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INVESTIGACIÓN SOBRE LA APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR ...

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TRABAJO DE INVESTIGACIÓN SOBRE TECNOLOGIAS DE ALMACENAMIENTO DE ENERGIA SOLAR PARA SER UTILIZADA EN AUTOMOVILES

Trabajo de Investigación

Presentado a: OMAR GÉLVES Ingeniero Mecánico

FACULTAD DE INGENIERIAS FISICO-MECÁNICAS ESCUELA DE INGENIERIA MECÁNICA 2016

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Contenido 1.

Energía solar.....................................................................................................4

2.

Tecnologías de almacenamiento de energía solar.......................................5 2.1. Almacenar energía en la propia carrocería de un automóvil eléctrico.........5 2.2. Batería para coches eléctricos Audi.............................................................6 2.2.3. Tipos de módulos para las baterías.........................................................7 2.3. Material para almacenar elegía eléctrica.....................................................8 2.4. Almacenamiento de hidrógeno, otro avance de las energías renovables...9 2.4.1. Almacenamiento de hidrogeno de forma gaseosa..............................10 2.4.2. Uso potencial del hidrógeno................................................................13 2.4.3. Almacenaje de Hidrogeno...................................................................14 2.5. Seguridad de almacenamiento de hidrógeno............................................15

2.6.

Estructuras de nanotubos de carbono.........................................................16

2.7

Almacenamiento de energía por sales fundidas...........................................18

2.8

Fotosíntesis artificial:.....................................................................................19

3.

Motor de hidrógeno........................................................................................21 3.1. Funcionalidad el motor de hidrógeno.........................................................22 3.2. Tipos de motor de hidrógeno......................................................................23 3.2.1. Motores de hidrógeno de combustión interna.....................................23 3.2.2. Motores eléctricos con celdas de hidrogeno de combustible..............24 3.3. Los obstáculos del motor de hidrogeno.....................................................24

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1. Energía solar

La energía solar posiblemente sea el tipo de energía renovable que mueva al mundo en un futuro, a pesar de tener tantos puntos a favor y en contra, aun se sigue investigando sobre este tipo de energía como por ejemplo diferentes tipos de materiales y combinaciones que aporten buenas eficiencias y que sea confiables desde el punto de vista de operatividad. La Energía solar es la que llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética (luz, calor y rayos ultravioleta principalmente) procedente del Sol, donde ha sido generada por un proceso de fusión nuclear. El aprovechamiento de la energía solar se puede realizar de dos formas: por conversión térmica de alta temperatura (sistema foto térmico) y por conversión fotovoltaica (sistema fotovoltaico). La conversión térmica de alta temperatura consiste en transformar la energía solar en energía térmica almacenada en un fluido. Para calentar el líquido se emplean unos dispositivos llamados colectores. La conversión fotovoltaica consiste en la transformación directa de la energía luminosa en energía eléctrica. Se utilizan para ello unas placas solares formadas por células fotovoltaicas (de silicio o de germanio). 3

Alrededor del mundo hay mega construcciones que poseen su propio sistema de obtención de energía fotovoltaica la cual es capaz de suministrar su consumo propio y llegar a surtir hasta un 80% del consumo energético de los sectores aledaños como es el caso del monumental estadio del dragón de Kaohsiung en Taiwán, donde se realizaron los Juegos Mundiales 2009 y que gracias a sus 8.844 paneles solares puede cumplir con esta demanda. Colombia a pesar de ser un país que genera su energía a partir de recursos hídricos y en su defecto por combustibles como el carbón y el gas natural también tiene el enfoque de entrar en la tendencia de energías renovables. Se ha venido incursionando en el tema de energías renovables desde la década de los 80´s en donde se instalaron paneles con diferentes fines como por ejemplo calentar el agua de miles de tanques de reserva en el centro de las gaviotas. Recientemente, empresas como la de Energía del Pacífico (Epsa) invirtió más de 1.240 millones de pesos en la construcción del laboratorio de energía solar más grande del país, ubicado en las instalaciones de la compañía en el municipio de Yumbo, que está conectado directamente a su red eléctrica interna y provee hasta un 5 por ciento de la demanda que abastece al complejo.

2. Tecnologías de almacenamiento de energía solar

En la actualidad se ha venido investigando sobre diferentes maneras que permitan almacenar la energía eléctrica en un coche, y a su vez la disposición para recargase y mantener un suministro continuo de energía para su movilidad.

