Artículo Académico / Academic Paper
Recibido: 30-10-2021 Aprobado tras revisión: 18-01-2022
Forma sugerida de citación: Polanco D.; Cuji C. (2022). “Estimación Del Tiempo De Recuperación De Energía Aplicado En
Producción De Hidrogeno Con Fines De Generación Eléctrica”. Revista Técnica “energía”. No. 18, Issue II, Pp. 74-84
ISSN On-line: 2602-8492 - ISSN Impreso: 1390-5074
© 2022 Operador Nacional de Electricidad, CENACE
Estimation of Energy Payback Time Applied In Hydrogen Production For
Electricity Generation Purposes
Estimación Del Tiempo De Recuperación De Energía Aplicado En Producción
De Hidrogeno Con Fines De Generación Eléctrica
D. E. Polanco
1
C.C. Cuji
1
1
Universidad Politecnica Salesiana, Quito, Ecuador
E-mail: dpolanco@est.ups.edu.ec; ccuji@ups.edu.ec
Abstract
Next, the results obtained when estimating the cost
of electrical energy and its time of considering
hydrogen generation as a base are presented, as well
as the feasibility in the economic sphere within the
domestic consumption of electrical energy. To begin
with, the energy analysis of hydrogen was carried
out in the market, using the recovery factor (EPBT)
which gives us as a result that it must take 1.62 years
for a hydrogen cell to compensate for the energy I
use. From the results obtained in the laboratory and
the mathematical model in which a PEM-type fuel
cell with 46% efficiency was obtained to generate
24V. Finally, with the information obtained, the
amount of initial energy and hydrogen that is needed
to produce electricity and the cost according to its
production are evaluated, which is analyzed from
the energy, technical and economic point of view,
thus obtaining the strengths to be a clean and
pollution-free source of energy, since its only residue
is water vapor. But with the great disadvantage that
in the electrical field there are greater energy losses
due to the low efficiency of fuel cells.
Index terms Power, Electricity generation,
Hydrogen.
Resumen
A continuación, se presentan los resultados
obtenidos al estimar el costo de energía eléctrica y su
tiempo de recuperación considerando como base la
generación de hidrógeno, así mismo se evalúa la
factibilidad en el ámbito económico dentro del
consumo doméstico de energía eléctrica. Para
empezar, se realizó el análisis energético del
hidrógeno en el mercado, mediante el factor de
recuperación (EPBT) el cual nos da como resultado
que debe pasar 1.62 años para que una celda de
hidrogeno compense la energía que utilizo. De los
resultados obtenidos en laboratorio y del modelo
matemático en el cual se utilizó una celda de
combustible tipo PEM con 46% de eficiencia para
que genere 24V. Finalmente, con la información
obtenida se evalua la cantidad de energía inicial y el
hidrogeno que se necesita para producir electricidad
y el costo de acuerdo a su producción, la cual es
analizada desde el punto de vista energético, técnico
y económico, obteniendo así las fortalezas de ser una
fuente de energía limpia y libre de contaminación,
ya que su único residuo es vapor de agua. Pero con
la gran desventaja que en el ámbito eléctrico se
producen mayores pérdidas de energía debido a la
baja eficiencia de las celdas de combustible.
Palabras clave Potencia, Generación eléctrica,
Hidrógeno.
74
Edición No. 18, Issue II, Enero 2022
1. INTRODUCCIÓN
En la actualidad contamos con un régimen energético
que depende en su mayoría de energía no renovable con
posibilidad de llegar a su límite dentro de poco tiempo,
por lo que en el mundo y en nuestro país se cuantifican
las opciones para la producción de energía con recursos
renovables, y así mantener como mínimo el estilo de vida
actual [1][2]. El sistema sostenible que se proyecta a
futuro enfatiza el uso de fuentes de energía renovables
con principios de eficiencia y, sobre todo, ahorro
energético. Es por ello que una de las soluciones que se
expone es el uso del hidrógeno y las celdas de
combustible, la cual se plantea como una alternativa
atractiva y eficaz por su gran variedad de aplicaciones,
entre las que tenemos el hogar, varias áreas del sector
industrial, como misiones espaciales, entre otros.
[1][3].Conforme la sociedad va evolucionando, el
consumo de energía acrecienta y, en la mayoría de casos,
no se lo hace de manera eficiente. Esta eficiencia
energética ayuda al aumento y mejora de la calidad de
vida, y a la correcta administración de los recursos.
[3][4].
En este documento se estimarán los costos de
producción de la energía necesaria para crear hidrógeno,
puesto que uno de los retos más grandes que enfrenta
nuestro país es desistir o renunciar gradualmente al uso
de las fuentes de energía no renovables, especialmente
los combustibles derivados del petróleo y, a la vez,
proponer alternativas de un sistema energético razonable
para una población cuya demanda energética se mantiene
en crecimiento[5][6]. Solo así se conseguirá evitar las
consecuencias de un incremento significativo de precios,
lo que podría causar un gran impacto en la economía.
Hoy en día existen varias herramientas para el proceso de
generación eléctrica, entre ellas tenemos a las celdas de
combustible, cuyo rendimiento asegura un futuro
prometedor, por lo que se busca infundir y promover la
utilización de estas y despertar un interés dentro de la
sociedad hacia el uso de energías renovables. [5][6]. En
el futuro se espera que, por cada fuente de energía no
renovable, por ejemplo, gas o derivados de petróleo que
causan contaminación, se encuentre una pila de
combustible capaz de producir electricidad mediante
hidrógeno, el cual se trasladará por hidroductos
comerciales y simplemente bastará con inyectar oxígeno
proveniente de calles para producir la electricidad
necesaria que demanda un edificio, obteniendo un
rendimiento superior. Para ello, usaremos el factor de
recuperación de energía (EPBT), donde se analizará qué
tan viable es el uso de esta nueva fuente energética en
comparación a la quema de combustibles tradicionales,
y, lo más importante, sin la emisión de gases
contaminantes, ya que el único residuo de este
combustible a base de hidrógeno es el vapor de agua.
