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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
OBTENCIÓN DE HIDRÓGENO CON ENERGÍA DEL TAPCHAN
Protocolo de Investigación Doctoral por:
M. en I. Rafael Sánchez Dirzo
Tutor: Dr. Rodolfo Silva Casarín Instituto de Ingeniería de la UNAM
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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO Asunto: Solicitud de entrada al Doctorado en Ingeniería
Subcomité Académico del Campo de Conocimiento de Energía
SACCE Presente
En respuesta a los requerimientos marcados en el Programa de Maestría y Doctorado
en Ingeniería de la UNAM, solicito por medio del presente mi ingreso al Programa de
Doctorado en Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México.
El título del proyecto de investigación que pongo a su disposición luego de las
deliberaciones que he tenido con mi tutor y con los doctores que amablemente han
atendido la solicitud de integrar mi Comité Académico así como a las observaciones del
SACC, es: “Obtención de Hidrógeno con Energía del TAPCHAN” y se encuentra
dentro del tema “Fuentes Renovables de Energía”
El nombre de mi tutor es el Dr. Rodolfo Silva Casarín, Investigador del Instituto de
Ingeniería.
Los nombres de los doctores que apoyan la propuesta son:
1. Dr. Arturo Fernández Madrigal. Investigador del Centro de Investigación en
Energía.
2. Ing. Jacinto Viqueira Landa. Profesor Emérito de la UNAM.
3. Dr. José Luis Fernández Zayas. Investigador del Instituto de Ingeniería.
4. Dr. Miguel Ángel Alatorre Mendieta. Investigador del Instituto de Ciencias
del Mar y Limnología.
Así como las recomendaciones académicas del Ingeniero Augusto Sánchez Cifuentes
Profesor de la Facultad de Ingeniería y del Maestro Alfredo Sánchez Figueroa,
Director de la Fes Zaragoza. Anexo documentos.
ATENTAMENTE
“Por mi raza hablará el espíritu”
México D. F. a 20 de noviembre de 2007
Rafael Sánchez Dirzo
e-mail: [email protected]
Cel: 044 55 28 59 51 81
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PRESENTACIÓN
El hidrógeno, obtenido por la descomposición electrolítica del agua mediante
electricidad generada por sistemas fotovoltaicos, eólicos y océanomotrices, sigue
ampliando su base de aceptación a medida que la innovación tecnológica, el dilema
ambiental, el abatimiento de sus costos y la difusión de diversos prototipos ya en
operación y comercialización, muestran que su papel de vector energético puede llegar a
ser central en el transcurso del siglo XXI.
Si bien los avances de las tecnologías solares y eólicas están bien documentados (ver
por ejemplo Zekai y Ahmet, 2004), las tecnologías océanomotrices empiezan a
despuntar tanto en sus fundamentos, conceptos, prototipos a escala, prototipos
industriales, difusión y comercialización (ver informes de la IES/OES 2002-2006). En
particular, el dispositivo costero TAPCHAN (TAPered CHANnel) se muestra como el
más sencillo, económico y al alcance de un país que como México, recién inicia la
explotación de sus fuentes renovables de energía, específicamente sus recursos
oceánomotrices.
El sistema TAPCHAN aprovecha la naturaleza ondulatoria de las olas y por medio de
un canal parabólico concentra su energía para proyectarlas incluso hasta una altura de 5
metros e inundar un reservorio a manera de pequeña presa. Una pequeña central
hidroeléctrica se encarga de generar la electricidad correspondiente regresando el agua
al mar para comenzar de nueva cuenta el ciclo.
Esta disponibilidad de electricidad “azul” permitiría almacenar químicamente parte de
la energía del TAPCHAN electrolizando agua obteniendo por consiguiente, hidrógeno y
oxígeno.
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INTRODUCCIÓN
La importancia de los océanos en todos los órdenes ecológico, social, cultural y político
está fuera de discusión. Su influencia en la biogeoquímica, circulación de sales,
distribución de nutrientes y la regulación del clima de todo el planeta se encuentra entre
las áreas de mayor estudio en la actualidad (Bigg et al. 2003), en particular su
interacción con la atmósfera (Li, 2001) y la formación de nubes mediante la producción
de DMS (dimetilsulfuro) por parte de algas (Lovelock, 2005), (Bonner-Knowles et al.
