CAPÍTULO I
El problema
1.1TEMA.
"CONSTRUCCIÓN DE UNA CELDA ELECTROLÍTICA PARA PRODUCIR HIDROGENO COMO COMBUSTIBLE ALTERNATIVO PARA UN MOTOR MARCA MITSUBISHI DE 2,2 LITROS A GASOLINA USANDO AGUA COMO ELECTROLITO"
1.2 Planteamiento del problema.
Históricamente los combustibles fósiles como el carbón, petróleo y gas natural se han utilizado para impulsar el desarrollo industrial y las comodidades de la vida moderna, pero ha sido imposible evitar efectos colaterales indeseables. Desde la tierra para el cultivo, el agua para consumo humano, el aire que respiramos, y al ambiente lo hemos afectado.
La fuente más grande de contaminación del aire son los motores de los vehículos, los cuales liberan contaminantes como el esmog que está formado por polvo y hollín a más de ello tenemos los gases como hidrocarburos (HC), óxidos de nitrógeno (Nox) y monóxido de carbono (CO) que al estar descargados al ambiente produce la lluvia acida, cada día se incrementan estos volúmenes de gases producidos por la combustión de los vehículos opacando el cielo dando como consecuencia el calentamiento global y se relaciona con el cambio climático. (Cengel, Y. 2012)
Como resultado de la contaminación del aire se han producido enfermedades respiratorias. En las áreas urbanas los niños pequeños que juegan en las calles, respiran a la altura de los tubos de escape por lo que pueden estar expuestos a hidrocarburos no quemados, monóxido de carbono, óxidos de azufre y de nitrógeno y otros tóxicos, que se suman a las concentraciones de material particulado, cenizas y plomo en las áreas donde aun se usa gasolina con plomo. contaminantes dañinos que afectan su función pulmonar, su desarrollo y bienestar (GAVIDIA et al.)
En los últimos años, los estudios de investigación experimentales en animales y epidemiológicos en humanos han evidenciado relación entre población expuesta en forma crónica a niveles medios y bajos de monóxido de carbono en aire respirable y la aparición de efectos adversos en la salud humana especialmente en órganos de alto consumo de oxígeno como cerebro y corazón. Se han documentado efectos nocivos cardiovasculares y neuropsicológicos en presencia de concentraciones de monóxido de carbono en aire inferiores a 25 partes por millón y a niveles de carboxihemoglobina en sangre inferiores a 10 %. (Tallez et al. 2006)
El Calentamiento global es causado por el dióxido de carbono, el metano, él óxido nitroso, los halo carburos y el ozono también denominados gases invernaderos (siendo el principal causante el dióxido de carbono), produciéndose así el calentamiento de la Tierra y de la capa atmosférica que recibe el nombre de efecto invernadero. (Tallez et al. 2006)
1.2.1. Contextualización.
Contextualización macro.
La humanidad ha logrado maravillas gracias a los combustibles fósiles no renovables (carbón, petróleo y gas natural), pero con un costo medioambiental muy alto. También, el uso acelerado de estos, fundamentalmente por los países desarrollados, que constituyen alrededor de 30 % de la población mundial, ha llevado a la disminución de los rendimientos de las minas y los pozos más asequibles. Por otra parte, la demanda crece debido al incremento de la población mundial y al necesario desarrollo del restante 70 % de la población.
En este contexto, el hidrógeno se presenta como el portador energético ideal, porque se obtiene del agua y su combustión produce agua. O sea, es un ciclo que no introduce desbalance en la naturaleza. (Taracido Trunk et al. 1999)
El hidrógeno puede ser producido mediante las tres formas convencionales de suministro energético: hidrocarburos (carbón, gas natural, petróleo, etc.), reactores nucleares y energías renovables tales como solar, eólica, térmica, hídrica, biomasa, etc. Como se aprecia en la figura 1, actualmente el 96% de la producción mundial de hidrógeno se realiza mediante combustibles fósiles, mientras que el 4% restante se lleva a cabo a través de electrólisis de agua. Gran parte del hidrógeno es producido mediante reformado de gas natural (el cual es principalmente metano) y otros combustibles. Para realizar un análisis completo de las diversas posibilidades energéticas y alternativas de producción de hidrógeno es necesario analizar los aspectos positivos y negativos de éstas. Son necesarias nuevas formas de producir hidrógeno sin emitir dióxido de carbono para poder hacer frente al cambio climático y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Es por lo tanto importante considerar la cadena
Fig. 1: Distribución mundial de materias primas para la producción de
Hidrógeno (Richa Kothari, D.Buddhi, R.L Sawhney.)
