Análisis teórico–descriptivo del funcionamiento del motor impulsado por hidrogeno – Aplicaciones en: BMW Hydrogen 7, Mazda RX 8 RE, Honda FCX Clarity (página 2)
Enviado por CARLOS ESTACIO
Dirigible: aparato más ligero que el aire con una carena llena de un gas capaz de elevarlo, un dispositivo de propulsión, medios para ajustar la fuerza ascensional y una o más góndolas para la tripulación, los pasajeros y las unidades de alimentación. La carena contiene siempre helio, aunque antes se utilizaba hidrógeno, y es alargada o fusiforme para reducir la resistencia al aire. El dispositivo de propulsión suele tener uno o varios motores y hélices. Se puede soltar lastre, que suele ser arena o agua, para aumentar la fuerza ascensional y liberar gas para reducirla. Otra posibilidad es inflar o desi nflar las cámaras de aire, llamadas balonets, que hay dentro de la carena de gas principal: de esta forma se altera la densidad global del dirigible. Para dirigir el aparato, el piloto usa uno o varios timones de dirección articulados en vertical; para subir o descender, utiliza uno o varios timones de altura o profundidad articulados en horizontal.
Electrolisis: El método de separación electrolítica tiene un interés histórico, pues fue el primer método utilizado para separar deuterio prácticamente puro. Cuando el agua sufre una electrólisis, el isótopo más ligero del hidrógeno tiende a salir antes, dejando atrás un residuo de agua enriquecida con el isótopo más pesado.
Pila o célula de combustible: Mecanismo electroquímico en el cual la energía de una reacción química se convierte directamente en electricidad. A diferencia de la pila eléctrica o batería, una pila de combustible no se acaba ni necesita ser recargada; funciona mientras el combustible y el oxidante le sean suministrados desde fuera de la pila.
Hidrocracking: Craqueo o Cracking, proceso químico por el cual un compuesto químico, normalmente orgánico, se descompone o fracciona en compuestos más simples. El craqueo se realiza ya sea por la aplicación de calor y alta presión, mediante el proceso conocido como craqueo térmico, o bien por el craqueo catalítico, que es la combinación de calor y una catálisis.
Motor Wankel: Felix Wankel (1902-1988), ingeniero alemán conocido por haber inventado el motor Wankel. También llamado motor rotativo o rotatorio Wankel, utiliza, para producir energía, un rotor giratorio dentro de una cámara, en lugar de pistones. Es más potente y más sencillo que un motor tradicional de combustión interna del mismo tama ño. Sería posible extender el uso de este tipo de motor si pudieran resolverse los problemas de elevado consumo de combustible y alta emisión de gases.
Criogenia: estudio y utilización de materiales a temperaturas muy bajas. No se ha acordado un límite superior para las temperaturas criogénicas, pero el Instituto Nacional de Modelos y Tecnología de Estados Unidos ha sugerido que se aplique el término =criogenia" para todas las temperaturas inferiores a -150 °C (123 K). Algunos científicos consideran el punto de ebullición normal del oxígeno (-183 °C) como límite superior (véase Cero absoluto). Las temperaturas criogénicas se obtienen por la evaporación rápida de líquidos volátiles o por la expansión de gases confi nados a presiones de entre 150 a 200 atmósferas. La expansión puede ser simple, es decir, a través de una válvula que comunica con una región de menor presión, o tener lugar en el cilindro de un motor alternativo, donde el gas impulsa el pistón del motor. El segundo método es más eficiente, pero también es más difícil de aplicar. Véase Calor.
Poliestireno / Polystyrene: embalaje sintético o el material aislante, un polímero sintético de styrene que es estable en varias formas físicas. Como una espuma rígida blanca los polystyrene se extienden.
Es de conocimiento público que la principal fuente de energía actual, es decir, el petróleo y sus derivados, no disponen de una vida ilimitada. Más bien al contrario, en unos 40 ó 50 años las reservas quedarán parcialmente agotadas.
Otro problema primordial derivado de la actual política energética es el de la contaminación, ya que el gran aumento de vehículos a nivel mundial a generado también un aumento acelerado de emisiones contaminantes por el funcionamiento diario de estos vehículos ya sean estos a gasolina o a diesel.
Es por esto que se ha desarrollado este informe de una nueva fuente de energía para la movilidad de los vehículos como lo es el hidrogeno en donde se explica el funcionamiento del motor de hidrogeno, los tipos de aplicaciones del hidrogeno en los vehículos y que se necesita para este funcionamiento.
El Hidrogeno es el elemento más abundante del Universo y uno de los más abundantes de la Naturaleza, es un combustible inagotable que no produce emisiones contaminantes ni de efecto invernadero, ya sea quemándolo o haciéndolo reaccionar químicamente para producir electricidad, es la única alternativa sostenible frente a los combustibles fósiles, si el hidrogeno es producido a partir de la electrolisis del agua mediante energía eléctrica de origen renovable como por ejemplo con plantas hidroeléctricas o plantas eólicas, cierra un ciclo natural y limpio, este combustible tiene un gran potencial para ser utilizado y está llamado a ser uno de los protagonistas del inminente futuro del modelo energético a nivel mundial.
