PFC Hector Holgado Secas

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 PROECO FINAL DE CARRERA Estudio, diseo y construccin de un generador de hidrgeno por electrlisis.  Autor del proyecto: Hctor Holgado Secas Director del proyecto: Manuel Rodrguez Castillo Titulacin: Ingeniera Tcnica Naval en Propulsin y Servicios del Buque Centro: Facultat de Nutica de Barcelona, UPC Curso: 2011 2012 Cuatrimestre: Primavera

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MANUAL DE CONTRUCCION DE UN GENERADOR HHO

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  • PROYECTO FINAL DE CARRERA

    Estudio, diseo y construccin de un

    generador de hidrgeno por electrlisis.

    Autor del proyecto: Hctor Holgado Secas Director del proyecto: Manuel Rodrguez Castillo

    Titulacin: Ingeniera Tcnica Naval en Propulsin y Servicios del Buque Centro: Facultat de Nutica de Barcelona, UPC

    Curso: 2011 2012 Cuatrimestre: Primavera

  • ESTUDIO, DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN GENERADOR DE HIDRGENO POR ELECTRLISIS

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    NDICE

    1. Introduccin ------------------------------------------------------------------ 7

    2. Situacin energtica actual ----------------------------------------------- 9 2.1. Carbn -------------------------------------------------------------------- 10 2.1.1. Tipos de carbn ----------------------------------------------- 12 2.1.2. Produccin ----------------------------------------------------- 13 2.1.3. Proceso de extraccin --------------------------------------- 15 2.1.4. Reservas --------------------------------------------------------- 16 2.1.5. Aplicaciones ---------------------------------------------------- 17 2.1.6. Problemas ------------------------------------------------------ 19 2.2. Gas ------------------------------------------------------------------------- 20

    2.2.1. Gas Natural ----------------------------------------------------- 20 2.2.2. Produccin ----------------------------------------------------- 22 2.2.3. Proceso de extraccin --------------------------------------- 23 2.2.4. Transporte ------------------------------------------------------ 23 2.2.5. Reservas --------------------------------------------------------- 24 2.2.6. Aplicaciones ---------------------------------------------------- 25 2.2.7. Problemas ------------------------------------------------------ 26 2.3. Petrleo y derivados -------------------------------------------------- 27 2.3.1. Composicin --------------------------------------------------- 28 2.3.2. Clasificacin de los diferentes tipos de petrleo ------ 29 2.3.3. Produccin ----------------------------------------------------- 30 2.3.4. Proceso de extraccin --------------------------------------- 31 2.3.5. Refinado -------------------------------------------------------- 32 2.3.6. Transporte ------------------------------------------------------ 35 2.3.7. Reservas --------------------------------------------------------- 36 2.3.8. Consumo -------------------------------------------------------- 37 2.3.9. Aplicaciones ---------------------------------------------------- 38 2.3.10. Problemas -----------------------------------------------------

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    3. Energas alternativas -------------------------------------------------------- 41 3.1. Energa solar ------------------------------------------------------------ 42 3.1.1. Energa solar fotovoltaica ----------------------------------- 43 3.1.2. Energa solar trmica ---------------------------------------- 44 3.2. Energa elica ----------------------------------------------------------- 47 3.2.1. Ventajas e inconvenientes ---------------------------------- 49

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    3.3. Energa hidrulica ------------------------------------------------------ 53 3.3.1. Ventajas e inconvenientes ---------------------------------- 56 3.4. Energa producida por el mar --------------------------------------- 58 3.4.1. Energa mareomotriz ---------------------------------------- 59 3.4.2. Energa de las corrientes ------------------------------------ 61 3.4.3. Energa maremotrmica ------------------------------------ 62 3.4.4.Energa de las olas o undimotriz --------------------------- 63 3.4.5.Energa del gradiente salino -------------------------------- 67 3.5. Energa geotrmica ---------------------------------------------------- 68 3.5.1. Ventajas e inconvenientes ---------------------------------- 71 3.6. Biomasa ------------------------------------------------------------------

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    4. Hidrgeno --------------------------------------------------------------------- 77 4.1. Historia del hidrgeno ------------------------------------------------ 78 4.2. Estructura atmica del hidrgeno --------------------------------- 80 4.2.1. Niveles energticos electrnicos -------------------------- 81 4.2.2. Istopos --------------------------------------------------------- 82 4.3. Dihidrgeno ------------------------------------------------------------ 84 4.4. Propiedades del hidrgeno ------------------------------------------ 85 4.4.1. Propiedades fsicas ------------------------------------------- 85 4.4.2. Propiedades qumicas --------------------------------------- 86 4.4.3. Tabla de propiedades y caractersticas ------------------ 87 4.4.4. Caractersticas ------------------------------------------------- 88 4.5. Obtencin del hidrgeno -------------------------------------------- 90 4.6. Aplicaciones ------------------------------------------------------------- 95 4.7. Almacenamiento y transporte -------------------------------------- 98 4.7.1. Almacenamiento en forma gaseosa ---------------------- 98 4.7.2. Transporte en forma gaseosa ------------------------------ 99 4.7.3. Almacenamiento en forma lquida ----------------------- 100 4.7.4. Transporte en forma lquida ------------------------------- 103 4.7.5. Transporte en forma slida --------------------------------

    105

    5. Diseo del generador de hidrgeno ------------------------------------ 107 5.1. Tipo de generador ----------------------------------------------------- 108 5.1.1. Caractersticas a tener en cuenta ------------------------- 110 5.2. Clculos ------------------------------------------------------------------- 112 5.3. Diseo -------------------------------------------------------------------- 114 5.3.1. Diseo del generador ---------------------------------------- 115 5.3.1.1. Componentes del generador -------------------- 120

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    5.3.2. Diseo del sistema ------------------------------------------- 122 5.3.2.1. Circuito de gas -------------------------------------- 123 5.3.2.2. Elementos de seguridad -------------------------- 124 5.3.2.3. Componentes del circuito de gas -------------- 126 5.3.3. Circuito elctrico ---------------------------------------------- 128 5.3.3.1. Componentes del circuito elctrico ----------- 132 5.4. Planos --------------------------------------------------------------------- 134 5.5. Construccin del prototipo ------------------------------------------ 135 5.6. Ensayos ------------------------------------------------------------------- 161 5.6.1. Fotos de los ensayos -----------------------------------------

    170

    6. Conclusin ---------------------------------------------------------------------

    177

    7. Bibliografa --------------------------------------------------------------------

    180

    Anexo I: Especificaciones tcnicas del generador -----------------------

    182

    Anexo II: Planos -----------------------------------------------------------------

    183

    Anexo III: Costes -----------------------------------------------------------------

    207

    Anexo IV: Archivos adjuntos -------------------------------------------------

    209

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    Se convertir el hidrgeno en el combustible

    renovable e inagotable del futuro?

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    1. INTRODUCCIN

    La situacin energtica actual se fundamenta en un modelo energtico insostenible, ya

    que gran parte de la energa consumida proviene de fuentes no renovables,

    bsicamente combustibles fsiles como son el carbn, el gas o el petrleo adems de

    la energa nuclear. Si aadimos que cada ao aumenta la poblacin mundial y tambin

    el consumo energtico, esto provoca que estas fuentes energticas se agoten ms

    rpidamente y no se pueda abastecer de energa suficiente a toda la poblacin para

    mantener el nivel de vida de los pases desarrollados y los pases emergentes.

    Todo esto lo que provoca es el encarecimiento del precio de las materias primas, que

    al final repercute en el precio final de la energa. Adems tambin tienen otro gran

    problema, los gases contaminantes que generan al quemarse. Estos gases son

    perjudiciales para la salud, ya que son los causantes de numerosas enfermedades

    pulmonares. Tambin provoca varios efectos negativos para el planeta, como son el

    efecto invernadero, el calentamiento global, el oscurecimiento global, la lluvia cida,

    etc., perjudiciales para la vida y el medio ambiente.

    Por eso, una de las soluciones a este problema pasa por utilizar un modelo energtico

    sostenible, utilizando fuentes renovables de energa como la energa elica, solar,

    mareomotriz, o el hidrgeno como combustible. Estas fuentes energticas son

    inagotables y limpias, ya que no producen ningn tipo de contaminante ni residuo

    durante la generacin de energa.

    Muchos pases ya han empezado a apostar por las energas alternativas y se estn

    haciendo investigaciones sobre estas energas, pero todava se sigue dependiendo de

    los combustibles fsiles y de la energa nuclear.

    Cuando hablamos del consumo de energa pensamos en la energa elctrica, ya que es

    la principal energa que consumimos en el da a da. Pero no podemos olvidarnos de

    los vehculos. Estos tambin son principales consumidores de energa. En este caso de

    petrleo refinado, ya sea diesel oil o gasolina en vehculos terrestres, diesel-oil o fuel-

    oil en los barcos o queroseno en las aeronaves. Si tenemos en cuenta todos los

    vehculos existentes en el mundo, podemos observar que el consumo de petrleo no

    es poco. Y como hemos comentado antes, las reservas de petrleo se estn agotando y

    adems produce contaminacin medioambiental.

    Llegar a un modelo energtico sostenible no solo pasa por generar energa elctrica

    con fuentes limpias , sino tambin por cambiar el modelo energtico de los vehculos.

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    Hay que investigar y buscar alternativas a los motores de combustin interna que

    consumen refinados del petrleo. Estas investigaciones ya se estn llevando a cabo y

    ya empiezan a aparecer nuevas tecnologas, como los vehculos elctricos.

    Otra de las tecnologas que se desarrollar es la del hidrgeno, ya que es un

    combustible con unas excelentes propiedades, que en un futuro ser una de las

    principales fuentes de energa. Ya sea en forma de pilas de hidrgeno y motores

    elctricos, o motores de combustin interna que quemen hidrgeno.

    Para que esto sea una realidad, an tiene que pasar mucho tiempo y muchas

    investigaciones, ya que esta tecnologa no est suficientemente desarrollada. El

    problema del carburante es un problema actual, que ya nos est afectando y hay que

    buscar soluciones de aplicacin inmediata como es reducir el consumo. Hay que

    intentar reducir el consumo de petrleo hasta que en un futuro haya la tecnologa

    suficiente para no depender de l.