Contextualización meso.
Países en América Latina tienen participación en el desarrollo de tecnologías de hidrógeno (Posso, F,2013) Brasil constituye el líder en programas de I&D sobre la energía del H2,Programa de Ciencia, Tecnología e Innovación para la Economía del Hidrógeno (ProH2), que abarca todas las fases del SESH: producción, almacenamiento, transporte y usos finales, aunque su énfasis está en las pilas de combustible para generación distribuida en sistemas aislados y en vehículos para transporte colectivo urbano; también han priorizado el proceso de obtención de H2 a partir de etanol y glicerol.
En el año 2009, en fase de prueba empieza a recorrer las calles de Sao Paulo, el primer autobús movido por H2, el Eco Bús, con una autonomía de 300 km, transportando 63 pasajeros, y en el cual el H2 se produce por electrólisis.
Argentina, en la cual los primeros estudios sobre el H2 como vector energético datan de la década del 80. Con un fuerte repunte en el año 2005. Su centro bandera es la Planta Experimental de Hidrógeno de Pico Truncado, en el extremo sur del país, en elemento el cual este se obtiene a partir de energía eólica. Concebida como una escuela/fábrica, consta de dos módulos, el primero destinado a la capacitación teórico-práctica, y el segundo destinado a la producción, almacenamiento, laboratorio, taller y ensayos de prototipos para las diversas aplicaciones del H2 como combustible.
En el ámbito legislativo, en agosto de 2006 el Congreso de la Nación Argentina aprobó la ley 26123 sobre "Régimen para el desarrollo de la tecnología, producción, uso y aplicaciones del hidrógeno como combustible y vector de energía",
México constituye el tercer país de la región en avanzar hacia la economía del H2, dentro de sus acciones principales se ubica la Red Nacional del Hidrógeno, asociación civil sin fines de lucro, que propicia la investigación y desarrollo de proyectos en: celdas de combustible tipo MCFC (aplicaciones industriales, comerciales y residenciales) y generación distribuida, celdas de energía de tipo PEM (aplicaciones móviles), reactores biológicos para producción de biogás e H2, plataformas motrices híbridas, reformadores de combustibles, sistemas de almacenamiento, materiales funcionales para celdas y nano-coatings. Un proyecto demostrativo interesante es un vehículo monoplaza, primero de su tipo en México, totalmente impulsado por H2 y celdas de combustible.
Dentro de las iniciativas colaborativas se encuentran la "Red Iberoamericana de Pilas de Combustible e Hidrógeno", creada en el año 2005 y la "Red Iberoamericana Hidrogeno: producción y purificación; almacenamiento y transporte", en el año 2007, ésta última con la participación de más de 200 investigadores de 11 países de la región; ambas iniciativas patrocinadas por la cooperación española. Finalmente en referencia a las asociaciones orientadas al fomento de la energía del H2, pueden nombrarse la Asociación Argentina del Hidrógeno, la Sociedad Mexicana del Hidrógeno y la Asociación Colombiana del Hidrógeno. (Posso, F.2013)
Los vehículos automotores son la principal fuente de material particulado emitido a la atmósfera. Su contribución se ubica entre un 25% y un 75% del total de emisiones antropogénicas de PM10 (QUARG, 1993 [16]), este último en centros urbanos. El principal contribuyente de las emisiones de material particulado es el parque automotor a diésel.
Contextualización micro.
El desarrollo urbano experimentado por la ciudad de Quito en los últimos años, ha provocado la degradación de la calidad del aire, causada por los contaminantes del aire emitidos principalmente como productos de la quema de combustibles fósiles en la transportación pública, en la generación de energía eléctrica y en los procesos industriales, adicionalmente la deforestación del bosque protector causada por asentamientos marginales que provocan erosión del suelo, contribuyendo al deterioro mencionado. (Skoog 1994)
En el año 2000 el registro de vehículos fue de 290 752 para el 2011 se tenía 620 393 de acuerdo a un estudio realizado por el municipio de Guayaquil en el 2011 dice la totalidad de automotores que ruedan en la ciudad es responsable del 60% de la contaminación de su aire, aportan un promedio de 16 556 toneladas de óxido de nitrógeno (Nox), 52 213 toneladas de monóxido de carbono (CO) por año. (Darío Bernal 2011)
En nuestro país la empresa HidroxiEcuador recientemente creada por el Ing. Cesar Torres dice Tiene aquí la oportunidad de conocer nuestros generadores de hidrógeno, con los cuales y empleando únicamente AGUA, Usted podrá reducir el consumo de combustible hasta un 40% en su vehículo o en todo tipo de motores de combustión interna.