2.1. Almacenar energía en la propia carrocería de un automóvil eléctrico

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Un nuevo coche energizado por su propia carrocería podría estar pronto moviéndose por las carreteras gracias a un prometedor avance en la nanotecnología. El equipo de Nunzio Motta, Jinzhang Liu y Marco Notarianni, de la Universidad Tecnológica de Queensland (QUT), en Australia, así como Francesca Mirri y Matteo Pasquali, de la Universidad Rice en Houston, Texas, Estados Unidos, ha desarrollado “súper-condensadores” de bajo peso que pueden ser combinados con las baterías normales para incrementar de manera espectacular la energía de un automóvil eléctrico. Los súper-condensadores (un “sándwich” de electrolito entre dos electrodos de carbono) fueron hechos con la forma de una película delgada y extremadamente fuerte, con una alta densidad de potencia. La película podría ser incrustada en los paneles de la carrocería del automóvil, el tejadillo, las puertas, el capó y el suelo, almacenando suficiente energía para turbo cargar una batería de coche eléctrico en muy pocos minutos. Los súper-condensadores ofrecen una salida de alta potencia en un corto período de tiempo, lo que implica una tasa de aceleración más rápida del coche y también se acompaña por un periodo de recarga de solo unos pocos minutos, mucho menos que las varias horas que tarda en recargarse una batería estándar de coche eléctrico. La “densidad de energía” de un súper-condensador es más baja que la de una batería estándar de ion-litio, pero su habilidad de liberar la energía en un corto espacio de tiempo supera con mucho a la de una batería convencional. Los súper-condensadores se combinan actualmente con baterías convencionales de ion-litio para energizar coches eléctricos, aportando una sustancial reducción de peso y un incremento en el rendimiento.

2.2. Batería para coches eléctricos Audi

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A nivel mundial, el desarrollo de la tecnología de baterías de iones de litio está avanzando muy rápidamente. En los últimos tres años Audi ha logrado aumentar la capacidad actual de las células prismáticas en un 50 por ciento, de 25 amperios hora (Ah) por célula a 37 Ah. La densidad de energía se ha incrementado en un grado similar. Las células planas ahora alcanzan hasta 550 vatios hora por litro de volumen, y Audi espera que alcancen unos 750 Wh/l en 2025. Un efecto secundario importante es que los costes de las baterías se han reducido a alrededor de la mitad en los últimos cinco años, lo que está permitiendo que la movilidad eléctrica esté al alcance de más clientes.

2.2.3. Tipos de módulos para las baterías

Las células prismáticas tienen carcasas independientes, por lo que son más robustas que las células planas. La carcasa está realizada en polímero recubierto de aluminio, lo que presenta ventajas en cuanto al peso. Los dos proveedores con los que trabaja Audi, LG Chem y Samsung SDI, se han especializado en un diseño particular cada uno. La ventaja en común que tienen las células prismáticas y las planas es la densidad de almacenamiento que permiten. Ambas utilizan un 75 por ciento del volumen disponible, una cifra mucho más alta que las células cilíndricas (50 por ciento), que también requieren conexiones más complejas. Estas últimas resultan únicamente adecuadas para los vehículos eléctricos; permiten almacenar mayor cantidad de energía comparada con otros diseños, pero su potencia de salida es menor. Las células planas y las células prismáticas son más versátiles. Con cambios menores en sus dimensiones exteriores, pueden ser configuradas específicamente para una máxima potencia de salida, para una máxima densidad de energía o para una combinación de ambos parámetros, por lo que resultan ideales para un vehículo híbrido enchufable. El criterio clave es el espesor del recubrimiento de los

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electrodos. Cuanto más fino es este recubrimiento mayor es el contacto entre el electrolito y el material activo. Como resultado, la alta transferencia de carga asegura el rendimiento en cuanto a potencia. Por el contrario, altos espesores de recubrimiento para los electrodos producen una alta densidad de energía. Figura 1 Batería modular con principio de bolsa celular

2.3. Material para almacenar elegía eléctrica

Ingenieros y científicos de la Universidad de Texas en Austin han logrado un gran avance en el uso de un átomo de estructura densa llamado “grafeno”, un nuevo material basado en carbono enfocado al almacenamiento de energía eléctrica en dispositivos de ultra-condensadores, preparando así el camino para su implantación generalizada en instalaciones de energías renovables como la eólica y

la

solar.