2005) es una notable contribución al conocimiento del ciclo del agua en la Tierra.
Los beneficios del movimiento de los océanos se ha extendido a un área que hasta hace
poco tiempo se consideraba inalcanzable: la generación de electricidad. La posibilidad
de que los océanos puedan contribuir a disminuir la presencia de los hidrocarburos en la
obtención de energía eléctrica ha obligado a que la Asociación Internacional de Energía
(IEA, siglas en inglés) haya constituido a inicios del siglo XXI una de sus secciones
más dinámicas y promisorias: la OES (Ocean Energy Systems). No es gratuito. Se
calcula que el 20% de la electricidad mundial puede provenir de los océanos durante el
transcurso del siglo, y los creadores de dispositivos para su obtención, son dignos
herederos de Arquímedes, Leonardo y Ramellió, precursores de la hidráulica e
hidrodinámica ahora orientadas a la obtención de energía eléctrica del agua salina de los
mares.
Cinco son los flujos de energía de los océanos de interés para generar electricidad:
mareas, corrientes marinas, ondas, gradientes de temperaturas y gradientes salinos (IEA/
OES 2004). La energía de mareas tiene como causa principal la fuerza gravitacional de
la luna y el sol. Las corrientes marinas recorren en forma de flujos tanto la superficie del
mar como sus profundidades, causas de dichas corrientes entre otras son los gradientes
de presión, los vientos y la convección del agua debida a la radiación solar, sin embargo
es un fenómeno poco conocido y sujeto de diversas investigaciones. Las ondas resultan
de la acción del viento sobre la superficie del agua y pese a su familiar imagen pueden
ser de una extraordinaria complejidad (Silva et al. 2006). Los gradientes térmicos
también son provocados por la radiación solar elevando la temperatura de la superficie
del mar hasta 25 grados respecto al fondo marino y los gradientes salinos debidos a las
diferentes concentraciones de sales, son contrastantes sobre todo en la zona de
4
desembocadura de los ríos en los océanos, un caso extraordinario es el Amazonas
(Masson et al. 2001).
Concentrándose en la energía de ondas un resultado importante es que la cinemática de
las ondas marinas aunque complicado puede ser modelada. Una descripción de tales
perfiles se da en la imagen 1 (Ver Postigo). Una excelente descripción artística se debe
a Hokusai, imagen 2.
Imagen 1. OSCILACIONES MARINAS
Imagen 2. Hokusai: La gran onda de
Kanawaga
La variación de la energía de ondas a medida que nos alejamos de las costas y se hace
más profundo el fondo marino se presenta en la imagen 3 (Duckers, 2000).
kW/m
80
60
40
20
0 20 40 60 80 100 m (fondo marino)
Imagen 3. Potencia lineal marina
La distribución de la potencia de ondas llamado espectro de energía marina que
cuantitativamente es específica de cada región particular pero cualitativamente adquiere
A. Perfil de la ola B. Posiciones de una gota durante la filmación de una ola C. Clases de olas 1. Marejada de alta mar 2. Olas de oscilación 3. Olas forzadas 4. Olas de traslación D. Roca abierta por la acción de las olas.
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la forma típica de la imagen 4 (Duckers, 2000), donde los números dentro del mismo
representan el número de veces al año en que las condiciones de altura H y el periodo T
de las olas ocurren.
H en metros
10
1 POTENCIA (kW/m)
8 400 1 5 1
6 200
1 14 4 100 4
4 24 1 50 2
24 24 1 10
8 10 12 14 T en segundos Imagen 4. DIAGRAMA H-T (Atlántico Norte)
Donde la potencia por metro de frente de onda está dada por P = 0.577 H2 T (kW/m).
Un promedio de los resultados de mediciones y cálculos de la distribución de la energía
de ondas disponible en el mundo se muestra en la imagen 5.