1.2.2 Análisis crítico.
Grafico 1 Árbol de Problemas
El consumo energético del sector transporte es elevado, siendo los vehículos propulsados por motor térmico una de las principales fuentes de contaminación atmosférica. Las emisiones contaminantes son CO2, CO, NOx, SO2, O3 y partículas de hollín. Estas emisiones son superiores en el transporte por carretera. El CO monóxido de carbono se produce durante la combustión incompleta de carburante y aire. Esta combustión incompleta tiene lugar cuando la atmósfera es pobre en oxígeno.
Son necesarias nuevas formas de producir hidrógeno sin emitir dióxido de carbono para poder hacer frente al cambio climático y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Si se obtiene el hidrógeno a través de energías renovables y la electrólisis, la producción sería sostenible en el tiempo y en recursos. (Rivero. Eguez Jorge, Pérez. Bravo Angel 2013)
Con la disminución de la contaminación producida por los vehículos que consumen combustibles fósiles con un aditamento que genere hidrogeno y oxigeno se tratara de detener en algo el calentamiento global
Cambiar los motores de combustión interna por motores eléctricos o de consumo de hidrogeno puede ser una alternativa a largo plazo, Se podrá utilizar los biocombustibles más su costo social demostrara efectos a mediano plazo
La salud de la población a futuro será afectada por lo que es la oportunidad de poner en práctica nuevas alternativas de combustibles limpios que minimicen o no generen contaminación.
1.2.3 Prognosis.
Al no realizar este estudio y no tomar en consideración la propuesta, la contaminación ambiental se incrementara cada día, aumentando el calentamiento global
1.2.4 Formulación del problema.
¿Cómo influirá la adición de hidrógeno en la combustión del vehículo, su rendimiento, la cantidad de CO2 que podemos disminuir?
1.2.5 Interrogantes.
Se disminuirá la contaminación ambiental con la celda de hidrógeno en un vehículo de 2200 cm3?
Cual es mejor tratamiento en el electrolito para obtener más hidrógeno?
Cuál es la potencia máxima para generar hidrogeno con nuestra celda?
En qué porcentaje se incrementará la potencia a la salida del vehículo?
En cuanto disminuirá la contaminación en los gases por la combustión?
1.2.6 Delimitación del objeto de investigación.
Campo: automotriz.
Área: Transporte.
Aspecto Específico: Elaboración de una celda de hidrogeno para un vehículo de 2200 centímetros cúbicos.
Delimitación Temporal: Enero del 2014 hasta Abril de 2014.
Delimitación Espacial: Talleres CENMEC.
1.3 Justificación
La sociedad ecuatoriana en la actualidad tiene una plena conciencia sobre la necesidad y obligación de mantener y conservar la calidad del aire que respiramos. Causada por los contaminantes del aire emitidos principalmente como productos de la quema de combustibles fósiles en la transportación.
El generador de hidrógeno es un dispositivo que se instala en motores de gasolina o diésel que por el proceso de electrolisis obtenemos este elemento el hidrógeno es un gas tres veces más potente que la gasolina y se quema 10 veces más rápido. Tabla 1 anexo "Al hacer la mezcla de gasolina e hidrógeno tenemos un combustible repotenciado".
Julio Verne en su libro viaje al fondo del mar dice "creo que el agua algún día será una fuente inagotable fuente de luz y calor por tanto el agua será el carbón del futuro"
1.3.1 JUSTIFICACIÓN PRÁCTICA
Con la generación de hidrógeno se pretende utilizar una energía más limpia y eficiente que los combustibles tradicionales. Mediante la construcción y puesta en marcha a nivel experimental, del generador de hidrógeno en el taller CENMEC, permitirá confirmar el beneficio de la celda electrolítica.
