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CICLO CERRADO DEL MOTOR DE HIDRÓGENO


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1 CICLO CERRADO DEL MOTOR DE HIDRÓGENO 19 de abril 2013 Antonio Arenas Vargas Rafael González López Marta Navas Camacho Coordinado por Ángel Hernando García Colegio Colón Huelva Lise Meitner ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA

2 Ciclo cerrado del motor de hidrógeno Problemas En la actualidad la dependencia del petróleo por parte de los países se está convirtiendo en un problema. Este tiene un doble carácter, ya que por un lado es un comprometido indicador económico y resulta alarmantemente peligroso para el medio ambiente. Los derivados del petróleo y su producción resultan ciertamente contaminantes para el medio ambiente. El 35% del dióxido de carbono emitido a la atmosfera proviene de la combustión de derivados del petróleo en los medios de transporte. Si lográramos encontrar un combustible eficiente a la par que libre de emisiones podríamos solucionar, o al menos paliar, los efectos de dicho problema. El hidrógeno se posiciona así como un combustible a la orden del día. Actualmente se están desarrollando numerosos proyectos que proponen el uso del elemento como fuente de energía para hacer funcionar un motor. Solución Lo que nosotros planteamos sería un circuito de motor cerrado que funcionaría con agua. Este modelo en un motor de cuatro tiempos convencional de gasolina sería completamente válido, adaptándolo al funcionamiento con hidrogeno. Su eficiencia sería más o menos como uno normal de gasolina, pero su rendimiento a la larga sería más rentable. El modelo En nuestro diseño se esboza un motor de gasolina convencional de cuatro tiempos en el que se produce una reacción química, tanques de almacenamiento para acumular el combustible, aparto de Gofmann (instrumento fundamental que realiza la reacción química electrolítica), condensador, encargado de recoger el agua en forma de vapor que se encuentre suelta en el motor; válvulas de seguridad, una placa solar fotovoltaica para hacer funcionar el aparato y dos baterías de automóvil para arrancar el automóvil y que se inicie el ciclo. Además de un alternador que aprovecha la energía del motor.

3 PLACA SOLAR FOTOVOLTAICA - / BATERÍA / + DEPÓSITO HIDRÓGENO DEPÓSITO OXÍGENO HIDRÓGENO OXÍGENO DEPÓSITO DE AGUA Y ELECTRÓLISIS MOTOR CONDENSADOR DE AGUA ALTERNADOR

4 Funcionamiento básico de un motor El proceso comienza en el tanque de agua. En él se realiza la electrolisis mediante la cual obtenemos el hidrógeno necesario para el funcionamiento del motor. El tanque tiene forma de U con el objetivo de que al realizar la electrolisis el oxígeno y el hidrogeno queden separados. Para realizar este proceso de extracción del hidrogeno hace falta energía eléctrica la cual obtendremos mediante una placa solar fotovoltaica situada en lo alto del coche. La energía obtenida se almacena en una batería a su vez, otro apoyo para esta será el alternador del motor que aprovecha la energía cinética del eje de giro del motor. Después de realizar la electrolisis el hidrógeno es conducido a un tanque para su uso y almacenaje, al igual que el oxígeno. Para arrancar el motor los tanques de hidrógeno y oxígeno son abiertos mediante unas series de válvulas que conducen respectivamente al hidrógeno y oxígeno al punto en el que se realizara la combustión, es decir, los cilindros. Mediante este proceso se realiza la combustión que permitirá que el coche se desplace. Como residuo de la combustión del hidrógeno obtenemos agua la cual será enfriada mediante un condensador y será devuelta al depósito en el que se realiza la electrolisis para ser reutilizada. Así nuestro modelo presenta un circuito cerrado. En el que no se emiten sustancias contaminantes ni ningún tipo de residuo ya que todo es aprovechado. Primera fase: Electrolisis. La electrolisis consiste en descomponer una sustancia por medio de una corriente eléctrica. A esta sustancia la llamaremos electrolito. En el caso del agua para encontrarnos dos electrolitos que proceden de la disociación de esta en hidrógeno (H+) e hidroxilo(oh-). Este proceso lo llevaríamos a cabo mediante dos electrodos que introduciremos en el agua haciendo pasar la corriente a través de ella. Obteniendo hidrógeno y oxigeno. La electrolisis del agua consta de dos procesos: uno anódico y otro catódico.

5 Proceso anódico Se produce en el polo positivo (ánodo) donde al pasar la corriente acuden los iones negativos hidroxilos OH ; produciéndose así una reacción secundaria en la que estos iones negativos reaccionan para dar lugar a agua y oxígeno: El oxigeno gas quedara en la parte superior del tanque para ser posteriormente conducido a su depósito de almacenaje. Proceso catódico El proceso catódico que se produce en el cátodo (polo negativo), lugar al que acuden los iones positivos, es la reducción. Los iones hidrógenos forman hidrógenos diatómicos. Cantidad de agua necesaria y cantidad de hidrógeno obtenido La reacción total del proceso anódico y catódico se puede explicar de la siguiente forma. Si consideramos individualmente las reacciones, tenemos que dados cuatro iones hidrógenos, cuatro hidroxilos y ocho electrones obtenemos dos hidrógenos, un oxigeno y dos moléculas de agua. Los reactivos forman entre ellos cuatro moléculas de agua, que simplificando la ecuación quedaría: Así, dos moléculas, y por tanto dos volúmenes de agua forman dos volúmenes de hidrogeno y uno de oxígeno.

