Cartera de Proyectos
La cartera de proyectos de la AERI-Hidrógeno son producto de la investigación y el desarrollo del grupo de científicos que componen esta Red; pero también, por otra parte, son resultado de la observación para que, tecnologías de energía derivada de hidrógeno, cubran de necesidades específicas del mercado y se genere su explotación comercial.
El contenido de cada uno de estos proyectos se presenta como sigue:
Prototipos de almacenamiento de Hidrógeno en altas densidades
Investigador y responsable técnico: Dr. Edilso Francisco Reguera
Institución: Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada del IPN –Unidad Legaria (CICATA-IPN)
· Breve descripción del Proyecto
El desarrollo que se propone es la creación de dos Prototipos de Unidades para Almacenar H2 a alta densidad, logrando de igual manera minimizar el consumo energético al transformarse este gas en líquido. Además de ello encontrar vías para alcanzar niveles equivalentes a 1 y 5 L de H2 capaces de producir un volumen de aproximadamente 40 litros (volumen equiparable al tanque de combustible de un vehículo ligero) y que a partir de ahí existan vehículos a base de hidrógeno en lugar de gasolina con una autonomía de unos 400 km.
Este proyecto se sustenta en estudios básicos sobre almacenamiento de H2 en nanocavidades durante los últimos 3 años dentro del CICATA-IPN.
El objetivo central es disponer de un mecanismo apropiado para almacenar hidrógeno a alta densidad cercana a la del H2 líquido, es decir, 71 g/L; que sea capaz de proporcionar energía a equivalente a 40 litros de combustible en un automovil pequeño y que pueda recorrer hasta 400 kilómetros.
Logrando encontrar este mecanismo, el siguiente paso sería escalar los desarrollos que se realicen en el país tanto en Producción de H2 como en Celdas de Combustible.
· Resultados Esperados
Como resultados se espera disponer de Prototipos de Unidades para Almacenar Hidrógeno a Alta Densidad.
Hasta el momento, no se ha
Alcanzar niveles de almacenamiento equivalente a y 1 y 5 L de H2 líquido, lo que permitiría escalar resultados y realizar algunas introducciones prácticas a modo de demostración de las posibilidades de estas tecnologías, y con ello atraer apoyos de las instituciones que proporcionan recursos para Ciencia y Tecnología, Los dos Prototipos, una vez optimizados podrían sustentar algunas aplicaciones industriales, entre ellas transporte auto-motor, generación de energía eléctrica auto-sustentable usando fuentes de energía renovables como radiación solar, eólica, etc., entre otras aplicaciones.
· Desarrollo Científico y Tecnológico. Antecedentes y Justificación
o Antecedentes
En múltiples referencias se ha hecho notar que los combustibles fósiles han sido en gran medida el insumo base para desarrollos tecnológico que sustentan nuestra forma de vida así como desarrollo de nuestra civilización. La problemática de su vertiginoso uso ese que además de que han causado daños a lo nuestro medio ambiente, estos han venido agotándose, lo que conduciría a un caos económico y social a nivel mundial.
Por lo que respecta a México, país productor y exportador de Petróleo, ha sustentado su desarrollo económico básicamente en la extracción y exportación de este recurso mineral, la situación podría resultar crítica en tan sólo una o dos décadas, ya que la producción nacional ha descendido en los últimos diez años. La realidad es tal que el país, y el mundo, necesariamente deben transitar hacia una escenario energético basado en energías renovables.
Hasta ahora, las formas de energías renovables tienen un carácter estocástico, es decir, los niveles de demanda no necesariamente coinciden con la capacidad de producción. En tales condiciones hay que disponer de un medio para almacenar energía. Uno de esos medios potenciales, es utilizar el exceso de energía generada cuando la producción exceda la demanda, para producir y almacenar Hidrógeno (H2).
o Justificación
El almacenamiento de hidrógeno es un tema científico y tecnológico de mucha actualidad, mismo que despierta interés en que este elemento sea un portador energético que se fundamenta en el hecho de que su oxidación entrega 142 kJ/g de energía, tres veces el valor que se obtiene de la gasolina, generando como subproducto agua.
Ante este escenario, durante la última década se ha intensificado la búsqueda de alternativas para almacenar hidrógeno a niveles tales que satisfagan los requerimientos tecnológicos.
Por tal motivo, el mecanismo de almacenamiento que ha aplicado el CICATA –IPN (desde el año 2008), en colaboración con otras instituciones nacionales y extranjeras, para dar soporte a este proyecto es a partir de la Adsorción en materiales ligeros nanoporosos (elevada superficie específica), donde se ha logrado desarrollar nuevos materiales nanoporosos, ha sido posible almacenar H2 en altas densidades en nanocavidades, con el propósito fundamental de privilegiar la interacción H2 – superficie e incrementar el número de moléculas adsorbidas por unidad de volumen y su la estabilidad como especie adsorbida.
· Principales Resultados / Logros
Los principales logros de las investigaciones ya referidas nos han permitido determinar las características que debe tener un material en términos de las propiedades de su enrejado poroso para satisfacer los requerimientos tecnológicos de almacenamiento de H2.
A partir de tales criterios de diseño, se han desarrollado nuevos materiales que los satisfagan alcanzándose densidades locales de H2 de almacenado entre los valores correspondiente a los estado líquido (71 g/L) y sólido (86 g/L) .