1.4 Objetivos.
1.4.1 General.
"Construcción de una celda electrolítica para producir hidrogeno como combustible alternativo en motor de combustión interna usando agua como electrolito"
1.4.2 Específicos.
Determinar los parámetros de diseño de una celda electrolítica para producir hidrógeno utilizando agua potable como electrolito
Determinarla la intensidad de corriente necesaria para que funcione el sistema vehicular normal y la celda electrolítica simultáneamente usando dispositivos electrónicos.
Acoplar la celda electrolítica a un automóvil de 2 200 cm3 de cilindrada marca Dodge modelo 1984 transmisión automática motor Mitsubishi
Determinar la cantidad de CO2 en ppm en condiciones normales del motor utilizado y luego con la instalación del sistema electrolítico de producción de hidrogeno.
CAPÍTULO II
Marco teórico
2.1 Antecedentes investigativos.
Con relación a la Construcción de una celda electrolítica para producir hidrogeno como combustible el trabajo de investigación se fundamentó en la bibliografía reportada en el Journal of Dairy Science y se tomó el trabajo de tres tesis de universidades Ecuatorianas; Manabí, Técnica del Norte y Espoch sobre el hidrogeno como combustible alternativo.
También se conoció que en Bogotá Colombia realizan la adaptación de celda electrolítica en forma empírica, y en Lima Perú los vehículos utilizan GLP y los sensores son alterados para su funcionamiento lo cual puede ser un buen referente para el desarrollo de esta tesis.
2.2 Fundamentación filosófica.
La finalidad de la investigación es crítico positivo ya que existe comprensión, identificación de potenciales y acción social emancipadora y el análisis bibliográfica como herramientas metodológicas básicas; las mismas que permitirán obtener resultados cuya interpretación servirán para validar la hipótesis
Se tiene conocimiento que la empresa HidroxiEcuador, ubicada en la ciudad de Quito, representada por el Ing. Raúl Torres, produce generadores de hidrógeno para motos, vehículos con motores de combustión interna, ya sea de carburador o inyección electrónica de combustible de gas, diésel y gasolina con diferente cilindrada.
En Colombia Bogotá existen dos empresas que se dedican a la instalación de celdas de hidrogeno pero de forma artesanal y cuentan con tecnología aceptable y lo instalan en cualquier tipo de vehículo.
En Perú el consumo de GLP y gas natural ha hecho que en sus vehículos modifiquen el CPU (modulo electrónico del automóvil) para invalidar ciertos comandos con el fin de que no se altere su funcionamiento y sería la oportunidad de realizar dicha rutina para nuestro generador de hidrógeno en los automóviles a inyección.
0Para determinar el consumo de combustible durante un ciclo de prueba se lo realizara en el trayecto de una hora como también:
Evaluación mecánica del vehículo seleccionado. Marca, modelo cilindrada
Instalación de equipos a usarse.se utilizara una celda tipo seca
Medición en campo:
Emisión de gases
Evaluación de torque
Consumo de combustible
Relación potencia vs torque
2.3 Fundamentación legal.
NORMAS TÉCNICAS DE CALIDAD AMBIENTAL Art. 4 Norma Técnica de Calidad del Aire Ambiente. Libro VI. Norma de Calidad Ambiental, Norma de Calidad del Aire Ambiente, numerales 4.1.1 y 4.1.2.
INEN 2 204:2002 Límites Permitidos De Emisiones Producidas Por Fuentes Móviles Terrestres De Gasolina.
INEN 2 203:2000 Gestión Ambiental. Aire. Vehículos automotores. Determinación de la concentración de emisiones de escape en Condiciones de marcha mínima o "ralentí". Prueba estática.
HOJA DE SEGURIDAD DEL MATERIAL (SDS) hidrógeno linde ecuador s.a. 2012
CAS HIDRÓGENO #1333-74-0
CAS GASOLINA # 8006-61-9
2.4 Categorías fundamentales.
Gráfico 2. Organizador lógico de variables.
Elaborado: Fernando Sánchez.
2.5 FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
Variable independiente
2.5.1 Celda electrolítica.
Conocido como hidrolizador, celda de hidrógeno o Generador de Hidrógeno, es un dispositivo que se emplea para mejorar el rendimiento de los motores de combustión interna de gas, gasolina, diésel, biodiesel o turbosina. fig. 3
Un Generador de Hidrógeno, utiliza como materia prima agua y 12 voltios, por medio de un proceso de electrólisis, el Generador de Hidrógeno nos proporciona por separado hidrógeno y oxígeno, estos gases altamente combustibles son enviados a la entrada de aire del motor donde se mezclan con el combustible utilizado. La energía del hidrógeno mejora la combustión, proporciona mayor potencia, reduce el consumo de combustible y al quemarse mejor disminuye los contaminantes.