Adicionalmente, este vapor se podrá aprovechar en el
invierno para la calefacción y, si se añade una máquina
de absorción, es posible convertir el calor en frío, lo que
se puede ocupar como aire acondicionado durante el
verano [4][7].
Actualmente, podemos percatarnos que la
disponibilidad de fuentes de energía cada vez es menor.
El principal argumento a favor del desarrollo de celdas
de combustible es que se convertiría en una manera de
reducir el agotamiento de petróleo y, por ende, de
emisiones contaminantes [8][6]. Lo que se busca en esta
investigación es proponer al hidrógeno como vector de
energía limpia y analizar, con el mayor rigor científico
posible, las fortalezas, debilidades, oportunidades y
problemas que conlleva la aplicación de estas nuevas
tecnologías asociadas al hidrógeno.
Figura 1: Ciclo de generación eléctrica basada en Hidrógeno
2. MARCO TEÓRICO
2.1 Hidrógeno
Se comenta que el hidrógeno es un elemento infinito,
ya que se encuentra de forma abundante en el universo y
nuestro planeta no es la excepción. Se encuentra ligado a
otros elementos, formando nuevos compuestos, por
ejemplo: agua, material orgánico, gas natural y,
principalmente, contiene una gran cantidad de energía
por unidad de peso, ya que el combustible no pesa mucho
al no tener átomos de carbono[9][10]. Por ejemplo,
durante una reacción de hidrógeno se generará energía
equivalente a 2.5 veces el poder de combustión de los
hidrocarburos [11][12]. En este caso, el método utilizado
para la generación de hidrógeno fue la electrólisis, que
consiste en agregar energía a un ánodo y cátodo, para
luego sumergirlos en agua y, de esta forma, separar el
oxígeno y el hidrógeno [8][10].
2.2 Celdas de combustible
La celda de combustibles es un módulo
electroquímico, cuya función de transformación de
energía es muy parecida a una batería, pero con la
discrepancia de que esta celda permite el
reabastecimiento constante de los reactivos utilizados; en
otras palabras, genera energía de una fuente distinta de
combustible como una contramedida a la limitada
capacidad que tiene la batería [12][13]. Por otro lado, la
batería reacciona y cambia según cómo se encuentre la
carga, mientas que en la celda de combustible se utilizan
75
Polanco et al. / Estimación Del Tiempo De Recuperación De Energía Aplicado En Producción De Hidrogeno
electrodos catalíticos y relativamente invariables [14].
Una celda de combustible utiliza hidrógeno en el lado
positivo y oxígeno en el lado negativo [12] [15].
Figura 2: Principio Celda de combustible
La celda de combustible produce electricidad,
mezclando hidrógeno y oxígeno electroquímicamente
(no necesita ningún tipo de combustión). A discrepancia
de las baterías, la celda de combustible no termina y no
requiere de una recarga, ya que la celda producirá energía
eléctrica tipo DC y calor mientras tenga combustible. El
único producto secundario que se produce es agua 100%
pura [15][16].
Figura 3: Esquema Celda de combustible
El hidrógeno ingresa hacia el electrodo a través del
electrolito y, consecutivamente, el electrón lo hace por
medio de un conductor. Este procedimiento sub generará
agua, corriente eléctrica y desprendimiento de calor, para
poder inducir corriente a las celdas de combustible que
están formadas una después de otra con varias capas
[7][17]. En la Fig. 3, existe un creciente número de iones
negativos en el electrolito y el transporte de cargas
positivas. En comparación con los combustibles
actualmente utilizados, las celdas de combustible
reducen las emisiones de gases nocivos y producen vapor
de agua como residuo [17][4]. Es importante mencionar
que la reacción total, añadiendo los efectos que se tendrán
en el polo positivo y negativo, es igual para todos los
tipos de celda:
𝑯
𝟐
+ ½ 𝑶
𝟐
‹ 𝑯
𝟐
𝑶 (1)
2.2.1 Clasificación
Hoy por hoy contamos con varios tipos de celdas de
combustible, que se clasifican según el tipo de electrolito.
Dentro de esta clasificación se tomarán en cuenta las
diferentes temperaturas a las que operan las celdas, así
como los requerimientos de pureza de hidrógeno
suministrado [14] [12] [18].
En la Tabla 1 se expone la eficiencia de cada tipo de
celda de combustible antes mencionadas.
Tabla 1. Eficiencia de celdas de combustible
Tipo Celda De
Combustible
Tipo De
Electrólito
%
Celdas De Membrana
Polimérica
(Pem)
Polímero Sólido
60%
Celdas De
Combustible
Alcalinas(Afc)
Recurso Acuoso De
Hidróxido De
Potasio
60%
Celdas De Ácido
Fosfórico
(Pafc)
Ácido Fosfórico
Líquido
50%
80%
Celdas De
Carbonato
Fundido (Mcfc)
Recurso Líquido De
Litio, Sodio Y
Potasio
60%
90%
Celdas De Óxido Sólido
Óxido De Zirconio
Sólido Con
Adiciones De Itrio
Sólido
60%
90%
Conversión
Directa
Metanol (Dmfc)
Nafion
40%
2.2.2 Ventajas
La principal ventaja de esta nueva fuente energética
es que genera una cantidad nula de contaminación y a
esto podemos aportar las siguientes ventajas:
Alta eficiencia en la transformación del
combustible a electricidad.
