Las células de combustible y el motor alternativo (página 2)

3.- El motor eléctrico:

Los factores limitantes del motor de explosión no existen, al menos en destino, en el caso del motor eléctrico. Por supuesto, otro problema es el de la conversión de la energía química en energía eléctrica en las centrales térmicas que estaría afectada idéntico problema limitante.

El motor eléctrico se ha usado en la tracción mecánica desde hace mucho. Los tranvías, los submarinos y muchos barcos se mueven con motores eléctricos. En estos vehículos se transforma previamente la energía química de los combustibles o la energía nuclear en energía térmica que se utilizará para mover émbolos o turbinas que, a su vez accionarán alternadores o dinamos productoras del fluido que accionará al motor.

La batería es un instrumento de acumulación de energía poco eficaz

Las baterías de Plomo /Pb2+ y de Ni/Cd.

Una batería normal de coche de 70 Ah de dimensiones tienen unas dimensiones estándar de27*14*17 cm y pesa cerca de 20 kg.

La energía máxima que acumula la batería de 12,3 voltios y 76 Ah es de 3365 Kj:

Esa energía equivale a la que se obtendría por la combustión de 40 g. de H2 con una eficacia del 58%.

H2+1/2 O2 Û H20 D H=-144 Kj/g. de hidrógeno quemado

40 g de H2 liberan 5760 Kj que si aprovechan con un rendimiento del 58% equivaldría a toda la energía acumulada por la pila.

 En el mismo volumen de 6 litros, pero con un peso de menos 2 kg., se podría acumular a la temperatura de 25º y a la presión de 150 atms.

que equivale a 37 moles, es decir el equivalente de 74 g. de H2. (1,85 veces superior)

El valor en volumen es algo menor que el 50% pero en cambio, la relación ponderal es 10 veces superior:

Tablas termodinámicas

En general, la mejor concentración energética en relación a la masa del depósito corresponde al hidrógeno comprimido a 150 atm.

Si estudiamos la eficacia de la energía eléctrica se sabe que las baterías en realidad funcionan siempre muy por debajo de las prestaciones máximas de acumulación.

4.-Las células de combustible:

 4.1.- Introducción:

Estas células generan electricidad directamente de un combustible sin emitir contaminantes.

Elevada eficacia, baja emisión de contaminantes, operación silenciosa e instalación rápida. Las células de combustible son un candidato ideal para utilizarlos como generadores donde no es posible utilizar generadores que perjudican el medio ambiente.

La célula de combustible convierte la energía química de un combustible en electricidad directamente, sin ningún ciclo de combustión intermedio.

Las células de energía promueven una transición hacia las energías renovables y por tanto son muy variadas en cuanto a combustibles se refiere, pueden utilizar "Hidrogeno, Metanol, Etanol, Gas Natural, Gas Licuado de Petróleo, esta energía puede ser desplazada por la biomasa, eólica o energía solar.

La célula de combustible fue inventada por Sir William Grove en 1893 , una des sus utilizaciones fue el suministro de energía a las naves espaciales Géminis y Apolo . Ahora las células de combustible están notablemente mejoradas y formando conjuntos pluricelulares pueden llegar a contribuir a las necesidades energéticas de un país.

Central de Energía basada en células de combustible, representada esquemáticamente .Un combustible, que podría ser carbón o gas o un destilado del petróleo, se convierte, a través de un tratamiento del combustible, en un gas rico en hidrógeno, que es el que entra en las células de combustible. La energía generada por una sección energética de células de combustible es corriente continua, que debe convertirse mediante un transformador de energía en corriente alterna para su distribución.

Tabla 1- Impacto Ambiental de las Células a Combustible

4.2.-Definición:

Son dispositivos electroquímicos que convierten directamente energía química en eléctrica, con una alta eficiencia. Sin partes móviles internas, las Células de Combustible operan de forma similar a las pilas secas, excepto que para la producción continua de electricidad requieren el suministro continuo de combustible, normalmente hidrógeno. Funcionan bajo el principio de intercambio de carga electrolítica entre una placa de ánodo positiva y una placa de cátodo negativa. Cuando se utiliza hidrógeno como combustible básico se produce hidrólisis inversa, produciendo agua y calor como subproductos, sin producir contaminantes.