Figura 2 Generador de Hidrógeno
Fuente: www.Amazon.com Shop hidrogeno para vehículos 2014
Básicamente, un generador de hidrógeno es un dispositivo que separa el hidrógeno y el oxígeno del agua, de manera que el gas de hidrógeno puede ser utilizado en diversas aplicaciones y pueden ser en los motores de: Motos, camiones, plantas de Luz, excavadoras, trenes, barcos y aviones y más en el campo automotriz, puesto que puede aportar con la reducción de gases contaminantes producto de la combustión. Está compuesto por varias placas y láminas en donde se comunican con el electrólito que es suministrado por un conducto proveniente del depósito de agua destilada, cuando al generador se le aplica un voltaje la corriente que por el electrolito circula hace que se separe el hidrógeno y el oxígeno del agua en forma de gas mediante un proceso llamado electrólisis. Para ello utilizan energía eléctrica de la batería del auto o bien de baterías adicionales. Ambos elementos resultantes desplazan parte de la gasolina y el aceite en los cilindros. Esta mezcla favorece la combustión y el rendimiento y reduce los consumos y las emisiones.
Un generador de hidrógeno implica que se usa la energía eléctrica del vehículo, en este caso la batería de 12 voltios de corriente directa y un alternador de diferente potencia en amperios hora, para fracturar (electrolizar) el agua y producir el plasma H2O, lo cual implicaría que necesitaríamos sacar el 200% a este sistema eléctrico, para alcanzar lo óptimo en todo el sistema. Hay muchos tipos de generadores de hidrógeno H2O,en general tienen sumergido en agua (húmedos o secos) placas de diferentes metales desde acero hasta platino, dependiendo del presupuesto, con electrolitos (que permiten o facilitan el paso de la corriente eléctrica en el baño electrolítico), para finalmente producir plasma de aguaH2O que se conduce por tuberías y sistemas de seguridad, etc. a diferentes entradas que alimentan de combustible el vehículo, siendo la más común el filtro del aire aunque no la más eficiente, el carro requerirá de ajuste en el tiempo, es decir hay que sincronizarlo para la alta velocidad de combustión que tiene el hidrógeno.(Duque et al 2013)
El hidrógeno es el elemento más abundante en el Universo (75%), pero también es el combustible con mayor energía que existe. El hidrógeno contiene (119,3 KJ/Kg) casi tres veces más capacidad energética que la gasolina (46 KJ/Kg).
La combustión del hidrógeno nos proporciona energía y agua. Por su abundancia, capacidad energética y no contaminación, es la forma energética más conveniente para el humano y el planeta.
2.5.2 Dimensionamiento de la celda electrolítica.
(Duque, Mazaquiza 2011) realiza su cálculo y dimensionamiento de placas utilizando las siguientes ecuaciones y formulas el cual se tomara como referente para pruebas de este trabajo.
Figura 3. Dimensión de placas del Generador de Hidrógeno para celda electrolítica
Fuente: "GENERADOR DE HIDRÓGENO" DUQUE, E. & MASAQUIZA, J. 2013
2.5.3 Electrolisis
Diccionario de lengua española, 2011.pags; 12-23) "La electrolisis es el proceso que separa los elementos de un compuesto por medio de la electricidad Proceso se aplica una corriente eléctrica continua mediante un par de electrodos conectados a una fuente de alimentaciones eléctricas y sumergidas en la disolución. El electrodo conectado al polo positivo se conoce como ánodo, y el conectado al negativo como cátodo.
Cada electrodo atrae a los iones de carga opuesta. Así, los iones negativos, o aniones, son atraídos y se desplazan hacia el ánodo (electrodo positivo), mientras que los iones positivos, o cationes, son atraídos y se desplazan hacia el cátodo (electrodo negativo).