El único inconveniente hasta el momento es que no existen lugares de repostaje para los nuevos vehículos con hidrogeno y que por ser una nueva tecnología los costos son todavía muy altos.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Un grupo de alumnos del Nivel Tecnológico del I. T. S. ? Central Técnico?, específicamente del sexto nivel de la Escuela de Mecánica Automotriz hemos visto la necesidad de Implementar una Biblioteca Virtual para uso de los estudiantes de dicha escuela, ya que en la actualidad nos encontramos con que la información se distribuye y almacena en forma digital y no disponemos de una infraestructura idónea para aprovechar la información generada, al no tener acceso a la información digital que se encuentra disponible en la biblioteca de la escuela mencionada y por no contar con los equipos y espacios suficientes para la utilizació n de la misma implementamos la Biblioteca Virtual para la Escuela de Mecánica Automotriz.
Para enriquecer de información reciente y actuali zada se ha desarrollado esta investigación de cómo funcionan los motores de hidrogeno de los vehículos: BMW Hydrogen 7, MAZDA RX 8 RE, HONDA FCX Clarity, cuales son los tipos de aplicaciones del hidrogeno en estos vehículos, cual es tipo de almacenamiento que tiene cada uno de estos vehículos, en qué estado se encuentra el hidrogeno que se utiliza para cada aplicación, información que será puesta a disposición del alumnado de la Escuela de Mecánica Automotriz por medio de la Biblioteca Virtual.
En esta Biblioteca Virtual se podrá utilizar conectividad inalámbrica de Internet, dictar cursos de capacitación, utilizar información multimedia para un mejor entendimiento de la materia, ya que nuestra especialidad automotriz requiere de variados y complejos métodos de enseñanza.
Ante la falta de sostenibilidad del modelo de transporte actual, debida a los recursos energéticos limitados, el impacto ambiental y la falta de equidad en el acceso a estos recursos, se hace necesario realizar una investigación capaz de dar bases de desarrollo de nuevas energías renovables en los vehículos.
La alternativa del hidrogeno como combustible tiene un gran potencial para este propósito, la motivación de esta alternativa ha sido alimentada principalmente por tres hechos importantes:
Usa serie de avances tecnológicos en las pilas de hidrogeno
Una creciente preocupación sobre los problemas ambientales hacia los que nos estamos dirigiendo inevitablemente
Y por último el hecho de que se han desarrollado innovaciones tecnológicas en cuanto a producción de hidrogeno libre de emisiones de efecto invernadero.
Este proyecto analiza tres tipos de vehículos que usan en la actualidad hidrogeno como combustible para sus motores, para reducir las emisiones contami nantes.
FORMULACIÓN DEL PROBLEMA CIENTÍFICO
¿Cómo funciona el motor impulsado por hidrogeno, con sus aplicaciones en los vehículos: BMW Hydrogen 7, MAZDA RX 8 RE, HONDA FCX Clarity, cual es tipo de almacenamiento del hidrogeno que tiene cada uno de estos vehículos?
Investigación realizada en la ci udad de Quito en el periodo 2008 – 2009
PREGUNTAS QUE SE DERIVAN DEL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN
¿Qué es el hidrogeno?
¿Cuál es la razón por la cual necesitamos el hidrogeno como combustible?
¿Cuáles son las aplicaciones del hidrogeno en los vehículos y su funcionamiento?
¿Cómo funciona la aplicación del hidrogeno en el BMW Hydrogen 7?
¿Cómo funciona la aplicación del hidrogeno en el MAZDA RX_8 RE?
¿Cómo funciona la aplicación del hidrogeno en el HONDA FCX Clarity?
¿Cuáles son las ventajas e inconvenientes del hidrogeno?
Describir el funcionamiento del motor impulsado por hidrogeno, con sus aplicaciones en los vehículos: BMW Hydrogen 7, MAZDA RX 8 RE, HONDA FCX Clarity con el tipo de almacenamiento que tiene cada uno de estos vehículos y en qué estado se encuentra el hidrogeno que se utiliza para cada aplicación.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Determinar que es el hidrogeno, en qué estado se encuentra en la naturaleza y sus características principales.
Especificar la necesidad de utilizar el hidrogeno como combustible
Establecer las aplicaciones de hidrogeno en los vehículos y su funcionamiento.
Describir el funcionamiento de la aplicación del hidrogeno en el BMW Hydrogen 7.
Describir el funcionamiento de la aplicación del hidrogeno en el MAZDA RX 8 RE.
La importancia de esta investigación radica en que en el planeta existen excesivas emisiones toxicas producidas por los motores de combustión interna tanto a gasolina como a diesel, estas emisiones son motivadas por que a nivel mundial el recurso más utili zado para impulsar los vehículos son los derivados del petróleo, pero esta fuente de energía no es ilimitada ni renovable, al contrario en unos 40 ó 50 años las reservas quedarán agotadas.
Otro problema primordial derivado de la actual política energética es el de la contami nación, los contaminantes del aire son sustancias que, están presentes en la atmósfera, afectan de manera adversa a la salud de humanos, animales, plantas o vida microbiana; dañan materiales o interfieren con el disfrute de la vida y el uso de propiedades.
