Generador de Hidrogen Solar

Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 1 Objectius Les necessitats energètiques i els problemes ambientals fan que es busquin alternatives a les energies actuals no renovables. El hidrogen sembla ser un fort substitut dels combustibles fòssils, ja que té molt bones característiques energètiques. L’objecte d’aquest projecte es veure les possibilitats d’una instal·lació de hidrogen solar (hidrogen produït a partir d’energia fotovoltaica), amb unes condicions de temperatura i pressió determinades (1 atmosfera i 25 ºC). La hipòtesi inicial, és dimensionar o donar una idea de la instal·lació necessària per obtenir un volum de hidrogen per tal d’alimentar un motor d’explosió de cicle diésel de 1.400 cc. Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 2 Antecedents Problemàtica energètica global del planeta La dependència del petroli en el nostre temps, és total, per fer-nos una idea, a la Unió Europea, el consum d’energia es reparteix de la següent forma, el 41% de petroli, 22% de gas natural, el 16% del carbó, les centrals nuclears aporten un 15% de l’energia i les energies renovables tan sols s’encarreguen d’aportar el 6%. Energies Energies alternatives 6% Energia nuclear 15% Carbó 16% Gas natural 22% Petroli 41% Fer front a aquesta dependència no és fàcil, a la Unió Europea el sector del transport representa entre un 4 i un 10% del producte interior brut, i el consum es troba en un 40 % del total, a més a més, es preveu un increment en el transport de persones i mercaderies d’un 30% d’aquí a vint anys. Hem de pensar també que mercats asiàtics com són la Índia, la Xina i Corea del Sud s’estan obrint a un sistema productiu i consumista de tipus occidental i es preveu que en poc temps tindran una demanda al voltant de 45.000 milions de barrils anuals, més del doble del consum mundial actual. Per una altre banda el petroli no ens dona només energia, sinó que la nostra manera de viure està basada en béns de consum provinents del petroli, la roba, el calçat, medicaments, mobles, etc. Mes de 500.000 productes són derivats directes del petroli. Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 3 Els combustibles fòssils, els causants del canvi climàtic. Amb el concepte de canvi climàtic expressem la inquietud davant dels efectes d’un escalfament accelerat de l’atmosfera per causa de les emissions gaseoses de l’activitat humana. Les emissions de diòxid de carboni a l’atmosfera es remunten al principi de l’evolució humana quan l’home comença a cremar boscos per poder-los cultivar, ara bé, les quantitats emeses fins fa un segle i mig podem dir que la terra era capaç d’absorbir-les i per tant no tenien un efecte perjudicial per l’atmosfera. Les emissions de diòxid de carboni provenen en un 80% dels països desenvolupats o industrialitzats. Això ha fet que hi hagi un desequilibri i la temperatura mitjana global de la terra hagi pujat 1ºC. Concentració de diòxid de carboni 240 260 280 300 320 340 360 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000 Any concentració (ppm) Les dades anteriors a 1957 son estimacions a partir de l’anàlisi de l’aire atrapat als gels. La crema del carbó, el petroli i els seus derivats provoca com a resultat l’emissió a l’atmosfera de vapor d’aigua i diversos gasos carbònics, aquest últims son els encarregats d’atrapar la radiació solar i no deixar que aquesta torni cap a l’espai. Aquest fenomen és el conegut com efecte hivernacle, que produeix l’escalfament de l’atmosfera. Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 4 En certa manera l’alliberament de diòxid de carboni a l’atmosfera és el retorn a l’estat primitiu de la terra quan era majoritàriament composta de diòxid de carboni sense gairebé oxigen. Cal pensar que els efectes del canvi climàtic són realment greus, un grau de temperatura, equival a variar la latitud en 150 Km, és a dir, la vegetació de Castellon, la trobaríem a Barcelona, el nivell del mar pujaria entre 15 i 95 cm, encara que les conseqüències més greus les trobaríem en la base de les cadenes tròfiques on els microorganismes, base de l’ecosistema marí, es trobarien greument afectats, i no cal dir que ciutats costaneres que es troben per sota del nivell del mar quedarien greument afectades o tindrien que dedicar un gran esforç tecnològic i econòmic per contrarestar les conseqüències d’una pujada en el nivell del mar. L’efecte hivernacle, i el canvi climàtic son una de les altres raons del perquè hem de desenvolupar tecnologies energètiques alternatives i netes que no alliberin els denominats gasos hivernacle, en el cas de l’hidrogen solar, compleix tots els requisits, ja que l’energia primària per obtenir-lo és el sol, i com a residus obtenim aigua. Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 5 En l’actualitat hi ha diferents iniciatives, que desenvolupen tecnologies i aplicacions destinades a l’ús del hidrogen com a font d’energia. Igualment també n’hi ha que es centren en la utilització dels pannells solars fotovoltàics. Un d’aquest camps és la indústria de l’automòbil, diferents cases comercials han desenvolupat prototipus de vehicles proveïts de hidrogen com a combustible, el funcionament és basa en la utilització de la pila de combustible, aquest sistema es basa en el procés invers a la descomposició de l’aigua a través de l’electròlisi i concretament l’energia s’obté amb el càrrega elèctrica que es forma quan s’ajunten molècules de hidrogen i oxigen i formen aigua. Alguns d’aquests exemples són els següents, BMW ha desenvolupat un experiment on ha produït uns models de la sèrie 7 els quals porten motors d’hidrogen liquat que per una banda es crema per fer moure el cotxe i per altre es destina a la alimentació d’una pila de combustible que alimenta de energia elèctrica els diferents components de l’automòvil. En el cas de Mercedez-Benz el prototip es basa en la descomposició d’hidrocarburs, en aquest cas el metanol, que es descomposa en hidrogen i diòxid de carboni, el hidrogen es crema en la combustió del motor i el diòxid de carboni s’allibera a l’atmosfera en concentracions menors de les d’un motor de combustió comú. Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 6 Més tecnològic resulta el sistema del mini amb motor d’hidrogen, però en el fons és una evolució del abans esmentat sèrie 7. En aquest cas, l’hidrogen és criogenitzat fins el moment de la injecció. Això repercuteix en un millor rendiment mecànic, i també amb una emissió menor de contaminants a l’atmosfera ja que la combustió és a baixa temperatura. Pel que fa a la utilització de les plaques o pannells solars fotovoltaics, el maig del 2000, la teulada de l’ajuntament de Barcelona va inaugura una instal·lació solar fotovoltàica amb una potència de 39,5 kWp de potencia i que es preveu que injecti a la xarxa elèctrica 40 MWh . Per donar una mica de xifres dels avantatjes de les energies alternatives, tot seguit podem veure les tones de CO2 no emeses a l’atmosfera. Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 7 Mes Energia generada (kWh) Import econòmic (€) CO2 no emès (t) Proves 694 174.18 0.16 Juny 2000 3041 736.23 0.70 Juliol 5014 1258.42 1.15 Agost 4400 1104.32 1.01 Setembre 3394 851.83 0.78 Octubre 2344 588.30 0.54 Novembre 1774 445.24 0.41 Desembre 1298 325.77 0.30 Gener 2001 1308 326.15 0.30 Febrer 2327 584.04 0.25 Març 3517 882.70 0.81 Total 29111 7304.20 6.41 Darrerament, a casa nostra, Transports metropolitans de Barcelona ha posat en pràctica una instal·lació subministradora de hidrogen per a un sèrie d’autobusos de la seva flota. El mètode per la producció es basa en la utilització de plaques solars fotovoltàiques i d’aquesta manera poder descompondre l’aigua i obtenir-ne hidrogen i oxigen. Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 8 Processo d’obtenció de l’hidrogen. La producció de hidrogen es pot fer de diferents formes, a continuació detallarem les mes usuals: Un dels processos mes usuals en l’obtenció d’hidrogen, és l’electròlisi de l’aigua, aquest procés es basa en la separació de la molècula d’aigua a partir d’aplicar un corrent elèctric. Un del avantatges d’aquest mètode és que obtenim un rendiment prou elevat, superior al 85%, i que en instal·lacions específiques, podem millorar aquest rendiment aplicant un augment de temperatura i pressió. Més endavant explicarem aquest procés amb més detall. Ja que és l’adequat per combinar-lo amb energia solar. Electrolitzadors industrials per a la producció d’hidrogen Un altre mètode és el que s’anomena l’obtenció tèrmica directa, es tracta de descomposar vapor d’aigua sobresaltant-lo a 3000ºK, a aquesta temperatura la molècula d’aigua és dissassocia espontàniament. Te l’avantatge que és un procés net ique no provoca residus, ara bé te el inconvenient de que a aquesta temperatura els materials de construcció poden tenir problemes, a degradar-se. A més a més el fet de haver d’arrivar a aquesta temperatura converteix el procés en un alt cost. El següent mètode és el que combina el procés tèrmic anterior amb l’ús de substàncies químiques, procés termo-químic, igualment que en l’anterior mètode, la molècula d’aigua es dissassocia, la diferencia la trobem en que aquí Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 9 el procés es dur a terme a temperatures més baixes, entre 600 i 1700 ºK, això fa que el problema que teniem anteriorment desaparegui, però n’apareixen d’altres com són que es baixa el rendiment, que pot estar entre un 17% i un 75%, el porcés deixa de ser net ja que utilitzem substàncies químiques, que s’han de recuperar i això fa que també augmenti el cost. L’aigua també es pot descompondre a partir d’una radiació ultraviolada, aprofitan la llum, s’anomena procés fotolític. Normalment s’aplica amb l’ús de fotocatalitzadors capaços d’accelerar la reacció. Tot i això aquest