A partir del conocimiento que hemos alcanzado sobre almacenamiento de H2 en nanocavidades y de los materiales ya disponibles, estamos en condiciones de plantearnos el reto de diseñar y construir prototipos de equipos para almacenar H2 a alta de densidad, con capacidad para almacenar el equivalente a 1 y 5 L de H2 líquido. En términos de la energía acumulada y la eficiencia media de los motores de combustión interna y de los sistemas de celdas de combustible, un volumen de 5 L de H2 es equivalente a 30 L de gasolina.
· ¿Que ventajas o beneficios específicos hay en su propuesta que no están disponibles en otras soluciones existentes?
No existe actualmente en el mercado ningún sistema de almacenamiento que sirva de soporte a la realización de pruebas y escalados en esta área, en condiciones cercanas a las correspondientes a futuras aplicaciones tecnológicas.
· Originalidad de la propuesta
La propuesta de este proyecto se basa en resultados obtenidos durante los últimos 4 años referente al almacenamiento de H2 en nanocavidades. Resultado de esos estudios básicos, se ha logrado dominar a profundidad las interacciones que hacen posible estabilidad al H2 en materiales nanoporosos, así como también se ha logrado conocer la forma de construir esos materiales “a la medida” para ser empleados en el almacenamiento de H2 y podemos plantearnos el reto de desarrollos los mencionados Prototipos para comenzar a convertir Ciencia Básica en Tecnología.
· Perspectiva del proyecto propuesto
La propuesta no termina en los resultados y el aprendizaje antes mencionados, sino se continuará realizando investigación básica para encontrar mejores materiales para esas aplicaciones e innovar sobre la base de los prototipos que desarrollaremos.
La investigación básica referente a desarrollo de materiales para tecnologías de hidrógeno ocupará un 60 % de nuestro esfuerzo y de los recursos que se obtengan para estar siempre delante de cualquier lógico intento de reproducir nuestros resultados de enfoque tecnológico, aun cuando se logre su protección mediante patentes y otras formas de propiedad industrial.
· Impacto del desarrollo en el entorno económico, social o ambiental
o Impacto económico
El proyecto tiene impacto económico, en particular en el sector energía. De forma paulatina, una vez que este desarrollo logre instalarse y adentrarse en el mercado, se irán conformando economías de escala, lo que propiciará que en nuestro país se genere una industria de hidrógeno con fines energéticos. Por supuesto, y derivado de ello se crearían fuentes de empleo que contribuyan a alcanzar los satisfactores y una mejor calidad de vida para la población.
o Impacto ambiental
Por la parte de protección ambiental,el empleo de este tipo de tecnologías no produce ningún tipo de emisiones ni de efecto invernadero ni otras con otros compuestos que afecten el medio ambiente, por lo que esto representa sin lugar a dudas una ventaja muy importante con respecto a lo producido por los combustibles de tipo fósil.
o Impacto social
En relación al aspecto social, la generación de nuevas tecnologías como las mencionadas podrían emplearían y formarían una considerable masa de trabajadores calificados. Esto último explica la importancia que en este proyecto se presta a la formación de recursos humanos a nivel posgrado, mismos que estarían facultados para seguir la labor científica y tecnológica en este sentido, sino también incorporarse a las actividades industriales que se deriven de estos desarrollos .
o Impacto científico y tecnológico
La maduración del proyecto propuesto lograría convertir a México en un país generador de alta tecnología, especialmente la orientada en el almacenaje de hidrógeno, y no sólo un importador de esta clase de tecnologías.
· Vigencia, requerimientos de recursos y su justificación
El Proyecto está diseñado para ejecutarse en 3 años.
Se conforma de de dos módulos o partes, una de Investigación-Desarrollo Tecnológico y otra de Investigación Básica, con un presupuesto total de $25 millones MN.
Los recursos requeridos y su implementación para este proyecto se dividen a dos áreas:
Área de Desarrollo de Materiales para Tecnologías de Hidrógeno ($15 millones MN). A partir de los antecedentes directos del Proyecto (desarrollos propios del grupo de trabajo) se ha establecido una metodología para la implementación de esta área bajo los siguientes puntos:
o Síntesis de nuevos materiales nanoporosos moleculares, caracterización estructural, térmica y de otras propiedades físicas.
o Síntesis, caracterización y evaluación de nuevos catalizadores para producir hidrógeno por electro-catálisis, foto-catálisis y para el uso del H2 en celdas de combustible;
La justificación de los recursos para el desarrollo específico de esta área son entre otros puntos: completar el Laboratorio de Desarrollo de Materiales para Tecnologías de Hidrógeno, en términos de equipamiento, para que soporte el diseño y construcción de prototipos de dispositivos para esa área en primer lugar, para almacenamiento de H2, pero también en lo referente a Producción y Uso del Hidrógeno. En este presupuesto se incluye los gastos de operación durante 3 años del Laboratorio de Desarrollo de Materiales.
Área de Investigación Tecnológica ($10 millones MN): El área de investigación tecnológica está orientada a producción de patentes, desarrollo y evaluación de prototipos, y en general a la evaluación de dispositivos para tecnología de Hidrógeno.
La justificación de los recursos solicitados para esta áreas se emplearían para instalar un Laboratorio de Investigación Tecnológica Certificado.
En este presupuesto se incluye los gastos de operación durante 3 años del mencionado laboratorio.