En ciertos casos, no se realiza un control apropiado de las emisiones, debiendo depender entonces de su dispersión y de los procesos naturales de limpieza de la atmósfera para evitar concentraciones excesivas de contami nantes, las cuales causarían efectos indeseables ya que el control de la contaminación del aire no siempre es fácil, porque no es práctico eliminar todas las emisiones de un contaminante específico.
Durante siglos, la costumbre de arrojar los humos de la combustión y otros a la atmósfera fue la manera natural de evitar sus efectos nocivos evidentes. Con el incremento de la actividad industrial y el tránsito vehicular se ha formado en la atmósfera el esmog.
Estos contaminantes no sólo afectan directamente al ser humano , sino que también lo están haciendo de forma indirecta gracias al temido efecto invernadero, el cual puede llegar a provocar un fuerte cambio en el clima global de forma que se incrementarán los fenómenos climáticos extremos como huracanes, tifones, sequías, inundaciones, etc.
Otro problema de los combustibles derivados del petróleo es el de la diversidad geográfica, ya que el petróleo se encuentra concentrado en un pequeño número de naciones agrupadas en la O. P. E. P., organización que ya dio un toque de atención a la comunidad internacional con la crisis del petróleo de los años 70.
Desde un punto de vista económico este es un gran inconveniente que se debería solucionar con la diversificación de las fuentes de energía, algo que el combustible que trataremos en este informe ayudará a conseguir.
El problema más grave y que alzará a un puesto de privilegio a las energías renovables y a los combustibles ecológicos será la elevación del precio del petróleo a medida que se vaya agotando. Será entonces, y sólo entonces, cuando existirá un consenso global para la transición de un sistema energético a otro que sea sostenible.
Son bastantes los años que se lleva investigando arduamente en el campo de las energías renovables con el fin de encontrar la solución a estos graves problemas. No obstante, las opciones más conocidas, como pueden ser la energía solar, eólica, nuclear, etc., no logran satisfacer la elevada demanda energética de los países desarrollados, y mucho menos lograrán suplir de energía a las naciones en desarrollo, al menos a corto plazo.
La cuestión es que estas fuentes de energía sufren una serie de problemas, principalmente tecnológicos, que las convierten en inviables a la hora de satisfacer la demanda energética mundial de forma sostenible en la actualidad. Es de esperar que las investigaciones en estos campos avancen de forma que se consiga una producción energética suficiente y sostenible.
En este informe se tratará las aplicaciones del hidrógeno como combustible en motores de combustión i nterna tanto como en motores de pila de combustible. El hidrógeno es considerado como la opción de futuro para sustituir al petróleo como fuente principal de energía, tanto en el campo de la automoción como en cualquier otro.
Es un hecho que la mayor parte del combustible de origen fósil se emplea en el campo de la automoción y transporte, con lo que una gran parte de la contaminación será generada por vehículos. Es por esto que con esta investigación se quiere promover el empleo de hidrógeno como combustible en los vehículos para que las emisiones de CO2 se reduzcan considerablemente.
Aire Puro, es el aire que deseamos respirar, sin embargo en los últimos años ha sufrido un serio deterioro a causa de las acciones del hombre.
CAPITULO I
QUE ES EL HIDRÓGENO, EN QUE ESTADO SE ENCUENTRA EN LA NATURALEZA Y SUS CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES.
EL HIDRÓGENO
El hidrógeno es un elemento químico representado por el símbolo H y con un número atómico de 1. En condiciones normales de presión y temperatura, es un gas diatómico (H2) incoloro, inodoro, insípido, no metálico y altamente inflamable, el hidrógeno es el elemento químico más ligero y es, también, el elemento más abundante, constituyendo aproximadamente el 75% de la materia del universo. 1
El hidrógeno elemental es muy escaso en la Tierra y es producido industrialmente a partir de hidrocarburos como, por ejemplo, el metano. La mayor parte del hidrógeno elemental se obtiene "in situ" 2, es decir, en el lugar y en el momento en el que se necesita.
El hidrógeno puede obtenerse a partir del agua por un proceso de electrólisis, pero resulta un método mucho más caro que la obtención a partir del gas natural.
El hidrógeno puede formar compuestos con la mayoría de los elementos y está presente en el agua y en la mayoría de los compuestos orgánicos.
Desempeña un papel particularmente importante en la química ácido – base, en la que muchas reacciones conllevan el intercambio de protones entre moléculas solubles.
Sus principales aplicaciones industriales son el refinado de combustibles fósiles (por ejemplo, el hidrocracki ng)3 y la producción de amoníaco (usado principalmente para fertilizantes).
NOMENCLATURA
Hidrógeno, del latín "hydrogenium", y éste del griego antiguo ?d??
(hydor): "agua" y ?????-?s(genos): "generador". 4
La palabra hidrógeno puede referirse tanto al elemento atómico como a la molécula diatómica (H2) que se encuentra en trazas en la atmósfera terrestre. Los químicos tienden a referirse a esta molécula como dihidrógeno, molécula de hidrógeno, o hidrógeno diatómico, para distinguirla del elemento.