procés dona un baix rendiment i està encara en fase d’estudi. Ara bé, cal dir que és un procés completament net, ja que utilitza la llum ordinària. Aprofitant el concepte hi ha una alternativa al procés fotolític, és el que s’anomena biofotòlisi o dissossiació biològica de l’aigua, aquesta variant usa microorganismes , microalgues i/o cianobactèries, que són els encarregats de transformar l’aigua en hidrogen i oxigen, ja que forma part del seu cicle de vida. Foto reactor biològic Cal dir que els mètodes que utilitzen la radiació ultraviolada del sol són molt difícils, tecnològicament, de dur a treme ja que una cosa és que la molecula d’aigua és separi i l’altre és que siguem capaços de seleccionar els gasos un cop separats d’una forma efectiva. Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 16 Emmagatzematge de l’hidrogen Un cop obtingut l’hidrogen la qüestió és : Com l’emmagatzemem?. El hidrogen pot ser emmagatzemat de moltes formes distintes, cadascuna amb els seus avantatges i els seus inconvenients. El criteri a seguir, normalment sol ser la seguretat i l’ús al qual està destinat el hidrogen. La llista que be a continuació mostra els diferents mètodes, alguns que ja s’usen i altres que encara estan en fase de desenvolupament. Emmagatzematge en tancs d’hidrurs metàl·lics Els hidrurs metàl·lics funcionen d’una manera semblant a una esponja quan xucla aigua. Els hidrurs metàl·lics posseeixen la habilitat d’absorbir l’hidrogen i poder-lo alliberar mes tard, “els procés es pot fer a temperatura ambient i encara que s’aporti calor al tanc”. Tanc on s’emmagatzema hidrogen en hidrurs metàl·lics En general aquest sistema permet emmagatzemar entre un 1 i un 2% de hidrogen respecte el pes del tanc, tot i això hi ha compostos que permeten un emmagatzematge de entre 5 i 7 %, en aquest cas el procés es dur a terme a un temperatura de cm am ´nim 250ºC . Tenint en compte que la relació de l’hidrogen entre el volum que ocupa i el pes que te és molt gran, l’emmagatzematge en aquest sistema encara està en uns valors molt baixos. Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 17 Els hidrurs metàl·lics ofereixen l’avantatge de gran seguretat i que es fan a pressió constant. La vida útil del hidrur metàl·lics és directament proporcional a la puresa de l’hidrogen emmagatzemat. El fet que actuï com a una esponja vol dir que també admet les impureses que aporta el hidrogen, això fa que les retingui i que es redueixi l’espai d’emmagatzematge i per tant la vida útil del dipòsit. Hidrogen comprimit El hidrogen por ésser comprimit a grans pressions en tancs. Aquest procés requereix molta energia ja que el hidrogen ocupa molt comparat amb un combustible normal, per fer-nos una idea, l’energia que conté un dipòsit equivalent a un tanc de gasolina és 3.000 cops més gran. Exemple de tanc d’emmagatzematge d’hidrogen comprimit Comprimir o liquar l’hidrogen és car. Els tancs arriben a pressions de 6000 psi i han de ser revisats periòdicament per garantir-ne la seguretat. Hidrogen Líquid L’hidrogen líquid existeix, ara bé en condicions de temperatura extremadament baixes. Normalment l’hidrogen líquid s’emmagatzema a 20 graus Kelvin. El procés també és fa sota pressió això fa que el procés sigui extremadament car comparat en altres mètodes. Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 18 Dipòsit contenidor d’hidrogen líquid La seguretat que obtenim en aquest tipus d’instal·lacions és funció de la integritat dels tancs i que es mantinguin a la temperatura adequada. Tot i això la recerca en la liquafacció de l’hidrogen a dut a descobrir nous materials mes lleugers per a la fabricació de tancs i altres mètodes per a liquar el hidrogen.(criogènia). Emmagatzematge químic de l’hidrogen: Moltes de les substàncies de l’univers contenen hidrogen en la seva composició, per això moltes són capaces de transformar-se en contenidors de hidrogen. El sistema funciona de la manera següent, en principi es provoca una reacció en que l’hidrogen reacciona amb algun altre element i formen un compost estable, formant d’aquesta manera una forma d’emmagatzematge, d’altre banda quan és vol aprofitar l’hidrogen, es fa una segona reacció que l’allibera, del compost. Les substàncies en que es sol dur a terme aquest procés són per exemple la dissociació de l’amoníac, o la dissociació del metanol. Emmagatzematge en nanotubs de carboni. Aquest sistema es tracta de fer encabir el àtoms d’hidrogen en els espais d’una xarxa de nanotubs de carboni, per fer-nos una idea un nanotub de carboni estaria al voltant de 2 nanometres de llargada, es un mecanisme semblant als hidrurs metàl·lics, el avantatge és que aquest sistema permet entre un 4,5 % i un 65 % en pes d’emmagatzematge d’hidrogen. Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 19 Esquema de l’estructura dels nanotubs de carboni El departament d’energia dels Estats Units ha determinat que aquest sistema és útil per el transport de l’hidrogen d’una manera segura i efectiva, tot i això encara es troba en fase de desenvolupament. Emmagatzematge en microesferes de vidre En concret no és sistema d’emmagatzematge sino mes be un complement, al hidrogen comprimit, les microesferes de vidre actuen d’estabilitzan dins dels diòsit i permeten un emmagatzematge mes segur, ja permeten baixar la pressió de treball de la compressió de l’hidrogen. Esqueme de les microesferes de vidre Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 20 Liquació de gasos: Criogènia En principi qualsevol gas pot ser liquat, passar al estat líquid, depenen de la temperatura i pressió a la que està sotmès. Ara bé en l’evolució de la tecnologia això no va ser possible en uns certs gasos. Faraday va aconseguir liquar CO2 el 1823, tot i això gasos com O2, H2, i el N2no es van poder liquar fins al cap de bastants anys. Per aquest motiu se’ls va denominar gasos permanents. El 1845 Andrews va definir els conceptes de temperatura i pressió crítica. A partir d’aquí es va comprendre que era impossible liquar segons quin gas per sobre d’una temperatura determinada. L’oxigen es va poder liquar el 1877 per el mètode Pictet, el nitrogen per Keeson el 1833, el hidrogen en 1898 per Dewar i l’heli el 1908 per Onnes. El que fa que aquest gasos és denominin “permanents” es que liquen, o tenen, una temperatura crítica extremadament baixa, això fa que es desenvolupessin mètodes especials per passar aquest gasos a l’estat de líquid, mètodes extraordinaris de refrigeració, el que s’anomena criogènia. Els fonaments de la liquació de gasos són dos: a) El efecte Joule/Kelvin, que aprofita el descens de temperatura produit en l’expansió dels gasos reals, degut a que el treball del procés s’efectua a costa de l’energia del sistema, conegut com liquació de l’aire a canvi del treball intern del sistema, base del procediment Linde. b) La expansióen un cilindre per produir treball exterior que recupera parcialment el consumitg en la compressió, que es coneix com liquació de l’aire amb realització de treball extrior, i que és la base del procediment Caude. Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 21 La tècnica del procés de liquació de gasos consisteix en refredar-los a una temperatura inferior a la crítica i sotmetre’ls a una compressió isoterma que dependrà del grau de refredament aconseguit. El refredament és mès intens que el que es pot arribar amb una màquina frigorífica convencional, cosa que fa que l’utilització d’aquestes sigui inútil, de manera que només queda el recurs de l’expansió del propi gas, ja sigui a través d’una vàlvula que impedeixi la transformació de la pèrdua de pressió en energia cinètica, efecte JouleThompson, o l’expansió a entalpia constant (Procediment Linde), o bé aquella per produir un treball extern que permeti recuperar en part l’energia gastada a la compressió (Procediment Calude y Heyland). Fent un acte d’abstracció i intentant entendre el fenomen podem dir que s’usi el mètode que s’usi la liquació de gasos consisteix en portar des de l’estat gasos a una temperatura i pressió fins a un estat líquid la mateixa pressió i a la temperatura que li correspongui. El procés que dona més rendiment és el procés Claude, per aquest motiu explicarem una mica mes a fons el seu funcionament. Experiment de Claude per demostrar el principi del sistema de criogènia. Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 22 El 1898, Rayleigh va observar que si l’expansió dels gasos s’efectuava en un expansor (turbina), el refredament tindria que ser mes intens ja que el treball exterior a aplicar seria originat en part pel propi gas. Claude va demostrar-ho el 1906 amb l’aparell de la figura 1 on D representa l’expansor d’aire comprimit que entra per el tub A del intercanviador de calor de doble tub a la temperatura Ta; l’aire expansionat torna a la pressió atmosfèrica pel tub B; la temperatura decreix progressivament fins arribar a la liquació de l’aire , que s’acumula en R d’on s’extreu mitjançant una vàlvula. Esquema del procediment Linde per a la liquació d’hidrogen. A continuació veurem un esquema dels sistemes Claude de liquació de gasos. Compresor 1 1 bar, 37,8´C ENFRIADOR Agua enfriamiento 6 5 SEPARADOR 7 8 9 10 11 3 4 2 Expansionador Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 23 El sistema Claude obté una temperatura mes baixa abans de la valvula d’expansió, això fa que el rendiment d’aquest sistema millori vers el sistema Linde. Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 24 Explicació de la tecnologia de plaques solars fotovoltàiques, elecció i característiques. L’efecte fotovoltàic. Els materials semiconductors (el silici entre ells) tenen la particularitat de presentar un comportament diferent davant de l’electricitat (flux de càrregues) depenent de si són o no excitats per una font energètica externa. Quan un fotó (partícula de llum radiant) impacte contra un electró del darrer orbital d’un àtom de silici li proporciona a aquest l’energia amb la que viatjava (energia cinètica). Si l’energia adquirida per un electró supera la força d’atracció del nucli aquest surt de la seva òrbita quedant lliure de l’àtom i podent per tant viatjar per material, en aquest moment diríem que el silici s’ha fet conductor. Per tal de poder crear un camp elèctric que impulsi els electrons per a sortir de la cèl·lula solar es crea una unió P-N, és a dir una zona del material té excés d’electrons i l’altre té mancança dels mateixos, normalment en el procés de fabricació de les cèl·lules fotovoltàiques es parteix de silici del tipus P el qual es fa mitjançant una lleugera contaminació amb bor que té un electró menys que el silici. Sobre aquest material es difon un gas ric en fòsfor que és més negatiu, el fòsfor penetra lleugerament en el silici formant la capa anomenada N. Aquest procés rep el nom de dopatge. La unió P-N crea un camp elèctric de manera que en ser alliberat un electró és impulsat a través dels conductes de plata, de baixa resistivitat, serigrafiats en la superfície de la cèl·lula. Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 25 Secció figurada d’una cèl·lula fotovoltaica Mòduls fotovoltàics El mòdul fotovoltàic és l’element de la instal·lació encarregat de transformar l’energia del en electricitat de forma directa. Un mòdul fotovoltàic està format per un conjunt de cèl·lules solars o petits generadors fotovoltàics connectats en sèrie, encapsulats amb vidre reforçat i vàries capes de material plàstic, el conjunt es reforça amb perfils metàl·lics d’alumini, formant un marc exterior que donarà fermesa i funcionalitat en la col·locació. En la part posterior del mòdul podem trobar la caixa de connexions amb els terminals positiu i negatiu. Un mòdul fotovoltàic Standard de mercat, normalment, està format per una associació en sèrie de 36 cel·lules i un voltatge de 12 V cc, podem trobar mòduls amb el doble de cèl·lules per altres voltatges de sortida. A continuació es descriu cada un dels components per separat que conformen el mòdul fotovoltàic, a més de les cel·lules que hem vist en el punt anterior. a) Coberta exterior Tenen una funció eminentment protectora, ja que és la que pateix l’acció dels agents atmosfèrics. S’utilitza el vidre trempat ja que presenta una bona Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 32 en instal·lacions autònomes d’electrificació i superiors en instal·lacions de connexió a xarxa d’elevada potència. Cal recordar que l’augment d’intensitat produeix un augment de les pèrdues de potència per efecte Joule (escalfor dels conductors) de forma quadràtica P= R*I2 fet que obliga a muntar conductors de molta secció per tal que puguin suportar intensitats elevades. Connexió mixta Sovint en les instal·lacions solars cal realitzar connexions sèrie i paral·lel degut a que voldrem treballar a un voltatge determinat i tindrem un número concret de mòduls, en aquests casos connectem en sèrie el número de grups de mòduls (connectats en paral·lel) necessaris per assolir el voltatge de treball. Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 33 Seguretat en el hidrogen Qui més o menys ha sentit parlar del hidrogen, també ha sentit parlar de la seva perillositat, en certa manera aquest temor és cert però mirat escrupolosament, avui en dia el hidrogen no ens ha de fer por, és una substància completament coneguda. Històricament el hidrogen té una mala fama, això es degut al famosos zèppelins, que explotaven per els voltants de la segona guerra mundial, la causa de l’explosió no era el hidrogen pròpiament dit, sinó que el mal disseny, ocasionat per una desconeixença del gas i del seu comportament en van ser els culpables. Un dels avantatges vers els combustibles fòssils del hidrogen en el cas d’explosió o quan es crema és la alliberació d’aquest a l’atmosfera, cosa que provoca un efecte semblant a aquest: Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 34 En el cas del hidrogen el tanc de combustible queda completament buit en 100 segons mentre que en el cotxe de gasolina queda completament cremat. Cal dir que en els sistemes actuals d’emmagatzematge (compressió i liquació), les mesures de seguretat garanteixen el procés i tot depèn del grau de manteniment de les instal·lacions. Per fer-nos una idea el hidrogen té uns límits d’explosió d’entre un 4 a un 75 % de concentració en aire i uns límits de detonació d’entre un 18,3 i 59,0%. Aquest límits fan que el procés d’obtenció i emmagatzematge s’hagi de dur a terme en unes condicions de buit adequades per garantir-ne la seguretat. La normativa espanyola emmarca la seguretat de les instal·lacions de emmagatzematge de hidrogen en la norma NTP 50, on es recullen els mínims que han de complir aquest tipus d’instal·lació ja que a Espanya no hi ha una legislació vigent sobre aquestes instal·lacions. Per una altra banda la norma NTP 383 dona una idea dels riscos en la utilització de gasos liquats a baixa temperatura. Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 35 Càlculs Estudi de la radiació solar a la zona de Manresa: Dades extretes de l’atlas de radiació solar a Catalunya publicat a l’any 2000, publicat per l’institut català d’energia, òrgan de la Generalitat de Catalunya i pertanyent al departament d’indústria, comerç i turisme, juntament amb la Universitat Politècnica de Catalunya. L’estudi comprèn l’àrea de Manresa, i les dades de partida estan extretes de l’estació pròpia de la ciutat. Dades : Radiació solar global diària sobre superfícies inclinades. Orientació 0º. Orientació 0º Inclinació gener febrer març abril maig juny juliol agost setembre octubre novembre desembre Anual 0 6,34 9,35 13,78 18,64 22,48 24,29 23,56 20,44 15,86 11,02 7,22 5,5 14,9 5 7,16 10,23 14,62 19,26 22,83 24,49 23,83 20,96 16,66 11,91 8,07 6,28 15,55 10 7,95 11,06 15,38 19,79 23,05 24,53 23,95 21,36 17,35 12,73 8,89 7,02 16,11 15 8,69 11,82 16,05 20,21 23,12 24,42 23,92 21,64 17,94 13,48 9,65 7,72 16,58 20 9,37 12,5 16,62 20,5 23,05 24,17 23,75 21,82 18,43 14,15 10,35 8,38 16,94 25 10 13,11 17,09 20,67 22,9 23,77 23,47 21,87 18,8 14,72 10,99 8,98 17,22 30 10,57 13,64 17,46 20,71 22,62 23,32 23,09 21,79 19,05 15,21 11,56 9,53 17,4 35 11,07 14,09 17,71 20,63 22,21 22,73 22,58 21,57 19,18 15,6 12,06 10,02 17,47 40 11,5 14,44 17,86 20,42 21,66 22 21,93 21,22 19,2 15,89 12,48 10,44 17,43 45 11,86 14,71 17,9 20,08 20,98 21,14 21,15 20,74 19,1 16,09 12,82 10,8 17,29 50 12,13 14,88 17,82 19,62 20,18 20,15 20,24 20,13 18,88 16,18 13,08 11,8 17,04 55 12,33 14,95 17,64 19,05 19,25 19,05 19,21 19,4 18,54 16,17 12,26 11,29 16,68 60 12,45 14,93 17,34 18,36 18,21 17,86 18,07 18,56 18,09 16,06 13,34 11,43 16,23 65 12,49 14,82 16,94 17,56 17,11 16,67 16,93 17,61 17,53 15,84 13,34 11,5 15,7 70 12,45 14,61 16,43 16,66 15,97 15,38 15,7 16,55 16,87 15,53 13,26 11,49 15,07 75 12,32 14,31 15,83 15,66 14,73 14,01 14,38 15,47 16,1 15,12 13,09 11,4 14,37 80 12,12 13,92 15,13 14,59 13,42 12,57 12,99 14,3 15,24 14,61 12,83 11,24 13,57 85 11,83 13,44 14,34 13,47 12,04 11,12 11,54 13,05 14,29 14,02 12,49 11,01 12,71 90 11,47 12,87 13,46 12,28 10,61 9,74 10,15 11,74 13,25 13,34 12,07 10,71 11,8 Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 36 Orientació 0º 0 5 10 15 20 25 30 gener febrer març abril maig juny juliol agost setembre octubre novembre desembre KJ/m2/dia 0º 5º 10º 15º 20º 25º 30º 35º 40º 45º 50º 55º 60º 65º 70º 75º 80º 85º 90º Orientació 0º mitja anual 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 º d'inclinació MJ/m2/dia Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 37 Orientació 30º Inclinació gener febrer març abril maig juny juliol agost setembre octubre novembre desembre Anual 0 6,34 9,35 13,78 18,64 22,48 24,29 23,56 20,44 15,86 11,02 7,22 5,5 14,9 5 7,05 10,12 14,51 19,21 22,78 24,46 23,79 20,89 16,55 11,79 7,96 6,17 15,47 10 7,73 10,82 15,16 19,68 22,96 24,48 23,88 21,28 17,14 12,5 8,66 6,81 15,95 15 8,36 11,47 15,74 20,03 23,07 24,39 23,89 21,54 17,63 13,13 9,31 7,41 16,35 20 8,94 12,04 16,24 20,26 23,04 24,21 23,77 21,68 18,04 13,68 9,9 7,97 16,67 25 9,47 12,54 16,63 20,4 22,86 23,88 23,51 21,69 18,36 14,14 10,44 8,48 16,89 30 9,94 12,97 16,93 20,45 22,61 23,42 23,15 21,63 18,56 14,53 10,91 8,93 17,02 35 10,34 13,31 17,12 20,37 22,24 22,91 22,7 21,44 18,65 14,82 11,31 9,33 17,06 40 10,69 13,57 17,21 20,16 21,75 22,25 22,11 21,11 18,62 15,02 11,64 9,67 17 45 10,96 13,75 17,19 19,84 21,12 21,46 21,39 20,66 18,48 15,12 11,89 9,95 16,83 50 11,16 13,84 17,06 19,41 20,4 20,59 20,59 20,11 18,24 15,13 12,07 10,17 16,58 55 11,3 13,84 16,87 18,92 19,63 19,67 19,73 19,5 17,92 15,06 12,18 10,32 16,25 60 11,36 13,78 16,57 18,31 18,74 18,64 18,76 18,77 17,5 14,91 12,2 10,4 15,84 65 11,34 13,62 16,18 17,6 17,74 17,49 17,68 17,93 16,98 14,66 12,15 10,42 15,32 70 11,26 13,38 15,68 16,79 16,67 16,35 16,56 16,99 16,35 14,32 12,02 10,37 14,73 75 11,1 13,05 15,09 15,88 15,6 15,16 15,42 16,02 15,62 13,89 11,82 10,25 14,08 80 10,87 12,65 14,41 14,97 14,45 13,89 14,19 14,99 14,8 13,38 11,55 10,07 13,35 85 10,57 12,17 13,65 13,98 13,22 12,65 12,95 13,88 13,96 12,79 11,2 9,82 12,57 90 10,21 11,61 12,85 12,91 12,07 11,41 11,75 12,71 13,05 12,12 10,78 9,51 11,75 Orientació 30º 0 5 10 15 20 25 30 gener febrer març abril maig juny juliol agost setembre octubre novembre desembre MJ/m2/dia 0º 5º 10º 15º 20º 25º 30º 35º 40º 45º 50º 55º 60º 65º 70º 75º 80º 85º 90º Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 38 Orientació 30º mitja anual 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 º d'inclinació MJ/m2/dia Orientació 60º Inclinació gener febrer març abril maig juny juliol agost setembre octubre novembre desembre Anual 0 6,34 9,35 13,78 18,64 22,48 24,29 23,56 20,44 15,86 11,02 7,22 5,5 14,9 5 6,75 9,79 14,2 