Capaces de manejar varios combustibles.
Sigilosas en su operación.
Su facilidad para operar con otros sistemas de
generación de electricidad aumentando la
eficiencia del sistema.
En la siguiente Tabla 2 se exhiben las ventajas por
cada tipo de celda:
Tabla 2. Ventajas celdas de combustible
Tipo celda de
combustible
Ventajas
Celdas de
membrana
polimérica
(pem)
Disminución en corrosión del
electrolito y fácil mantenimiento de
la pila.
Velocidad en arranque y poca
temperatura de operación.
Celdas de
combustible
alcalinas (afc)
Resistencia catódica rápida con
eficiencia.
Celdas de ácido
fosfórico
(pafc)
Gran eficiencia en cogeneración.
Acepta hidrógeno impuro.
Celdas de
carbonato
fundido (mcfc)
Gran eficiencia debido a la alta
temperatura y relativamente
baratos.
Celdas de óxido
sólido
gran eficiencia y catalizadores
relativamente baratos.
Conversión
directa
metanol (dmfc)
Transporte, equipos portátiles,
electricidad.
2.2.3 Desventajas
Generalmente no presentan desventajas en el ámbito
de productividad, pero en la parte económica sí se pueden
presentar algunos inconvenientes, puesto que en el
mercado aún no son de fácil adquisición. Como se
comentó anteriormente, son necesarios algunos procesos
76
Edición No. 18, Issue II, Enero 2022
para generar este combustible, los cuales tienen un costo
elevado. Además, la contención y almacenaje de este
elemento ocasionan que el costo se eleve aún más, al
igual que el transporte a diversos sitios, como viviendas,
empresas, etc. [19][18]. A continuación, en la Tabla 3 se
presentan las desventajas por cada tipo de celda:
Tabla 3. Desventajas celdas de combustible
Tipo celda de
combustible
Desventajas
Celdas de membrana
polimérica
(pem)
Catalizadores costosos y no
admite impurezas.
Celdas de
combustible
alcalinas (afc)
No admite impurezas,
únicamente se emplea
hidrógeno puro.
Celdas de ácido
fosfórico
(pafc)
Consta con un gran peso y
poca corriente y potencia.
Celdas de
carbonato
fundido (mcfc)
Poca vida útil ante la
corrosión a gran
temperatura. Permite el uso
de hidrocarburos
reformados, pero no tolera el
azufre.
Celdas de óxido sólido
Poca vida útil ante la
corrosión a gran
temperatura. Permite el uso
de hidrocarburos
reformados, pero no tolera el
azufre.
Conversión
directa
metanol (dmfc)
Combustible líquido, más
cercano a la tecnología
actual, más las ventajas de
las pem.
2.2.4 Aplicaciones
Una de las aplicaciones más importantes es que
pueden trasladarse a lugares muy remotos, por ejemplo:
viajes espaciales, estaciones meteorológicas o hasta en tu
propio hogar alejado de las zonas rurales; aparte de tener
varios usos, bien sean militares o residenciales [16][20].
Existe un sistema Eólico-Hidrógeno que es el pionero en
la implementación a gran escala, es decir, es un sistema
eólico conectado a una batería de energía a base de
hidrógeno. En la Fig. 4, se evalúa la distribución de este
sistema, que planea entregar energía eléctrica a 250
hogares.
En el sistema, los aerogeneradores producen energía
para los usuarios y el sobrante es utilizado para formar
hidrógeno. Es así que, cuando el aerogenerador tiene una
baja actividad, se activa la celda, convirtiendo el
hidrógeno almacenado en energía [21] [19].
Figura 4: Esquema Sistema Eólico-Hidrógeno
En la Tabla 4 se exponen algunas aplicaciones por
cada tipo de celda [21] [15].
Tabla 4. Aplicaciones celdas de combustible
Tipo celda de
combustible
Aplicaciones
Celdas de
membrana
polimérica
(pem)
Suministro energético para
vehículos y generación
Estacionaria
Celdas de
combustible
alcalinas
(afc)
Aplicaciones
militares y
espaciales
Celdas de ácido
fosfórico
(pafc)
Aplicaciones de generación
estacionaria.
Aparatos portátiles.
Celdas de
carbonato
fundido (mcfc)
Generación
estacionaria
Celdas de óxido
sólido
Generación
estacionaria
Conversión
directa
metanol (dmfc)
Aún se encuentra en
desarrollo
77
Polanco et al. / Estimación Del Tiempo De Recuperación De Energía Aplicado En Producción De Hidrogeno
2.2.5 Eficiencia
Para calcular la eficiencia de la celda de combustible
comparamos la masa de hidrógeno entrante con la masa
de hidrógeno saliente [22][17], ocupando las siguientes
ecuaciones:
𝒎
𝑯
𝟐.𝒊𝒏
= 𝑺
𝑯
𝟐
𝒎
𝑯
𝟐
𝟐𝑭
𝑰𝒏
𝒄𝒆𝒍𝒍
(2)
𝒎
𝑯
𝟐
𝒐𝒖𝒕
=
𝑺
𝑯
𝟐
− 𝟏
𝒎
𝑯
𝟐
𝟐𝑭
𝑰𝒏
𝒄𝒆𝒍𝒍
(3)
Donde:
S
= Razón estequiométrica del hidrógeno.
m
= Peso molecular del hidrógeno (g/mol).