Las Células de combustible no obtienen la energía de la manera clásica en la que una combustión produce energía calorífica, esta a su vez se convierte en energía mecánica y finalmente la energía mecánica se transforma en electricidad. Las Células de combustible combinan las moléculas de un combustible y un oxidante sin el proceso de combustión, evitando así la polución y obteniendo un mayor rendimiento.

4.3.-Descripción:

Una célula de combustible consta de dos electrodos – un electrodo positivo, el cátodo, y un electrodo negativo, el ánodo – separados por un electrolito, que transmite iones pero no electrones. Un combustible, típicamente el hidrógeno, se suministra al ánodo y el oxigeno del aire se suministra al cátodo.

Un catalizador en el ánodo poroso hace que las moléculas de hidrógeno (H2) se disocien en iones hidrógeno (H+) y electrones. Si el electrolito es ácido, los iones hidrógeno emigran a través del mismo hacia el cátodo, donde reaccionan con los electrones (suministrados a través de la carga del circuito externo) y oxigeno para formar agua (H2O). La naturaleza del Ion emigrante depende del electrolito. Los iones hidrógeno emigran del ánodo al cátodo en un electrolito ácido; los iones hidroxilo (OH-) emigran del cátodo al ánodo en un electrolito alcalino; los iones carbonato (CO3-2) emigran del cátodo al ánodo en un electrolito de sales de carbonatos y los iones oxigeno (O-2) emigran del cátodo al ánodo en un electrolito de óxido sólido. En cada caso , las reacciones producen electrones que , si los electrodos están conectados por un conductor , circulan de un electrodo al otro a través del circuito externo . Puesto que un flujo de electrones constituye una corriente eléctrica, los electrones que se mueven en el circuito pueden utilizarse para alumbrar una lámpara, accionar un motor eléctrico , etc.

El voltaje máximo de corriente continua producido por una célula de combustible es una función termodinámica del combustible y del oxidante. Para una célula que trabaje con hidrógeno y oxígeno, el voltaje teórico a presión y temperatura ordinarias es 1,23 volt. El voltaje real será de 0,6 a 0,85 volt a causa de las pérdidas producidas en el interior de la célula. La corriente producida está controlada por la velocidad de las reacciones electroquímicas ( la oxidación del hidrógeno , que implica la separación de electrones de los átomos de hidrógeno , y la reducción del oxigeno , que implica la adición de electrones a los átomos de oxígeno) y también por el área superficial disponible para las reacciones.

4.4.-Configuración práctica:

Puede obtenerse una configuración práctica para una célula de combustible colocando el electrolito en una matriz o papel secante delgado situado entre dos electrodos porosos ( La porosidad da a los electrodos una gran área superficial.) Los catalizadores para las respectivas reacciones electroquímicas se incorporan en los electrodos. Las distintas células de combustible se combinan para formar un " conjunto" o paquete pluricelular cuyo voltaje de salida equivale al producto del voltaje de una célula por el número de las mismas. Una "sección energética" , reunión de células de combustible diseñada para obtener una cantidad importante de energía , puede constar de uno o más conjuntos.

Por tanto una central energética de células de combustible tendrá que comprender no sólo células de combustible sino también un tratamiento del combustible y un acondicionador de la energía. El tratamiento del combustible convierte un combustible de suministro , el carbón por ejemplo, o el gas natural , en un gas rico en hidrógeno , y el acondicionador de energía convierte la corriente continua en corriente alterna.

El funcionamiento de una célula de combustible esta basado en las reacciones electroquímicas entre un combustible, en este caso un gas rico en hidrógeno obtenido a partir de carbón o petróleo, y un oxidante, en este caso el oxigeno del aire. En el ánodo de la célula las moléculas de hidrógeno se oxidan (se separa un electrón de cada uno de los dos átomos de hidrógeno de la molécula) para formar iones hidrógeno. Los iones se transportan a través del electrolito hasta el cátodo, y los electrones circulan a través de un circuito externo hasta el cátodo, produciendo energía. En el cátodo los iones hidrógeno, electrones y oxígeno forman agua. La célula convierte, pues la energía química de un combustible en electricidad directamente, sin recurrir a ningún ciclo de combustión intermedio.