· Trayectoria del líder de Investigador y responsable técnico
El Doctor Edilso Fco. Reguera Ruiz, Investigador y responsable técnico del referenciado proyecto es egresado de la Licenciatura en Física, Dr. en Ciencias Químicas (PhD) por el Centro Nacional de Investigaciones Científicas, La Habana, Cuba. y Dr. en Ciencias (Doctorado de 2do Nivel) . A lo largo de 35 años de experiencia profesional en el área de Ciencias de Materiales, en particular sobre el desarrollo y estudio de materiales moleculares. Algunos aspectos de productividad durante los últimos 5 años se resumen de la siguiente forma:
NIVEL SNI: III
Número de publicaciones: 190; de ellas 146 en Revistas ISI
Recursos humanos formados: 15 doctores, 20 maestros
Citas en los últimos 5 años (excluyendo autocitas): > 400
Publicaciones en revistas ISI en los últimos 5
años: 59
Investigador y responsable técnico: Dr. Alberto Cornejo I. (I.P.N.)
Otras Instituciones y organizaciones participantes en el proyecto: IESystems, UNAM a través de CFATA e ININ
•Descripción del proyecto
La propuesta de este proyecto se sostiene bajo la línea de áreas estratégicas de la AERI-Hidrógeno denominada Plataforma Motriz Híbrida
El objetivo desarrollar un sistema híbrido inteligente, es decir integrar un sistema de combustión interna/Diesel con un sistema eléctrico dotado con un sistema de control, tal que, automáticamente realice la conmutación del motor de combustión interna al motor eléctrico y viceversa, garantizando siempre, el uso eficiente de los recursos, obteniendo como resultado un uso óptimo de las fuentes de energía y principalmente la disminución de emisiones de CO2. Cabe mencionar que con este tipo de sistemas, las baterías pueden recargarse en cualquier momento y alcanzar recorridos de 24 horas continuas para satisfacer la demanda de transporte público o particular, permitiendo abatir los altos índices de contaminación.
- Antecedentes
Estudios realizados en varios países han mostrado que los vehículos eléctricos (VE) tienen emisiones mucho más bajas de hidrocarburos y monóxido de carbono que los vehículos de combustión interna (VCI). Lo que significa menos ozono a nivel del suelo que contribuye a la contaminación. También se ha observado que los VE son una alternativa más limpia con respecto a los vehículos convencionales principalmente en áreas altamente congestionadas y contaminadas. Los VE son más eficientes que los VCI bajo condiciones normales de manejo. A diferencia de los motores de CI los VE no sufren pérdida de eficiencia por las condiciones de arranque y paro que típicamente caracteriza a las áreas congestionadas.
- Justificación del proyecto
En la actualidad tenemos varios problemas de gran magnitud que acosan con la calidad de vida como la conocemos, uno de ellos es el cambio climático, las emisiones de CO2 son uno de los factores que impactan directamente en este cambio.
Diariamente se queman decenas de millones de litros de gasolina en la ciudad de México. Esta cifra puede darnos una idea de la contaminación que producen los vehículos automotores día con día, sin considerar otro tipo de emisiones como las que despiden fábricas e incluso aviones.
•Resultados esperados
Derivado de las investigaciones desarrolladas se espera que de este proyecto donde surja prototipo que sea capaz de mantener un sistema híbrido inteligente que, de forma automática realice la transición de motor de combustión interna a un sistema eléctrico y viceversa, donde su nivel de potencia lo haga alcanzar recorridos por 24 horas continuas.
Por otra parte, también se espera que este prototipo, dadas sus características y potencial comercial, sea altamente atractivo para el sector industria-transporte nacional e internacional, y a partir de ahí, se eleve en importantes dimensiones su escalamiento industrial, logrando con ello no sólo satisfacer una necesidad económica de reducción de gastos en combustible por parte de los consumidores finales, sino mejorar las condiciones ambientales en nuestras ciudades.
Se considera que este desarrollo, por sus destacadas propiedades hasta ahora no observadas en otros mecanismos, es una importante punta de lanza para difundir esta tecnología a partir de distintas figuras de propiedad intelectual.
•Vigencia
La vigencia de este proyecto está considerada para manejarse en 5 años.
Implementación del proyecto y requerimientos de recursos
La propuesta del presente proyecto consiste en 3 etapas
La primera de esta etapa consiste en la conformación de la plataforma mixta de similares características a las que existen de forma en el mercado (diesel-eléctrico) y realizar varios prototipos. En esta fase no involucra ningún riesgo, lo que se garantiza su total éxito, alcanzando una duración de 12 meses con un costo aproximado de $850,000 Dólares.
Una vez que se cuenta con esta plataforma, comienza la etapa 2, la cual consiste en sustituir la maquinaria diesel del prototipo a través del empleo de un biodigestor y celda de Hidrogeno. Si bien el componente innovador de este prototipo consiste en la inclusión de estos mecanismos para generar energía limpia; esto mismo, se convierte en un considerable riesgo, ya que no se han producido celdas comerciales, sólo prototipos.
El costo aproximado de esta parte del proyecto es alrededor de $650,000 dólares, y si el caso lo requiere, pueden ser incorporadas más actividades que involucren una mayor intensidad de I+D, lo cual aumentaría este costo aproximadamente un 30%.
La tercera etapa de este proyecto está relacionada con la optimización y documentación del sistema completo incluyendo motores planos de alta eficiencia y baterías de iones de litio. Su aproximado es cercano a los $850,000 dólares K USD. Dentro de esta fase no se considera que existan riesgos mayores teniendo una duración de 2 años.
•Difusión de la tecnología
Las vías para la difusión de la tecnología emanada de este proyecto puede contemplar distintas variantes, como son:
o Foros de participación –congresos, seminarios, conferencias- que incluyan tanto a la comunidad científica académica; así como ferias industriales relacionadas y logran conjuntar tanto oferentes como demandantes de este tipo de productos y potenciales inversionistas.
o Registro de Propiedad intelectual. Registro de la tecnología ante las autoridades de la propiedad intelectual en México y/o algún otro país que se designe en el momento.
o Capacitación o consultoría a los adquirientes de la tecnología.