F = Constante de Faraday (96485.34
C/mol).
n
= Número de celdas.
I = Corriente de las celdas (A).
Una vez estimados el H
2in
hidrógeno entrante y el H
2out
saliente, procedemos a calcular la eficiencia en la celda
de combustible, mediante la siguiente fórmula:
𝒏 =
𝒎
𝑯
𝟐
𝒊𝒏
𝒎
𝑯
𝟐
𝒐𝒖𝒕
(4)
2.3 Energy Pay Back Time
El tiempo de recuperación de energía (EPBT) de un
sistema, es el tiempo requerido para generar tanta energía
como se consume durante la producción y la operación
de por vida del sistema [23]. El tiempo de recuperación
de la energía está influenciado por tres factores:
Los materiales utilizados en el sistema.
Tipo de celda de combustible.
La eficiencia de la celda de combustible.
El parámetro EPBT también indica el tiempo que una
pila de hidrógeno, durante su etapa de utilización, tardará
en generar una suma de energía semejante a la invertida
en su generación. Nos revela la energía eléctrica utilizada
en cada uno de los procesos utilizados. En este caso, la
generación de energía con celdas de combustible; esto
demuestra que el EPBT toma en cuenta los detalles
específicos de la construcción y estos cálculos nos
ayudan a mejorar la eficiencia de los procesos
industriales de fabricación de las pilas de hidrógeno
[23][24].
El EPBT es calculado usando la siguiente ecuación
EPBT
(
year
)
=
(5)
Donde:
E
= Demanda de energía primaria.
E
= Energía anual generada por los
sistemas.
El EPBT es un parámetro clave para evaluar el
rendimiento de las fuentes de energía y va de la mano con
el EROI, que es la relación entre la energía "devuelta" por
un equipo de energía y la energía "invertida" para
proporcionar ese retorno, y se calcula mediante la
siguiente ecuación:
EROI =
(6)
El EROI se determinó para evaluar el rendimiento
neto de energía para la sociedad durante la vida útil de
los tándems, y se comparó con otros sistemas
fotovoltaicos comerciales y fuentes de energía
tradicionales [23][21].
2.4 La Economía del hidrógeno
Prácticamente, el uso comercial del hidrógeno como
medio energético es cuestión de costos. Existe hidrógeno
en todos los lugares de la tierra: en el agua, en los
combustibles fósiles y en todos los seres vivientes; el
problema es que no se encuentra directamente en la
naturaleza y es necesario extraerlo mediante otro proceso
de sus fuentes naturales, significando una gran inversión
[25][11].
Para obtener una visión más clara, se calcula el valor
monetario de la energía necesaria para generar la
disociación del hidrógeno y oxígeno en 1 litro de agua.
Cantidad moles de agua:
𝟏 𝑳𝒊𝒕𝒓𝒐∗𝟏𝟎𝟎𝟎
𝟏𝟖
= 𝟓𝟓. 𝟓𝟔 mol (7)
Tomando en cuenta que la constate de electrólisis
para el agua es de 285.8 kj/mol, tenemos que el hidrógeno
total producido es:
𝟓𝟓.𝟓𝟔𝒎𝒐𝒍∗𝟐
𝟏𝟎𝟎𝟎
= 𝟎. 𝟏𝟏 𝒌𝒈 (8)
Y la energía total necesaria para separarlo:
𝟐𝟖𝟓. 𝟖
𝒌𝒋
𝒎𝒐𝒍
∗ 𝟓𝟓. 𝟓𝟔 𝒎𝒐𝒍 = 𝟏𝟓𝟖𝟕𝟕. 𝟖𝒌𝒋 (9)
Que representan 4.41 KWh, la cual es la cantidad de
potencia necesaria aplicada en una hora para poder
separar el hidrógeno del agua. Conociendo el valor del
Kwh en Ecuador, la tarifa mínima es de 0.11 ctvs de dólar
por el consumo de hasta 1 Kwh al mes y va hasta los 2.56
dólares por el consumo de hasta 300Kwh [26]; tomando
el valor mínimo de 0.11 dólares, el proceso para obtener
hidrógeno de un litro de agua, costaría alrededor de 0.49
dólares. A continuación, en la Tabla 5 se explican los
costos con cantidades más altas de líquido [4][7].
Tabla 5. Costo de producción de hidrógeno [26]
Agua (Litros)
Potencia Eléctrica
(Kwh)
Hidrógeno
(kg)
Costo ($)
100 441,05 11,11 1129
200 882,10 22,22 2258
300 1323,15 33,33 3387
400 1764,20 44,44 4516
500 2205,25 55,56 5645
600 2646,30 66,67 6774
78
Edición No. 18, Issue II, Enero 2022
Figura 5: Proceso de generación de hidrógeno
Figura 6: Potencia eléctrica necesaria para generar hidrógeno
Como podemos observar en la Fig. 5 el costo de
producción de hidrogeno en comparación a la potencia
que genera, el agua que ingresa y el hidrogeno que crea,
es muy elevado es decir no justifica en el ámbito
económico su producción y para ratificar lo antes dicho
en la Fig. 6 observamos la potencia eléctrica necesaria
para generar cierta cantidad de hidrogeno.