HISTORIA
Descubrimiento del hidrógeno
El hidrógeno diatómico gaseoso, H2, fue formalmente descrito por primera vez por T. Von Hohenheim (más conocido como Paracelso, 1493 – 1541) que lo obtuvo artificialmente mezclando metales con ácidos fuertes.
Paracelso no era consciente de que el gas inflamable generado en estas reacciones químicas estaba compuesto por un nuevo elemento químico.
En 1671, Robert Boyle redescubrió y describió la reacción que se producía entre limaduras de hierro y ácidos diluidos, y que generaba hidrógeno gaseoso. 5
En 1766, Henry Cavendish fue el primero en reconocer el hidrógeno gaseoso como una sustancia discreta, identificando el gas producido en la reacción metal – ácido como "aire inflamable" y descubriendo que la combustión del gas generaba agua. Cavendish tropezó con el hidrógeno cuando experimentaba con ácidos y mercurio.
Aunque asumió erróneamente que el hidrógeno era un componente liberado por el mercurio y no por el ácido, fue capaz de describir con precisión varias propiedades fundamentales del hidrógeno.
Tradicionalmente, se considera a Cavendish el descubridor de este elemento.
En 1783, Antoine Lavoisier dio al elemento el nombre de hidrógeno, cuando comprobó (junto a Laplace) el descubrimiento de Cavendish de que la combustión del gas generaba agua.
ABUNDANCIA
El hidrógeno es el elemento más abundante del universo, suponiendo más del 75% en masa y más del 90% en número de átomos. Este elemento se encuentra en abundancia en las estrellas y los planetas gaseosos gigantes. Las nubes moleculares de H2 están asociadas a la formación de las estrellas. El hidrógeno también juega un papel fundamental como combustible de las estrellas por medio de las reacciones de fusión nuclear entre protones. 6
Bajo condiciones ordinarias en la Tierra, el hidrógeno existe como gas diatómico, H2. Sin embargo, el hidrógeno gaseoso no es abundante en la atmósfera de la Tierra.
Aunque los átomos de hidrógeno y las moléculas diatómicas de hidrógeno abundan en el espacio interestelar, son difíciles de generar, concentrar y purificar en la Tierra.
El hidrógeno es el decimoquinto elemento más abundante en la superficie terrestre. La mayor parte del hidrógeno terrestre se encuentra formando parte de compuestos químicos tales como los hidrocarburos o el agua.
El hidrógeno gaseoso es producido por algunas bacterias y algas, y es un componente natural de las flatulencias. El metano es una fuente de enorme importancia para la obtención del hidrógeno.
Se sabe que el hidrógeno tiene tres isótopos. El núcleo de cada átomo de hidrógeno ordinario está compuesto de un protón. El deuterio, que está presente en la naturaleza en una proporción de 0,02%, contiene un protón y un neutrón en el núcleo de cada átomo y tiene una masa atómica de dos.
El tritio, un isótopo radiactivo e inestable, contiene un protón y dos neutrones en el núcleo de cada átomo y tiene una masa atómica de tres.
APLICACIONES GENERALES
El dihidrógeno, un compuesto químico formado por dos átomos de hidrógeno, a temperatura ambiente es un gas inflamable, incoloro e inodoro.
En laboratorio se obtiene mediante la reacción de ácidos con metales como el zinc e industrialmente mediante la electrólisis del agua, aunque se están investigando otros métodos en los que intervienen las algas verdes. El hidrógeno se emplea en la producción de amoniaco, como combustible alternativo y recientemente para el suministro de energía en las pilas de combustible.
Tiene un punto de ebullición de tan sólo 20,27 K (-252,88 °C) y un punto de fusión de 14,02 K (-259,13 °C). 7 A muy alta presión tal como la que se produce en el núcleo de las estrellas gigantes de gas, las moléculas mudan su naturaleza y el hidrógeno se convierte en un líquido metálico.
A muy baja presión como la del espacio, el hidrógeno tiende a existir en átomos individuales, simplemente porque es muy baja la probabilidad de que se combinen.
Se aplica principalmente en Producción de ácido clorhídrico, combustible para cohetes, y reducción de minerales metálicos.
El hidrógeno líquido se emplea en aplicaciones criogénicas Empleado antaño por su ligereza como gas de relleno en globos y dirigibles, tras el desastre del Hindenburg se abandonó su uso por su gran inflamabilidad.
El H2 se emplea como refrigerante en generadores eléctricos en las estaciones eléctricas, ya que es el gas con mayor conductividad térmica.
HIDRÓGENO COMO COMBUSTIBLE
Se ha hablado mucho del hidrógeno molecular como posible portador de energía. El uso del H2 tendría la ventaja de que las fuentes fósiles podrían usarse directamente para la obtención del gas (a partir de metano, por ejemplo). El H2 usado en los medios de transporte produciría una combustión limpia en la que el único producto sería el agua, eliminando por completo las emisiones de CO2.
Sin embargo, los costes para la infraestructura necesaria para llevar a cabo una conversión completa a una economía del hidrógeno serían sustanciales. Además, la densidad energética del hidrógeno líquido o gaseoso (dentro de unas presiones prácticas) es significativamente menor que los combustibles tradicionales.