Los investigadores opinan que su avance muestra la promesa y el compromiso de que este material basado en grafeno dispondrá de la posibilidad de duplicar la

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capacidad actual de los ultra-condensadores, que se fabrican utilizando una forma totalmente diferente a la del carbono. Existen dos principales métodos para almacenar la energía eléctrica: en baterías recargables y en ultra-condensadores que son cada vez más comercializados, pero no son todavía popularmente conocidos. Un ultra-condensador puede utilizarse una amplia gama de energía para capturar y almacenar en diversas aplicaciones y se utilizan, ya sea por sí mismos como fuente primaria de energía o en combinación con baterías o pilas de combustible. Algunas ventajas de los ultracondensadores más tradicionales en dispositivos de almacenamiento de energía (baterías) son los siguientes: mayor potencia, una vida útil más larga, una amplia gama térmica de funcionamiento, son más ligeros, más flexibles y con un mantenimiento mucho más reducido. Esta tecnología, tiene permitirá mejorar significativamente la eficiencia y el rendimiento eléctrico en automóviles híbridos, autobuses, trenes, tranvías, etc. Incluso los dispositivos cotidianos como las fotocopiadoras de la oficina, teléfonos móviles e infinidad de elementos tecnológicos se beneficiarán de la mejora en la entrega de potencia y de una mayor vida útil de los ultra-condensadores.

2.4. Almacenamiento de hidrógeno, otro avance de las energías renovables

Tanto la energía solar, como la eólica, son las que mayor participación tienen actualmente, pero en los últimos meses, hemos visto como el uso de hidrógeno empieza a aparecer. Precisamente hace unos días conocíamos una nueva técnica a nivel industrial, que busca generar combustible de hidrógeno a partir de energía solar, esto a través de un aprovechamiento de la energía termo solar y fotovoltaico. Pero ahora, este método ha sido adaptado a los hogares por primera vez. En Chiang Mai, Tailandia, han estado experimentado con cuatro casas

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prototipo desarrolladas por la compañía CNX Construction, que son las primeras en el mundo que cuentan con su propio almacenamiento de hidrógeno, creado a partir de energía solar. De acuerdo a sus fabricantes, cada casa posee paneles capaces de generar 441 kWh de energía diariamente, mucha de la energía que no se aprovecha durante el día es almacenada en un par de baterías de 2 mil Ah. El siguiente paso es aplicar parte de esa energía excedente en un contenedor de agua, para así separar sus componentes, almacenando así el hidrógeno para su uso principalmente durante las noches. Al hacer uso de este sistema a su máxima capacidad, es capaz de generar hasta 2 mil litros de hidrógeno cada hora, mientras que el contenedor tiene una capacidad de hasta 90 mil litros.

2.4.1.Almacenamiento de hidrogeno de forma gaseosa

Considerando al hidrógeno como combustible, es factible que el mismo accione máquinas, fábricas, casas, vehículos. Surge de inmediato la necesidad de encontrar contenedores apropiados para su almacenamiento y transporte, y en particular cuando se trata de vehículos, la forma óptima para llevar a bordo un tanque de combustible. Si bien desde el punto de vista energético, entre todos los combustibles el hidrógeno es el que posee la máxima relación energía/peso, la densidad del hidrógeno como gas di-atómico en condiciones normales de presión y temperatura (CNPT = 1 bar y 0 ºC) es δ^CNPT(H2) = 0.0898 g/l, lo cual significa que 1 Kg de hidrógeno en las condiciones ambientales normales ocupa 11,135 m3. Resulta entonces que el hidrógeno, con relación al volumen, almacena menor cantidad de energía comparado con otros portadores de energía, como, por ejemplo, el gas natural o la nafta. En la Tabla 1 se muestran valores de energía específica (kWh/kg) y de densidad de energía 4 (kWh/l) de varios combustibles. El metano, por ejemplo, que es el principal componente del gas natural, tiene una densidad de δ^CNPT(CH4) = 0,7167 g/l, por lo cual el volumen ocupado por 1 Kg

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se reduce a 1,40m3. Sin embargo, a la ventaja de ocupar ocho veces menos volumen que el hidrógeno se opone el hecho de que la energía contenida es unas tres veces menor, con la desventaja adicional de que su quemado libera gas carbónico. El volumen que ocupa un combustible es un factor importante para su almacenamiento y transporte. Es preciso que la energía consumida en estos procesos sea mínima, de los cuales el almacenamiento es probablemente el más significativo. Se requiere entonces emplear un método que densifique al hidrógeno y que permita transportarlo en forma segura y poco onerosa, para poder ser llevado sin dificultades a bordo de los vehículos y evitando agregar peso adicional excesivo. En la Tabla II se muestran los seis métodos y fenómenos básicos de almacenamiento de hidrógeno. Se indica la capacidad de almacenamiento en cada caso, referida de dos formas, densidad gravimétrica ρm (masa de hidrógeno contenida como porcentaje de la masa del elemento contenedor), y como densidad volumétrica ρV (masa de hidrógeno almacenada en relación al volumen ocupado por el contenedor). De los métodos citados sólo se hará referencia a aquellos que en la actualidad ya son utilizados, tanto en forma masiva como en prototipos o programas demostrativos. Estos incluyen disponerlo como gas comprimido, como líquido criogénico o absorbido en un sólido como hidruro metálico. Los otros métodos se han comenzado a estudiar recientemente, observándose últimamente una gran actividad tendiente a mejorar los actuales y descubrir nuevos, que se ajusten a cada necesidad específica y que sean seguros, eficientes y económicos.