Así mismo, otro mecanismo de difusión de la tecnología es a partir
•Financiamiento del proyecto
Consideramos que este proyecto por el componente científico involucrado representa una alternativa tecnológica e innovadora sumamente atractiva al mercado. Por tal motivo, pretendemos llegar a los sectores tanto públicos como privados altamente relacionados al sector transporte e industrial para exponer los beneficios de contar con vehículos con una plataforma híbrida con capacidad de generar energía a partir de hidrógeno. Pero al mismo tiempo deseamos exponer este proyecto a las distintas instancias gubernamentales y tomadores de decisión para inscribir este innovador mecanismo de movilidad terrestre a programas de apoyos económicos.
Para la consecución de estos objetivos se contempla el obtener recursos públicos mediante Fondos sectoriales, mixtos y/o institucionales, además de algunos provenientes del sector privado interesados en el proyecto.
Junto con estos apoyos, se considerarán los distintos programas de Becas emitidos de instituciones de educación superior u otro tipo de organismos públicos, o bien, fundaciones para estudiantes involucrados en proyectos de esta naturaleza.
•Características técnicas, aplicación del producto derivado de la tecnología del proyecto
La carga eléctrica que puede obtenerse de estas celdas de combustible puede renovarse cuantas veces sea necesario, logrando cubrir hasta una duración de 24 horas continuas para satisfacer la demanda de transporte público o particular, permitiendo abatir los altos índices de contaminación.
El peso natural del vehiculo seria de 600kg y se estima que su capacidad de carga sea de 1.2 toneladas en total.
Mientras que, el alcance de su velocidad pueda ser de 50 a 60 kilómetros x hora, considerando recorridos diarios de 70 y 100 kilómetros. Estas últimas consideraciones están fundamentadas con base a la unidad de potencia y celdas de 10 y 15 KW.
•Impactos
- Científico y tecnológico
El desarrollo de este prototipo brinda un especial aporte a la comunidad científica mexicana, ya que a partir de los esfuerzos e inventiva de investigadores mexicanos, se ha podido lograr conformar una estructura híbrida cuya transición de diesel al sistema energía eléctrica se hace de forma inteligente empleando para este modo celdas de hidrógeno; pero además de ello, se ha implementado un sistema de tracción de 4 x 4, sin existir una conexión mecánica (flechas) entre las ruedas, ni caja de velocidades, lo que representa una destacada diferenciación si se compara con mecanismos existentes.
Por otra parte se alienta la vinculación academia- industria ya que participa una empresa en el ramo energético, la cual aporta sus base tecnológica y know-how comercial.
-Económico
Si bien, la inversión inicial de estos vehículos puede resultar elevada, la paulatina inmersión a las actividades económicas ofrece amplios márgenes en el costo-beneficio y eficiencia energética en dadas las características de este mecanismo de movilidad, trayendo un muy positivo beneficio a los sectores como el industrial y de transporte.
- Ambiental
En distintos países donde los autos eléctricos pueden observase de una forma más masiva que en México, se han realizado estudios donde se prueba que lo vehículos eléctricos han contribuido en que las emisiones contaminantes de CO2 disminuyan, y por el hecho de ser mucho más silenciosos que los autos convencionales, la contaminación auditiva, también tiende a disminuir.
- Social
En el desarrollo de este proyecto no sólo participación de la comunidad científica, sino también el sector empresarial, brindan
•Innovación del proyecto
La innovación de este desarrollo consiste en que en ningún prototipo hasta ahora visto en el mercado, cuente como base una plataforma híbrida Diesel –electricidad y que ésta sea generada de hidrógeno.
Además de este importante aspecto, un componente innovador fundamental incorporado al prototipo de este proyecto es que este vehículo presenta una tracción de 4 x 4, sin conexión mecánica (flechas) entre las ruedas, ni caja de velocidades, además su acoplamiento siempre es eléctrico formando una “flecha eléctrica” con motores planos de alto par y eficiencia.
Lo más destacado es que, este conjunto de propiedades innovadoras no ha sido desarrollado por ningún fabricante de este tipo de vehículos, lo que significa una importante contribución científica y tecnológica de México para el mundo.
· Perspectivas del proyecto
Ahora bien, una vez maduradas las pruebas de este proyecto y alcanzado su escalamiento se tienen expectativas como que a partir del aprendizaje y dominio de la tecnología surja un mayor número de recursos humanos abocados a fortalecer esta base científica y tecnológica para desarrollar mecanismos de esta naturaleza cada vez más útiles y eficientes y; aprovechando como base los trabajos y esfuerzos de la AERI-Hidrógeno, se desarrollaría una empresa Star-up que realice, en una primera etapa las funciones comerciales y posteriormente, con una infraestructura más desarrollada realizar funciones productivas a partir de este proyecto.
· Trayectoria del líder de Investigador y responsable técnico
El Doctor Alberto Cornejo, investigador líder de este proyecto es especialista en automatización y control eléctrico. Realizó su Doctorado en Ingeniería Eléctrica en La Salle Education University, en Louisiana, Estados Unidos.
Los desarrollos científicos y tecnológicos del Doctor Cornejo se han derivado en 1 patente concedidas y 2 solicitudes de patente a nivel nacional en el área de Biotecnología e Ingeniería Eléctrica. En Estados Unidos tiene una concedida en esta misma área.