Por ejemplo, puede emplearse en motores de combustión interna. Una flota de automóviles con motores de este tipo es mantenida en la actualidad por Chrysler-BMW. Además, las pilas de combustible en desarrollo parece que serán capaces de ofrecer una alternativa limpia y económica a los motores de combustión interna.
Debido a que el hidrógeno es escaso en forma libre y la mayor parte de él se encuentra combi nado con otros elementos, no es una fuente de energía primaria, como sí lo son el gas natural, el petróleo y el carbón. En realidad el hidrógeno es un portador de energía que se debe producir a partir de fuentes primarias. Aun así el hidrógeno como combustible presenta diversas ventajas.
El hidrógeno se quema en el aire libre cuando hay concentraciones entre el 4 y 75% de su volumen, en cambio el gas natural lo hace entre 5,4 y 15%. La temperatura por combustión espontánea es de 585 °C, mientras que para el gas natural es de 540 °C.
El gas natural explota en concentraciones de 6.3 a 14%, mientras que el hidrógeno requiere concentraciones entre el 13 y el 64%, por lo que el gas natural es más explosivo que el hidrógeno.
En la actualidad existen cuatro formas de utilizar el hidrógeno para producir energía:
Uniendo sus núcleos dentro de un reactor, durante el proceso conocido como fusión nuclear.
Combinándolo electroquímicamente con el oxígeno sin generar flama para producir directamente electricidad dentro de un reactor conocido como celda de combustible.
Combinándolo químicamente con el oxígeno del aire a través de quemadores convencionales y a través de procesos catalíticos, teniendo este método una amplia aplicación doméstica.
Combinándolo químicamente con el oxígeno en medio acuoso dentro de una caldera no convencional para producir vapor motriz
Uno de los principales problemas que se tienen con el hidrógeno es su almacenamiento y transporte. Si se confina en forma gaseosa, el contenedor tendría que soportar presiones de hasta 700 bares.
Si se desea almacenar en forma líquida, se tiene que enfriar a -253 °C y posteriormente guardarse en un depósito perfectamente aislado. Otra forma de almacenamiento se puede llevar a cabo mediante una reacción química reversible con diversas sustancias formando hidruros metálicos.
Cuando el hidrógeno se mezcla con oxígeno en un amplio rango de proporciones el hidrógeno explota. En el aire, el hidrógeno arde violentamente. Las llamas de oxígeno e hidrógeno puro son casi invisibles al ojo humano, como se constata al ver lo tenues que son las llamas de los motores principales de las lanzaderas espaciales (en contraposición a lo fácilmente visibles que son las llamas de los cohetes impulsores de las lanzaderas) ver fig.1:
Por este motivo, es difíci l detectar visualmente si un escape de hidrógeno está ardiendo. Las llamas que se aprecian en las fotos del dirigible Hindenburg son llamas de hidrógeno coloreadas por el material de la cubierta de la aeronave, que contenía carbono y polvo de aluminio pirofórico, así como otros materiales combustibles. (Independientemente de la causa de este incendio, es claro que se produjo la ignición del hidrógeno, ya que en ausencia de este gas la cubierta del dirigible habría tardado horas en quemarse).
Otra característica de los fuegos alimentados por hidrógeno es que las llamas tienden a ascender rápidamente con el gas a través del aire (algo que también se puede apreciar en las fotografías del accidente del Hindeburg), causando menos daños que los fuegos alimentados por hidrocarburos.
Por ejemplo, dos tercios de los pasajeros del dirigible sobrevivieron al incendio, y muchas de las muertes que se produjeron fueron por caídas al vacío y por la combustión de gasoli na.
Fig.1: Diferencia de las llamas entre los impulsores y los motores principales de las lanzaderas espaciales.
En la imagen se aprecia la diferencia entre la llama de hidrógeno (en los motores de lanzadera, casi invisibl e), y las llamas de otros combustibles
(En los cohetes propulsores laterales).
OBTENCIÓN Y PRODUCCIÓN
La electrolisis del agua es un método simple de producir hidrógeno, aunque el gas resultante posee necesariamente menos energía de la requerida para producirlo. Una corriente de bajo voltaje atraviesa el agua, formándose oxígeno gaseoso en el ánodo e hidrógeno gaseoso en el cátodo, esta corriente eléctrica descompone químicamente el agua liberando así el hidrogeno y el oxigeno
Generalmente, cuando se produce hidrógeno que va a ser almacenado se emplea un cátodo de platino o de algún otro metal inerte. Por el contrario, si el hidrógeno va a ser consumido in situ, es necesaria la presencia de oxígeno para que se produzca la combustión y se procura que ambos electrodos (tanto ánodo como cátodo) sean de metal inerte (si se empleara un metal no inerte, por ejemplo el hierro, éste se oxidaría y disminuiría la cantidad de oxígeno que se desprende).
La máxima eficiencia teórica (electricidad empleada frente al valor energético del hidrógeno generado) es de entre un 80% y un 94%.