    Por eso el objetivo de este proyecto es realizar un estudio y diseo de un generador de

    hidrgeno, no para la produccin de hidrgeno en cantidades industriales como ser

    necesario en un futuro, sino un generador de pequeas dimensiones y produccin de

    hidrgeno reducida, para la aplicacin en vehculos con motor de combustin interna.

    Con la energa elctrica generada por el motor y la batera, se alimenta el generador de

    hidrgeno, que produce una cantidad pequea de gas, que no sirve para mover el

    motor, pero que si lo utilizamos junto con el combustible normal, (gasolina o gasoil)

    podemos obtener un ahorro de combustible de 10-15%. Adems tambin mejoramos

    la combustin, reduciendo as los gases contaminantes que se producen (NOx y CO2).

    Esta sera una posible medida para reducir el consumo de petrleo hasta el da en que

    la tecnologa est suficientemente desarrollada y el modelo energtico global sea

    sostenible y no dependa de los combustibles fsiles como el petrleo.

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    2. SITUACIN ENERGTICA ACTUAL

    La energa y los servicios que proporciona son un factor bsico para el desarrollo de la

    humanidad y poder disponer de ella es muy favorable para el bienestar de la sociedad.

    La historia muestra claramente cmo el desarrollo econmico de las ltimas dcadas, y

    particularmente en los ltimos aos, ha ido acompaado de un crecimiento de la

    demanda energtica en sus diferentes formas. Actualmente la demanda mundial de

    energa est incrementndose a una tasa promedio de 2%. Se anticipa que este

    incremento ha de continuar, y por tanto, el consumo de energa ser el doble de 1995

    en el 2030 y el triple en el 2050. Cobran fuerza, en este escenario, fuentes energticas

    tales como la biomasa (12%) y la energa nuclear (20%). La participacin del carbn se

    proyecta cercana al 40% para el ao 2100, donde el petrleo prcticamente habr

    desaparecido como fuente energtica.

    Los suministros adecuados de energa son esenciales para que las naciones del mundo

    mantengan su expansin industrial y econmica. En el mundo en desarrollo, la primera

    seal de mejora de los estndares de vida es la disponibilidad de electricidad.

    Inicialmente, sta puede utilizarse solamente para proveer luz, pero es

    inmediatamente requerida para encender artefactos electrodomsticos de todo tipo

    para uso residencial e industrial. Las economas de los pases en desarrollo, con su

    desarrollo industrial y el aumento en los estndares de vida, estn consumiendo

    electricidad, a una tasa que aumenta rpidamente. En Indonesia, por ejemplo, la

    generacin de energa se ha duplicado cada 5 aos en los ltimos 25 aos y se espera

    que siga creciendo como mnimo a este ritmo.

    Como se ha comentado antes, hoy en da las principales fuentes de energa no son

    limpias ni renovables .Los combustibles utilizados en la actualidad bsicamente son

    cuatro: Carbn, gas, petrleo y energa nuclear.

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    2.1. Carbn

    El carbn o carbn mineral es una roca sedimentaria de color negro, muy rica en

    carbono, utilizada como combustible fsil. Suele localizarse bajo una capa de pizarra y

    sobre una capa de arena y arcilla. Se cree que la mayor parte del carbn se form

    durante el perodo Carbonfero (hace 280 a 345 millones de aos).

    El carbn se origina por la descomposicin de vegetales terrestres, hojas, maderas,

    cortezas, y esporas, que se acumulan en zonas pantanosas, lagunares o marinas, de

    poca profundidad. Los vegetales muertos se van acumulando en el fondo de una

    cuenca. Quedan cubiertos de agua y, por lo tanto, protegidos del aire que los

    destruira. Comienza una lenta transformacin por la accin de bacterias anaerobias,

    un tipo de microorganismos que no pueden vivir en presencia de oxgeno. Con el

    tiempo se produce un progresivo enriquecimiento en carbono. Posteriormente pueden

    cubrirse con depsitos arcillosos, lo que contribuir al mantenimiento del ambiente

    anaerobio, adecuado para que contine el proceso de carbonificacin. Los gelogos

    estiman que una capa de carbn de un metro de espesor proviene de la

    transformacin por el proceso de diagnesis de ms de diez metros de limos

    carbonosos.

    Los depsitos de carbn estn frecuentemente asociados con el mercurio. Hay otra

    teora que explica que el carbn se forma con emanaciones continuas de gas metano

    en las profundidades de la tierra.

    Imagen de una roca de carbn

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    En las cuencas carbonferas las capas de carbn estn intercaladas con otras capas de

    rocas sedimentarias como areniscas, arcillas, conglomerados y, en algunos casos, rocas

    metamrficas como esquistos y pizarras. Esto se debe a la forma y el lugar donde se

    genera el carbn.

    Si, por ejemplo, un gran bosque est situado cerca del litoral y el mar invade la costa,

    el bosque queda progresivamente sumergido, por descenso del continente o por una

    transgresin marina, y los vegetales muertos y cados se acumulan en la plataforma

    litoral. Si contina el descenso del continente o la invasin del mar, el bosque queda

    totalmente inundado. Las zonas emergidas cercanas comienzan a erosionarse y los

    productos resultantes, arenas y arcillas, cubren los restos de los vegetales que se van

    transformando en carbn. Si se retira el mar, puede desarrollarse un nuevo bosque y

    comenzar otra vez el ciclo.

    En las cuencas hulleras se conservan, tanto en el carbn como en las rocas

    intercaladas, restos y marcas de vegetales terrestres que pertenecen a especies

    actualmente desaparecidas. El tamao de las plantas y la exuberancia de la vegetacin

    permiten deducir que el clima en el que se origin el carbn era probablemente clima

    tropical.

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    2.1.1. Tipos de carbn

    Existen diferentes tipos de carbones minerales en funcin del grado de carbonificacin

    que haya experimentado la materia vegetal que origin el carbn. Estos van desde la

    turba, que es el menos evolucionado y en que la materia vegetal muestra poca

    alteracin, hasta la antracita que es el carbn mineral con una mayor evolucin. Esta

    evolucin depende de la edad, as como de la profundidad y condiciones de presin,

    temperatura, entorno, etc., en las que la materia vegetal evolucion hasta formar el

    carbn mineral.

    El rango de un carbn mineral se determina en funcin de criterios tales como su

    contenido en materia voltil, contenido en carbono fijo, humedad, poder calorfico,

    etc. As, a mayor rango, mayor es el contenido en carbono fijo y mayor el poder

    calorfico, mientras que disminuyen su humedad natural y la cantidad de materia

    voltil. Existen varias clasificaciones de los carbones segn su rango. Una de las ms

    utilizadas divide a los carbones de mayor a menor rango en:

    Antracita Bituminoso bajo en voltiles Bituminoso medio en voltiles Bituminoso alto en voltiles Sub-bituminoso Lignito Turba

    La hulla es un carbn mineral de tipo bituminoso medio y alto en voltiles.

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    2.1.2. Produccin

    A continuacin podemos observar dos tablas con la produccin mundial de carbn

    hasta el ao 2009 y los principales pases productores de carbn.

    La produccin mundial de carbn de 2001 a 2009 ha sido (en millones de toneladas):

    Carbn bituminoso y antracita

    2009 5 990 Mt

    2008 5 794 Mt

    2007 5 542 Mt

    2006 5 205 Mt

    2005 4 934 Mt

    2004 4 631

    2003 4 231 Mt

    2002 3 910 Mt

    2001 3 801 Mt

    La lista de pases por produccin de

    World Energy 2008 publicado por

    de carbn de ms de 3 millones de toneladas.

    Rango Pas/Regin Mundo 1 Repblica Popular China2 Estados Unidos3 Unin Europea4 India 5 Australia 6 Rusia 7 Sudfrica 8 Alemania 9 Indonesia 10 Polonia 11 Kazajistn 12 Turqua 13 Ucrania 14 Colombia 15 Canad

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    A continuacin podemos observar dos tablas con la produccin mundial de carbn

    hasta el ao 2009 y los principales pases productores de carbn.

    mundial de carbn de 2001 a 2009 ha sido (en millones de toneladas):

    Carbn bituminoso y antracita Carbn sub-bituminoso y lignito

    990 Mt 913 Mt

    794 Mt 965 Mt

    542 Mt 956 Mt

    205 Mt 937 Mt

    934 Mt 906 Mt

    631 Mt 893 Mt

    231 Mt 893 Mt

    910 Mt 882 Mt

    801 Mt 897 Mt

    La lista de pases por produccin de carbn en 2007, basada en el Statistical Review of

    publicado por BP en 2008. Clasifica a los pases con una produccin

    ms de 3 millones de toneladas.

    produccin de carbn (Mt) 6,395.6

    Repblica Popular China 2,536.7

    Estados Unidos 1,039.2

    Unin Europea 590,5

    478,2

    393,9

    314,2

    269,4

    201,9

    174,8

    145,8

    94,4

    76,6

    76.3

    71,7

    69,4

    ESTUDIO, DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN GENERADOR DE HIDRGENO POR ELECTRLISIS

    A continuacin podemos observar dos tablas con la produccin mundial de carbn

    mundial de carbn de 2001 a 2009 ha sido (en millones de toneladas):

    bituminoso y lignito

    Statistical Review of

    en 2008. Clasifica a los pases con una produccin

    Porcentaje (%) 99

    39,7

    16.2

    9,2

    7,5

    6,2

    4,9

    4.2

    3,2

    2,7

    2.3

    1.5

    1.2

    1.2

    1.1

    1.1

  • ESTUDIO, DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN GENERADOR DE HIDRGENO POR ELECTRLISIS

    16 Repblica Checa17 Grecia 18 Vietnam 19 Rumania 20 Bulgaria 21 Tailandia 22 Espaa 23 Reino Unido 24 Mxico 25 Hungra 26 Venezuela 27 Brasil 28 Nueva Zelanda29 Pakistn

    Las reservas de carbn se encuentran muy repartidas, con 70 pases con yacimientos

    aprovechables. Al ritmo actual de consumo se calcula que existen reservas seguras

    para 133 aos, por 42 y 60 del

    las reservas de petrleo y el 66% de las de gas se encuentran en

    Rusia.

    El hombre extrae carbn desde la

    explotacin es a cielo abierto. Sin embargo, por lo general

    se hacen con minera subterrnea ya que la mayora de las capas se encuentran a

    cientos de metros de profundidad.

