Diseño, fabricación y test de prototipo de planta de producción de hidrógeno a partir de agua usando radiación solar como fuente de energía para la producción de energía limpia
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Fecha
2024-09-23
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Pontificia Universidad Católica del Perú
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Resumen
Es ampliamente reconocido actualmente que los procesos de generación de energía
basados en combustibles fósiles generan un impacto significativo en la salud y el medio
ambiente. Esto ocurre debido a que la quema de combustibles fósiles produce diversos
contaminantes usualmente señalados como los principales responsables de una serie
de problemas específicos relacionados con la salud humana, la formación de lluvia
ácida, el efecto invernadero y el calentamiento global. Por lo tanto, la producción de
energía en forma de hidrógeno a partir de agua involucrando solamente fuentes de
energía renovables trae consigo ventajas significativas, pues la quema de hidrógeno en
sistemas de generación de energía produce esencialmente agua (vapor) y nitrógeno
(gas) como productos de combustión. Este método de producción de hidrógeno
representa así una solución prometedora para alcanzar la ansiada sostenibilidad en
términos energéticos. Para que este método sea generalizado y utilizado a escala
industrial, hay sin embargo varios desafíos que necesitan ser previamente superados,
incluyendo la baja eficiencia de los procesos y los altos costos asociados. Por lo tanto,
en este trabajo, un prototipo de planta de producción de hidrógeno verde a partir de
agua, usando radiación solar como fuente de energía primaria, fue diseñado, fabricado
y testado. Más específicamente, el estado del arte relativo a la generación de hidrógeno
verde basada en el uso de prototipos de planta de producción de hidrógeno fue
inicialmente determinado. Seguidamente, el sistema de producción de hidrógeno a partir
de agua, incluyendo el sistema PV, fue dimensionado. Luego, el prototipo de planta de
producción de hidrógeno diseñado fue fabricado, ensamblado y testado. Finalmente, el
referido prototipo de planta fue usado para caracterizar experimentalmente los sistemas
electrolíticos utilizados, y para demostrar, vía la producción de hidrógeno verde, la
factibilidad de producir energía limpia de manera eficiente.
En particular, después de dimensionar los principales sistemas del prototipo de planta,
este fue fabricado, ensamblado y testado. En particular, el sistema PV usado en la planta
tiene una capacidad de producción eléctrica fotovoltaica equivalente a 1.32 kWp con un
área de 7.76 m2 para cuatro (4) paneles fotovoltaicos conectados en paralelo. Asimismo,
el sistema electrolítico de producción de hidrógeno, con objetivo de producción de 100
gramos por día, es modular y permite el uso de dos tipos de electrolizadores, PEM
(proton exchange membrane) y alcalino. Los rangos de voltaje y corriente son,
respectivamente, 18 V + 20% y 36 A para el primero, y 17 V + 20% y 23 A para el
segundo. Una vez desarrollado el prototipo de planta de producción de hidrógeno, este
fue inicialmente usado para caracterizar experimentalmente los sistemas electrolíticos utilizados. En particular, para las dos tecnologías de electrolizadores utilizadas aquí,
PEM y alcalino, curvas características I-V (corriente-voltaje) fueron determinadas. La
caracterización inicial de los sistemas electrolíticos permitió también identificar tanto la
tecnología de electrolizador (PEM) como las condiciones de operación del prototipo de
planta a ser utilizadas en la producción de hidrógeno verde. Estas condiciones incluyen
un flujo volumétrico de la sustancia electrolítica equivalente a 1 l/m y una temperatura
de operación del electrolizador de 40 °C. Empleando dos tipos de acoplamiento entre
sistemas fotovoltaicos (PV) y electrolíticos (EL), directo e indirecto, el prototipo de planta
de producción de hidrógeno desarrollado en este trabajo fue finalmente utilizado para
generar hidrógeno verde. Los principales resultados obtenidos indican que la ubicación
del punto de operación del sistema PV influencia de forma significativa la eficiencia
global de la planta. De esta forma, las pérdidas de energía en el transporte de esta
(~19.04%) pueden reducirse instalando ambos sistemas, PV y EL, lo más cercano
posible uno del otro. Finalmente, respecto a las eficiencias obtenidas tanto para el
electrolizador como para el sistema PV, estas son relativamente bajas. Más
específicamente, los valores de eficiencia global de la planta obtenidos para el caso del
acoplamiento directo están entre el 1.5% y 2%, y para el acoplamiento indirecto entre
2% al 5%. Dentro de las posibles causas de estas bajas eficiencias está la operación de
planta en condiciones reales no controladas, ubicación de las instalaciones, y niveles de
irradiancia variable. Es esperado que la implementación a escala industrial de plantas
de producción de hidrógeno verde como las discutidas en este trabajo reduzca el
impacto de los sistemas de generación de energía tanto en la salud como en el medio
ambiente.
Descripción
Palabras clave
Producción de energía eléctrica, Hidrógeno verde, Plantas industriales--Diseño y construcción
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