A nivel profesional ha ejercido funciones en múltiples empresas de reconocida trayectoria, y fuera de ellas como consultor como con trayectoria así mismo con organismos gubernamentales y paraestatales mexicanas y del extranjero. En materia académica actualmente He llevado a cabo diversas actividades y tenido diferentes responsabilidades dentro de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica IPN teniendo como categoría académica actual, Profesor Titula “C” Tiempo Completo en Sistemas de Control, Circuitos lógicos, Instrumentación, Instalaciones Eléctricas Especiales, Control y Generación de Proyectos.
Es miembro activo de distintas Asociaciones nacionales e internacionales del ramo eléctrico.
Mecanismos de alta eficiencia en conversión de Hidrógeno y metano
Investigador y responsable técnico: Dra. Suilma Maricela Fernández (ININ)
Colaborador directo del proyecto: Dr. Evaristo Ávila Vera
Otras Instituciones y organizaciones participantes en el proyecto: ININ e Integrated Energy Systems de México, S.A. de C.V.
· Descripción del proyecto
El proyecto que se menciona a continuación puede ser ubicado bajo el área estratégica Reactores Biológicos para producción de Biogas e Hidrogeno
El proyecto consiste en generar un biorreactor con capacidad que es capaz de producir hidrógeno o metano, donde su principal insumo sean residuos orgánicos generados en los mercados y un consorcio de microorganismos.
Para efectos de este proyecto se ha contemplado disponer en la entrada del bioreactor un sistema solar para los procesos que necesiten temperatura y un molino para la homogenización del material, con lo que se asegurará el control microbiano y en consecuencia los productos esperados; mientras que de la salida del este biorreactor se acoplarán dos líneas que permitirán conducir los gases, la primera se dirigirá a purificador para generar hidrógeno de alta pureza; mientras la segunda línea de gases estará conectada a un cromatógrafo de gases que indicará la concentración de metano e hidrógeno en la mezcla gaseosa.
Para el escalamiento se están tomando en cuenta los resultados experimentales de las investigaciones pasadas a nivel laboratorio y piloto, realizadas en los laboratorios de radiobiología y química del Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ).
El objetivo central es diseñar, construir y posteriormente escalar un biorreactor de 10 m3, que se utilizará para la producción de hidrógeno o metano, utilizando como materia prima los residuos orgánicos generados en los mercados y un consorcio de microorganismos de una manera sustentable, y sobre todo de bajo costo.
· Resultados esperados
Lo que se desea obtener de estas tecnologías derivadas de este proyecto, es generar tecnologías limpias e innovadoras que contribuyan , en las que se puedan aprovechar los residuos generados por el ser humano para generar energéticos que contribuyan a mejorar la economía del país sin afectar el ambiente y mejorar la calidad de vida actual y futura.
Lo anterior se puede realizarse a partir de obtener resultados como:
o Disminuir la concentración de la carga orgánica en los rellenos sanitarios y los tiraderos de basura
o Obtener altos rendimientos de hidrógeno con pureza mayor al 99%
o Reducir el consumo de energía eléctrica a partir del empleo del acoplamiento de un sistema que capta energía solar
· Antecedentes y problemática
Este aumento en el uso de el petróleo y sus derivados, ha ocasionado diversos problemas ambientales como el calentamiento global y el cambio climático que traen consigo la preocupación generalizada de la humanidad, principalmente de los países industrializados para desarrollar tecnologías que produzcan energéticos que no contaminen el ambiente.
El desarrollo de sistemas energéticos integrados comprometidos a conjuntar tecnologías de alta y eficiente conversión energética libre de la generación de partículas al ambiente que provocan daños a la salud.
· Implantación del proyecto
Se diseñara un biorreactor que permita la recarga directa para mantener el flujo de generación de hidrógeno constante y el más alto nivel de pureza posible.
Específicamente, en este proyecto se va a diseñar y construir un sistema para la producción de hidrógeno de alta pureza, el cual consiste de:
Etapa 1. Pretratamiento; consiste en la reducción de tamaño de los residuos, esterilización y mezclado con los nutrientes),
Etapa 2. Transformación; se llevará a cabo dentro del biorreactor donde se realizarán las reacciones metabólicas para la producción del metano o hidrógeno)
Etapa 3. Tratamiento de los productos; los gases a la salida del biorreactor pasarán al termo catalizador y posteriormente al purificador de hidrógeno, mientras que los residuos sólido-líquidos serán tratados para la producción de un fertilizante orgánico.
Los elementos que se tienen para la realización de este proyecto son los resultados obtenidos de las investigaciones anteriores realizadas dentro del ININ, en relación a la producción de hidrógeno a escala laboratorio y su escalamiento a escala piloto. En donde se observaron buenos rendimientos de hidrógeno por kilogramo de materia orgánica, además de obtener otros productos de valor agregado como son: ácido acético, ácido butírico y residuos para la elaboración de abono orgánico.
· Ventajas o beneficios específicos con respecto a otras soluciones existentes
Las tecnologías del hidrógeno presentan varias ventajas energéticas como ambientales, ya que tiene poder calorífica 2.75 veces mayor que cualquier combustible fósil, en su combustión genera únicamente agua y energía y por lo tanto es amigable con el ambiente ya que evita el aumento de problemas ambientales y de salud.
Presenta relevantes rendimientos de hidrógeno por kilogramo de materia orgánica, además de obtener otros productos de valor agregado como son: ácido acético, ácido butírico y residuos para la elaboración de abono orgánico.
· Originalidad y novedad del desarrollo tecnológico
La originalidad del proyecto consiste en involucrar energía solar para satisfacer la mayoría de los requerimientos energéticos del proceso, en la producción de hidrógeno como energético limpio.