IMAGEN 5. Distribución de la energía de onda (kW/m)
6
En 1929 una turbina tipo Savonius (turbinas de eje vertical, ver imagen 6), fue
sumergida en las costas de Mónaco funcionando durante varios meses para aprovechar
la energía horizontal del oleaje. Fue la primera de las experiencias que sobre el
aprovechamiento de la energía de ondas vendría durante todo el siglo XX.
Imagen 6. TURBINAS DE EJE VERTICAL
En 1934 aprovechando la energía de las olas se abría un canal en costas francesas,
apertura por donde las olas penetraban con gran fuerza, la energía de ondas era
transformada en energía potencial a 3-7 metros sobre el nivel del mar dentro de un
depósito construido para tal propósito. Fue el antecedente de lo que en la actualidad se
denominan diseños “TAPCHAN”, ver imagen 7, colectores de energía del oleaje que
posteriormente es convertida en electricidad por medio de turbogeneradores para
regresar el agua al océano y volver a empezar el ciclo. En 1985 fue construido en
Noruega un prototipo de 350 kW y en Java otro de 1 MW. Simple, funcional, con pocas
partes móviles y muy bajo mantenimiento el concepto “TAPCHAN” ha ido
innovándose en los últimos tiempos pudiendo aceptar aerogeneradores y paneles solares
en diversas propuestas de hibridación.
Imagen 7. TAPCHAN
7
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En la actualidad el 96% de las 65 millones de toneladas al año de hidrógeno
-equivalente a 8 EJ, menor que el 2% del suministro total de energía primaria en el
mundo-, es obtenido de la reforma del metano, refinerías y gasificación del carbón (IES,
2007). El papel de combustible que puede jugar en el transcurso del siglo XXI hace
necesario que el proceso de electrólisis empiece a buscar las llamadas economías de
escala. Si bien la electrólisis es una tecnología madura y comercial se enfrenta al
complejo problema de alimentarse de electricidad que no provenga de la quema de los
hidrocarburos sino de la generada por las energías renovables: sol, vientos y mares.
El cuestionamiento más fuerte que se le ha hecho al hidrógeno como combustible es de
tipo económico. El informe de la IES antes aludido muestra que en efecto su producción
por electrólisis es en promedio de dos a tres veces más costosa que su obtención por
medio de la reforma del gas natural y como energético cuesta el doble que por ejemplo
la gasolina. Pero si se consideran los costos ocultos de la quema de los hidrocarburos en
su impacto negativo sobre la salud y los ecosistemas, resulta que estos son iguales o
más caros que el hidrógeno si consideramos también que éste se puede reciclar en el
caso de usarse en la generación de electricidad (Dirzo, 2004).
El desarrollo de sistemas que acoplen paneles fotovoltaicos con plantas de electrólisis
tiene años de investigación y desarrollo (Koukovinos et al. 1982, Stahl et al. 1995,
Abaoud et al. 1998, Meurer et al. 2000). Lo mismo se podría decir del acoplamiento de
aerogeneradores y plantas de electrólisis (Bechrakis et al. 2006, Thanaa et al. 2006).
El acoplamiento de dispositivos océanomotrices con plantas de electrólisis apenas
empieza a investigarse con prototipos de tipo flotante (Alexander et al. 2006) y ante la
diversidad de prototipos en desarrollo es necesario iniciar en México los estudios
respectivos comenzando con el más sencillo, el TAPCHAN.
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OBJETIVO GENERAL Diseñar termodinámicamente el acoplamiento de un dispositivo costero TAPCHAN con
una central de electrólisis alcalina típica para la obtención de hidrógeno a utilizarse
como combustible.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1 Escalar los resultados del TAPCHAN sometido a pruebas de laboratorio como el
de olas del Instituto de Ingeniería, a un prototipo de planta piloto de 100 kW de
capacidad, como una primera propuesta a ser analizada.
2 Con base a los balances de masa y energía construir una propuesta de
distribución de los equipos principales tanto del TAPCHAN como de la central
de electrolisis.
3 Realizar un estudio de prefactibilidad calculando costos preliminares del
hidrógeno producido.
4 Hacer una propuesta de almacenamiento de los componentes del agua para su
uso como combustible.
METAS
1. Organizar en forma de artículos y capítulos de textos, la bibliografía
especializada y la consulta a expertos.
