciencias humanas              ☐

Ciencias sociales                           ☐

Navales y de seguridad                 ☐

Ingeniería                                       ☒

Lingüística artes y letras                ☐

Otra: (Mencione cuál)

CONTENIDO DEL PROYECTO DE INVESTIGACION

1. TITULO: Piloto de celda para la producción de hidrogeno verde implementada en la institución educativa San José de Clemencia

2.  INTRODUCCIÓN:  El cambio climático es un desafío global que requiere cambios significativos en la matriz productiva a nivel mundial. Las emisiones de gases de efecto invernadero son uno de los principales impulsores del cambio climático, y la generación de energía a partir de combustibles fósiles es una de las principales fuentes de estas emisiones. El hidrógeno es un combustible seco que puede considerarse como una energía limpia si se genera sin combustibles fósiles. Actualmente, la producción de hidrógeno a partir de combustibles fósiles sigue siendo común y es responsable de grandes emisiones de CO2.

La producción de hidrógeno es importante porque es un portador de energía versátil y se puede utilizar como fuente de energía eléctrica y calórica. En Colombia, la demanda de hidrógeno es significativa, pero en su mayor parte se genera como hidrógeno gris a partir de combustibles fósiles y es responsable del 25% de las emisiones generadas por la industria petrolera.

Este estudio propone demostrar la factibilidad técnica y práctica de generar hidrógeno gaseoso utilizando una celda de laboratorio. La investigación se centrará en la construcción de una celda de hidrógeno húmeda y en estudiar los principios de funcionamiento de las celdas de hidrógeno de placas. Además, se caracterizará la celda en términos de construcción, materiales de fabricación y rendimiento.

3.  PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN:  La situación actual del mundo se caracteriza por una creciente preocupación sobre la dependencia del petróleo y la necesidad de enfrentar el cambio climático. Una de las soluciones más prometedoras es el uso del hidrógeno como combustible limpio y sostenible. Sin embargo, la producción actual de hidrógeno se basa en combustibles fósiles, lo que reduce su valor como una fuente de energía limpia y renovable.

Por lo tanto, existe la necesidad de desarrollar tecnologías que permitan la producción de hidrógeno verde, a partir de energía renovable, como la eólica, solar, hidroeléctrica, entre otras. Esto se puede lograr a través del desarrollo de células de hidrógeno verde.

La implementación de una celda de hidrógeno verde tiene una relevancia y pertinencia tanto social como económica y ambiental. Desde una perspectiva social, la implementación de una celda de hidrógeno verde ayudaría a reducir la dependencia de los combustibles fósiles y por lo tanto, reducir la emisión de gases de efecto invernadero, mejorando la calidad del aire y reduciendo la contaminación. Desde una perspectiva económica, la producción y comercialización de hidrógeno verde crearía una nueva fuente de ingresos y oportunidades comerciales. Además, la producción de hidrógeno podría ayudar a reducir el precio de los combustibles fósiles.

Desde una perspectiva ambiental, la implementación de una celda de hidrógeno verde tendría un gran impacto en la región, ya que reduciría la cantidad de gases de efecto invernadero emitidos por la industria de la región. Además, al ser una fuente de energía renovable, el hidrógeno verde contribuiría a la lucha contra el cambio climático y la protección del medio ambiente.

4.  OBJETIVOS:  Esta investigación tiene como objetivo implementar un prototipo para la producción de hidrógeno a través de una celda húmeda construida en acero Inoxidable antimagnético tipo 304, encapsulada en un recipiente de vidrio con agua común y una solución electrolítica que cataliza el proceso de electrolisis produciendo para 400 ml de la solución 100 g de Hidrogeno puro ..

5.  REFERENTE TEORICO: la construcción de una celda de hidrogeno húmeda requiere de una serie de referentes teóricos para su diseño y funcionamiento adecuado. A continuación, se detallarán los principales referentes teóricos a tener en cuenta:

1. La Ley de Faraday: Considerada la base teórica detrás de la electrólisis, la cual es el proceso por el cual se separan los gases hidrógeno y oxígeno a partir del agua. Esta ley establece que la cantidad de sustancia que se produce en una reacción química depende directamente de la cantidad de electricidad que fluye a través de la celda.

2. El concepto de celda electrolítica: Una celda electrolítica es un dispositivo que utiliza una corriente eléctrica para producir una reacción química. En el caso de la celda de hidrogeno húmeda, se utiliza una solución electrolítica que contiene sales para hacer más conductora el agua para este caso en específico será usado como solución electrolica el bicarbonato de sodio .