El desarrollo tecnológico de este proyecto es original y novedoso, ya que de la investigación documental desarrollada hasta el momento no se ha encontrado algo similar.
· Impacto en el entorno económico, social o ambiental
Impacto económico: México basa su economía en la producción y uso del petróleo, el cual es un recurso no renovable que algún día se va a terminar, por lo que es necesario la búsqueda de energías alternativas renovables como la solar y el hidrógeno, que comiencen a satisfacer los requerimientos energéticos del país.
Impacto social: el uso de los residuos orgánicos como materia prima impacta en la disminución de rellenos sanitarios, evitar olores desagradables y fauna nociva. Así como también en la mejora de la calidad de vida de las personas en la Republica mexicana.
Impacto ambiental: al utilizar y producir energéticos alternativos y limpios se evita contribuir a los diversos problemas ambientales que dañan al planeta, por lo que desarrollo y uso de tecnologías para la producción de metano e hidrógeno impacta de forma benéfica en todos los sentidos.
· Mecanismos de transferencia de tecnología
Se considera que este desarrollo de este proyecto, considerando su respectiva privacidad, , así como los resultados que se encontraron pueden encontrar distintas líneas de transferencia tecnológica.
Algunas empresas del sector industrial han manifestado su interés en este desarrollo. Por tal motivo, lo que se persigue para éste es protegerlo vía patente encaminar su escalamiento industrial.
Al ser ya aplicado en usos industriales de estas empresas, la difusión de la tecnología se conformaría a partir de cursos de capacitación, procesos de asimilación y adaptación de la misma.
Los trabajos de investigación continuarían, de encontrar alguna modificación a la tecnología base de esta figura, se buscaría obtener otras como el modelo industrial.
Por otra parte, puede producirse la transferencia a partir de la vinculación con Universidades o bien, centros de investigación interesados en generar tecnologías similares ya sea en foros, congresos, o seminarios.
Se persigue, de igual forma seguir formando personal calificado en esta materia para que ellos mismos a partir de esta tecnología trabajen no sólo a nivel docencia e investigación, sino que también integren su propia empresa que ponga en el mercado este tipo de mecanismos transformadores de hidrógeno.
· Trayectoria, experiencia y capacidad científico-tecnológica del líder del proyecto
o Investigador líder y responsable técnico
El presente proyecto Mecanismos de alta eficiencia en conversión de Hidrógeno y metano está bajo la dirección y responsabilidad técnica de la Doctora Suilma Maricela Fernández Valverde.
Quien desarrolló su Doctorado en Ciencias Físicas en la Universidad Louis Pasteur, en Estrasburgo, Francia.
Las líneas principales de investigación son la química y la radioquímica y especialista en materiales para la producción de hidrógeno, celdas de combustible e ingeniería del almacenamiento de desechos radioactivos.
Actualmente cuenta con el Nivel I en el Sistema Nacional de Investigación (‘SNI)
A la fecha, pertenece a la Sociedad Mexicana de Física, Sociedad Mexicana del Hidrógeno (Miembro Fundador y Primera Presidenta), Sociedad Nuclear Mexicana (Miembro Fundador) así como miembro activo de la International Asociation For Hydrogen Energy.
o Investigador Desarrollador del proyecto
En este punto se destaca que derivado del programa de formación de recursos, bajo la tutela de la Doctora Fernández, el Doctor Evaristo Ávila Vera, recién obtuvo el grado de Doctor en Ciencias en Ingeniería Ambiental, a partir de los estudios y desarrollos de este proyecto.
Materiales activos para construcción de celdas de energía tipo MCFC
Participantes:
ININ. Desarrollará Investigación de los materiales de las celdas de energía
UNAM/CFATA. Aporta ingeniería, nuevo diseño y ejecución de pruebas
Integrated Energy Systems S.A.: Aporta tecnología base y reformadores y experiencia comercial.
· Breve descripción del Proyecto
El proyectoMateriales activos para construcción de celdas de energía tipo MCFC contempla el desarrollo de la ingeniería y del proceso de manufactura para su incorporación a la planta de generación eléctrica a través de Hidrógeno con capacidad de 25, 45 y 100 Kw
El espectro de aplicación de las celdas de energía para de celdas de energía tipo MCFC es muy grande, ya que representan una solución eficiente a las necesidades de generación y consumo energético que existe en un sinnúmero de sectores. Como es natural, se pretende explotar las aplicaciones con mayor potencial económico, y ha identificado nichos de mercado que se relaciona principalmente con el industrial-comercial medio (hoteles, los edificios de oficinas, aeropuertos, hospitales, centros comerciales, etc.).
· Resultados Esperados
El producto que se logre generar a partir del los procesos de manufactura y su incorporación al mercado son es:
o La temperatura de operación es a 650ºC para la cual existen materiales de uso industrial disponibles de forma general en el mercado.
o La eficiencia lograda es alta 40-55% en Generación Eléctrica y 40-45% en utilización de Calor para un total de 90%, con lo cual se espera que su costo de operación sea atractivo.
o El nivel de desarrollo para la aplicación comercial es el más avanzado de las tecnologías descritas, para la aplicación comercial / industrial.
· Desarrollo Científico y Tecnológico. Antecedentes y Justificación
Las celdas de Carbonato Fundido (MCFC) se encuentran en la categoría de las celdas de alta temperatura. El elevado nivel de temperatura de operación les permite utilizar en forma directa, Gas Natural, sin necesidad de emplear un sistema de reformado de gases sofisticado, y han sido también empleadas con gases con densidades energéticas bajas, de procesos industriales y otras fuentes de combustibles.