El electrodo es el camino por el que van los electrones. Cátodo es el camino por donde caen los electrones. Ánodo es el camino por el que ascienden los electrones. Ion significa caminante. Anión se dirige al ánodo y catión se dirige al cátodo. La nomenclatura se utiliza también en pilas. En el ánodo se produce la oxidación y en el cátodo la reducción
La energía necesaria para separar a los iones e incrementar su concentración en los electrodos es aportada por la fuente de alimentación eléctrica. Fig. 2 En los electrodos se produce una transferencia de electrones entre éstos y los iones, produciéndose nuevas sustancias. Los iones negativos o aniones ceden electrones al ánodo (+) y los iones positivos o cationes toman electrones del cátodo (-). En definitiva lo que ocurre es una reacción de oxidación-reducción, donde la fuente de alimentación eléctrica se encarga de aportar la energía necesaria.
2.5.4 Electrólisis del agua
Si el agua no es destilada, la electrólisis no sólo separa el oxígeno y el hidrógeno, sino los demás componentes que estén presentes como sales, metales y algunos otros minerales (lo que hace que el agua conduzca la electricidad no es el puro H2O, sino que son los minerales. Si el agua estuviera destilada y fuera 100% pura, no tendría conductividad.)
2.5.5 Electroquímica
Es una rama de la química que estudia la transformación entre la energía eléctrica y la energía química. En otras palabras, las reacciones química que se dan en la interface de un conductor eléctrico (llamado electrodo que puede ser un metal o un semiconductor) y un conductor iónico (el electrolito) pudiendo ser una disolución. Chang Raymond (2007)
2.5.6 Electricidad
(Gran diccionario enciclopédico siglo XXI, 2001, pags; 35-76) "La electricidad es un fenómeno físico cuyo origen son las cargas eléctricas y cuya energía se manifiesta en fenómenos mecánicos, térmicos, luminosos y químicos, entre otros. Se puede observar de forma natural en fenómenos atmosféricos, por ejemplo los rayos, que son descargas eléctricas producidas por la transferencia de energía entre la ionósfera y la superficie terrestre (proceso complejo del que los rayos solo forman una parte). Otros mecanismos eléctricos naturales los podemos encontrar en procesos biológicos, como el funcionamiento del sistema nervioso. Es la base del funcionamiento de muchas máquinas, desde pequeños electrodomésticos hasta sistemas de gran potencia como los trenes de alta velocidad, y de todos los dispositivos electrónicos. Además es esencial para la producción de sustancias químicas como el aluminio y el cloro.
2.5.7 El Alternador
Es el elemento del circuito eléctrico del automóvil que tiene como misión transformar la energía mecánica en energía eléctrica, proporcionando así un suministro eléctrico durante la marcha del vehículo. El alternador en un vehículo debe estar diseñado para proporcionar corriente eléctrica necesaria para la carga de la batería así como para suministrar corriente a todos los demandantes eléctricos que lo requieran. Professional automotive. (2012)
2.5.8 Acero inoxidable
(Glosario del acero) "En metalurgia, el acero inoxidable se define como una aleación de acero con un mínimo de 10% de cromo contenido en masa. El acero inoxidable es un acero de elevada pureza y resistente a la corrosión, dado que el cromo, u otros metales que contiene, posee gran afinidad por el oxígeno y reacciona con él formando una capa pasivadora, evitando así la corrosión del hierro (los metales puramente inoxidables, que no reaccionan con oxígenos son oro y platino, y de menor pureza se llaman resistentes a la corrosión, como los que contienen fósforo). Sin embargo, esta capa puede ser afectada por algunos ácidos, dando lugar a que el hierro sea atacado y oxidado por mecanismos intergranulares o picaduras generalizadas. Algunos tipos de acero inoxidable contienen además otros elementos aleantes; los principales son el níquel y el molibdeno siendo el mejor el 316 Para nuestros procesos utilizaremos el 304
VARIABLES DEPENDIENTES
2.5.9 El hidrógeno combustible limpio
El hidrógeno fue descubierto a finales del siglo XVII por Henry Cavendish. 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. Con una masa atómica de 1,00794u, el hidrógeno es el elemento químico más ligero y es, también, el elemento más abundante, constituyendo aproximadamente el 75% de la materia visible del universo
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", 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. H. Schultz, G. B. (2005).
En la actualidad las principales armadoras automotrices como BMW, Mercedes, VW, Ford, Toyota y Honda tienen autos que funcionan únicamente con Hidrógeno con una Ggran autonomía, potencia y con cero contaminantes.
