El hidrógeno juega un papel primordial como vector energético, tanto por su factibilidad técnica, como por su relación con las energías renovables
El Plan Nacional de Desarrollo 2013-2018 en el sector energético establece que el uso y suministro de energía son esenciales para las actividades productivas de la sociedad. Su escasez derivaría en un obstáculo para el desarrollo de cualquier economía. Se reconoce la disminución de las reservas petroleras en México a partir del 2008 y se indica que la capacidad del Estado Mexicano para detonar nuevos proyectos de inversión en campos no convencionales, como los de aguas profundas y los de lutita (shale, por su nombre en inglés), ha sido limitada, aunado a los problemas.
En este contexto, las tecnologías de generación que utilicen fuentes renovables de energía deberán contribuir para enfrentar los retos en la diversificación y seguridad energética. En México se tienen muchos recursos energéticos renovables y claras oportunidades para aprovecharlos, los avances han sido lentos, por lo que se requiere potenciar las inversiones y propuesta de proyectos que utilicen energías alternas. Ante este escenario, el hidrógeno juega un papel importante como vector energético, tanto por su factibilidad técnica, como por su relación con las energías renovables. La implementación de las tecnologías del hidrógeno puede ayudar a fortalecer el sistema energético en México, en una primera etapa utilizando como puente a los hidrocarburos y promoviendo así la disminución de su consumo, en etapas a mediano plazo se podría sustituir algunos servicios como el de iluminación utilizando exclusivamente energías renovables y tecnologías del hidrógeno. En el Instituto Politécnico Nacional (IPN) se están desarrollando distintos proyectos que utilizan las tecnologías del hidrógeno integradas a fuentes renovables de energía.
Sistema solar-hidrógeno para un sistema de iluminación
Uno de los trabajos que se está desarrollando en el IPN es un prototipo híbrido, figura 1, que está integrado por un sistema de 6 módulos fotovoltaicos (MF), la energía generada es 2.488 kWh día-1. Estos MF están conectados a un electrolizador de membrana de intercambio protónico (tipo PEM por sus siglas en inglés), el cual se utiliza para producir de 50 a 300 cm3 min-1 de hidrógeno a 15 psi, cuenta con un regulador de presión y un juego de válvulas para interconectarlo con el sistema de almacenamiento. El sistema de almacenamiento opera a temperatura y presión ambiente, tiene una capacidad de 15 LtO2 (oxígeno) y 30 LtH2 (hidrógeno). La celda de combustible diseñada en el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional (CINVESTAV) tiene platos con campos de flujo verticales de grafito de bajas porosidades, está conformada por 20 celdas individuales, en una configuración en serie con colectores de corriente de latón, figura 2. El potencial a circuito abierto es de 18 V y la densidad de potencia máxima medida, Wmax, fue de 150 W (14 A y 10,5 V), figura 3. La celda de combustible funciona a condiciones óptimas de 50W (4 A y 12,5 V) cuando las lámparas están trabajando. Se regula el flujo de gases a la celda por medio de unas bombas peristálticas a 800 cm3 min-1, para el uso óptimo de gases se tiene un sistema de recirculación a la salida de la celda de combustible. Las lámparas LED fueron diseñadas en conjunto con la celda de combustible, y consta de dos lámparas conectadas en paralelo, cada una demanda 25 W (2 A y 12.5 V), figura 4. La capacidad de almacenamiento de hidrógeno es suficiente para tener 1 hora de autonomía de las lámparas. En este proyecto se demuestra cómo un prototipo, desarrollado por un grupo multidisciplinario, constituido por módulos fotovoltaicos-electrolizador-celda de combustible puede satisfacer la demanda de energía eléctrica de dispositivos de baja potencia, como las lámparas de LEDs. La tecnología solar-hidrógeno tendrá en un futuro cercano un impacto en el suministro global de energía, figura 5.
Vivienda sustentable solar-hidrógeno para un México limpio
Otro de los proyectos desarrollados en el IPN es el de la vivienda sustentable (www.viviendasustentable.com.mx), esto con el fin de aprovechar los recursos naturales y la conservación del medio ambiente en favor de las generaciones futuras. Se dimensionó y adquirió una casa móvil, donde se integraron dos sistemas fotovoltaicos, el primero es de 1 kW solar que se interconecta a un inverso para generar corriente alterna y alimentar los electrodomésticos básicos utilizados por los habitantes del Distrito Federal, siendo éstos un televisor, DVD, refrigerador, computadora e iluminación, proporcionando 2.5 días de autonomía con un consumo promedio diario de 3.3 kWh/día. El otro sistema fotovoltaico es de 600 W y genera corriente directa, la cual se utilizará para un sistema de iluminación con LEDs y un refrigerador solar. La electrónica de potencia es controlada por un PLC, el cual es un sistema que regula y distribuye la energía generada por los distintos dispositivos, figura 6. La vivienda también tiene integrado un sistema de recuperación de agua de lluvia en conjunto a un calentador solar, ya que son ecotécnias fundamentales para complementar el concepto de sustentabilidad. Al sistema solar fotovoltaico se integró un sistema de tecnologías del hidrógeno, el cual utiliza la energía excedente del sistema solar de 1 kW para alimentar a un electrolizador y generar hidrógeno, éste se almacena en dos tanques de hidruros metálicos, para que cuando se requiera sea alimentado a unas celdas de combustible de 500 W que alimentan un sistema de iluminación de la vivienda y se utiliza también como sistema de respaldo, figura 7.
El paso a la economía del hidrógeno a partir de agua puede poner fin a la dependencia del mundo respecto al petróleo y contribuir a rebajar la tensión del peligroso juego geopolítico que practican actualmente los militantes musulmanes con los poderes occidentales. Es importante independizar al mundo de la economía energética de los combustibles fósiles para limitar las emisiones de CO2 y mitigar así los efectos del calentamiento global sobre la ya castigada biosfera de la tierra. La creación de redes energéticas locales y sustentables hará posible el establecimiento de asentamientos humanos más dispersos y más sostenibles en relación con los recursos medioambientales y regionales existentes. Estos proyectos han recibido apoyo del IPN, del Conacyt y de la SECITI.