Las celdas de Carbonatos trabajan en forma distinta a los otros tipos de celdas. Estas celdas emplean como electrolito una mezcla de sales carbonatadas (carbonato de litio y carbonato de potasio o de sodio)
Para poder obtener una mezcla de la sales y alcanzar un movilidad iónica alta a través del electrolito, las MCFC trabajan a altas temperaturas del orden de los 650ºC.
Al ser calentadas a temperaturas de ese orden, las sales se mezclan y se convierten en un material conductivo para los iones de carbonatos (CO32-). Estos iones fluyen desde el cátodo hasta el ánodo donde se combinan con hidrógeno y oxígeno para generar agua, dióxido de carbono y electrones, los cuales son enviados a través de un circuito externo de regreso al cátodo, generando con ello electricidad y como subproducto, calor.
Reacción del ánodo: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Reacción del Cátodo: CO2+ 1/2O2 + 2e- => CO32-
Reacción completa de la celda: H2(g) + ½O2(g) + CO2 (cátodo) => H2O(g) + CO2 (ánodo)
- Antecedentes
México, como país en desarrollo, presenta uno de los crecimientos en demanda de energía eléctrica más altos del orbe con valores de 5.8 a 6% anual. Las estrategias energéticas actuales requieren un mejor uso de combustibles (tecnologías más eficientes). Las políticas ambientales cada vez más estrictas en todo el planeta exigen pronta solución a los problemas de contaminación y demandan niveles de emisiones cada vez más bajos. La inestabilidad de los precios del petróleo están forzando a países como el nuestro a estimular una economía menos dependiente de este energético, mientras que, a su vez, países compradores del petróleo ven en las celdas de combustible una solución a la búsqueda de independencia energética a corto y mediano plazo.
- Justificación
El Departamento de Energía de los Estados Unidos proyecta que si 10% de los autos de ese país usaran celdas de energía, se reducirían unos 800 mil barriles diarios de las importaciones de petróleo –alrededor de 13% del total que ese país importa. Así mismo, tan sólo 10% de los autos de ese país fueran movidos por celdas de combustibles, se reduciría un millón de toneladas al año de contaminantes, y 60 millones de toneladas de dióxido de serían completamente eliminados. Nuestro país tiene en urbes como la ciudad de México la mayor concentración de autos movidos por motores de combustión interna, y todo indica que la quema de combustibles como la gasolina seguirá en aumento, al igual que las concentraciones de emisiones. Aunque se está promoviendo el uso de gas natural en vehículos automotores, la próxima entrada de autos movidos por celdas de combustible podrían ir desplazando a los automóviles a gasolina, al ofrecer mejor rendimiento en el combustible por la alta eficiencia de las celdas.
Sabiendo que en 2008 México exportó cerca de 1.4 millones de barriles diariamente y considerando un precio de 90 dólares por barril, el uso de celdas de combustibles en Estados Unidos implicaría que nuestro país estaría perdiendo aproximadamente 126 millones de dólares diarios (Statistical Review of World Energy 2010).
Por otra parte también se considera como una importante justificación para llevar a cabo este proyecto La saturación de la capacidad de generación de electricidad, en específico, para el área que atiende la demanda de la ciudad de México.
· Principales Resultados / Logros
Los principales resultados que se han observado en las celdas tipo MCFC es que tener alcances de eficiencia cercanos al 80% cuando además de electricidad se recupera calor. Este valor supera ampliamente las eficiencias de otros sistemas convencionales.
Además, la energía producida es 100% limpia, ya que el único producto que se obtiene es agua o vapor de agua dependiendo de la temperatura de operación del dispositivo.
Otra de sus ventajas es que pueden conectarse en paralelo para suplir cualquier requerimiento energético. Las celdas de combustible adosadas a un procesador permiten obtener energía a partir de combustibles corrientes como alcoholes, gas natural y combustibles de origen fósil, así como también a partir de biomasa o de la fracción orgánica recuperada de residuos sólidos domiciliarios. De todas formas, el combustible mas conveniente termina siendo el hidrógeno, ya que es el que más energía entrega por unidad de masa (141 mJ/Kg). Además, el hidrógeno puede obtenerse fácilmente por electrólisis del agua. Estos equipos de electrólisis se pueden alimentar de energía eléctrica obtenida por paneles fotovoltáicos o aerogeneradores.
· Ventajas o beneficios específicos del proyecto no están disponibles en otras soluciones existentes
Las celdas de Carbonatos trabajan en forma distinta a los otros tipos
de celdas. Estas celdas emplean como electrolito una mezcla de sales
carbonatadas (carbonato de litio y carbonato de potasio o de sodio). Para poder
obtener una mezcla de la sales y alcanzar un movilidad iónica alta a través del
electrolito, las MCFC trabajan a altas temperaturas del orden de los 650ºC.
La operación a temperaturas elevadas representa ventajas y desventajas comparado con las celdas que operan a temperaturas bajas como las celdas de ácido fosfórico y las de membrana de intercambio protónico.
Otras ventajas incluyen la habilidad de usar materiales estándar en su construcción, como lo son las hojas de acero inoxidable, y evitando el uso de catalizadores de base de níkel en los electrodos.
Estas características hacen de las MCFC una solución más adecuada para aplicaciones de energía constante para distintos sectores de la industria.
· Perspectiva del proyecto propuesto
Las celdas de energía tienen muchas ventajas comparadas contra otros sistemas de Generación Distribuida. Las celdas generan electricidad y calor en altas eficiencias (mayor 90%), con una contaminación mínima, en una instalación compacta de bajo mantenimiento que puede ser relocalizada en varios tipos de localidades comerciales, industriales y residenciales.