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Tabla 1 Densidades de Energía de varios combustibles

Tabla 2 Métodos y fenómenos básicos de almacenamiento de hidrógeno

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2.4.2. Uso potencial del hidrógeno

Los motores de vehículos y hornos pueden ser adaptados para utilizar hidrógeno como combustible con muy pocos cambios en la tecnología del motor convencional. Quemar hidrógeno produce mucho menos polución que la nafta o el combustible diésel. Como ya hemos mencionado el hidrógeno tiene una alta velocidad de llama, límites de flamabilidad altos, además presenta alta temperatura de detonación, y necesita menos energía para su ignición que la nafta. Sin embargo, a pesar de todas estas ventajas sobre las naftas falta un largo camino para el desarrollo de la producción del hidrógeno y la infraestructura de distribución. Una manera más accesible de usar el hidrógeno es a través de celdas de combustible que tiene una eficiencia 2,5 veces mayor que si se quema hidrógeno en un motor térmico. En una celda de combustible (ver esquema abajo), los reactivos (hidrógeno y oxígeno del aire) alimentan a los correspondientes electrodos, constituidos por materiales porosos los mismos se encuentran en un electrolito adecuado, estableciéndose una diferencia de potencial que mantiene un flujo de electrones, esto es, una corriente eléctrica, que puede efectuar trabajo útil. Las reacciones que ocurren en la celda con electrolito ácido son las siguientes:

Como puede verse, el producto de la reacción (3) es agua que no contamina el ambiente. En la celda se genera también una cierta cantidad de calor debido al cambio entrópico (T∆S) asociado a la reacción (3), por lo cual la eficiencia máxima intrínseca es 91 % a 150 °C. En la práctica, cuando se drenan corrientes apreciables, existen otras pérdidas de energía como calor liberado, asociadas a los sobre potenciales, que son causados por la irreversibilidad de las reacciones que ocurren en la celda y a caídas 8 óhmicas. Ésta últimas pueden reducir la eficiencia a valores de 60-80 %, según las condiciones de operación. Estas 12

características determinan que las celdas de combustible sean útiles también como sistemas de cogeneración de electricidad y calor. Figura 2 Esquema de una celda de combustión que usa hidrógeno

2.4.3.Almacenaje de Hidrogeno

El nuevo método de almacenaje de hidrógeno, obtenido en la investigación, demuestra que se puede almacenar hidrógeno en grandes cantidades integrándolo en moléculas ligeras y baratas de hidrocarburos. Los investigadores demostraron que se pueden agregar seis átomos de hidrógeno al benceno (C6H6) en un proceso de “hidrogenación” formando Ciclohexano (C6H12) que sirve como transportador

de

hidrógeno. En

el

proceso

inverso

el

ciclohexano

es

“deshidrogenado” liberando los seis átomos de hidrógeno que se pueden usar en los sistemas de almacenamiento de energía u otros. El proceso atrapa los átomos de hidrógeno en el ciclohexano y usa la energía solar para liberar estos átomos, transformando las moléculas de ciclohexano en moléculas de benceno. Este método de almacenar hidrógeno no es nuevo, pero debido a que el proceso de “des hidrogenación” requiere una gran cantidad de energía, hasta ahora

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siempre se precisaban altas temperaturas para liberar el hidrógeno y esto no era válido en aplicaciones prácticas. Ahora han demostrado que la energía solar puede utilizarse para la des hidrogenación a temperaturas ambiente. El uso de energía solar evita el uso de altas temperaturas para liberar los átomos de hidrógeno. Este proceso utiliza nano partículas de platino como foto catalizadores. Después de absorber los fotones incidentes, las nano partículas de platino donan, temporalmente, sus electrones foto excitados a las moléculas del cicloexano rompiendo los enlaces del carbono-hidrógeno y liberando los átomos de hidrógeno sin necesitar altas temperaturas. Las pruebas han demostrado que este proceso de des hidrogenación es muy rápido (unos segundos) y convierte el 99% del cicloexano en benceno con un buen rendimiento (6% de hidrógeno por fotón consumido), lo que compite con los más eficaces procesos actuales de división de las moléculas de agua por energía solar, sin consumir energía eléctrica. Para comenzar el proceso de hidrogenación los investigadores solo tuvieron que retirar la fuente de luz para que los átomos de hidrógeno volvieran a integrarse en el benc...