3. La teoría de la polarización:  La teoría de la polarización se refiere a la acumulación de cargas eléctricas en las superficies de los electrodos de una celda electroquímica, lo que puede reducir la eficiencia de la celda. En el caso de una celda de hidrógeno húmeda, la polarización puede ocurrir debido a la acumulación de hidrógeno o oxígeno en los electrodos, lo que reduce la velocidad de reacción y disminuye la producción de energía de la celda. Para contrarrestar la polarización en una celda de hidrógeno húmeda, se pueden tomar medidas como el uso de catalizadores para acelerar la reacción y la circulación de electrolitos para mantener una concentración adecuada de hidrógeno y oxígeno en los electrodos. Estas medidas ayudan a aumentar la eficiencia de la celda y a mejorar la producción de energía.

4. El principio de la celda de combustible:  El principio de la celda de combustible se basa en la generación de electricidad a través de la reacción química entre el hidrógeno y el oxígeno. Una celda de hidrógeno húmeda se construye de la siguiente manera:

1. Se coloca un electrodo de hidrógeno en un extremo de la celda y un electrodo de oxígeno en el otro extremo.

2. Entre los dos electrodos se coloca una membrana de intercambio de protones (MIP), que solo permite el paso de protones y no de electrones.

3. Se llena la celda con agua y se añade hidrógeno en el electrodo correspondiente y oxígeno en el otro.

Al pasar la corriente eléctrica a través de la celda, se produce la reacción química que convierte el hidrógeno y el oxígeno en agua y genera electricidad.5. La termodinámica: La termodinámica es la rama de la física que estudia las relaciones entre la energía, el calor y el trabajo. En el diseño de la celda de hidrogeno húmeda, se debe tener en cuenta la pérdida energética en forma de calor, y cómo esto puede afectar el rendimiento de la celda.

En conclusión, la construcción de una celda de hidrogeno húmeda requiere de una comprensión profunda de una serie de referentes teóricos. Desde los principios básicos de la electrólisis hasta la teoría de la celda de combustible, cada uno de estos referentes es fundamental para el diseño y funcionamiento adecuado de la celda.

6.  METODOLOGIA: 

Para este proyecto se utilizó una metodología de investigación mixta, que consiste en un conjunto de procedimientos secuenciales y basados en evidencia, recopilación de datos para la evaluación de hipótesis de diseño y análisis estadístico para probar la teoría de la correlación entre la producción de hidrógeno y la cantidad de NaHCO3 disuelto en el sistema, la cantidad de corriente aplicado y el caudal producido afectando las anteriores variables. El prototipo del proyecto es un sistema de batería húmeda de pequeño tamaño que, con un diseño asequible, tiene en cuenta las medidas óptimas de seguridad y funcionalidad del sistema. La celda húmeda en este estudio utiliza una solución acuosa con NaHCO3 para generar hidrógeno por electrólisis. Cuando se recibe, se dirige a un recipiente efervescente para atrapar el agua que pueda escaparse de la celda y actuar como el arrestado de incendios. Con el fin de verificar que los parámetros de producción de hidrógeno fueran los óptimos, se realizó la medición de voltaje y amperaje de manera constante con un voltímetro y un amperímetro, con un multímetro de la marca fluke de referencia 117, con el cual monitoreamos de manera constante el estado en el que se encuentra la fuente de alimentación.

Para llegar ala construcción del Prototipo esta investigación se fragmento en tres etapas:

ETAPA 1- Análisis de prototipos y selección de la celda

Por practicidad en la construcción y accesibilidad a los materiales se toma como mejor opción la construcción de una celda húmeda alcalina, ya que es una tecnología madurada que utiliza el modelo de electrólisis a escala comercial estándar actual. De acuerdo con MITERD (2020), en esta tecnología, el electrolito en el que tiene lugar la conducción iónica es una solución alcalina, generalmente hidróxido de potasio (KOH), el cual es adecuado al tener una alta conductividad iónica porque no se descompone químicamente antes que ocurra la electrólisis. Para este prototipo modificaremos el medio electrolítico a una solución de bicarbonato de sodio con agua. Teniendo en cuenta que el voltaje de operación en esta modificación no afectara la eficiencia electrolítica y soporta cambios de pH debido a cambios en la concentración de protones. Según la ilustración 1, el proceso implica la disociación de dos moléculas de agua en un gas de hidrógeno y dos iones de hidroxilo

ETAPA 2- Diseño del prototipo de celda de hidrogeno verde

Para el dimensionamiento de nuestra celda tomaremos por hecho estos valores físicos y químicos del hidrógeno, para crear un sistema capaz de generar hidrógeno a partir de agua potable, teniendo en consideración los  siguientes parámetros constructivos ,La estructura de la Celda Húmeda utilizara placas de acero inoxidable ISI 304 de 2 mm de espesor, dispuestas de la siguiente manera: - 2 placas conectadas al polo negativo de la batería se ubican en los dos extremos de la celda 1 placa conectada al polo positivo se colocará en el medio de la celda. − Se dividirán 8 matrices neutras entre negativo y positivo .