19 22,65 24,38 23,69 20,72 16,26 11,47 7,65 5,91 15,23 10 7,16 10,18 14,6 19,26 22,75 24,33 23,71 20,94 16,58 11,85 8,06 6,28 15,5 15 7,52 10,53 14,92 19,43 22,76 24,25 23,67 21,04 16,86 12,16 8,43 6,62 15,71 20 7,84 10,85 15,15 19,56 22,65 24,01 23,48 21,1 17,04 12,44 8,76 6,92 15,84 25 8,11 11,1 15,34 19,57 22,5 23,74 23,27 21,06 17,12 12,67 9,04 7,18 15,92 30 8,34 11,29 15,47 19,5 22,22 23,35 22,93 20,88 17,19 12,82 9,26 7,42 15,91 35 8,54 11,41 15,5 19,39 21,87 22,84 22,49 20,7 17,16 12,89 9,44 7,62 15,84 40 8,7 11,49 15,44 19,16 21,46 22,33 22,02 20,4 17,03 12,9 9,59 7,78 15,71 45 8,8 11,52 15,34 18,82 20,92 21,68 21,42 19,97 16,81 12,89 9,69 7,89 15,5 50 8,86 11,49 15,18 18,46 20,31 20,94 20,74 19,52 16,57 12,8 9,72 7,95 15,23 55 8,85 11,39 14,94 18,02 19,68 20,21 20,05 19 16,24 12,63 9,69 7,97 14,91 60 8,8 11,22 14,6 17,48 18,93 19,35 19,25 18,36 15,81 12,39 9,61 7,93 14,49 65 8,69 10,99 14,18 16,38 18,09 18,42 18,35 17,63 15,29 12,08 9,47 7,85 14 70 8,52 10,71 13,76 16,22 17,3 17,54 17,51 16,94 14,78 11,74 9,27 7,72 13,51 75 8,35 10,41 13,27 15,52 16,41 16,56 16,56 16,15 14,2 11,36 9,06 7,57 12,96 80 8,12 10,05 12,71 14,73 15,43 15,51 15,53 15,27 13,54 10,92 8,8 7,37 12,34 85 7,85 9,63 12,08 13,91 14,53 14,56 14,61 14,4 12,8 10,42 8,49 7,14 11,71 90 7,53 9,16 11,41 13,12 13,58 13,53 13,61 13,5 12,09 9,85 8,12 6,86 11,04 Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 39 Orientació 60º 0 5 10 15 20 25 30 gener febrer març abril maig juny juliol agost setembre octubre novembre desembre MJ/m2/dia 0º 5º 10º 15º 20º 25º 30º 35º 40º 45º 50º 55º 60º 65º 70º 75º 80º 85º 90º Orientació 60º mitja anual 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 º d'inclinació MJ/m2/dia Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 40 Orientació 90º Inclinació gener febrer març abril maig juny juliol agost setembre octubre novembre desembre Anual 0 6,34 9,35 13,78 18,64 22,48 24,29 23,56 20,44 15,86 11,02 7,22 5,5 14,9 5 6,36 9,35 13,79 18,69 22,48 24,28 23,55 20,45 15,86 11,02 7,23 5,53 14,91 10 6,38 9,33 13,79 18,64 22,39 24,13 23,42 20,42 15,81 10,96 7,25 5,54 14,87 15 6,36 9,31 13,71 18,55 22,22 23,92 23,24 20,26 15,72 10,91 7,23 5,55 14,78 20 6,38 9,23 13,64 18,39 21,96 23,59 22,92 20,1 15,56 10,81 7,23 5,55 14,64 25 6,36 9,18 13,51 18,17 21,65 23,22 22,6 19,82 15,4 10,68 7,21 5,53 14,47 30 6,31 9,09 13,33 17,93 21,24 22,74 22,13 19,55 15,16 10,57 7,15 5,52 14,25 35 6,3 8,95 13,17 17,59 20,83 22,23 21,68 19,18 14,92 10,4 7,11 5,5 14,01 40 6,25 5,85 12,93 17,28 20,3 21,64 21,12 18,77 14,64 10,19 7,05 5,46 13,73 45 6,17 8,71 12,67 16,89 19,79 21,01 20,54 18,34 14,28 10,02 6,96 5,38 13,42 50 6,07 8,53 12,42 16,43 19,2 20,35 19,91 17,8 13,96 9,8 6,82 5,32 13,07 55 5,99 8,31 12,1 16,01 18,55 19,58 19,19 17,3 13,59 9,52 6,72 5,25 12,7 60 5,88 8,13 11,72 15,5 17,92 18,88 18,53 16,74 13,14 9,26 6,6 5,15 12,31 65 5,75 7,91 11,4 14,92 17,2 18,09 17,76 16,09 12,7 8,99 6,44 5,03 11,88 70 5,58 7,65 11,02 14,42 16,48 17,26 16,68 15,5 12,26 8,68 6,24 4,88 11,43 75 5,38 7,35 10,59 13,83 15,77 16,48 16,23 14,86 11,76 8,32 6,02 4,72 10,96 80 5,22 7,06 10,1 13,17 14,97 15,61 15,39 14,13 11,19 7,95 5,82 4,58 10,45 85 5,03 6,78 9,7 12,57 14,2 14,76 14,57 13,46 10,7 7,62 5,61 4,42 9,97 90 4,83 6,47 9,24 11,95 13,45 13,95 13,79 12,78 10,17 7,25 5,37 4,24 9,47 Orientació 90º 0 5 10 15 20 25 30 gener febrer març abril maig juny juliol agost setembre octubre novembre desembre MJ/m2/dia 0º 5º 10º 15º 20º 25º 30º 35º 40º 45º 50º 55º 60º 65º 70º 75º 80º 85º 90º Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 41 Orientació 90º mitja anual 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 º d'inclinació MJ/m2/dia Comparació de la mitja anual en funció de l’orientació: Mitja de radiació anual Inclinació 0º 30º 60º 90º 0 14,9 14,9 14,9 14,9 5 15,55 15,47 15,23 14,91 10 16,11 15,95 15,5 14,87 15 16,58 16,35 15,71 14,78 20 16,94 16,67 15,84 14,64 25 17,22 16,89 15,92 14,47 30 17,4 17,02 15,91 14,25 35 17,47 17,06 15,84 14,01 40 17,43 17 15,71 13,73 45 17,29 16,83 15,5 13,42 50 17,04 16,58 15,23 13,07 55 16,68 16,25 14,91 12,7 60 16,23 15,84 14,49 12,31 65 15,7 15,32 14 11,88 70 15,07 14,73 13,51 11,43 75 14,37 14,08 12,96 10,96 80 13,57 13,35 12,34 10,45 85 12,71 12,57 11,71 9,97 90 11,8 11,75 11,04 9,47 Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 48 Hem de tenir en compte el rendiment del procés, per tant en el volum teòric hem de considerar l’efecte del rendiment, per tant, per obtenir els nostres 5563 dm3, hem de fixar el valor del volum teòric en 5855 dm3. 