4.5.-Tipos de Células de Combustible:

Alcalinas:

Largamente utilizadas por la NASA en misiones espaciales, estas células pueden generar energías con eficacias mayores del 70%. Utilizan hidróxido potásico alcalino como electrolito. Un estudio reciente demuestra que son demasiado caras para aplicaciones comerciales pero algunas compañías se han interesado en reducir costos y facilitar así su comercialización.

Óxidos Sólidos:

Otra prometedora célula de combustible es la de óxidos sólidos que pueden se utilizadas en grandes estaciones generadoras de energía, ya que es muy adecuada para el suministro grande de energía. También ha sido utilizada en algún prototipo de automóvil. Una célula de 100 kilowatts ha sido probada en Europa y dos más pequeñas de 25 kilowatts están conectadas en la red eléctrica en Japón. El sistema de óxido sólido utiliza frecuentemente materiales cerámicos duro en vez de un líquido electrolítico, permitiendo operar en temperaturas próximas a 1000 grados centígrados . Podrían alcanzar eficacias próximas al 60%. Un tipo de células de combustible de óxido sólido utiliza un conjunto de tubos largos. Otra versión es un disco comprimido que tiene unidos por encima un distribuidor del sólido.

Ácido fosfórico:

Es el tipo de células de combustible mas desarrollado para el comercio. Es usado en diversas aplicaciones en hospitales, en guarderías, hoteles, edificios de oficinas , escuelas , en plantas útiles de energía y en aeropuertos. Las células de combustible de ácido fosfórico generan electricidad en más de un 40% de eficacia y más de un 85% si la energía producida es utilizada por cogeneración, la diferencia es clara con un 30% de la eficacia de un motor de combustión interna. Estas células operan en el rango de 400 grados centígrados. Estas células pueden ser utilizadas en vehículos de largos desplazamientos como los autobuses y las locomotoras.

Membrana de Intercambio de Protón o Polímero Sólido:

Estas células operan a una temperatura relativamente baja cerca de 95 grados centígrados , tienen un gran poder energético, pueden variar rápidamente su suministro de energía en función de la demanda energética , tienen diversas aplicaciones sobre todo en automóviles ya que éstos requieren un rápido suministro de energía y tienen muchas variaciones en la demanda energética

Carbonatos de intercambio iónico:

Las células de combustible de carbonatos prometen una alta eficacia en la conversión de combustible en electricidad y la posibilidad de consumir combustibles basados en el carbón. Estas células operan en los 650 grados centígrados. La primera célula de combustible de carbonatos de intercambio iónico fueron estudiadas en el 1996

Otras células de combustible:

Un nuevo miembro ha venido a unirse a los tipos existentes, son las células de combustible de "metanol directo" que se están estudiando y probando en laboratorios privados y del gobierno de USA.

Tabla 2- Tipos de Células a Combustible

4.6.-Obtención del hidrógeno a partir del petróleo:

Durante la segunda guerra mundial importante industrias químicas alemanas (Ruhrchemie, BASF) desarrollaron métodos de síntesis de gasolinas a partir del carbón y del C0. En realidad el proceso que se perseguía era el contrario al que presentamos ahora:

Carbón + hidrógeno Û hidrocarburos

Estos procesos fueron utilizados y permitieron desarrollar de forma importante la química de los catalizadores de los elementos de transición.

El proceso que se plantea en la actualidad para las células de combustible es contrario. En general se desarrolla en dos niveles: 

1.     Hidrocarburo + vapor de agua Û hidrógeno + CO proceso endotérmico, favorecido por la temperatura.
2.    CO + vapor de agua Û hidrógeno + CO2 proceso exotérmico.

   Los valores para el caso concreto del metano

CH4 + H2O Û CO + 3 H2 D H=205 kJ/mol

Esta reacción está favorecida por la temperatura ya que implica un cambio entrópico positivo.