    ESTUDIO, DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN GENERADOR DE HIDRGENO POR ELECTRLISIS

    - 14 -

    Repblica Checa 62,6

    62,5

    41,2

    35,4

    30,4

    18.3

    18.2

    17,0

    12.2

    9.8

    8,0

    5,9

    Zelanda 4,6

    3,7

    Las reservas de carbn se encuentran muy repartidas, con 70 pases con yacimientos

    aprovechables. Al ritmo actual de consumo se calcula que existen reservas seguras

    para 133 aos, por 42 y 60 del petrleo y el gas, respectivamente. Adems, el 67% de

    las reservas de petrleo y el 66% de las de gas se encuentran en Oriente Medio

    El hombre extrae carbn desde la Edad Media. En los yacimientos poco profundos la

    explotacin es a cielo abierto. Sin embargo, por lo general las explotaciones de carbn

    se hacen con minera subterrnea ya que la mayora de las capas se encuentran a

    cientos de metros de profundidad.

    ESTUDIO, DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN GENERADOR DE HIDRGENO POR ELECTRLISIS

    1,0

    1,0

    0,6

    0,6

    0,5

    0.3

    0.3

    0,3

    0.2

    0.2

    0,1

    0,1

    0,1

    0,1

    Las reservas de carbn se encuentran muy repartidas, con 70 pases con yacimientos

    aprovechables. Al ritmo actual de consumo se calcula que existen reservas seguras

    , respectivamente. Adems, el 67% de

    Oriente Medio y

    . En los yacimientos poco profundos la

    las explotaciones de carbn

    se hacen con minera subterrnea ya que la mayora de las capas se encuentran a

  • ESTUDIO, DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN GENERADOR DE HIDRGENO POR ELECTRLISIS

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    2.1.3. Proceso de extraccin

    El carbn se puede extraer de canteras a cielo abierto o en minas subterrneas. En la

    actualidad quedan pocos yacimientos al aire libre porque ya se han agotado, de modo

    que lo normal es que se extraiga del subsuelo y a bastante profundidad.

    A la hora de abrir una mina es importante hacer primero una prospeccin del terreno

    para averiguar si resultar rentable. En ocasiones, el carbn se encuentra a tanta

    profundidad que el coste de extraccin es superior al precio final de venta. O se trata

    de un carbn con un contenido tan bajo en carbono que tampoco resulta rentable su

    extraccin.

    El carbn, tal y como sale de las minas, se debe lavar para eliminar las impurezas de

    azufre. Despus se muele y tritura hasta pulverizarlo. Por ltimo se procede a cribarlo

    y a clasificarlo, separando los distintos tipos de carbn.

    La extraccin del carbn supone grandes riesgos para los trabajadores (posibilidad de

    derrumbes, explosiones causadas por el gas gris que se acumula en las minas,

    enfermedades debidas a la inhalacin del polvo de slice, etc.).

    Imgenes de una cantera de carbn abierta a la superficie (1) y la de una galera de una mina

    de carbn subterrnea (2).

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    2.1.4. Reservas

    El carbn es el combustible fsil ms abundante en el mundo. Se encuentra sobre todo

    en el Hemisferio Norte, porque durante el perodo Carbonfero los continentes que

    ahora estn en el Hemisferio Sur, es decir frica, Amrica del Sur y Australia, estaban

    juntos formando un gran sper continente llamado Gondwana, que estaba situado

    muy cerca del polo sur, con un clima poco propicio para la formacin de grandes

    bosques. En cambio lo que ahora son Asia, Europa y Amrica del Norte estaban

    situados junto al ecuador en una zona clida, muy adecuada para el desarrollo de las

    grandes masas vegetales que formaron las capas de carbn.

    Los mayores depsitos de carbn estn en Amrica del Norte, Rusia y China, aunque

    tambin se encuentra en cantidades considerables en algunas islas del rtico, Europa

    occidental, India, frica del Sur, Australia y la zona este de Amrica del Sur.

    Con el actual ritmo de consumo se calculan reservas de carbn para algo ms de 200

    aos, aunque si se tienen en cuenta las que no son fciles de explotar en el momento

    actual, las reservas podran llegar para otros mil aos.

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    - 17 -

    2.1.5. Aplicaciones

    El carbn suministra el 25% de la energa primaria consumida en el mundo, slo por

    detrs del petrleo. Adems es de las primeras fuentes de energa elctrica, con 40%

    de la produccin mundial. Las aplicaciones principales del carbn son:

    1. Generacin de energa elctrica. Las centrales trmicas de carbn pulverizado

    constituyen la principal fuente mundial de energa elctrica. En los ltimos aos

    se han desarrollado otros tipos de centrales que tratan de aumentar el

    rendimiento y reducir las emisiones contaminantes, entre ellas las centrales de

    lecho fluido a presin. Otra tecnologa en auge es la de los ciclos combinados

    que utilizan como combustible gas de sntesis obtenido mediante la gasificacin

    del carbn.

    2. Coque. El coque es el producto de la pirlisis del carbn en ausencia de aire. Es

    utilizado como combustible y reductor en distintas industrias, principalmente

    en los altos hornos (coque siderrgico). Dos tercios del acero mundial se

    producen utilizando coque de carbn, consumiendo en ello 12% de la

    produccin mundial de carbn.

    3. Siderurgia. Mezclando minerales de hierro con carbn se obtiene una aleacin en la que el hierro se enriquece en carbono, obteniendo mayor resistencia y elasticidad. Dependiendo de la cantidad de carbono, se obtiene:

    1. Hierro dulce: menos del 0,2 % de carbono 2. Acero: entre 0,2% y 1,2% de carbono 3. Fundicin: ms del 1,2% de carbono.

    4. Industrias varias. Se utiliza en las fbricas que necesitan mucha energa en sus

    procesos, como las fbricas de cemento y de ladrillos.

    5. Uso domstico. Histricamente el primer uso del carbn fue como combustible domstico. An hoy sigue siendo usado para calefaccin, principalmente en los pases en vas de desarrollo, mientras que en los pases desarrollados ha sido desplazados por otras fuentes ms limpias de calor (gas natural, propano, butano, energa elctrica) para rebajar el ndice de contaminacin.

    6. Carboqumica. La carboqumica es practicada principalmente en frica del Sur y China. Mediante el proceso de gasificacin se obtiene del carbn un gas llamado gas de sntesis, compuesto principalmente de hidrgeno y monxido de carbono. El gas de sntesis es una materia prima bsica que puede transformarse en numerosos productos qumicos de inters como, por ejemplo:

    1. Amoniaco 2. Metanol

  • ESTUDIO, DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN GENERADOR DE HIDRGENO POR ELECTRLISIS

    - 18 -

    3. Gasolina y gasleo de automocin a travs del proceso Fischer-Tropsch (proceso qumico para la produccin de hidrocarburos lquidos a partir de gas de sntesis, CO y H2).

    7. Petrleo sinttico. Mediante el proceso de licuefaccin directa, el carbn puede ser transformado en un crudo similar al petrleo. La licuefaccin directa fue practicada ampliamente en Alemania durante la Segunda Guerra Mundial pero en la actualidad no existe ninguna planta de escala industrial en el mundo.

    Estas dos ltimas aplicaciones antiguas son muy contaminantes y requieren mucha

    energa, desperdiciando as un tercio del balance energtico global. Debido a la crisis

    del petrleo se han vuelto a utilizar.

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    - 19 -

    2.1.6. Problemas

    La minera del carbn y su combustin causan importantes problemas ambientales y

    tienen tambin consecuencias negativas para la salud humana.

    Las explotaciones mineras a cielo abierto tienen un gran impacto visual y los lquidos

    que de ellas se desprenden suelen ser muy contaminantes. En la actualidad , en los

    pases desarrollados, las compaas mineras estn obligadas a dejar el paisaje

    restituido cuando han terminado su trabajo. Lo normal suele ser que conforme van

    dejando una zona vaca al extraer el mineral, la rellenen y reforesten para que no

    queden a la vista los grandes agujeros, las tierras removidas y las acumulaciones de

    derrubios de ganga que, hasta ahora, eran la herencia tpica de toda industria minera.

    Tambin es muy importante controlar y depurar el agua de lixiviacin, es decir el agua

    que, despus de empapar o recorrer las acumulaciones de mineral y derrubios, sale de

    la zona de la mina y fluye hacia los ros o los alrededores. Este agua va cargada de

    materiales muy txicos, como metales pesados y productos qumicos usados en la

    minera, y es muy contaminante, por lo que debe ser controlada cuidadosamente.

    En el proceso de uso del carbn tambin se producen importantes daos ambientales

    porque al quemarlo se liberan grandes cantidades de gases responsables de efectos

    tan nocivos como la lluvia cida, el efecto invernadero, la formacin de smog , etc. El

    dao que la combustin del carbn causa es mucho mayor cuando se usa combustible

    de mala calidad, porque las impurezas que contiene se convierten en xidos de azufre

    y en otros gases txicos.

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    - 20 -

    2.2. Gas

    Un gas combustible es un gas que se utiliza como combustible para producir energa

    trmica mediante un proceso de combustin.

    El gas natural (cuyo mayor componente es el metano) es el ms habitual, pero existen

    otros como:

    Gas licuado del petrleo (GLP), como propano o butano. Se obtienen mayoritariamente en la destilacin fraccionada del petrleo. Otra parte es obtenida al separarlos del gas natural.

    Hidrgeno. Se obtiene a partir de la electrlisis del agua invirtiendo energa elctrica, o a partir de gas natural. Es un vector energtico y no una fuente de energa primaria. Puede llegar a ser utilizado en el futuro como gas combustible con una mejora de la tecnologa.

    Gas de alumbrado (H2 y CO2), tambin conocido como gas de hulla o gas ciudad.

    2.2.1. Gas Natural

    El gas natural es una de las varias e importantes fuentes de energa no renovables

    formada por una mezcla de gases ligeros que se encuentra en yacimientos de petrleo,

    disuelto o asociado con el petrleo o en depsitos de carbn. Aunque su composicin

    vara en funcin del yacimiento del que se saca, est compuesto principalmente por

    metano en cantidades que comnmente pueden superar el 90 95% (p. ej., el gas no-

    asociado del pozo West Sole en el Mar del Norte), y suele contener otros gases como

    nitrgeno, CO2, H2S, helio y mercaptanos. Como ejemplo de contaminantes cabe

    mencionar el gas no-asociado de Kapuni (NZ) que contiene hasta 49% de CO2. Como

    fuentes adicionales de este recurso natural, se estn investigando los yacimientos de

    hidratos de metano que, segn estimaciones, pueden suponer una reserva energtica

    muy superiores a las actuales de gas natural.

