Diseño de un sistema de control para la generación de hidrógeno por medio de una celda electrolítica con la aplicación en una estufa doméstica

En Colombia, según el DANE, el 20,6% de los hogares rurales dependen de la leña como fuente principal de combustible para cocinar. En Norte de Santander, entre 110,900 y 161,400 personas en zonas rurales enfrentan esta situación debido a la falta de opciones más limpias y seguras. La dependencia de...

Full description

Autores:
Cuellar Pérez, Yohan Gerardo
Tipo de recurso:
Trabajo de grado de pregrado
Fecha de publicación:
2024
Institución:
Universidad Francisco de Paula Santander
Repositorio:
Repositorio Digital UFPS
Idioma:
spa
OAI Identifier:
oai:repositorio.ufps.edu.co:ufps/9779
Acceso en línea:
https://repositorio.ufps.edu.co/handle/ufps/9779
Palabra clave:
Estufa Ecológica
Producción de hidrógeno
Celda electrolítica
Rights
openAccess
License
Derechos Reservados - Universidad Francisco de Paula Santander, 2024
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Para poder darle solución a esta problemática que afecta a la población de las zonas rurales, se ha planteado como objetivo principal en este trabajo de investigación, “Diseñar un sistema de generación de hidrógeno orientado al uso como combustible en estufas domésticas”. Esta iniciativa plantea utilizar al hidrógeno como combustible principal en el uso de estufas domésticas, buscando mejorar el acceso a energías limpias y fortalecer la seguridad alimentaria en estas áreas rurales.Introducción ...................................................................................................................... 18 INGENIERÍA CONCEPTUAL ........................................................................................ 22 1. Problema ................................................................................................................. 23 1.1 Titulo ................................................................................................................... 23 1.2 Planteamiento del problema ................................................................................ 23 1.3 Formulación del problema .................................................................................. 24 1.4 Justificación ......................................................................................................... 24 1.4.1 Beneficios ambientales .................................................................................. 24 1.4.2 Beneficios tecnológicos................................................................................. 25 1.4.3 Beneficios de Desarrollo Sociales ................................................................. 26 1.5 Objetivos ............................................................................................................. 27 1.5.1 Objetivo general ............................................................................................ 27 1.5.2 Objetivos específicos..................................................................................... 27 1.6 Alcances y limitaciones ....................................................................................... 27 1.6.1 Alcances ........................................................................................................ 27 1.6.2 Limitaciones .................................................................................................. 28 1.7 Delimitaciones ..................................................................................................... 28 1.7.1 Delimitación temporal. .................................................................................. 28 1.7.2 Delimitación espacial. ................................................................................... 28 2. Marco teórico .......................................................................................................... 29 2.1 Antecedentes ....................................................................................................... 29 2.1.1 Antecedentes Regionales............................................................................... 29 2.1.2 Antecedentes Nacionales............................................................................... 29 2.1.3 Antecedentes Internacionales ........................................................................ 30 2.2 Bases Teóricas ..................................................................................................... 32 2.2.1 Termodinámica.............................................................................................. 32 2.2.2 Modelos matemáticos .................................................................................... 33 2.2.3 Electroquímica .............................................................................................. 34 2.2.4 Teoría del control .......................................................................................... 34 2.2.5 Sensores y acondicionadores de señal ........................................................... 35 2.3 Bases conceptuales .............................................................................................. 36 2.3.1 Hidrógeno y tecnologías de producción ........................................................ 36 2.3.2 Electrólisis del agua ...................................................................................... 44 2.4 Desarrollo de Conceptos ..................................................................................... 46 2.4.1 Electrólisis del agua ...................................................................................... 46 2.4.2 Electrólisis alcalina ....................................................................................... 46 2.4.3 Celda electrolítica .......................................................................................... 47 2.5 Marco legal .......................................................................................................... 47 2.5.1 Ley 697 de 2001 ............................................................................................ 47 2.5.2 Ley 1715 de 2014 .......................................................................................... 47 2.5.3 Ley 1955 de 2019 .......................................................................................... 48 2.5.4 Resolución Minsalud y Ambiente 1457 de 2018 .......................................... 48 2.5.5 CONPES 3918 DE 2018 ............................................................................... 