La reacción funciona con hidrocarburos ligeros, hasta el octano. El vapor de agua hace pasar por el hidrocarburo que lo arrastra y, este se hace pasar por un catalizador de níquel activado que debe estar caliente sobre 750 ºC.

El monóxido de carbono se arrastra igualmente con vapor de agua que pasa por un catalizador de hierro y cobre

CO + H2O Û CO2 + H2 D H=-42 kJ/mol

 PROCESOS ANÁLOGOS:

Metanol:

CH3OH + H2O Û CO2 + 3H2 proceso a temperatura elevada

Etanol:

CH3-CH2OH + H2O Û 2CO+ 4H2 proceso a temperatura elevada

2CO+2H2OÛ 2CO2+2H2 proceso a baja temperatura exotérmico.

Rendimientos:

El motor de Hidrógeno.

H2 + ½O2 Û H2O (l) D H=-252.13 kJ/mol D G=-237 kJ/mol D S=-0,0534 kJ/molºK

El carácter antientrópico de la reacción haría que el calor liberado se anularía con el sumando TD S a la temperatura de 5000ºK. (D G=O);

Por otro lado la energía mecánica de un motor de explosión es directamente proporcional a la temperatura.

W=P.V=nRD T (expansion isobárica)

De hecho el rendimiento de una máquina térmica es directamente proporcional al gradiente térmico:

Eficiencia= (Tmotor- Tambiente)/Tmotor. (1)

Por tanto, en una máquina térmica que utilice una reacción de síntesis, afectada por una variación negativa de la entropía, se contrapone la eficiencia del motor con el rendimiento energético del combustible.

  En cambio, la extracción energética en un proceso no térmico posee un mejor rendimiento:

No se pierde el rendimiento por acción entropía ya que el proceso se realiza a baja temperatura.

No está afectado por la ecuación de la eficiencia (1)

Rendimiento de un motor de explosión que utilice hidrógeno (temperatura de combustión 600ºC)

Rendimiento = Rendimiento combustible * Eficacia Máquina.

Rendimiento= 0,31* (873-298)/873 = 0,21 es decir un 21%

  4.7.- El motor de hidrógeno:

Proceso de Transformación del hidrocarburo en H2 : ………………………………….

Proceso de electrólisis del agua ……………………………….

Proceso de célula de combustible: H2 + ½O2 Û H2O + EE 80%

Proceso de motor eléctrico: 90% EE® MOTOR® EM (transformación de energía eléctrica en mecánica)

H2 ® VEHÍCULO ALTERNATIVO ® 0,8*0,9=0,72 (Rendimiento energético óptimo 72% contenido energético H2)

En consecuencia:

El rendimiento de un vehículo eléctrico que utilice una célula de combustible es del 72 % (Temperatura de funcionamiento 40º) que equivale a 166 kJ/mol H2 o 83.16 kJ/g.H2

El rendimiento de un vehículo de explosión que utilice hidrógeno como combustible tienen un rendimiento del 21% (temperatura 600º).

La eficacia del motor alternativo alimentado con H2 es 3,41 veces la del motor de explosión.

Tablas termodinámicas

4.8.-Estimación energética:

En una estimación aproximada de la eficacia global de una central energética, desde el combustible hasta la energía en forma de corriente alterna, podemos recurrir a la ecuación . Np = 59 Vc

• Np : es la eficacia de la planta en %
• Vc : Voltaje de una célula

Esta relación es precisa, con un 5 por ciento de margen e ilustra sobre la importancia del voltaje de una sola célula en el establecimiento de la eficacia global de una planta.

Las células de combustible pueden clasificarse por el electrolito, por la temperatura de operación, por el oxidante y por el combustible.

Los electrolitos que están estudiándose en la actualidad son el ácido fosfórico y las sales carbonatadas fundidas.