3. MARCO METODOLÓGICO
Para este estudio se utilizó el equipo nombrado FCJJ-
16, que es un electrolizador con una membrana de
intercambio protónico tipo Nación 112 del fabricante
Horizon. Los rasgos de voltaje y corriente se mencionan
a continuación:
Voltaje de entrada: 1.7 V ~ 5 V (DC)
Corriente de entrada: 0,7A a 2 V
La tasa de producción de hidrógeno: 5ml/min
Tasa de producción de oxígeno: 2.5ml/min
Figura 7: Celda de combustible Horizon
Figura 8: Electrolizador- Horizon
A continuación, podemos observar en las Fig. 7 y 8 los
implementos necesarios para iniciar el proceso de
electrólisis y así separar el oxígeno e hidrógeno del agua,
para poder utilizar el hidrógeno como medio de
combustible.
Figura 9: Proceso de electrólisis
Primero, se procede a conectar los tanques de
almacenamiento del electrolizador, como podemos
observar en la Fig. 9, y llenarlos con aproximadamente
30 mililitros de agua destilada. Luego, conectamos el
panel fotovoltaico a la celda de combustible, como la
Fig.10, para iniciar el proceso de electrólisis y separar el
oxígeno e hidrógeno del agua destilada.
Figura 10: Conexión panel solar
Se debe tomar en cuenta el gasto de la resistencia
interna, dada por la química de los materiales empleados
y por sugerencias del fabricante de la membrana
polimérica. El proceso para alimentar la celda sin carga
se lo debe hacer de 5 a 10 segundos. Una vez conseguido
el hidrógeno necesario, colocamos una carga
reemplazando los pines del panel por un motor de baja
potencia, como se muestra en la Fig. 11.
79
Polanco et al. / Estimación Del Tiempo De Recuperación De Energía Aplicado En Producción De Hidrogeno
Figura 11: Conexión carga a celda de combustible
3.1 Resultados en laboratorio
Mediante la ayuda de un monitor de energía,
procedemos a realizar mediciones en tiempo real del
comportamiento de la celda de combustible, para luego
graficarlos en Matlab.
Figura 12: Tensión producida por celda de hidrogeno
En la Fig. 12 podemos observar que la diferencia
entre estas dos muestras es el tiempo en el cual
comienzan a generar tensión. El fabricante comenta y
especifica que este hecho sucede cuando la membrana es
nueva; por eso, en la tensión de color rojo podemos notar
una producción de tensión mucho más rápida, puesto que
ya fue utilizada en varios ensayos, obteniendo como
datos los valores de tensión promedio de 2.99 V. En la
Fig. 13 tomamos una sección en la cual nos muestra la
descarga de la celda de combustible al ser conectada a
una carga.
Figura 13: Curva de polarización de la pila PEM.
Como podemos observar, en la Fig. 13, la tensión
eléctrica al inicio de la prueba tiene un valor de 0.9 V. No
obstante, su nivel va descendiendo de forma gradual
hasta agotar la carga; esto se debe a que el suministro de
combustible se agota por el consumo del motor a baja
potencia.
Figura 14: Energía eléctrica almacenada
En la Fig. 14 podemos observar cómo la celda de
combustible genera energía, llegando a un pico de 1.6 J
en el primer día y, en el séptimo día, alcanza 1.8J. Esta
variación de energía se produce por el continuo uso de la
celda de combustible, ya que esto aumenta su eficiencia
por la humedad que se genera en la membrana
polimérica, alcanzando así un punto máximo debido a su
continuo uso. También, podemos percatarnos de la
disminución de la energía en cada día debido al consumo
por la carga en cada prueba.
Figura 15: Corriente producida por celda de hidrógeno
En la Fig. 15 observamos el comportamiento de la
intensidad de corriente al ser almacenada durante varias
pruebas, llegando a picos muy altos de hasta 150 A,
debido al proceso electroquímico de generación eléctrica.
Este hecho sucede cuando la molécula de hidrógeno
interactúa con la membrana, creando un flujo de corriente
intensa en un corto periodo de tiempo.
3.2 Modelamiento
Para corroborar este comportamiento, procedemos a
modelar una pila de hidrógeno tipo PEM para que genere
1.26 Kw a 24 V, conformado con 42 celdas de
combustible y una eficiencia del 46% en Simulink,
obteniendo las siguientes figuras:
80
Edición No. 18, Issue II, Enero 2022
Figura 16: Tensión producida por modelo de celda de hidrógeno
Como podemos observar en la Fig. 16, esta curva es
característica de las celdas de combustible tipo PEM.
Igualmente, se observa que la tensión alcanza picos de
voltaje para lograr obtener un valor promedio y
suministrar el voltaje requerido. Así mismo, podemos
notar los picos de densidad de corriente elevada en la Fig.
17, esto se debe al proceso electroquímico de generación
eléctrica y es una caracteristica de las celdas de
combustible tipo PEM en las cuales suele llegar hasta
2000 mA/ 𝒄𝒎
𝟐
[13].
Figura 17: Densidad de corriente producida por modelo de celda
de hidrógeno
Para optimizar este modelo matemático, procedemos
a conectar un bus DC y atenuar los picos de corriente y
voltaje, promediando el valor que genera la ceda de
combustible con 100Vdc obteniendo como resultado las
Fig. 18 en la cual se observa que se obtiene valores de -
200Va 350V, dando como resultado de su promedio un
valor cercano a los 100V, este valor se obtiene tomando
el valor positivo y negativo de la celda de hidrógeno,
donde se consigue una señal más estable y sin muchas
fluctuaciones, en la Fig. 19 podemos observar que
obtenemos una corriente electrica de hasta 30A esta
corriente se logra gracias al aumento de 100Vdc que se
realizó en el modelo para estabilizar la señal del voltaje
dado que la celda posee unicamente la resistibilidad de
sus materiales y al tener una resistencia pequeña con un
voltaje alto se obtiene una cantidad de corriente superior.