    Puede obtenerse tambin con procesos de descomposicin de restos orgnicos

    (basuras, vegetales - gas de pantanos) en las plantas de tratamiento de estos restos

    (depuradoras de aguas residuales urbanas, plantas de procesado de basuras, de

    desechos orgnicos animales, etc.). El gas obtenido as se llama biogs.

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    - 21 -

    Algunos de los gases que forman parte del gas natural cuando es extrado se separa de

    la mezcla porque no tienen capacidad energtica (nitrgeno o CO2) o porque pueden

    depositarse en las tuberas usadas para su distribucin debido a su alto punto de

    ebullicin. Si el gas fuese criognicamente licuado para su almacenamiento, el dixido

    de carbono (CO2) solidificara interfiriendo con el proceso criognico. El CO2 puede ser

    determinado por los procedimientos ASTM D 1137 o ASTM D 1945.

    El propano, butano e hidrocarburos ms pesados en comparacin con el gas natural

    son extrados, puesto que su presencia puede causar accidentes durante la combustin

    del gas natural. El vapor de agua tambin se elimina por estos motivos y porque a

    temperaturas cercanas a la temperatura ambiente y presiones altas forma hidratos de

    metano que pueden obstruir los gasoductos. Los compuestos de azufre son eliminados

    hasta niveles muy bajos para evitar corrosin y olores perniciosos, as como para

    reducir las emisiones de compuestos causantes de lluvia cida. La deteccin y la

    medicin de H2S se puede realizar con los mtodos ASTM D2385 o ASTM D 2725.

    Para uso domstico, al igual que al butano, se le aaden trazas de compuestos de la

    familia de los mercaptano entre ellos el metil-mercaptano, para que sea fcil detectar

    una fuga de gas y evitar su ignicin espontnea.

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    2.2.2. Produccin

    Esta es una lista de pases segn su produccin de

    cbicos (m). La lista est actualizad

    2010.

    Posicin Pas / Regin

    Mundo

    1 Estados Unidos

    2 Rusia

    3 Unin Europea

    4 Canad

    5 Irn

    6 Noruega

    7 Argelia

    8 China

    9 Pases Bajos

    10 Arabia Saudita

    11 Catar

    12 Indon

    13 Uzbekistn

    14 Egipto

    15 Mxico

    16 Reino Unido

    17 Malasia

    18 Emiratos rabes Unidos

    19 Australia

    20 Argentina

    21 Trinidad y Tobago

    22 India

    23 Pakistn

    24 Kazajistn

    25 Turkmenistn

    26 Nigeria

    27 Tailandia

    28 Omn

    29 Venezuela

    ESTUDIO, DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN GENERADOR DE HIDRGENO POR ELECTRLISIS

    - 22 -

    Esta es una lista de pases segn su produccin de gas natural en millones de metros

    (m). La lista est actualizado segn The World Factbook al 14 de octubre

    Regin Produccin (M m)

    Mundo 3.186.158,425

    Estados Unidos 593.400

    Rusia 546.800

    Unin Europea 181.600

    Canad 161.300

    116.300

    Noruega 103.500

    Argelia 86.500

    China 82.940

    Pases Bajos 79.580

    Arabia Saudita 77.100

    Catar 76.980

    Indonesia 70.000

    Uzbekistn 67.600

    Egipto 62.700

    Mxico 60.350

    Reino Unido 58.560

    Malasia 57.300

    Emiratos rabes Unidos 50.240

    Australia 42.330

    Argentina 41.360

    Trinidad y Tobago 39.300

    India 38.650

    Pakistn 37.500

    Kazajistn 35.610

    Turkmenistn 34.000

    Nigeria 32.820

    Tailandia 28.760

    Omn 24.000

    Venezuela 23.060

    ESTUDIO, DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN GENERADOR DE HIDRGENO POR ELECTRLISIS

    en millones de metros

    14 de octubre de

    Produccin (M m)

  • ESTUDIO, DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN GENERADOR DE HIDRGENO POR ELECTRLISIS

    - 23 -

    2.2.3. Proceso de extraccin

    El proceso de extraccin y produccin del gas natural es simple, y muy parecido al

    proceso de extraccin del petrleo.

    Primero se realiza una exploracin del terreno. Para encontrar el lugar ideal para

    realizar una excavacin de gas, es importante analizar antes la composicin de las

    rocas del suelo. Cuanto ms precisas sean las tcnicas de exploracin ,mayor ser la

    posibilidad de descubrir gas durante la perforacin.

    Para extraer el gas natural se hace perforando el suelo hasta encontrar la bolsa de gas.

    Esto puede realizarse en tierra o mar.

    Una vez que se ha encontrado el gas debe ser extrado. Normalmente el gas est a

    presin. El gas sale a la superficie gracias a la propia presin de la bolsa de gas. Cuando

    la presin no es lo suficientemente elevada, se utilizan bombas de extraccin.

    Una vez extrado, el gas es tratado para eliminar las impurezas y quitarle la humedad.

    2.2.4. Transporte

    El gas natural se transporta entre los yacimientos y las reas de consumo mediante

    gaseoductos, tuberas de acero de gran dimetro, normalmente enterradas.

    Cuando se hace necesario el transporte por mar y no es posible, tcnica o

    econmicamente, el tendido de gaseoductos submarinos, el gas natural se lica a

    160C bajo cero, su volumen queda reducido 600 veces y se transporta en buques

    metaneros entre los pases productores y consumidores. En el puerto receptor es

    descargado en las plantas o terminales de almacenamiento y regasificacin, donde tras

    ser almacenado a presin atmosfrica en grandes tanques criognicos, es impulsado a

    alta presin y transformado de nuevo a su fase gas antes de ser inyectado en la red de

    gaseoductos para su transporte a los centros de consumo.

  • ESTUDIO, DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN GENERADOR DE HIDRGENO POR ELECTRLISIS

    - 24 -

    2.2.5. Reservas

    Las reservas de gas natural son abundantes pero limitadas, y estn ampliamente

    distribuidas por el planeta. Se estima que puede quedar muchos yacimientos de gas

    por descubrir.

    Las mayores reservas mundiales de gas se encuentran en la antigua Unin Sovitica,

    junto con el Medio Oriente. En conjunto representan las tres cuartas partes de las

    reservas mundiales.

    Las reservas mundiales de gas natural se han multiplicado por dos en el transcurso de

    los ltimos 20 aos.

    En el siguiente grfico podemos ver en qu proporcin estn repartidas las reservas

    mundiales de gas segn los diferentes territorios.

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    - 25 -

    2.2.6. Aplicaciones

    El gas natural tiene diversas aplicaciones en la industria, el comercio, la generacin

    elctrica, el sector residencial y el transporte de pasajeros. Ofrece grandes ventajas en

    procesos industriales donde se requiere de ambientes limpios, procesos controlados y

    combustibles de alta confiabilidad y eficiencia.

    Adicionalmente, el gas natural es utilizado como materia prima en diversos procesos

    qumicos e industriales. De manera relativamente fcil y econmica puede ser

    convertido a hidrgeno, etileno, o metanol; los materiales bsicos para diversos tipos

    de plsticos y fertilizantes.

    En el cuadro siguiente podemos ver las aplicaciones ms comunes del gas natural.

    Sector Aplicaciones/Procesos

    Industrial

    Generacin de vapor

    Industria de alimentos

    Secado

    Coccin de productos cermicos

    Fundicin de metales

    Tratamientos trmicos

    Temple y recocido de metales

    Generacin elctrica

    Produccin de petroqumicos

    Sistema de calefaccin

    Hornos de fusin

    Energa

    Cogeneracin elctrica

    Centrales trmicas

    Comercio y Servicios

    Calefaccin central

    Aire acondicionado

    Coccin/preparacin de alimentos

    Agua caliente

    Residencial

    Cocina

    Calefaccin

    Agua caliente

    Aire acondicionado

    Transporte de pasajeros

    Taxis

    Buses

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    - 26 -

    2.2.7. Problemas

    El principal problema del gas natural es el impacto ambiental que produce el CO2

    generado por la combustin del gas.

    El gas natural produce mucho menos CO2 que otros combustibles como los derivados

    del petrleo, y sobre todo el carbn. Adems es un combustible que se quema ms

    limpia y eficazmente.

    La razn por la cual produce poco CO2 es que el principal componente, metano,

    contiene cuatro tomos de hidrgeno y uno de carbono, produciendo 2 molculas de

    agua por cada una de CO2, mientras que los hidrocarburos de cadena larga (lquidos)

    producen slo 1 molcula de agua por cada 1 de CO2 (recordemos que el calor de

    formacin del agua es muy alto).

    El CO2 expulsado a la atmsfera en la combustin del gas natural contribuye

    decisivamente al denominado calentamiento global del planeta, puesto que es un gas

    que produce el denominado efecto invernadero. El CO2 es transparente a los rayos

    visibles y ultravioletas que calientan la Tierra por el da, pero absorbe los rayos

    infrarrojos que sta emite al espacio exterior, ralentizando el enfriamiento nocturno

    del planeta. No obstante, el impacto medioambiental del gas natural es menor que el

    de otros combustibles fsiles como los carbones o los derivados del petrleo, puesto

    que apenas emite otros gases contaminantes como los xidos de azufre (que son

    emitidos en mayores cantidades en la combustin de los dems combustibles fsiles).

    Gases que contribuyen, entre otros efectos, a la produccin de la denominada lluvia

    cida. Su combustin tampoco produce partculas slidas (cenizas).

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    - 27 -

    2.3. Petrleo y derivados

    El petrleo, del griego: , "aceite de roca", es una mezcla homognea de

    compuestos orgnicos, principalmente hidrocarburos insolubles en agua. Tambin es

    conocido como petrleo crudo o simplemente crudo.