6 Relación tiempo-energía en la electrolisis del agua Dado un litro de agua equivalente a un kilogramo y conocido su peso molecular (18u), obtenemos 55,55 moles de agua. La cantidad de electrones que una molécula de agua transfiere son dos. Si tenemos 55,55 moles de agua por el número de avogadro conseguimos 336,414E23 moléculas de agua. Si multiplicamos por los dos electrones y la carga del electrón, la carga de Coulomb es 1,07E7 entre el tiempo real para conseguir la energía que hiciera falta. Forma del depósito El depósito tendrá forma de U para que, como hemos dicho anteriormente, el oxígeno y el hidrógeno sean obtenidos por separado. Así en una de las torres, las cuales estarán llenas de agua hasta algo más de su mitad aproximadamente, estará situado el electrodo negativo o cátodo al que acudirá el hidrógeno (H+); y en la otra se encontrará el electrodo positivo o ánodo del que surgirá el oxígeno. ÁNODO CÁTODO + -

7 Si un coche de hidrógeno consume 3 Kg cada 100 Km, si hablamos de agua equivaldría a 27 L por lo que con un tanque normal de 70 L el coche tendría una autonomía de unos 300 Km. Segunda Fase: Almacenamiento Tanque de Hidrógeno El hidrógeno debe estar enormemente presurizado en el tanque debido al volumen que ocuparía. Tercera Fase: Motor En el motor se realiza la mezcla del combustible (H y O) las cuales reaccionan moviendo los pistones, y a su vez de la mueve el eje cigüeñal para provocar la transformación de la reacción en energía cinética. El proceso provoca agua que sale del cilindro mediante un sistema de escape convencional, cuya única diferencia es que el sistema de escape en lugar de dejar salir los residuos a la atmosfera en forma de vapor de agua, nosotros proponemos que vuelva al tanque de combustible. Esto lo llevaríamos a cabo mediante un sistema en el cual se le pondría un condensador para que volviera en forma líquida al tanque de agua, para poder volver a realizar el ciclo. Un problema del proyecto es el almacenaje del hidrógeno, ya que por ejemplo en una gasolinera convencional se necesitarían que estuvieran a 690 atmosferas de presión y 273 grados centígrados bajo cero. La solución de este problema sería colocarle al proceso un aparato que consiguiera presurizar el combustible. El proceso de la electrolisis se realiza mientras que el coche está en funcionamiento permitiendo al coche que se pare únicamente para que el conductor descanse o en caso de avería. Para que el motor del coche arranque habrá dos opciones: o bien con el tanque de hidrogeno vacio, por lo cual habría que esperar suficiente tiempo para que el tanque pudiera enviar al motor el hidrógeno necesario para que se estabilice. La otra opción es tener el tanque de hidrógeno lleno o con algo de hidrógeno como para que el motor pueda empezar a funcionar.

8 Resumen En nuestro trabajo hemos propuesto una forma alternativa sobre el consumo de combustibles fósiles como medio de desplazamiento. Nosotros proponemos utilizar un circuito cerrado para poder desplazarse de manera eficiente y de forma relativamente barata. A partir de un elemento tan sustancioso como el agua y mediante procesos químicos, conseguimos un combustible limpio que se puede llevar a la escala de automóvil. El circuito comienza en el tanque de agua donde se realiza la electrolisis y, para realizar la electrolisis disponemos de una batería que es apoyada por una placa solar fotovoltaica y el alternador del coche. Tras realizar este proceso de electrolisis, pasan a sendos tanques el hidrógeno y el oxígeno. Después de ser acumulados, llegan al almacenaje motor de cuatro tiempos con el fin de que reaccionen combustionando para producir la energía. El residuo que expulsa el motor tras la reacción es vapor de agua que saldría por un sistema de escape al tanque de agua y ese sistema lleva acoplado un condensador que reduce la energía del vapor de agua para que regrese al tanque en forma líquida y pueda volver a empezarse el proceso de nuevo.

9 Contenido Ciclo cerrado del motor de hidrógeno... 2 Problemas... 2 Solución... 2 El modelo... 2 Funcionamiento básico de un motor... 4 Primera fase: Electrolisis Proceso anódico... 5 Proceso catódico... 5 Cantidad de agua necesaria y cantidad de hidrógeno obtenido... 5 Relación tiempo-energía en la electrolisis del agua... 6 Forma del depósito... 6 Segunda Fase: Almacenamiento... 7 Tanque de Hidrógeno... 7 Tercera Fase: Motor... 7 Resumen... 8

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