2H2O (aq) ? 2H2(g) + O2(g) 8
En el año 2007 se descubrió que una aleación de aluminio y galio en forma de pasti lla añadida al agua puede emplearse para obtener hidrógeno. El proceso también produce óxido de aluminio, pero el galio (que posee un elevado precio), que previene la formación de una capa de óxido en la superficie de la pastilla, puede reutilizase.
Este descubrimiento tiene importantes implicaciones en la economía del hidrógeno, ya que éste puede sinteti zarse in situ fácilmente y no necesita ser transportado.
Pero tiene una gran desventaja en cuanto a la disponibilidad del aluminio ya que si se llevara a la industria automotriz generaría una aguda escases de aluminio a nivel mundial encareciéndolo y agotándolo para otras aplicaciones.
El hidrógeno puede obtenerse de distintas maneras, pero las más económicas implican su extracción a partir de hidrocarburos. El hidrógeno comercial se produce generalmente mediante el reformado con vapor del gas natural.
Este proceso consiste en la reacción de una corriente de vapor de agua con metano para originar monóxido de carbono e
Hidrógeno, a una temperatura de entre 700 ºC y 1100 ºC.
CH4 + H2O ? CO + 3 H2 9
Esta reacción está favorecida a bajas presiones, sin embargo, se lleva a cabo a altas presiones (20 atm) ya que el H2 de alta presión es el producto más comercializable.
La mezcla producto se conoce como "gas de síntesis" porque a menudo se usa directamente para la producción de metanol y otros compuestos relacionados.
A parte del metano, pueden usarse otros hidrocarburos para generar el gas de síntesis con distintas proporciones de los componentes productos. Una de las complicaciones que se presenta en esta tecnología altamente optimizada es la formación de coque o carbón:
CH4 ? C + 2 H2 10
Para evitarlo, el reformado con vapor suele emplear un exceso de H2O. Puede recuperarse hidrógeno adicional en este proceso a partir del monóxido de carbono, mediante una reacción de desplazamiento del agua gaseosa, especialmente con un catali zador de óxido de hierro.
Esta reacción también se emplea industrialmente como fuente de dióxido de carbono:
CO + H2O ? CO2 + H2 11
Otros métodos importantes para la producción de H2 incluyen la oxidación parcial de hidrocarburos:
CH4 + 0.5 O2 ? CO + 2 H2 12
Y la reacción del carbón, que puede servir como preludio a la reacción de desplazamiento mencionada anteriormente:
C + H2O ? CO + H2 13
Muchas veces el hidrógeno es producido y consumido en el mismo proceso industrial, si n necesidad de ser separado.
En el proceso Haber – Bosch para la síntesis de amoníaco (el quinto compuesto más producido industrialmente en el mundo), el hidrógeno se obtiene a partir del gas natural.
El hidrógeno también se produce en cantidades significativas como un subproducto en la mayoría de los procesos petroquímicos de cracking con vapor y reformado.
El hidrógeno es un gas extremadamente inflamable. Reacciona violentamente con el flúor y el cloro, especialmente con el primero, con el que la reacción es tan rápida e imprevisible que no se puede controlar.
También es peligrosa su despresuri zación rápida, ya que a diferencia del resto de gases, al expandirse por encima de -40°C se calienta, pudiendo inflamarse.
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL HIDRÓGENO
Punto de ebullición: – 252,8 °C Muy poco miscible en agua
Temperatura de autoignición 580 °C Punto de congelación: – 252,9 °C Temperatura crítica: – 240,9 °C
PELIGROS A TOMAR EN CUENTA AL MANIPULAR HIDRÓGENO COMO COMBUSTIBLE
Físicos: El gas es más ligero que el aire. El gas se mezcla bien con el aire, formándose fácilmente mezclas explosi vas.
Químicos: El calentamiento intenso puede originar combustión violenta o explosión. Reacciona violentamente con aire, oxígeno, cloro, flúor y oxidantes fuertes originando peligro de incendio y explosión. Los metales catalizadores tales como el platino o el níquel aumentan este tipo de reacciones.
Incendios: Evitar las llamas, no producir chispas y no fumar. Extremadamente inflamable. Su rango de inflamabilidad es muy grande. Muchas reacciones pueden producir incendio o explosión.
Si es posible, cortar el suministro. Si se puede y no existe riesgo para el entorno próximo, dejar que el fuego se extinga por sí mismo. Apagar con agua pulverizada, polvo. El hidrógeno cuando se produce fuego o explosión se quema con una llama casi invisible.
Explosión: Las mezclas gas/aire son explosivas. Como prevención se debe tener la ventilación adecuada. Las herramientas manuales no deben generar chispas. Los equipos eléctricos y de alumbrado deben estar preparados a prueba de explosión. El incendio debe de combatirse desde un lugar protegido.
Derrames y fugas: Para comprobar si existen escapes, utilizar agua y jabón. Evacuar la zona de peligro. Ventilar las áreas cerradas para prevenir la formación de atmósferas inflamables o deficientes de oxígeno.
La ventilación puede ser manual o mecánica. Eliminar todas las fuentes potenciales de ignición. Para ayuda adicional, consultar a un experto. Llevar equipo autónomo de respiración.
Exposición: El hidrógeno no es tóxico y está clasificado como un simple asfixiante. La cantidad necesaria para reducir las concentraciones del oxígeno en un nivel inferior al requerido para soportar la vida causaría mezclas dentro de los rangos de inflamabilidad.