    Es de origen fsil, fruto de la transformacin de materia orgnica depositada en

    grandes cantidades en fondos anxicos de mares o zonas lacustres y que fueron

    posteriormente enterrados bajo pesadas capas de sedimentos. La transformacin

    qumica (craqueo natural) debida al calor y a la presin durante la diagnesis produce,

    en sucesivas etapas, desde betn a hidrocarburos cada vez ms ligeros (lquidos y

    gaseosos). Estos productos ascienden hacia la superficie, por su menor densidad,

    gracias a la porosidad de las rocas sedimentarias. Cuando se dan las circunstancias

    geolgicas que impiden dicho ascenso (trampas petrolferas como rocas

    impermeables, estructuras anticlinales, mrgenes de diapiros salinos, etc.) se forman

    entonces los yacimientos petrolferos.

    En condiciones normales es un lquido bituminoso que puede presentar gran variacin

    en diversos parmetros como color y viscosidad (desde amarillentos y poco viscosos

    como la gasolina hasta lquidos negros tan viscosos que apenas fluyen), densidad

    (entre 0,75 g/ml y 0,95 g/ml), capacidad calorfica, etc. Estas variaciones se deben a la

    diversidad de concentraciones de los hidrocarburos que componen la mezcla.

    Es un recurso natural no renovable y actualmente tambin es la principal fuente de

    energa en los pases desarrollados. El petrleo lquido puede presentarse asociado a

    capas de gas natural, en yacimientos que han estado enterrados durante millones de

    aos, cubiertos por los estratos superiores de la corteza terrestre.

    En los Estados Unidos, es comn medir los volmenes de petrleo lquido en barriles

    (de 42 galones estadounidenses, equivalente a 158,987294928 litros), y los volmenes

    de gas en pies cbicos (equivalente a 28,316846592 litros); en otras regiones ambos

    volmenes se miden en metros cbicos.

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    - 28 -

    2.3.1. Composicin

    El petrleo est formado principalmente por hidrocarburos, que son compuestos de

    hidrgeno y carbono, en su mayora parafinas, naftenos y aromticos. Junto con

    cantidades variables de derivados saturados homlogos del metano (CH4). Su frmula

    general es CnH2n+2.

    Cicloalcanos o cicloparafinas-naftenos: hidrocarburos cclicos saturados,

    derivados del ciclopropano (C3H6) y del ciclohexano (C6H12). Muchos de estos

    hidrocarburos contienen grupos metilo en contacto con cadenas parafnicas

    ramificadas. Su frmula general es CnH2n.

    Hidrocarburos aromticos: hidrocarburos cclicos insaturados constituidos por

    el benceno (C6H6) y sus homlogos. Su frmula general es CnHn.

    Alquenos u olefinas: molculas lineales o ramificadas que contienen un enlace

    doble de carbono (-C=C-). Su frmula general es CnH2n. Tienen terminacin -

    "eno".

    o Dienos: Son molculas lineales o ramificadas que contienen dos enlaces

    dobles de carbono. Su frmula general es CnH2n-2.

    Alquinos: molculas lineales o ramificadas que contienen un enlace triple de

    carbono. Su frmula general es: CnH2n-2. Tienen terminacin -"ino".

    Adems de hidrocarburos, el petrleo contiene otros compuestos orgnicos, entre los

    que destacan sulfuros orgnicos, compuestos de nitrgeno y de oxgeno. Tambin hay

    trazas de compuestos metlicos, tales como sodio (Na), hierro (Fe), nquel (Ni), vanadio

    (V) o plomo (Pb). Asimismo, se pueden encontrar trazas de porfirinas.

  • ESTUDIO, DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN GENERADOR DE HIDRGENO POR ELECTRLISIS

    - 29 -

    2.3.2. Clasificacin de los diferentes tipos de petrleo

    La industria petrolera clasifica el petrleo crudo segn su lugar de origen y tambin en

    base a su densidad o gravedad API (ligero, medio, pesado, extrapesado); los

    refinadores tambin lo clasifican como "crudo dulce", que significa que contiene

    relativamente poco azufre, o "cido", que contiene mayores cantidades de azufre y,

    por lo tanto, se necesitarn ms operaciones de refinamiento para cumplir las

    especificaciones actuales de los productos refinados.

    Crudos de referencia

    Brent Blend, compuesto de quince crudos procedentes de campos de

    extraccin en los sistemas Brent y Ninian de los campos del Mar del Norte, este

    crudo se almacena y carga en la terminal de las Islas Shetland. La produccin de

    crudo de Europa, frica y Oriente Medio sigue la tendencia marcada por los

    precios de este crudo.

    West Texas Intermediate (WTI) para el crudo estadounidense.

    Dubi se usa como referencia para la produccin del crudo de la regin Asia-

    Pacfico.

    Tapis (de Malasia), usado como referencia para el crudo ligero del Lejano

    Oriente.

    Minas (de Indonesia), usado como referencia para el crudo pesado del Lejano

    Oriente.

    Clasificacin del petrleo segn su gravedad API

    Relacionndolo con su gravedad API el American Petroleum Institute clasifica el

    petrleo en "liviano", "mediano", "pesado" y "extra pesado":

    Crudo liviano o ligero: tiene gravedades API mayores a 31,1 API

    Crudo medio o mediano: tiene gravedades API entre 22,3 y 31,1 API.

    Crudo pesado: tiene gravedades API entre 10 y 22,3 API.

    Crudo extra pesado: gravedades API menores a 10 API.

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    2.3.3. Produccin

    Esta es una lista de pases segn su produccin de

    est actualizado segn The World Factbook

    Posicin Pas / Regin

    1 Rusia

    2 Arabia Saudita

    3 Estados Unidos

    4 Irn

    5 China

    6 Venezuela

    7 Canad

    8 Mxico

    9 Emiratos rabes Unidos

    10 Brasil11 Kuwait

    12 Irak

    13 Unin Europea

    14 Noru

    15 Nigeria

    16 Argelia

    17 Angola

    18 Libia

    19 Kazajistn

    20 Reino Unido

    21 Catar

    22 Indonesia

    23 Azerbaiyn

    24 Colombia

    25 India

    26 Omn

    27 Argentina

    28 Egipto

    29 Australia

    30 Sudn

    ESTUDIO, DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN GENERADOR DE HIDRGENO POR ELECTRLISIS

    - 30 -

    Esta es una lista de pases segn su produccin de petrleo en barriles por da

    The World Factbook.

    Pas / Regin Barriles / Da

    Rusia 10,120,000

    Arabia Saudita 9,764,000

    Estados Unidos 9,056,000

    4,172,000

    China 3,991,000

    Venezuela 3,524,000

    Canad 3,289,000

    Mxico 3,001,000

    Emiratos rabes Unidos 2,798,000

    Brasil 2,572,000

    Kuwait 2,494,000

    2,399,000

    Unin Europea 2,383,000

    Noruega 2,350,000

    Nigeria 2,211,000

    Argelia 2,125,000

    Angola 1,948,000

    1,790,000

    Kazajistn 1,540,000

    Reino Unido 1,502,000

    Catar 1,213,000

    Indonesia 1,023,000

    Azerbaiyn 1,011,000

    Colombia 1,000,000

    India 878,700

    Omn 816,000

    Argentina 723,700

    Egipto 680,500

    Australia 589,200

    Sudn 486,700

    ESTUDIO, DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN GENERADOR DE HIDRGENO POR ELECTRLISIS

    barriles por da. La lista

  • ESTUDIO, DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN GENERADOR DE HIDRGENO POR ELECTRLISIS

    - 31 -

    2.3.4. Proceso de extraccin

    El petrleo se extrae mediante la perforacin de un pozo sobre el yacimiento. Si la

    presin de los fluidos es suficiente, forzar la salida natural del petrleo a travs del

    pozo que se conecta mediante una red de oleoductos hacia su tratamiento primario,

    donde se deshidrata y estabiliza eliminando los compuestos ms voltiles.

    Posteriormente se transporta a refineras o plantas de mejoramiento. Durante la vida

    del yacimiento, la presin descender y ser necesario usar otras tcnicas para la

    extraccin del petrleo. Esas tcnicas incluyen la extraccin mediante bombas, la

    inyeccin de agua o la inyeccin de gas, entre otras.

    Los componentes qumicos del petrleo se separan y obtienen por destilacin

    mediante un proceso de refinamiento. De l se extraen diferentes productos, entre

    otros: propano, butano, gasolina, queroseno, gasleo, aceites lubricantes, asfaltos,

    carbn de coque, etc. Todos estos productos, de baja solubilidad, se obtienen en el

    orden indicado, de arriba abajo, en las torres de fraccionamiento.

    Debido a la importancia fundamental para la industria manufacturera y el transporte,

    el incremento del precio del petrleo puede ser responsable de grandes variaciones en

    las economas locales y provoca un fuerte impacto en la economa global.

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    - 32 -

    2.3.5. Refinado

    El petrleo es una mezcla de productos que para poder ser utilizado en las diferentes

    industrias y en los motores de combustin debe sufrir una serie de tratamientos

    diversos. Muy a menudo la calidad de un Petrleo crudo depende en gran medida de

    su origen . En funcin de dicho origen sus caractersticas varan: color, viscosidad,

    contenido. Por ello, el crudo a pie de pozo no puede ser utilizado tal cual. Se hace, por

    tanto, indispensable la utilizacin de diferentes procesos de tratamiento y

    transformacin para la obtencin del mayor nmero de productos de alto valor

    comercial. El conjunto de estos tratamientos constituyen el proceso de refino de

    petrleo o refinacin del petrleo.

    Destilacin fraccionada del petrleo

    El petrleo natural no se usa como se extrae de la naturaleza, sino que se separa en

    mezclas ms simples de hidrocarburos que tienen usos especficos, a este proceso se le

    conoce como destilacin fraccionada. El petrleo natural cuando hierve (a unos 400

    grados Celsius) se introduce a la parte baja de la torre, todas las sustancias que se

    evaporan a esa temperatura pasan como vapores a la cmara superior algo ms fra y

    en ella se condensan las fracciones ms pesadas que corresponden a los aceites

    lubricantes. De este proceso se obtienen las fracciones:

    Gases: metano, etano y gases licuados del petrleo (propano y butano)

    Nafta, ligrona o ter de petrleo

    Gasolina

    Queroseno

    Gasleo (ligero y pesado)

    Fuelleo

    Aceites lubricantes

    Asfalto

    Alquitrn

    La industria petroqumica elabora a partir del petrleo varios productos derivados,

    adems de combustibles, como plsticos, derivados del etileno, pesticidas, herbicidas,

    fertilizantes o fibras sintticas.