Figura 18: Voltaje bus DC para modelo de celda de hidrógeno
Figura 19: Corriente bus DC para modelo de celda de hidrógeno
Gracias al modelo realizado, es posible observar la
producción y suministro de combustible, los cuales se
encuentran detallados en la Fig. 20; así como el consumo
de los mismos, en la Fig. 21.
Figura 20: Suministro de combustible para pila tipo PEM
Figura 21: Consumo de reactantes dentro de la pila tipo PEM
Como se muestra en las figuras, el suministro de
hidrógeno no es constante; hay pequeños intervalos en
los cuales se produce la reacción electroquímica para
separar el oxígeno y el hidrógeno, dando como resultado
las características gráficas de las celdas tipo PEM.
Figura 22: Eficiencia pila tipo PEM
Por último, en la Fig. 22 podemos observar que la
eficiencia de la pila supera los 40% y reiterar que el
porcentaje de eficiencia de las celdas tipo PEM rondan
alrededor del 40% al 60% pero este porcentaje puede
variar debido a perdidas electroquímicas.
3.3 Estimación de eficiencia en la celda
Tomando los valores de diseño de 1 A y de 5 celdas
formando el stock de la pila, además de los valores
obtenidos en las pruebas calculamos el consumo del
Hidrogeno al interior de la celda, sabiendo que la relación
estequiométrica es de 1.2:
𝒎
𝑯
𝟐.𝒊𝒏
= 𝑺
𝑯
𝟐
𝒎
𝑯
𝟐
𝟐𝑭
𝑰𝒏
𝒄𝒆𝒍𝒍
(10)
𝒎
𝑯
𝟐
.𝒊𝒏
= 𝟏. 𝟐
𝟐.𝟎𝟏𝟔 𝒈/𝒎𝒐𝒍
𝟐(𝟗𝟔𝟒𝟖𝟓.𝟑𝟒 𝑪/𝒎𝒐𝒍)
𝟏 ∗
(
𝟓
)
(11)
𝒎
𝑯
𝟐.𝒊𝒏
= 𝟔. 𝟐𝟔𝟖𝒙𝟏𝟎
𝟓
𝒈
𝒔
(12)
Este es el valor mínimo de hidrogeno entrante a la celda
de combustible para obtener los valores de potencia y
corriente propuestos. El siguiente calculo nos ayuda a
encontrar el flujo de hidrogeno saliente de la celda de
combustible usando la siguiente ecuación:
𝒎
𝑯
𝟐
𝒐𝒖𝒕
=
𝑺
𝑯
𝟐
− 𝟏
𝒎
𝑯
𝟐
𝟐𝑭
𝑰𝒏
𝒄𝒆𝒍𝒍
(13)
81
Polanco et al. / Estimación Del Tiempo De Recuperación De Energía Aplicado En Producción De Hidrogeno
𝒎
𝑯
𝟐
𝒐𝒖𝒕
=
(
𝟏. 𝟐 − 𝟏
)
𝟐.𝟎𝟏𝟔 𝒈/𝒎𝒐𝒍
𝟐(𝟗𝟔𝟒𝟖𝟓.𝟑𝟒 𝑪/𝒎𝒐𝒍)
𝟏 ∗ (𝟓) (14)
𝒎
𝑯
𝟐
𝒐𝒖𝒕
= 𝟏𝟎. 𝟒𝟒𝟕 ∗ 𝟏𝟎
𝟓
𝒈
𝒔
(15)
El rendimiento de la celda de combustible se calcula
comparando la cantidad de hidrógeno consumido en
la reacción y la cantidad de hidrógeno no
consumido, estos valores son promedios, obtenidos en las
pruebas de laboratorio y presentes en la Fig. 12.
𝒏 =
𝒎
𝑯
𝟐
𝒊𝒏
𝒎
𝑯
𝟐
𝒐𝒖𝒕
(16)
𝒏 =
𝟔.𝟐𝟔𝟖𝒙𝟏𝟎
𝟓
𝒈
𝒔
𝟏𝟎.𝟒𝟒𝟕∗𝟏𝟎
𝟓
𝒈
𝒔
= 𝟎. 𝟓𝟗𝟗 (17)
𝒏 = 𝟓𝟗. 𝟗% (18)
Lo cual demuestra la eficiencia típica de la celda de
combustible tipo PEM cuyos valores estándar en el
mercado se encuentran entre 40% y 60% según el
desarrollo e investigación que se lleve a cabo en un futuro
podemos utilizar este mecanismo como fuente renovable
en el uso residencial, industrial, etc.
3.4. Estimación de EPBT y costos de energía
El parámetro EPBT nos indica el tiempo que la pila
de hidrogeno tarda en generar una cantidad de energía
equivalente a la invertida en su producción para encontrar
este valor tomamos los datos de laboratorio.