El mercado global real se estimó que para el año 2010 el valor del mercado de las celdas de energía alrededor del mundo sería de 10 billones de dólares, tendencia que seguirá incrementándose año con año (Datos GenCell).
El desarrollo de la tecnología de las celdas de combustible en Latinoamérica sigue un camino con dos senderos: uno es investigación y desarrollo y el otro es la comercialización directa (p.ej., ventas) y la introducción de celdas de combustible como una opción de generación de energía eléctrica. Hay esfuerzos de investigación al presente, principalmente en la Argentina, Brasil, México, donde los recursos técnicos son vastos y donde existe una sólida base de conocimiento. Los científicos e ingenieros de estos países han estado trabajando sobre varios aspectos o investigaciones, como investigación básica y aplicada en electroquímica, síntesis de materiales catódicos, ensayos de celdas únicas, purificación y almacenaje de hidrógeno, etc.
· Impacto del desarrollo en el entorno económico, social o ambiental
El impacto del desarrollo es enorme, ya que hace realidad el uso inmediato de una tecnología que se ha estimado para un futuro de mediano plazo. El desarrollo de la celda de energía para combustibles múltiples representaría para los actores participantes la culminación de un gran esfuerzo en desarrollo e investigación. Así como la posibilidad de explotar las oportunidades de negocio que se han identificado y que representan beneficios significativos.
En el Sector: La incidencia en el sector también es significativa, ya que esta tecnología contribuye sustancialmente con el avance, la competitividad y la eficiencia en la generación, el consumo y aprovechamiento de recursos energéticos.
En Otros sectores: El impacto que tendrá en otros sectores se relacionará con los beneficios asociados a su empleo, entre los que destacan, menores costos de la energía.
El impacto ambiental del desarrollo se relaciona con los combustibles propuestos para la operación de la tecnología (principalmente gas natural y gas LP). Al usar estos combustibles para la generación de electricidad, se deja de usar combustibles como Carbón y Combustóleo. Reduciendo las emisiones de Dióxido de Carbono (CO2) y su efecto en el calentamiento global.
El impacto social es ser una alternativa eficiente para la generación de energía eléctrica, y para las necesidades de consumo del mercado meta. Es una tecnología que permite en forma eficiente la reducción de costos asociados a la generación y al consumo de energía eléctrica.
· Estrategia de Transferencia de tecnología y protección
La estrategia es la protección vía patente de las innovaciones de este proyecto, considerando por supuesto los derechos que conservan las partes asociadas.
En este proyecto contará con la participación de la empresa GenCell Co.,quien es una desarrolladora de celdas de combustible y celdas de combustible de alto poder estacionarias en Estados Unidos. Dicha aportación representará sin duda un mecanismo de transferencia de tecnología y asimilación para el grupo de investigación y comercialización de este
· Vigencia, etapas del proyecto y requerimientos de recursos
La duración de este proyecto está contemplada para 5 años. La primera etapa de este proyecto es la investigación de la calidad de los materiales que conformarán la base de las celdas. Posteriormente las subscuentes etapas conformarán procesos como:
Integración de Sistemas, Control y Telecomando de plantas,Utilización de insumos alternos como Etanol a partir de Biomasa,Fabricantes de Membranas,Fabricantes de Catalizadores, Manufactura de Celdas de Energía (Stacks) para venta en Mercado, Establecimiento de planta de manufactura por IESystems,Establecimiento de planta de acondicionamiento de Stacks, Entrenamiento y documentación a equipo de Investigación y Desarrollo.
Se considera que este proyecto podrá emplear de forma aproximada 20 millones de pesos.
· Trayectoria del líder de Investigador y responsable técnico.
Como se destaca previamente, en este proyecto intervienen 3 socios participantes de la AERI-H2. Cada uno interviene ya sea directa o indirectamente en cada una de las fases de éste, aportando lo más valioso que con lo que pueden contar que es su experiencia y capacidad científica, tecnológica y comercial. Este hecho sin duda aporta un gran valor agregado al proyecto.
De forma resumida se expone la trayectoria de los principales investigadores de este proyecto:
Doctora Suilma Maricela Fernández (ININ). Desarrolló su Doctorado en Ciencias Físicas en la Universidad Louis Pasteur, en Estrasburgo, Francia. Las líneas principales de investigación son la química y la radioquímica y especialista en materiales para la producción de hidrógeno, celdas de combustible e ingeniería del almacenamiento de desechos radioactivos.
Doctor Víctor Manuel Castaño. Doctorado en Ciencias (Física) en la Universidad Nacional Autónoma de México. De igual forma, cuenta con estudios de Posdoctorado en Ciencias de Materiales, en el IBM Thomas J. Watson Research Center. Se ha destacado por laborar en líneas de investigación relacionadas: nanotecnología, nuevos materiales, óptica teórica, microscopía electrónica, desarrollo de sistemas nano-métricos, entre otras temáticas.
Ing. José Manuel Flores (IESystems)
Ingeniero Electro-mecánico UNAM Especialista en Mecánica y Electricidad. Realizó estudios avanzados en Programación Lineal y Termodinámica Westinghouse, USA. Trabajo de Laboratorio en Desarrollo Teórico de Campos Magnéticos y Eléctricos. Investigación en el desarrollo de la estructura dieléctrica / transferencia de calor de Transformadores EHV
Realizó estudios de Businees Management Administración (MBA) en el Instituto Panamerica en Alta Dirección de Empresas (IPADE). Actualmente es empresario en el sector eléctrico-mecánico. Cuenta con 3 patentes concedidas.