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    - 33 -

    Mtodos de mejoramiento de octanaje

    Reforming

    Es la reformacin de la estructura molecular de las naftas. Las naftas extradas

    directamente de la destilacin primaria suelen tener molculas lineales por lo que

    tienden a detonar por presin. Por eso el reforming se encarga de "reformar" dichas

    molculas lineales en ramificadas y cclicas. Al ser ms compactas no detonan por

    efecto de la presin. La reformacin puede realizarse de dos maneras distintas,

    mediante calor (lo cual es muy poco usual y se realiza en menor medida; se denomina

    reformacin trmica) o mediante calor y la asistencia de un catalizador (reformacin

    cataltica).

    Reforming cataltico (sin aditivos antidetonantes)

    Se deshidrogenan alcanos tanto de cadena abierta como cclicos para obtener

    aromticos, principalmente benceno, tolueno y xilenos, empleando catalizadores de

    platino -renio -almina. En la reformacin cataltica el nmero de tomos de carbono

    de los constituyentes de la carga no vara. Es posible convertir ciclohexanos sustituidos

    en bencenos sustituidos; parafinas lineales como el n-heptano se convierten en

    tolueno y tambin los ciclopentanos sustituidos pueden convertirse en aromticos. La

    reformacin cataltica es una reaccin a travs de iones carbono.

    Alquilacin

    Proceso para la produccin de un componente de gasolinas de alto octanaje por

    sntesis de butilenos con isobutano. El proceso de alquilacin es una sntesis qumica

    por medio de la cual se une un alcano ramificado al doble enlace de un alqueno,

    extrado del craking o segunda destilacin. Al resultado de la sntesis se le denomina

    alquilado o gasolina alquilada, producto constituido por componentes isoparafnicos.

    Su objetivo es producir una fraccin cuyas caractersticas tanto tcnicas (alto octano)

    como ambientales (bajas presin de vapor y reactividad fotoqumica) la hacen hoy en

    da, uno de los componentes ms importantes de la gasolina reformulada. La

    alquilacin es un proceso cataltico que requiere de un catalizador de naturaleza cida

    fuerte, y se utilizan para este propsito ya sea cido fluorhdrico o cido sulfrico.

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    - 34 -

    Isomerizacin

    Convierte la cadena recta de los hidrocarburos parafnicos en una cadena ramificada.

    Se hace sin aumentar o disminuir ninguno de sus componentes. Las parafinas, son

    hidrocarburos constituidos por cadenas de tomos de carbono asociados a hidrgeno,

    que poseen una gran variedad de estructuras; cuando la cadena de tomos de carbono

    es lineal, el compuesto se denomina parafina normal, y si la cadena es ramificada, el

    compuesto es una isoparafina. Las isoparafinas tienen nmero de octano superior a las

    parafinas normales, de tal manera que para mejorar la calidad del producto se utiliza

    un proceso en el que las parafinas normales se convierten en isoparafinas a travs de

    reacciones de isomerizacin. La prctica es separar por destilacin la corriente de nafta

    en dos cortes, ligero y pesado; el ligero que corresponde a molculas de cinco y seis

    tomos de carbono se alimenta al proceso de isomerizacin, mientras que el pesado,

    con molculas de siete a once tomos de carbono, es la carga al proceso de

    reformacin antes descrito. Las reacciones de isomerizacin son promovidas por

    catalizador de platino.

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    - 35 -

    2.3.6. Transporte

    Los medios por excelencia para el transporte de petrleo son los oleoductos y los

    buques-tanque.

    El paso inmediato al descubrimiento y explotacin de un yacimiento es su traslado

    hacia los centros de refinacin o a los puertos de embarque. Para ello se construye un

    oleoducto, trabajo que consiste en unir tubos de acero a lo largo de un trayecto

    determinado, desde el campo productor hasta el punto de refinacin y/o de

    embarque. Estas lneas de acero pueden ir sobre la superficie o bajo tierra y atraviesan

    la ms variada topografa.

    En la parte inicial del oleoducto una estacin de bombeo impulsa el petrleo y,

    dependiendo de la topografa por donde ste pase, se colocan estratgicamente otras

    estaciones para que le permitan superar sitios de gran altura. Los oleoductos disponen

    tambin de vlvulas que permiten controlar el paso del petrleo y atender

    oportunamente situaciones de emergencia.

    Los buques-tanque son a su vez enormes barcos dotados de compartimientos y

    sistemas especialmente diseados para el transporte de petrleo crudo, gas, gasolina

    o cualquier otro derivado. Son el medio de transporte ms utilizado para el comercio

    mundial del petrleo. La capacidad de estas naves vara segn el tamao de las mismas

    y de acuerdo con el servicio y la ruta que cubran.

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    - 36 -

    2.3.7. Reservas

    Si la extraccin contina al mismo ritmo que en el 2008, salvo que se encontrasen

    nuevos yacimientos, las reservas mundiales duraran aproximadamente 30 aos. Se

    calcula que quedan unas 143.000 millones de toneladas.

    Hay entre 6,8 y 7,2 barriles de petrleo por tonelada, en dependencia de la densidad

    del petrleo. Por tanto, las reservas de crudo se calculan entre 0,97 y 1,003 billones de

    barriles de petrleo.

    Sin embargo el lmite de las reservas podra estar ms cercano an si se tienen en

    cuenta modelos de previsin con un consumo creciente como ha venido siendo norma

    a lo largo de todo el siglo pasado. Los nuevos descubrimientos de yacimientos se han

    reducido drsticamente en las ltimas dcadas haciendo insostenible por mucho

    tiempo los elevados niveles de extraccin actuales, sin incluir la futura demanda de los

    consumidores asiticos. Por otra parte, la mayora de las principales reservas

    mundiales han entrado en declive y solo las de Oriente Medio mantienen un

    crecimiento sostenido. Se espera que incluso esos yacimientos entren en declive hacia

    el 2015, lo que provocara que toda la produccin mundial disminuyera

    irremediablemente, conduciendo a la mayor crisis energtica que haya sufrido el

    mundo industrializado.

    Segn la Teora del pico de Hubbert, actualizada con datos recientes por la Asociacin

    para el estudio del pico del petrleo, el inicio de dicho declive se habra producido en

    torno a 2007. La Agencia Internacional de la Energa reconoci en 2010 que el cnit de

    la extraccin mundial de petrleo convencional se haba producido en 2006.

    Existen otros tipos de reservas de hidrocarburos, conocidos como bitmenes, el cual es

    petrleo extra pesado, cuyas reservas ms conocidas son las de bitumen de las Arenas

    de Atabasca en Canad, y la faja petrolfera del Orinoco en Venezuela. Segn clculos

    de la estatal venezolana PDVSA, la unin de estas reservas no convencionales con

    reservas convencionales le da a Venezuela el primer puesto como el pas con mayores

    reservas de hidrocarburos en el planeta.

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    2.3.8. Consumo

    Durante el ao 2004, el consumo mundial de

    82,4 millones de barriles al da. Los responsables de casi la mitad del aumento son

    Estados Unidos y China, que en la actualidad utilizan 20,5 y 6,6 millones de barriles

    diarios, respectivamente.

    La demanda mundial de crudo prevista para 201diarios.

    Esta es una lista de pases segn su

    Posicin Pas / Regin

    Mundo

    1 Estados Unidos

    2 Unin Europea

    3 China

    4 Japn

    5 Alemania

    6 Rusia

    7 India

    8 Canad

    9 Corea del Sur

    10 Brasil11 Francia

    12 Mxico

    13 Italia

    14 Arabia Saudita

    15 Reino Unido

    16 Espaa

    17 Irn

    18 Indonesia

    19 Taiwn

    20 Pases Bajos

    21 Tailandia

    22 Australia

    23 Singapur

    24 Turqua

    25 Blgica

    26 Egipto

    27 Venezuela

    28 Malasia

    29 Sudfrica

    ESTUDIO, DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN GENERADOR DE HIDRGENO POR ELECTRLISIS

    - 37 -

    , el consumo mundial de petrleo se elev un 3,4% y alcanz los

    82,4 millones de barriles al da. Los responsables de casi la mitad del aumento son

    , que en la actualidad utilizan 20,5 y 6,6 millones de barriles

    demanda mundial de crudo prevista para 2012 ser de 89,3 millones de barriles

    Esta es una lista de pases segn su consumo de barriles de petrleo por da.

    Pas / Regin Consumo (Barriles / da)

    Mundo 85.980.000

    Estados Unidos 20,800,000

    Unin Europea 12.680.000

    China 6,930,000

    Japn 5,353,000

    Alemania 2.650.000

    Rusia 2.500.000

    India 2.450.000

    Canad 2.294.000

    Corea del Sur 2.149.000

    Brasil 2.100.000

    Francia 1.970.000

    Mxico 1.970.000

    Italia 1.881.000

    Arabia Saudita 1.845.000

    Reino Unido 1.827.000

    Espaa 1.573.000

    1.510.000

    Indonesia 1.168.000

    Taiwn 965.000

    Pases Bajos 946.700

    Tailandia 900.000

    Australia 877.300

    Singapur 800.000

    Turqua 715.100

    Blgica 641.000

    Egipto 590.000

    Venezuela 505.000

    Malasia 515.000

    Sudfrica 502.000

    ESTUDIO, DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN GENERADOR DE HIDRGENO POR ELECTRLISIS

    3,4% y alcanz los

    82,4 millones de barriles al da. Los responsables de casi la mitad del aumento son

    , que en la actualidad utilizan 20,5 y 6,6 millones de barriles

    ser de 89,3 millones de barriles

    barriles de petrleo por da.

    Consumo (Barriles / da)

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    - 38 -

    2.3.9. Aplicaciones

    Del petrleo obtenemos muchos subproductos diferentes, como son la gasolina y el

    gasoil, diferentes gases, etc. Lo usamos para generar electricidad, obtener energa

    calorfica y diversos lubricantes para maquinaria y vehculos.

    Pero tambin podemos obtener otras aplicaciones del petrleo aparte de la

    transformacin en otros productos.

    Algunas de las utilidades y usos del petrleo y sus derivados son:

    Sector

    Aplicaciones/Procesos

    Industrial

    Plsticos

    Fabricacin de aceros y electrodos

    Aislamiento material elctrico

    Cable comunicacin y fibra ptica

    Aceites y lubricantes

    Etc.