𝑬𝑷𝑩𝑻 (𝒚𝒆𝒂𝒓𝒔) =
𝑬𝒊𝒏
𝑬𝒐𝒖𝒕
(19)
𝑬𝑷𝑩𝑻(𝒚𝒆𝒂𝒓𝒔) =
𝟓 𝑲𝒘𝒉
𝟐.𝟗𝟗𝟓 𝑲𝒘𝒉
(20)
𝑬𝑷𝑩𝑻
(
𝒚𝒆𝒂𝒓𝒔
)
= 𝟏. 𝟔𝟕 𝒂ñ𝒐𝒔 (21)
En base a estos resultados podemos observar que el
EPBT es de 1.67 años, este es el tiempo requerido durante
la etapa de uso de la celda de hidrogeno para compensar
la energía invertida en su ciclo de vida [21]. Para
encontrar el costo de la energía multiplicamos la potencia
que se ocupó para generar el combustible por el valor
kWh en Ecuador, para eso tomamos el valor del modelo
en el que se ocupó 2.74 kWh para generar 1.26 kWh es
decir:
𝟐. 𝟕𝟒𝒌𝒘 ∗ 𝟎. 𝟏𝟏 = 𝟎. 𝟑𝟎 dólares (22)
𝟏. 𝟐𝟔𝒌𝒘 ∗ 𝟎. 𝟏𝟏 = 𝟎. 𝟏𝟒 𝒅ó𝒍𝒂𝒓𝒆𝒔 (23)
Es decir que en este proceso se perdió 0.16 dólares
esto es debido a la baja eficiencia que tiene la celda de
combustible, a medida que se tenga más estudios e
investigaciones a futuro se podría aumentar la eficiencia
de la celda de combustible para lograr abastecer un nuevo
sistema de energía basado en hidrogeno sin causar daño
al medio ambiente. Tras realizar este análisis procedemos
a corroborar los resultados mediante el modelo
realizando con varios niveles de hidrógeno obteniendo
los siguientes resultados.
Tabla 6. Cálculo de EPBT y costos de energía
Ein
(Kwh)
Eout
(Kwh)
Ein $ Eout $ Perdida $
EPBT
(Años)
0,39 0,23 0,04 0,03 0,02 1,67
1,11 0,55 0,12 0,06 0,06 2,00
1,64 0,74 0,18 0,08 0,10 2,22
2,50 1,00 0,27 0,11 0,16 2,50
3,03 1,67 0,33 0,18 0,15 1,82
Figura 23: Comparación entre Ein y Eout
Como podemos observar en la Fig. 23 tras varios
experimentos, la energía necesaria para producir
electricidad siempre es mayor a la energía que produce,
este fenómeno se da gracias a la eficiencia que tiene las
celdas de combustible reiterando los resultados antes
mencionados.
4. CONCLUSIONES
Durante los ensayos de laboratorio se demuestra que
las celdas de combustible tienen una curva característica
de tensión con valores máximos de 3.6V y valores
mínimos de 2.99V, los cuales demuestran que el uso
continuo de la celda de combustible nos ayuda a elevar la
eficiencia de la misma hasta un 16.94%, puesto que el
uso humedece la membrana polimérica ayudando al
proceso electroquímico.
Gracias al EPBT se pudo comprender que el uso de
esta nueva tecnología aún está en desarrollo y los tiempos
para justificar la energía que proporciona es de 1.67 años
dando como resultado que el hidrogeno representa una
pérdida económica del 53.3%, ya que al pasar de un
proceso a otro obtiene un desgaste en el cual la energía
varia disminuyendo así su cantidad considerablemente.
Durante el modelamiento de la celda de combustible
nos pudimos percatar que la eficiencia no supera al 60%
en la mayoría de casos de las de tipo PEM pero existen
otro tipo de celdas que llegan hasta un 90% de eficiencia,
como pudimos observar en los resultados de laboratorio
y el análisis económico, la energía que ingresa es de 2.52
kWh pero luego de todo el proceso electroquímico la
celda nos estrego 1 kWh esto quiere decir que la
eficiencia fue de 39.6% aproximadamente, así que este
proceso por el momento no es factible para el uso como
principal combustible de fuente.
82
Edición No. 18, Issue II, Enero 2022
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] J. Valero Matas and J. Romay Coca, “Políticas
científicas en materia de renovables: el caso del
hidrógeno como fuente básica energética,” RIPS:
Revista de investigaciones políticas y
sociológicas, vol. 8, no. 1, pp. 23–35, 2009.
[2] J. A. V. Matas, “El Espejismo De Una Energía
Social: La Economía Del Hidrógeno,” Revista
Internacional de Sociologia, vol. 68, no. 2, pp.
429–452, 2010, doi: 10.3989/ris.2008.08.13.
[3] J. Solano, “Hacia una economía basada en el
hidrógeno,” Anales de la Universidad
Metropolitana, vol. 4, no. 1, pp. 165–180, 2004.
[4] D. Gene and M. Salvador, “La Economía del
Hidrógeno como Solución al Problema de la
Estabilización del Clima Mundial La Economía
del Hidrógeno como Solución al Problema de la
Estabilización del Clima Mundial,” Acta
Universitaria, vol. 16, no. 1, pp. 5–14, 2012, doi:
10.15174/au.2006.192.
[5] D. Eerr, “El Negocio De Las Energías
Renovables En Los Balcanes :,” Greenpeace, pp.
38–54, 2014.
[6] F. Cortez, J. Cercado Mancero, A. Vera Lorenti,
and E. Valle Flores, “Un panorama de las
energías renovables en el Mundo, Latinoamérica
y Colombia,” Espacios, vol. 39, p. 10, 2018.
[7] H. Untuk and S. Smp, “Uso del hidrogeno como
fuente alternativa para alimentar pilas de
combustible,” Fundación universidad américa,
2018.
[8] H. Américo and A. Visintin, “Hidrógeno,
Combustible Del Futuro: ¿Por Qué, Cómo Y
Dónde?,” Instituto de Investigaciones
Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas, pp. 1–9,
2010.