2.5.10 El hidrógeno como combustible.
El hidrógeno se ha dado a llamar el "combustible del futuro" debido a sus muchas virtudes: Entra en combustión a muy alta temperatura, contiene mucha más energía que una cantidad de petróleo de igual peso, produce mucha menos polución atmosférica pues condensando el vapor se transforma en un líquido que puede beberse, ya que combinado con el oxígeno de la atmósfera produce agua. No existe sobre la Tierra hidrógeno libre (no combinado) y sólo se puede encontrar en la atmósfera y en muy escasa proporción. Pero en cambio no hay
escasez de la materia prima necesaria para producirlo. Todo lo que hace falta es agua y alguna otra forma de energía.
2.5.11 Ventajas del hidrógeno como combustible.
En un motor de Hidrógeno, se reduce la polución notablemente. No se despiden hidrocarburos sin quemar, pero en el calor producido por la reacción del hidrógeno puede combinarse algo de nitrógeno del aire con el oxígeno produciendo óxidos de nitrógeno. Una solución a este problema consiste en inyectar agua, que se vaporiza en el cilindro cuando el hidrógeno entra en combustión y reduce la temperatura hasta un nivel en el que se detienen las reacciones del hidrógeno. Al mismo tiempo, el vapor de agua aumenta el volumen del gas en expansión en el pistón: en realidad contribuye a que el motor transmita su energía de un amanera más eficaz. En los primeros vehículos de este tipo se hacía necesario agregar un tanque de agua y rellenarlo con frecuencia. En diseños posteriores, el agua se recuperaba a partir de los gases originados en la combustión. Al despedir sólo un contaminador potencial, el hidrógeno supera con mucho al petróleo que produce varios cuya eliminación resulta costosa.
En otras de las soluciones posibles a estos problemas, el motor no tiene carburador. En cada golpe afluye el mismo volumen de aire y se inyecta un volumen medido de hidrógeno cuya cantidad real se controla mediante el pedal del acelerador.
La organización de investigaciones aeroespaciales DFVLR (Alemania) afirmó haber resuelto las dificultades de almacenamiento del hidrógeno líquido con su invento de un depósito construido como un recipiente de vacío que mantiene al hidrógeno por debajo de su punto de ebullición (-253 ºC), estrenado en su primer coche experimental propulsado por hidrógeno líquido en 1980. BOSCH. Manual de la técnica del automóvil
2.5.12 Producción de hidrógeno.
Se pueden plantear diferentes alternativas para la producción del H. Uno de tantos y bastante prometedor, consiste en una planta de producción de metano, proceso llevado a cabo en Chicago, donde el H es una etapa intermedia. En dicho proceso, el H debería resultar más barato que el metano. En la actualidad, el H se produce en grandes cantidades sobre todo por el proceso inverso: a partir de gas natural. Dos fábricas situadas en Los Ángeles son capaces de producir 30 Tm/día quemando metano en presencia de agua, descomponiéndola por ese medio para liberar H. El O se combina con el C del metano formando CO2, destinado a la fabricación de bebidas gaseosas (Vigil, E. 2011)
La electrólisis es una manera eficaz de obtener H. Este, en el proceso, no se produce en su forma molecular normal (H2) sino como átomos aislados (H) que pueden atacar a una gran gama de materiales. Los electrodos en particular están expuestos a una rápida corrosión de modo que se hacen necesarios metales nobles muy costosos, como el oro o el platino. Pero recientemente se ha llegado a un electrólito polímero sólido que permite pasar fuertes corrientes a través de delgadas membranas de plástico haciendo sólo una pequeña inversión en platino dividido finamente. Como resultado de ello el costo de capital ha descendido hasta un nivel que, aun cuando la planta sólo se usara un tercio del tiempo, haría que el proceso fuese rentable. El proceso es reversible: en la misma célula se recombinarán el oxígeno y el hidrógeno para volver a producir electricidad de una manera muy eficaz. En los coches podrían dar como resultado el necesario aumento de autonomía. (http://www.econovedades.eu)
HIDRÓXIDO DE POTASIO. Es una sal utiliza en la preparación de electrolito la cual al diluirla con agua hace que esta tenga conductividad eléctrica, esto nos ayuda a obtener mayores beneficios de la electrolisis y por ende vamos a tener mayor cantidad de hidrogeno que es nuestro objetivo para lograr aumentar la eficiencia de nuestro motor. H. Schultz, G. B. (2005).