    Alimentacin

    Colorantes

    Antioxidantes

    Conservantes

    Envasado de alimentos

    Latas y botellas

    Etc.

    Textil

    Fibras sintticas

    Nailon

    Tratamiento de pieles

    Suelas zapatos

    Etc.

    Limpieza

    Champ

    Fabricacin de detergentes

    Productos de limpieza

    Etc.

    Agricultura

    Insecticidas

    Herbicidas

    Fertilizantes

    Etc.

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    - 39 -

    Medicina

    Prtesis

    Implantes de odontologa

    Gafas

    Pomadas

    Ungentos

    Etc.

    Combustible

    Calefaccin

    Automviles

    Aviones

    Barcos

    Etc.

    Construccin

    Carreteras

    Pavimentos

    Cementos

    Hormign

    Pinturas

    Etc.

    Muebles

    Aglomerados

    Productos laminados

    Etc.

    Papel

    Libros

    Tratamiento de papel y cartones.

    Etc.

    Otros productos de uso cotidiano: alfombras, cortinas para bao, bolsas de basura,

    fsforos, mangueras, chalecos salvavidas, tiendas de campaa, raquetas de tenis,

    juguetes, bolgrafos, pegamento, etc.

  • ESTUDIO, DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN GENERADOR DE HIDRGENO POR ELECTRLISIS

    - 40 -

    2.3.10. Problemas

    Contaminacin

    El petrleo tiene el problema de ser insoluble en agua y por lo tanto, difcil de limpiar.

    Adems, la combustin de sus derivados produce productos residuales: partculas,

    CO2, SOx (xidos de azufre), NOx (xidos nitrosos), etc.

    En general, los derrames de hidrocarburos afectan profundamente a la fauna y flora

    del lugar, razn por la cual la industria petrolera mundial debe cumplir normas y

    procedimientos estrictos en materia de proteccin ambiental.

    Casi la mitad del petrleo y derivados industriales que se vierten en el mar, son

    residuos que vuelcan las ciudades costeras. El mar es empleado como un accesible y

    barato depsito de sustancias contaminantes.

    Otros derrames se deben a accidentes que sufren los grandes barcos contenedores de

    petrleo, que por negligencia transportan el combustible en condiciones inadecuadas.

    De cualquier manera, los derrames de petrleo representan una de las mayores causas

    de la contaminacin ocenica. Ocasionan gran mortandad de aves acuticas, peces y

    otros seres vivos de los ocanos, alterando el equilibrio del ecosistema. En las zonas

    afectadas, se vuelven imposibles la pesca, la navegacin y el aprovechamiento de las

    playas con fines recreativos.

    Cambio climtico

    La combustin de los derivados del petrleo es una de las principales causas de

    emisin de CO2, cuya acumulacin en la atmsfera genera el cambio climtico.

    Conflictos geopolticos

    El control del petrleo se ha vinculado a diversos conflictos blicos desde la Segunda

    Guerra Mundial hasta los ms recientes en Iraq (1991 y 2004).

  • ESTUDIO, DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN GENERADOR DE HIDRGENO POR ELECTRLISIS

    - 41 -

    3. ENERGAS ALTERNATIVAS

    Como se ha comentado en el apartado anterior, la energa es un factor bsico para el

    progreso y el bienestar de una sociedad. En una sociedad como la actual, en

    permanente desarrollo y crecimiento, exige tambin una demanda creciente de

    energa. En un sistema energtico como el actual, que las principales fuentes de

    energa son los combustibles fsiles y la energa nuclear, y sabiendo que estos son

    finitos, es inevitable que en un determinado momento la demanda energtica global

    no pueda ser abastecida y todo el sistema se colapse, producindose una crisis

    energtica. Para evitar esto, la solucin es investigar y desarrollar nuevos mtodos

    para obtener energa, las energas alternativas.

    Las diferentes energas renovables, son aquellas que se obtienen de fuentes naturales

    inagotables, ya sea porque son capaces de regenerarse por medios naturales o por el

    gran poder energtico que contienen. Adems durante el proceso de transformacin

    de estas energas no se producen ningn tipo de residuos ni contaminantes.

    El concepto de energa alternativa, es similar pero no idntico al de energa renovable.

    La alternativa, o fuente alternativa es aquella que puede suplir a las fuentes

    energticas actuales, ya sea por su posibilidad de renovacin o por su menos efecto

    contaminante. Segn esta definicin, algunos autores incluyen la energa nuclear

    dentro de las alternativas, ya que generan muy pocos gases de efecto invernadero.

    El Sol est en el origen de todas las energas renovables ya que su calor provoca en la

    Tierra las diferencias de presin que dan origen a los vientos, fuente de la energa

    elica. El Sol ordena el ciclo del agua, causa de la evaporacin que predispone la

    formacin de nubes y, por tanto, las lluvias. Tambin del Sol procede la energa

    mareomotriz. Las plantas se sirven del Sol para realizar la fotosntesis, vivir y crecer.

    Toda esa materia vegetal es la biomasa. Por ltimo, el Sol se aprovecha directamente

    en las energas solares, tanto la trmica como la fotovoltaica.

    El hidrgeno no es una fuente de energa, como tampoco lo es la electricidad, pero es

    sin duda el combustible limpio del futuro y algn da se producir fundamentalmente a

    partir de energas renovables.

    En este apartado, se explicaran las diferentes energas renovables que existen

    actualmente y sus caractersticas principales.

  • ESTUDIO, DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN GENERADOR DE HIDRGENO POR ELECTRLISIS

    - 42 -

    3.1. Energa solar

    Como bien sabemos, la energa solar es un tipo de energa que no contamina, y sobre

    todo que no se acaba, por lo que a da de hoy es uno de los tipos de energa que ms

    se est investigando, sobre todo teniendo en cuenta que es inagotable, no como las

    fuentes de energa que se usan actualmente.

    En primer lugar, hay que recordar que la energa solar es recogida del sol, y se

    transforma en energa til para el ser humano y sus necesidades.

    Debemos decir que el sol nos manda a la tierra algo ms de 4000 mil veces ms de

    energa de la que necesitamos, por lo que hay que intentar aprovechar este exceso de

    energa para nuestro beneficio. Debido a esto, cada vez ms empresas luchan por el

    desarrollo de este tipo de energa.

    Lo malo segn los expertos de este tipo de energa es que dicha energa no es

    continua, es decir, vara segn la poca del ao, el tiempo lo que hace que la

    produccin de la misma no sea continua, lo que obliga a pensar en nuevas medidas

    para hacer que cuando los paneles solares no sean capaces de producir apenas

    energa, otras fuentes s sean capaces. El futuro podra desarrollarse de la mano de dos

    o ms fuentes renovables, lo que garantizara que el ser humano tuviese la energa que

    necesita de una manera continuada, que es lo que finalmente se busca en cualquier

    tipo de modelo energtico.

    La energa solar la podemos dividir en dos apartados diferentes segn la manera de

    aprovechar la energa; energa solar trmica y energa solar fotovoltaica.

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    - 43 -

    3.1.1. Energa solar fotovoltaica

    La energa solar fotovoltaica es un tipo de electricidad renovable (energa elctrica, -

    voltaica) obtenida directamente de los rayos del sol (foto-) gracias a la foto-deteccin

    cuntica de un determinado dispositivo; normalmente una lmina metlica

    semiconductora llamada clula fotovoltaica, o una deposicin de metales sobre un

    sustrato llamada capa fina. Tambin estn en fase de laboratorio mtodos orgnicos.

    Se usa para alimentar innumerables aparatos autnomos, para abastecer refugios o

    casas aisladas y para producir electricidad para redes de distribucin.

    Los mdulos o paneles fotovoltaicos estn formados por un cristal o lmina

    transparente superior y un cerramiento inferior entre los que queda encapsulado el

    sustrato conversor y sus conexiones elctricas. La lmina inferior puede ser

    transparente, pero lo ms frecuente es un plstico de tedlar. Para encapsular se suele

    aadir unas lminas finas y transparentes de EVA que se funden para crear un sellado

    anti humedad, aislante, transparente y robusto.

    La corriente elctrica continua que proporcionan los mdulos fotovoltaicos se puede

    transformar en corriente alterna mediante un aparato electrnico llamado inversor e

    inyectarla en la red elctrica, operacin actualmente sujeta a subvenciones en muchos

    lugares para una mayor viabilidad.

    El proceso, simplificado, sera el siguiente: Se genera la energa a bajas tensiones (380-

    800 V) y en corriente continua. Se transforma con un inversor en corriente alterna.

    Mediante un centro de transformacin se eleva a Media tensin (15 25 kV) y se

    inyecta en las redes de transporte de la compaa.

    En entornos aislados, donde se requiere poca potencia elctrica y el acceso a la red es

    difcil, como estaciones meteorolgicas o repetidores de comunicaciones, se emplean

    las placas fotovoltaicas como alternativa econmicamente viable. Para comprender la

    importancia de esta posibilidad, conviene tener en cuenta que aproximadamente una

    cuarta parte de la poblacin mundial no tiene acceso a la energa elctrica.

    Ejemplo de los paneles fotovoltaicos de una central elctrica.

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    - 44 -

    3.1.2. Energa Solar Trmica

    La energa solar trmica o energa termosolar consiste en el aprovechamiento de la

    energa del Sol para producir calor que puede aprovecharse para cocinar alimentos o

    para la produccin de agua caliente destinada al consumo de agua domstico, ya sea

    agua caliente sanitaria, calefaccin, o para produccin de energa mecnica y, a partir

    de ella, de energa elctrica. Este es el punto en el que nos centraremos, la generacin

    de electricidad mediante la energa solar trmica.

    Una central trmica solar o central termosolar es una instalacin industrial en la que, a

    partir del calentamiento de un fluido mediante radiacin solar y su uso en un ciclo

    termodinmico convencional, se produce la potencia necesaria para mover un

    alternador y as generar energa elctrica como en una central trmica clsica.

    Constructivamente, es necesario concentrar la radiacin solar para que se puedan

    alcanzar temperaturas elevadas, de 300 C hasta 1000 C, y obtener as un

    rendimiento aceptable en el ciclo termodinmico, que no se podra obtener con

    temperaturas ms bajas. La captacin y concentracin de los rayos solares se hacen

    por medio de espejos con orientacin automtica que apuntan a una torre central

    donde se calienta el fluido, o con mecanismos ms pequeos de geometra parablica.