Por tanto, se prohíbe la entrada en áreas que contengan mezclas inflamables debido al peligro inmediato de incendio o explosión. El hidrógeno se puede absorber por inhalación y a través de la piel.
Al ocasionarse pérdidas en zonas confi nadas, este líquido se evapora muy rápidamente originando una saturación total del aire, pudiendo producir asfixia, dificultad respiratoria, y pérdida de conocimiento.
Como prevención se debe tener la ventilación adecuada introduciendo aire limpio.
En contacto con líquido se produce la congelación. Como prevención se debe de utilizar guantes aislantes del frío y traje de protección.
CAPITULO II
LA NECESIDAD DE UTILIZAR EL HIDRÓGENO COMO COMBUSTIBLE
DISPONIBILIDAD DEL PETRÓLEO
De todos es sabido que la principal fuente de energía actual, es decir, el petróleo y sus derivados, no disponen de una vida ilimitada. Al contrario, las reservas quedarán agotadas.
Otro problema primordial derivado de la actual política energética es el de la contaminación. Según recientes estudios médicos, algunos de los contami nantes generados en la combustión de los hidrocarburos son responsables de numerosas enfermedades pulmonares, mientras que otros, como el monóxido de carbono en altas concentraciones, aumenta la probabilidad de sufrir un infarto.
Estos contaminantes no sólo afectan directamente al ser humano, sino que también lo están haciendo de forma indirecta gracias al temido efecto invernadero, el cual puede llegar a provocar un fuerte cambio en el clima global de forma que se incrementarán los fenómenos climáticos extremos como huracanes, tifones, sequías, inundaciones, etc. 14
EFECTOS EN LA SALUD DE LOS SERES HUMANOS A CAUSA DE LOS GASES CONTAMINANTES
Los efectos en la salud eran la consideración dominante en los primeros episodios de la contaminación por razones obvias. Aunque con frecuencia no se podía identificar el contaminante (o grupo de ellos) específico que generaba los efectos observados, se disponía de información suficiente para implicar a ciertos contaminantes como contribuyentes significati vos.
Tanto las partículas como los gases que entran al cuerpo por el sistema respiratorio pueden afectar al sistema gastrointestinal. Ciertas sustancias químicas, como el plomo, entran en el torrente sanguíneo ya sea desde el sistema digestivo (por ingestión) o atravesando las membranas pulmonares (el sistema respiratorio), y el tirito que transporta el aire, los plaguicidas o herbicidas sistemáticos, y algunas otras sustancias químicas pueden entrar al torrente sanguíneo por la piel.
Cada contaminante afecta el cuerpo humano de forma diferente, a continuación se describe los efectos en la salud por la exposición a los principales contami nantes: 15
Materia Particulada. Se trata de una mezcla compleja de partículas sólidas y aerosoles (partículas líquidas) suspendidas en el aire, los vemos como polvo, humo y niebla. Los efectos principales en la salud que son causa de preocupación incluyen los efectos en la respiración y el sistema respiratorio, el agravamiento de afecciones respiratorias y cardiovasculares ya existentes, la alteración de los sistemas de defensa del organismo contra materiales extraños, daños al tejido pulmonar, carcinogénesis y mortalidad prematura. Las personas con afecciones pulmonares o cardiovasculares crónicas obstructi vas, influenza o asma, los ancianos y los niños son los más sensibles.
Dióxido de Azufre (gas incoloro) SO2. Los efectos principales en la salud incluyen efectos en la respiración, afecciones respiratorias, debilitamiento de las defensas pulmonares, agravamiento de enfermedades respiratorias y cardiovasculares ya existentes, y muerte. Entre las personas sensibles están los asmáticos y quienes padecen enfermedades pulmonares crónicas o afecciones cardiovasculares. Los ancianos y los niños son los más afectados.
Monóxido de Carbono (gas incoloro, insípido e inodoro a concentraciones atmosféricas) CO. La amenaza para la salud que representa el monóxido de carbono es mayor para quienes padecen afecciones cardiovasculares porque reduce el aporte de oxígeno a órganos y tejidos.
A concentraciones altas el monóxido de carbono menoscaba la percepción visual, la destreza manual y la capacidad mental.
Óxidos de Nitrógeno (NOx). El NO es un gas altamente reactivo de color pardo rojizo que desempeña un papel importante en la formación de ozono en la troposfera. El dióxido de nitrógeno (NO2) irrita los pulmones, causa bronquitis y neumonía, reduce la resistencia a las infecciones respiratorias y desempeña un papel importante en la formación de ozono en la troposfera.
Ozono. Este gas incoloro afecta a niños y adultos sanos, además de las personas con problemas en el sistema respiratorio. El ozono reduce la función pulmonar, por lo común en asociación con tos, estornudos, dolor en el pecho y congestión pulmonar. Las concentraciones altas de ozono se asocian a menudo con irritación ocular.
Plomo. La incorporación de plomo por inhalación o ingestión puede proceder de alimentos, agua, suelos o polvo. La exposición a concentraciones altas puede causar ataques, retardo mental y trastornos de comportamiento.