4.9.-El interés de la célula de combustible:

El interés de la célula de combustible como central energética de suministro procede de su eficacia, su aceptabilidad respecto al medio ambiente y su configuración modular. En lo que respecta a la eficacia el punto clave es que, al no tratarse de una máquina térmica, la célula de combustible no está limitada por el ciclo de Carnot , que describe los límites de la eficacia de las máquinas térmicas. Por tanto , la célula de combustible ofrece la posibilidad de lograr eficacias de conversión mayores que las que pueden conseguir los generadores térmicos. La eficacia de la célula de combustible es aproximadamente constante en el intervalo de 25 a 100 por ciento de su potencia energética

La última creación de Renault es un vehículo de investigación , denominado Fever , equipado con una pila de combustible que funciona con hidrógeno líquido. Desarrollado dentro del programa europeo para la racionalización de la energía, el Fever ha sido construido sobre la base de una Laguna Break y dispone de una autonomía de 500 kilómetros

También se ha visto en el salón de Tokyo el Toyota FCEV , un coche sobre la base del RAV4 , bajo una configuración 4×2, ha presentado una versión alimentada por pila de combustible. La electricidad es conseguida gracias a que el metanol se convierte en hidrógeno y CO2, tras ser mezclado con agua. El hidrógeno reacciona con el oxígeno del aire creando una energía eléctrica y formando nuevamente agua. No es un motor de "Cero emisiones", pero se le acerca bastante.

Combustible, la compañía de suministro puede evitar inversiones en nuevas líneas para la transmisión y distribución de la energía pudiéndose así reducirse las pérdidas producidas por la resistencia de los conductores de distribución. En un coche se puede introducir la célula de combustible para producir energía capaz de propulsar a un motor eléctrico si se soluciona el problema de almacenamiento de hidrógeno , pudiendo utilizarlo como carburante.

El Toyota FINE-S, un concepto de vehículo eléctrico híbrido con células de combustible de hidrógeno mostrado en la Exposición Internacional Norteamericana de Automóviles en Enero de 2003. Copyright( Toyota Motors.)

5.- Gráficos:

En la práctica poseemos la siguiente pila

Las estaciones de repostaje de hidrógeno como ésta en Vancouver, Canadá, aún son raras. El vehículo recargando es un Ford FCV. Copyright Powertech Labs.

6.- Bibliografía:

• El presente trabajo esta netamente basado de las páginas de información de Internet.
• Mas información en la siguientes paginas:

_

_ www.energy.rochester.edu/uk/chpa/17sep1996.htm

_ www.mtc.com

_ www.barrameda.com

_ www.ciencia.nasa.gov

_ www.fuelcelltoday.com

_ www.mot.com

_ www.navc.org/link2.html

_ www.ttcorp.com/nha/thl/von_96.htm

_ www.imt.mx/espano/notas/23/art1.html

_ www.internel.com.mx/g roololo6.html

_ Biblioteca de consulta Encarta 2005

_Discovery Channel

Realizado por:

Luis alejandro Gonzales Espinoza.

Estudiante de Física de la Universidad del Callao.(U.N.A.C)

U.N.A.C – 2006.

PERÚ

DATOS PERSONALES

País y ciudad de nacimiento del autor.

País: Perú

ciudad de nacimiento del autor: Lima – Cañete – San Vicente

Título, país, ciudad y fecha correspondientes al trabajo realizado.

Titulo: Las Células de Combustible y el Motor Alternativo.

El presente trabajo se realizo entre los meses de junio – julios del 2006

Una breve biografía del autor,  donde pueden incluirse sus antecedentes, estudios realizados, profesión  y demás información que se considere necesaria.

Nací el 24 de febrero de 1978, en el pueblo de San Vicente – Cañete me llamo LUIS ALEJANDRO GONZALES ESPINOZA, que mis padres son: doña Ladimir Espinoza Chávez y Don Alejandro Gonzales Arias. Estudios primarios en Imperial (provincia de Cañete) en el Colegio 20146 conocido como "Elemental" y estudios Secundarios en el Colegio de Varones "C.N.I" (Colegio Nacional de Imperial).

Llevo estudios Superiores en la Universidad Del Callao (U.N.A.C) facultad de Ciencias Naturales y Matemáticas, escuela profesional de Física.

Actualmente soy Experto en Ensamblaje de Computadoras.

Me fascina la Ciencia Ficción, leo mucho acerca de los armamentos que se usaron mucho en la Segunda Guerra Mundial y toda la lucha de la guerra fría.

Admiro mucho a Albert Eisntein, Galileo y Stephen Hawking, etc.