    El conjunto de la superficie reflectante y su dispositivo de orientacin se denomina

    heliostato.

    Los fluidos y ciclos termodinmicos escogidos en las configuraciones experimentales

    que se han ensayado, as como los motores que implican, son variados, y van desde el

    ciclo Rankine (centrales nucleares, trmicas de carbn) hasta el ciclo Brayton

    (centrales de gas natural) pasando por muchas otras variedades como el motor de

    Stirling, siendo las ms utilizadas las que combinan la energa termosolar con el gas

    natural.

    Existen diferentes tipos de centrales trmicas solares

    Las centrales de colectores distribuidos

    Estas centrales estas formadas por los colectores de concentracin, que pueden ser

    cilndricos o de discos parablicos.

    Estos colectores concentran la radiacin solar que recibe la superficie captadora en un

    elemento receptor de superficie muy reducida (un punto, una lnea). Al ser el receptor

    pequeo, puede estar fabricado a partir de materiales sofisticados y caros que

    permiten una mejor absorcin de la energa solar. Por otro lado, al recibir la radiacin

    solar de manera concentrada, los colectores de concentracin son capaces de

    proporcionar temperaturas de hasta 300C con buenos rendimientos.

  • ESTUDIO, DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN GENERADOR DE HIDRGENO POR ELECTRLISIS

    - 45 -

    Las centrales de colectores de concentracin se utilizan para generar vapor a alta

    temperatura con destino a procesos industriales, para producir energa elctrica, etc.

    Hay colectores de concentracin de varios tipos. Pero todos ellos tienen en comn que

    exigen estar dotados, para ser eficientes, de un sistema de seguimiento que les

    permita permanecer constantemente situados en la mejor posicin para recibir los

    rayos del sol a lo largo del da.

    Los sistemas de seguimiento del sol de estos colectores son de varios tipos. El colector

    de concentracin cilndrico-parablico (uno de los ms difundidos) suele utilizar un

    reloj o sensor ptico. Este ltimo combinado con un servomotor, hace girar al colector

    siguiendo la direccin del sol.

    Uno de los inconvenientes de la mayora de los colectores de concentracin (y entre

    ellos, del cilndrico parablico) es que slo aprovechan la radiacin directa del Sol, es

    decir, que slo aprovechan los rayos solares que realmente inciden sobre su superficie.

    No son capaces, por el contrario, de captar la radiacin solar difusa. Por ello, no

    resultan convenientes en zonas climticas que, aunque reciben una aceptable cantidad

    de radiacin solar, son relativamente nubosas. Slo resultan realmente eficaces en

    zonas autnticamente soleadas.

    Ejemplo de colectores cilndricos(1) y de discos parablicos(2) en una central de colectores distribuidos.

    Las centrales de torre

    Una central de torre, tambin conocida como sistema de receptor central, est

    compuesta por un sistema concentrador o campo de heliostatos, que capta y

    concentra la componente directa de la radiacin solar sobre un receptor, donde se

    produce la conversin de la energa radiante en energa trmica y que suele instalarse

    en la parte superior de una torre. El fluido de trabajo puede ser, entre otros, aire,

    vapor de agua, sodio fundido o sales fundidas, segn la tecnologa escogida. En las de

    vapor de agua, este mueve directamente una turbina. En los otros, el fluido transporta

    el calor a un generador de vapor de agua, con el que se hace funcionar una turbina que

    mueve al generador elctrico.

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    Uno de los componentes ms crticos de las centrales de torre es el receptor, situado

    en lo alto de la misma, debido a las altas temperaturas y gradientes que puede

    alcanzar, lo cual est adems ntimamente ligado al rendimiento del ciclo

    termodinmico. Los estudios actuales se centran bsicamente en la eleccin de

    materiales y la disposicin de estos de forma que existan las menores prdidas de

    calor posibles, incrementando as no slo la eficiencia global del ciclo sino la del

    receptor en s. Existen receptores volumtricos, de tubos, abiertos, de cavidad,

    circulares, etc.

    En cuanto al sistema ptico, ste es la principal caracterstica que distingue la

    tecnologa termosolar de otras convencionales de produccin de electricidad. Debido a

    las grandes extensiones de superficie reflectante necesaria, una parte importante de

    los costes de una planta estn ligados a los helistatos, o los colectores cilindro

    parablicos en su caso. El sistema de apunte es crtico a fin de optimizar el campo,

    maximizando la radiacin anual reflejada incidente en el receptor de la torre evitando

    gradientes en el mismo. El seguimiento solar se lleva a cabo mediante un sistema de

    control automtico que puede estar ms o menos centralizado, el cual hace funcionar

    pequeos motores elctricos que mueven la superficie reflectora con dos grados de

    libertad, esto son, dos ejes. Se estn llevando a cabo tambin estudios de mejora del

    sistema de control, intentando reducir los costes totales de las plantas.

    Ejemplo de una central solar trmica de torre.

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    3.2. Energa Elica

    La energa elica es la energa obtenida del viento, es decir, la energa cintica

    generada por efecto de las corrientes de aire, y que es transformada en energa

    elctrica, energa til para las actividades humanas.

    El trmino elico viene del latn Aeolicus, perteneciente o relativo a Eolo, dios de los

    vientos en la mitologa griega. La energa elica ha sido aprovechada desde la

    antigedad para mover los barcos impulsados por velas o hacer funcionar la

    maquinaria de molinos al mover sus aspas.

    En la actualidad es utilizada principalmente para producir energa elctrica mediante

    aerogeneradores.

    La energa elica es un recurso abundante, renovable, limpio y ayuda a disminuir las

    emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar termoelctricas a base de

    combustibles fsiles, lo que la convierte en un tipo de energa verde. Sin embargo, el

    principal inconveniente es su intermitencia.

    La energa del viento est relacionada con el movimiento de las masas de aire que se

    desplazan de reas de alta presin atmosfrica hacia reas adyacentes de baja presin,

    con velocidades proporcionales al gradiente de presin.

    Los vientos son generados a causa del calentamiento no uniforme de la superficie

    terrestre por parte de la radiacin solar. Entre el 1 y 2% de la energa proveniente del

    sol se convierte en viento. De da, las masas de aire sobre los ocanos, los mares y los

    lagos se mantienen fras con relacin a las reas vecinas situadas sobre las masas

    continentales. Los continentes absorben una menor cantidad de luz solar, por lo tanto

    el aire que se encuentra sobre la tierra se expande, y se hace por lo tanto ms liviana y

    se eleva. El aire ms fro y ms pesado que proviene de los mares, ocanos y grandes

    lagos se pone en movimiento para ocupar el lugar dejado por el aire caliente.

    Para poder aprovechar la energa elica es importante conocer las variaciones diurnas

    y nocturnas y estacionales de los vientos, la variacin de la velocidad del viento con la

    altura sobre el suelo, la entidad de las rfagas en espacios de tiempo breves, y valores

    mximos ocurridos en series histricas de datos con una duracin mnima de 20 aos.

    Es tambin importante conocer la velocidad mxima del viento. Para poder utilizar la

    energa del viento, es necesario que ste alcance una velocidad mnima que depende

    del aerogenerador que se vaya a utilizar pero que suele empezar entre los 3 m/s

    (10 km/h) y los 4 m/s (14,4 km/h), velocidad llamada "cut-in speed", y que no supere

    los 25 m/s (90 km/h), velocidad llamada "cut-out speed".

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    La energa del viento es utilizada mediante el uso de mquinas elicas (o aeromotores)

    capaces de transformar la energa elica en energa mecnica de rotacin utilizable, ya

    sea para accionar directamente las mquinas, como para la produccin de energa

    elctrica. En este ltimo caso, el sistema de conversin, que comprende un generador

    elctrico con sus sistemas de control y de conexin a la red, es conocido como

    aerogenerador.

    En la actualidad se utiliza, sobre todo, para mover aerogeneradores. En estos la energa

    elica mueve una hlice y mediante un sistema mecnico se hace girar el rotor de un

    generador, normalmente un alternador, que produce electricidad. Para que su

    instalacin resulte rentable, suelen agruparse en concentraciones denominadas

    parques elicos.

    Ejemplo de un parque elico.

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    3.2.1. Ventajas e inconvenientes de la energa elica

    Ventajas de la energa elica:

    Es un tipo de energa renovable ya que tiene su origen en procesos

    atmosfricos debidos a la energa que llega a la Tierra procedente del Sol.

    Es una energa limpia ya que no produce emisiones atmosfricas ni residuos

    contaminantes.

    No requiere una combustin que produzca dixido de carbono (CO2), por lo

    que no contribuye al incremento del efecto invernadero ni al cambio climtico.

    Puede instalarse en espacios no aptos para otros fines, por ejemplo en zonas

    desrticas, prximas a la costa, en laderas ridas y muy empinadas para ser

    cultivables.

    Puede convivir con otros usos del suelo, por ejemplo prados para uso ganadero

    o cultivos bajos como trigo, maz, patatas, remolacha, etc.

    Su instalacin es rpida, entre 4 meses y 9 meses.

    La situacin actual permite cubrir la demanda de energa en Espaa un 30%

    debido a la mltiple situacin de los parques elicos sobre el territorio,

    compensando la baja produccin de unos por falta de viento con la alta

    produccin en las zonas de viento. Los sistemas del sistema elctrico permiten

    estabilizar la forma de onda producida en la generacin elctrica solventando

    los problemas que presentaban los aerogeneradores como productores de

    energa al principio de su instalacin.

    Posibilidad de construir parques elicos en el mar, donde el viento es ms

    fuerte, ms constante y el impacto social es menor, aunque aumentan los

    costes de instalacin y mantenimiento. Los parques offshore son una realidad

    en los pases del norte de Europa, donde la generacin elica empieza a ser un

    factor bastante importante.

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    Inconvenientes de la energa elica:

    Debido a la falta de seguridad en la existencia de viento, la energa elica no

    puede ser utilizada como nica fuente de energa elctrica. Por lo tanto, para

    salvar los "valles" en la produccin de energa elica es indispensable un

    respaldo de las energas convencionales.

    Para evacuar la electricidad producida por cada parque elico (que suelen estar

    situados adems en parajes naturales apartados) es necesario construir unas

    lneas de alta tensin que sean capaces de conducir el mximo de electr