2. Los datos obtenidos en el TAPCHAN del laboratorio escalarlos a nivel de una
planta piloto de 100 kW de capacidad.
3. Realizar los balances termodinámicos requeridos para obtener las dimensiones
preliminares de los principales equipos.
4. Armar un Plot Plant que realce la distribución de los equipos básicos.
5. Realizar un balance económico preliminar.
6. Realizar una propuesta de almacenamiento del hidrógeno y el oxígeno obtenido.
7. Elaborar un manual de diseño y operación.
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METODOLOGÍA
El escalamiento de los datos de laboratorio se hará mediante el análisis dimensional
convencional. Esto es, se establecerán semejanzas geométricas, calcularán números
adimensionales, definirán las ecuaciones de la hidrodinámica a utilizarse y con base a
datos bibliográficos se harán los ajustes correspondientes.
Dada la capacidad seleccionada de planta piloto los balances termodinámicos estarán
basados en un diagrama de flujo de procesos, estableciéndose los equipos principales y
determinando sus características específicas. La distribución de los equipos responderá
a la disponibilidad de energía de ondas misma que se encuentra calculada para diversas
regiones del país por parte del equipo de trabajo del laboratorio de olas.
El llenado de las hojas de especificación del equipo principal nos permitirá cotizarlos en
el mercado y con tales datos poder disponer de un primer cálculo de prefactibilidad.
Toda esta información será organizada en un pequeño manual de diseño y operación.
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CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
1. Revisar y actualizar la bibliografía especializada así como la consulta a expertos en
cada área.
2. Escalamiento y ajuste de los datos del TAPCHAN de laboratorio a otro de 100kW.
3. Diseño termodinámico de una central electrolítica convencional acoplada al
TAPCHAN.
4. Realizar los Balances de Masa y Energía.
5. Determinar las dimensiones y características de los equipos básicos.
6. Proponer el Plot Plant respectivo.
7. Escribir y publicar la tesis.
8. Escribir un artículo para publicación (Revistas propuestas: J. int. Hydrogen Energy,
Chemical Engineering Progress, Power o la revista del Instituto Mexicano de
Ingenieros Químicos).
9. Obtener el grado.
CALENDARIO DE ACTIVIDADES Actividad SEMESTRE
1 2 3 4 5 6 7 8 1 X X X X X X
2 X X 3 X X 4 X X
5 X X 6 X X
7 X X X 8 X X X
9 X
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BIBLIOGRAFÍA
1. Abaoud H., Steeb H., The German-Saudi Hysolar Program, Int. J. Hydrogen
Energy 23(6), pp 445-449, 1998.
2. Ahmet Duran Şahin, Progress and recent trend in wind energy, Progress in
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3. Alexander A. Temeev, Victor P. Belokopytov, Sergey A. Temeev, An Integred
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4. Bechrakis D. A., Mckeogh E. J., Gallagher P. D., Simulation and operational
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5. Bigg G. R., Jickells T. D., Liss P. S., Osborn T. J., The role of the oceans in
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6. Bonner-Knowles D., Jones G., Gabric A., Dimethylsulphide production in the
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8. Duckers L., Wave Power, Engineering Science and Education Journal, 113-122,
June 2000.
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10. Koukouvinos A., Lygerov V., Koumoutsos N., Design of a System for Solar
Energy Storage via Water Electrolysis J. Hydrogen Energy 7(8), pp 645-650,
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11. Li Z. X., Thermodynamic Air-Sea Interactions and Tropical Atlantic SST
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12. Lovelock J., Homenaje a Gaia, Oceano, 2005.
13. Masson S., Delecluse D., Influence of the Amazon River Runoff on the tropical
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12
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Applied Solar Energy, Vol. 31, No. 1, 1995.
18. Thanaa F., El-Shatter, M. N. Eskonder, M. T. El-Hafry, Energy flow and
management of a hybrid wind/PV/fuel cell generation system, Energy
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Energy Combustion Science 30(2004), 367-416.
![[Nueva Entrada] Guerra Escalar](https://img.pdfslide.es/doc/110x75/577cc4e11a28aba7119ac13f/nueva-entrada-guerra-escalar.jpg)