5855·96485·100.000·2 1000 12.667 8,314·298·3600 I A== El fet de que haguem d’obtenir una intensitat tant gran fa que no poguem fer una sola instal·lació, dit d’una altre manera que el procés d’obtenció no serà només una sola estació d’extracció, sinó que hem de separar el procés en diferents cèl·lules, amb petites instal·lacions connectades en paral·lel de manera que al final la producció de hidrogen sigui l’adequada. Disseny de la instal·lació base. La intensitat màxima que fixarem per a cada subconjunt de mòduls fotovoltaics serà de 100 A. Hem pres aquesta xifra ja que necessitem una intensitat com mes com mes gran millor però a l’hora hem de pensar amb les secció dels cables, ja que aquestes han ser més grans com més intensitat apliquem per suportar les pèrdues per efecte Joule. Per cobrir la necessitat d’aconseguir 100 A necessitem 14 mòduls fotovoltaics connectats amb paral·lel, cada conjunt d’aquest en podem dir subinstal·lacions. Cada subinstal·lació generaria el seu propi cabal de hidrogen, que el dirigiria cap a una conexió central on es recollissin tots els cabals de les subestacions i es portessin cap al sistema de liquat. Per tant per aconseguir l’equivalent a una instal·lació de 12.667 A necessitem 127 subinstal·lacions. En conjunt hem d’utilitzar 1778 mòduls solars i la superficie que ocuparien seria de 1800 m2. Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 49 Per tenir un idea del cost de la instal·lació, cada mòdul costa 805 €, això fa que els 1778 mòduls costin 1.431.290 € (uns 238 milions de les antigues pessetes). A més a més, hi tindriem de sumar el cost de les estructures de suport del mòduls, les connexions, la mà d’obra i le cost de la instal·lació de refrigeració. Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 50 Conclusions Durant el transcurs de la humanitat, l’evolució d’aquesta ha portat a desenvolupar grans coses, ara bé, igualment també ha crescut el nivell de consum d’energia. Fins ara s’ha fet ús d’energies no renovables: petroli, gas natural, energia nuclear; i s’ha deixat de banda o s’han desenvolupat poc les energies alternatives o mes ben dit renovables. En aquest moment hi comença a haver una real preocupació per l’ús d’energies no renovables, no tant pel que fa al tema energètic sinó per altres raons no menys importants com son els residus que provoquen aquestes energies i les conseqüències resultants i que en el cas del petroli no es tracta d’un tema energètic sinó d’un estil de vida. La vida quotidiana de qualsevol individu del món desenvolupat està envoltada d’objectes referents al petroli o als seus derivats. La roba, el calçat, les carreteres, un CD o DVD, la carcassa de molts electrodomèstics, etc. L’altre motiu preocupant són les emissions de CO2 residuals de la combustió dels combustibles fòssils, efecte hivernacle que provoquen està fent que hi hagi o que s’agreugi un canvi climàtic, vegetació i fauna són els primers en rebrent les conseqüències, llavors venim nosaltres. Per tots aquest motius aquest projecte intenta definir la viabilitat de les instal·lacions de hidrogen solar, una font d’energia neta, tant en la producció com en l’ús que se’n faci, la matèria prima és l’aigua i el residu també és aigua. Ara bé, tal i com hem pogut veure, en les condicions de temperatura i pressió en el qual hem definit la producció d’hidrogen el resultat és car en el cost i pobre en la producció. El fet de definir aquestes condicions es degut a l’intent de reduir el cost, actualment la producció d’hidrogen per electròlisi de l’aigua és un dels processos més habituals però es porta a terme en electrolitzadors d’alta pressió que tenen l’inconvenient que son molt cars. Generador de hidrogen solar Nº Registre 1230 Memòria 51 El fet d’obtenir aquest resultats una mica pobres és degut a diferents factors com són, la tecnologia fotovoltaica està molt poc desenvolupada, els rendiments màxims en plaques solars estan al voltant del 17 % d’eficiència energètica. Hem de pensar que el sol ens obsequia amb una quantitat d’energia enorme, per tant hem de trobar la manera de aprofitar-la. Ara bé, un dels resultats del projecte ha sigut veure que la producció de hidrogen és fàcil i segura, el que cal és optimitzar el procés. Per una altra banda el gran inconvenient que te el hidrogen és el seu emmagatzematge. La naturalesa perillosa del producte fa que sigui difícil emmagatzemar-lo, que sigui difícil també és sinònim que és car. Actualment els mètodes de compressió i liquat són efectius però requereixen d’una gran aportació d’energia extra i són relativament cars, s’estan desenvolupant noves tècniques més fàcils, més segures i més barates però de moment són tècniques en vies de desenvolupament. Hem de pensar que el hidrogen ens aporta grans beneficis, l’energia generada és neta i de qualitat, ens suposa un estalvi econòmic, ja que prové del sol i a més, cada quilovat hora generat amb un sistema com aquest suposa deixar d’alliberar a l’atmosfera 0,23 quilograms de diòxid de carboni. El hidrogen és la font energètica del futur, té les millors característiques energètiques dels combustibles actuals, per tant hem de millorar la tecnologia per tal de millorar els processos tant d’obtenció com d’emmagatzematge ja que actualment encara estem en una fase inicial.