[9] F. M. Orr, U. De Stanford, T. S. Ramakrishnan,
C. Roulet, and E. Stout, “El hidrógeno : ¿ Un
futuro portador energético ? Para muchos , el
hidrógeno es el combustible limpio del futuro
porque su único,” Oilfield Review, pp. 34–47,
2005.
[10] R. Sánchez-dirzo, R. Silva-casarín, G. Edgar, and
M. R. D. G. González-huerta, “Hidrógeno Del
Mar,” TIP Revista Especializada en Ciencias
Químico-Biológicas, vol. 15, no. 1, pp. 49–61,
2012.
[11] P. F. De Carrera, “Estudio sobre la aplicación de
hidrógeno como combustible alternativo a bordo
de buques,” Universitat Politècnica de
Catalunya, 2015.
[12] L. Alzate-Gaviria, C. Fuentes-Albarrán, A.
ÁLvarez-Gallegos, and P. J. Sebastian,
“Generación de electricidad a partir de una celda
de combustible microbiana tipo PEM,”
Interciencia, vol. 33, no. 7, pp. 503–509, 2008.
[13] F. Barreras and A. Lozano, “Hidrógeno. Pilas de
combustibles de tipo PEM,” Año internacional
de la energía sostenible para todos, p. 19, 2012.
[14] J. A. Asensio et al., “Membrana polimérica,”
Afinidad LXVIII, vol. 554, pp. 246–258, 2011.
[15] J. Mónica and A. Carlos, “Análisis del ciclo de
vida para la producción de hidrógeno como
combustible del futuro,” Revista Cubana de
Química, vol. XXV, no. 2, pp. 165–179, 2013.
[16] C. Clemente Jul, M. Sánchez Delgado, and M.
Rodríguez Mayor, “Modelado de sistemas de
electrolisis alcalina para la producción de
hidrógeno a partir de energías renovables,”
Anales de la Real Academia de Doctores de
España, vol. 3, no. 1, pp. 183–186, 2018.
[17] V. M. Orera, “Hidrógeno y Pilas de combustible
Hidrógeno y Pilas de Combustible,” Fundación
OPTI, no. April, 2007.
[18] M. Gatti, F. Quiñones, and R. Milocco, “Estudio
de diferentes celdas de combustible microbianas
para la generación de energía a partir de residuos
orgánicos de efluentes líquidos,” Libro de
trabajos completos del III Congreso Nacional de
Ciencia y Tecnología, no. 1, pp. 1–10, 2017.
[19] I. De Rob and R. C. Castell, “Control de
temperatura en pilas de combustible tipo PEM de
c ´ atodo abierto .,” Comité Español de
Automática de la IFAC (CEA-IFAC), pp. 3–5,
2014.
[20] J. Romero Polanco, “Producción de hidrógeno
vía electrolítica para su uso en automoción,”
Universidad De Valladolid Escuela, p. 134,
2018.
[21] G. Palmer and J. Floyd, “An Exploration of
Divergence in EPBT and EROI for Solar
Photovoltaics,” BioPhysical Economics and
Resource Quality, vol. 2, no. 4, 2017, doi:
10.1007/s41247-017-0033-0.
[22] A. M. Aguirre, “Descripción y Modelado de una
Pila de Combustible de Membrana de
Intercambio Protónico,” Universidad Carlos III
de Madrid, p. 231, 2009.
[23] K. P. Bhandari, J. M. Collier, R. J. Ellingson, and
D. S. Apul, “Energy payback time (EPBT) and
energy return on energy invested (EROI) of solar
photovoltaic systems: A systematic review and
83
Polanco et al. / Estimación Del Tiempo De Recuperación De Energía Aplicado En Producción De Hidrogeno
meta-analysis,” Renewable and Sustainable
Energy Reviews, vol. 47, pp. 133–141, 2015,
doi: 10.1016/j.rser.2015.02.057.
[24] C. Toledo Arias and V. Campos Guzmán,
“Consideraciones en el tiempo de retorno
energético de sistemas fotovoltaicos integrados
arquitectónicamente en edificios,” Anuario de
Jóvenes Investigadores, vol. 9, no. 9, pp. 144–
147, 2016.
[25] D. G. Couret, “Las energías renovables al
servicio de la humanidad Renewable Energies in
the service of mankind,” Arquitectura y
Urbanismo, vol. XXXVI, no. 1, pp. 93–98, 2015.
[26] Servicio público de energía eléctrica “Pliego
tarifario para las empresas eléctricas de
distribución” Resolución Nro. ARCONEL –
035/19 (23 de diciembre de 2019).
Diego Enrique Polanco
Calvachi.- (1992-07). Estudiante
de Ingeniería Eléctrica en la
Universidad Politécnica Salesiana
sede Quito. Actualmente se
encuentra trabajando en GESCO,
una fundación creada por la
SENESCYT como coordinador
académico de la misma. Área de interés: Energía
renovable, Generación, Hidrógeno, Nueva tecnología.
Cristian Cristóbal Cuji Cuji .-
(1986-03). Se graduó de
Ingeniero Electrónico de la
Universidad Politécnica Salesiana,
Ecuador, en 2014. Máster en
Energía, Facultad de Ciencias
Físicas en la Universidad
Complutense de Madrid –España
en 2015. La mayor experiencia laboral fue como
Supervisor de Ingenieria en el sector Industrial Textil y
Actualmente es profesor e investigador en la
Universidad Politécnica Salesiana, colaborando en
asignaturas como Centrales de Generación,
Termodinámica y Electrónica.
.
84