Hay que tener muy en cuenta las normas de seguridad al manipular este elemento ya que es un producto corrosivo, destruye tejidos vivos y otros materiales, provoca graves quemaduras, hay que evitar el contacto con la piel y los ojos, no inhalar y para total seguridad hay que usar la debida proyección que cuenta de guantes y mascara.
2.5.13 Sistemas de carburación
El carburador es el dispositivo que se encarga de preparar la mezcla de aire-combustible en los motores de gasolina. A fin de que el motor funcione más económicamente y obtenga la mayor potencia de salida, es importante que la gasolina esté mezclada con el aire en las proporciones óptimas. Estas proporciones, denominadas factor lambda, son de 14,7 partes de aire en peso, por cada 1 parte de gasolina; es lo que se llama "mezcla estequiométrica"; pero en ocasiones se necesitan otras dosificaciones, lo que se llama mezcla rica (factor lambda menor de 1)
La relación de aire-combustible es determinante en el funcionamiento del motor. Esta mezcla, llamada también factor lambda, indicada en el párrafo anterior no debe ser menor de unas 10 partes de aire por cada parte de gasolina, ni mayor de 17 a 1; en el primer caso hablamos de "mezcla rica" y en el segundo de "mezcla pobre".1 Por debajo o por encima de esos límites el motor no funciona bien, llegando a "calarse", en un caso "ahogando" las bujías y en el otro calentándose en exceso, con fallos al acelerar y explosiones de retorno.
2.6 Hipótesis
General:
La producción de hidrogeno a partir de una celda electrolítica seca disminuirá la contaminación en los motores de combustión reduciendo el consumo de combustible fósil
Específicas:
H0 = El hidrogeno no influye sobre el rendimiento de fuerza y contaminación ambiental en un motor a gasolina
H1 = La cantidad de Hidrogeno generado por una celda electrolítica influye en la potencia de un vehículo y disminuye el porcentaje de contaminación del aire por combustible
2.6 Señalamiento de variables de la hipótesis
El uso controlado de hidrogeno producido por una celda electrolítica que utiliza agua potable como electrolito incidirá en la contaminación atmosférica emanada por un motor marca Mitsubishi de 2200 cm3
Variable independiente:
Generación de Hidrogeno por una celda electrolítica a partir del agua potable
Variable dependiente:
Contaminación atmosférica emanada por un motor marca Mitsubishi de 2200 cm3
Respuesta Experimental:
Diseño y construcción de la celda seca de hidrogeno
Producción de hidrógeno
Rendimiento del vehículo torque
Contaminación ambiental
CAPÍTULO III
Metodología
3.1 Modalidad básica de la investigación.
La presente investigación es de tipo documental, de campo y experimental las cuales nos ayudará a recolectar la información necesaria para poder desarrollar en forma correcta y adecuada el proyecto práctico de investigación.
Argumentativa (exploratoria). Pues trata de probar que algo es correcto o no y que requiere solución. Se discute consecuencias y soluciones alternas, para llegar a una conclusión crítica después de evaluar los datos investigados. La presente investigación es de tipo práctico ya que este proyecto será utilizado en un vehículo de propiedad del investigador.
3.2 Nivel o tipo de investigación
Empíricos:
Recolección de información Para la recolección de información nos basaremos en varios manuales, libros de mecánica e internet, ya que estas serán nuestras fuentes de información.
Teóricos:
Científico Este método es el conjunto de reglas que señalan el procedimiento para llevar a cabo nuestra investigación cuyos resultados sean aceptados como válidos por la comunidad científica.
Analítico Este método servirá en la medida que realizaremos el análisis no solamente de aspectos teóricos, científicos, sino también de los resultados o productos que se lograrán en el proceso investigativo de este proyecto.
Sintético La gran variedad de información teórica que obtendremos necesariamente se deberá sintetizar, sin que por ello pierda su valor, calidad y didáctica.
Inductivo Este método nos permitirá llegar a conclusiones de carácter general y así dar validez a la hipótesis
Deductivo Este método aplicamos partiendo de hechos generales, luego de realizar un proceso investigativo, llegando a determinar, evaluar y emitir juicios de valor de aspectos particulares al aplicar las conclusiones sobre nuestro tema de investigación.
| Página siguiente |