Teniendo en cuenta las condiciones físicas a las que debe ser expuesto el agua para producir 1 mol de hidrogeno, la fuente para energización de la celda estará conformada por un arreglo de paneles solares que deben mantener un voltaje constante de 12 V y para esto acoplaremos a estos paneles dos baterías de plomo de 12V conectadas en paralelo o en serie según la demanda de voltaje exigidas para las pruebas cuando iniciemos a cambiar la variable de suministro de corriente directa. Entregando así en cada una de la ranura de las placas neutras 1.2V, que es el voltaje mínimo para producir 1 mol de hidrogeno. Cada lamina está separada mediante sellos de PVC circulares (0`rings), con el fin de soportar la tensión aplicada en ella, con esto lograremos que la solución acuosa llene todas las partes de la celda e iniciar el proceso de Electrolisis.

El burbujeador se encuentra compuesto por una botella Pep de 300 ml conectado a una manguera que libera el hidrogeno al fondo del burbujeador, para que posteriormente suba en forma de burbujas individuales a través del agua, hasta salir por el otro conector, evitando la salida de agua del sistema

ETAPA 3-Prueba de producción

Para realizar las pruebas de producción de gases y obtener las mediciones se utilizó flujómetro digital conectado a la salida de gases, además para vigilar la inyección de corriente directa utilizaremos un Multímetro fluke el cual censa la magnitud de voltaje suministrado por la fuente y nos alerta en caso de alguna descarga en la batería o la baja producción en los paneles .

Se realizó una serie de experimentos con concentraciones de 5g a 21g de hidróxido de potasio en 400 ml de agua, con intervalos de 2g por experimento y 5 minutos entre una prueba y otra. Todo esto con el fin de evitar el calentamiento del agua y que la temperatura fuera similar en todas las pruebas. Al energizar el sistema (con dos baterías 12V 48 A.H y 12V 12 A.H), la producción de hidrógeno comenzó en la celda manifestándose como burbujas pequeñas y blancas en las placas, registrando la producción de gas por minuto

7.  RESULTADOS:  Las condiciones de nuestro experimento sirvieron para evaluar elrendimiento obtenido de la ecuación de hidrólisis de Faraday con el fin de comparar los valores reales con los obtenidos posteriormente. Transformada de litro (L). de los gases resultantes, se utilizó la ecuación de los gases ideales para determinar el volumen, ya que se tuvo en cuenta la baja presión. La producción de gas en la celda húmeda es equivalente a un tercio de oxígeno y dos tercios de hidrógeno. Se puede observar una tendencia de reacción donde la concentración es inversamente proporcional al tiempo: cuanto mayor es la concentración de bicarbonato de sodio, menor es el tiempo que se tarda en formar 100 ml del gas. Pero cuanto menor es la concentración de NaHCO3, menor es, es decir, para limitar el uso de NaHCO3, después de este punto, aunque se agreguen más de 21 g, la solución se satura con hidróxido de sodio y el cambio no será beneficioso porque

hidróxido de potasio aumenta constantemente, la batería se agota rápidamente.

8.  CONCLUSIONES:  luego iniciar las pruebas concluimos que la concentración de un catalizador  es directamente proporcional al amperaje debido a la conductividad del bicarbonato de sodio.

A pesar de que las concentraciones de 23g, 25g y 30g de NaHCO3 generan más gas en menor tiempo que las otras concentraciones, tienen un rendimiento bajo, debido a que consume de manera muy rápida la carga de las baterias y no permiten de manera óptima la recarga

9.  BIBLIOGRAFIA:  Aguer Hortal, M., & Miranda Barrera, A. L. (2012). El Hidrógeno: Fundamento de un futuro equilibrado. Editorial Díaz de Santos, S.A. ttps://public.ebookcentral.proquest.com/choice/publicfullrecord.aspx?p=5065805

Aguilar-Jaramillo, E., & Aguinaga, A. (2018). Modelamiento y Simulación de la

Producción de Hidrógeno en un Electrolizador a Partir de Vapor Sobrecalentado de Agua. Revista politécnica, 41(2), 37-52.

Albarrán-Zavala, E. (2008). El potencial redox y la espontaneidad de las reacciones electroquímicas. 2(3), 10.

F.Jimenez, “Evaluación técnica y económica del uso del hidrógeno verde en aplicaciones para la industria y desplazamiento de combustible fósil”, Memoria para optar al titulo de ingeniero

civil eléctrico, Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Chile, Santiago, 2020.

Heraeus. (2020). the Platinum Standard 2020. SFA (Oxford). Recuperado de: https://www.heraeus.com/media/media/hpm/doc_hpm/precious_metal_update/The_Platinum_Standard_2020.pdf

Hydrogenics. (2018). Brochure: Renewable Hydrogen Solutions. Recuperado de: http://www.hydrogenics. com/wp-content/uploads/Renewable-Hydrogen-Brochure.pdf

HydrogenTools. Hydrogen Tools Portal. Recuperado de https://h2tools.org/

N.M.Gebauer, “Introducción a las energías renovables”, notas de clase para EL-6000, Departamento de ingeniería eléctrica,Universidad de Chile, Primavera 2020.