Los fetos, bebés y los niños son especialmente susceptibles a las dosis bajas, las cuales causan trastornos del sistema nervioso central. La incorporación de plomo puede contribuir a los problemas de hipertensión arterial y afecciones cardiacas.
EFECTOS EN PLANTAS Y ANIMALES
Los efectos perjudiciales de la contaminación del aire no se limitan a los que tienen que ver con la salud humana. Las plantas y los animales también son susceptibles.
El daño a los vegetales suele observarse en el fruto o las flores, y en ambos casos reduce de manera significativa el valor del culti vo. El flúor afecta las plantas a concentraciones que tienen órdenes de magnitud bastante inferiores a las que afectan la salud humana.
Las concentraciones de gases contami nantes cuando se incorporan en arbustos, árboles o hierbas que después sirven de alimento al ganado u otros animales. Los animales actúan como concentradores del flúor, lo cual perjudica a la salud del animal y reduce el valor del mismo o su capacidad de supervivencia. 16
EFECTOS EN MATERIALES Y SERVICIOS
Los óxidos de azufre y de nitrógeno reaccionan en la atmósfera para formar compuestos ácidos que atacan las superficies metálicas, un problema que se ha agudizado en especial para las industrias de comunicaciones, dispositivos de control y computadoras. El flúor es particularmente reacti vo, y a concentraciones atmosféricas altas se ha observado corrosión en vidrios.
El ácido sulfhídrico presente en la atmósfera reacciona con el óxido de plomo de la pintura blanca para formar sulfuro de plomo, por lo cual se han observado casas pintadas de blanco que adquieren un tinte pardo de un día para otro. Se produce también un envejecimiento acelerado de los materiales si ntéticos y el caucho por exposición a los oxidantes atmosféricos.
Es muy difícil estimar el valor monetario del deterioro acelerado de los materiales y los objetos estéticos como edificios, estatuas o el costo de las pérdidas de materiales o servicios.
FUENTES CONTAMINANTES DEL AIRE
En buena medida, los contaminantes del aire son subproductos directos e indirectos de quemar carbón, gasolina, diesel y otros combustibles, así como los desechos (papeles, cartón, trapos, aserrín, etc.).
Principales fuentes de contaminación
Tabla 1: Las principales fuentes de contaminación
MOTORES A GASOLINA | 60% | |
PROCESOS INDUSTRIALES | 16% | |
PLANTAS DE POTENC IA | 14% | |
HORNOS | 57% | |
PLANTAS INC INERADORAS | 3.6% | |
AUTOMÓVILES A D IESEL | 0.9% | |
Estos materiales son compuestos orgánicos, cuando se queman por completo, los subproductos son dióxido de carbono (CO2) y vapor de agua (H2O), como se ve en la siguiente fórmula de la combustión del metano:
CH4 + 2O2 —–> CO2 + 2H2O
Ahora bien, la oxidación rara vez es completa y participan sustancias mucho más complejas que el metano.
CONTAMINANTES PRIMARIOS
Las partículas, los compuestos orgánicos volátiles (COV), el monóxido de carbono (CO), los óxidos de nitrógeno (NOx), los óxidos de azufre (SOx) y el plomo se denominan contaminantes primarios porque son los productos directos de la combustión o la evaporación.
Al quemarse, los combustibles y deshechos vierten en la atmósfera partículas consistentes sobre todo en carbono y que son las que vemos como hollín y humo. Además, algunos fragmentos de las moléculas de los combustibles quedan si n quemar: se trata de emisiones de compuestos orgánicos volátiles. El resultado de la oxidación incompleta del carbono es el monóxido de carbono (CO), mientras que el de la completa es el dióxido (CO2).
La combustión que ocurre en el aire, es 78 por ciento nitrógeno y 21 por ciento oxígeno. A temperaturas de combustión elevadas, algo del nitrógeno se oxida y forma óxido nítrico (NO). 17
En el aire, este gas reacciona de inmediato con más oxígeno y se convierte en dióxido de nitrógeno (NO2) y tetróxido de nitrógeno (N2O4), compuestos que se llaman en conjunto óxidos de nitrógeno. El dióxido de nitrógeno absorbe la luz y causa en gran parte el color pardo del esmog fotoquímico.
Además de materiales orgánicos, combustibles y desechos contienen impurezas y aditivos que también pasan al aire durante la combustión. Tal es el caso del azufre que al quemarlo, se oxida y produce dióxido de azufre.
CONTAMINANTES SECUNDARIOS
Algunos de los contaminantes primarios siguen reaccionando en la atmósfera y producen otros compuestos no deseables, los llamados contaminantes secundarios.
El ozono y numerosos compuestos orgánicos reactivos se forman como resultado de reacciones térmicas entre óxidos de nitrógeno y los compuestos orgánicos volátiles, la energía necesaria procede de la luz solar.
En cierto sentido, los ácidos sulfúrico y nítrico también se consideran contaminantes secundarios, puesto que son producto de la reacción del dióxido de azufre y los óxidos de nitrógeno con la humedad del aire
FUENTES CONTAMINANTES RELACIONADAS CON EL TRANSPORTE
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