48 3. Diseño Metodológico .............................................................................................. 49 3.1 Tipo de investigación .......................................................................................... 49 3.2 Actividades y Metodología ................................................................................. 49 3.2.1 Objetivo 1. Revisar el estado actual de los métodos de producción de hidrógeno. 49 3.2.2 Objetivo 2. Generar el modelo matemático que describa el comportamiento de la celda de electrólisis alcalina. ........................................................................................ 50 3.2.3 Objetivo 3. Diseñar la celda de electrólisis alcalina para producir hidrógeno – oxígeno. 52 3.2.4 Objetivo 4. Desarrollar la estrategia de control más adecuada para el óptimo funcionamiento del sistema de producción de hidrógeno. .................................................... 52 3.2.5 Objetivo 5. Construir el prototipo de la estufa doméstica utilizando el hidrógeno como su combustible. .......................................................................................... 53 3.3 Técnica de recolección de datos .......................................................................... 54 INGENIERÍA BÁSICA ............................................................................................ 55 4. Revisión del estado actual de los métodos de producción de hidrógeno ................ 56 4.1 Tecnologías de generación de hidrógeno ............................................................ 56 4.2 Producción a partir de combustibles fósiles ........................................................ 58 4.2.1 Reformado de hidrocarburos ......................................................................... 58 En la actualidad, la ruta tecnológica predominante a escala global para la generación de hidrógeno es el reformado de hidrocarburos, principalmente metano, representando cerca del 48% de la producción total.............................................................................................. 58 4.2.2 Pirólisis de hidrocarburos .............................................................................. 61 4.2.3 Gasificación del Carbón ................................................................................ 63 4.3 Producción a partir de recursos renovables ......................................................... 63 4.3.1 División del agua ........................................................................................... 64 4.3.2 Producción con biomasa................................................................................ 67 5. Modelo matemático de una celda de electrólisis alcalina ....................................... 74 5.1 Modelo electroquímico ....................................................................................... 75 5.1.1 Sobrevoltaje Reversible................................................................................. 76 5.1.2 Sobrepotencial de activación ......................................................................... 78 5.1.3 Sobrevoltaje Óhmico ..................................................................................... 80 5.2 Modelo Térmico .................................................................................................. 82 5.3 Simulación del modelo ........................................................................................ 86 5.3.1 Simulación Modelo electroquímico .............................................................. 86 5.3.2 Simulación Modelo térmico .......................................................................... 89 6. Diseño de la celda de electrólisis alcalina............................................................... 94 6.1 Caudal de hidrógeno a partir de la potencia ........................................................ 94 6.2 Dimensionamiento de los componentes de la celda ............................................ 97 6.3 Construcción celda de electrólisis ..................................................................... 100 7. Estrategia de control ............................................................................................. 103 7.1 Identificación del sistema .................................................................................. 104 7.2 Sintonización del Controlador ........................................................................... 105 7.3 Índices de desempeño........................................................................................ 108 7.4 Implementación del control discreto ................................................................. 110 8. Desarrollo del prototipo ........................................................................................ 114 8.1 Desarrollo en SolidWorks ................................................................................. 114 8.2 Selección de la instrumentación ........................................................................ 119 8.3 Interfaz de monitoreo en LabVIEW .................................................................. 125 9. Conclusiones ......................................................................................................... 127 10. Marco Administrativo ........................................................................................... 128 10.1.1 Presupuesto global por fuente de financiación .......................................... 128 10.1.2 Gastos de Personal .................................................................................... 129 10.1.3 Materiales e insumos ................................................................................. 130 10.1.4 Equipos y software .................................................................................... 130 11. Recomendaciones ................................................................................................. 131 12. Referencias ............................................................................................................ 131 13. Anexos .................................................................................................................. 158 14. Divulgación Científica .......................................................................................... 163 14.1 Apropiamiento del conocimiento .................................................................. 163 14.1.1 Decima semana internacional de ciencia, tecnología e innovación. ......... 163 14.1.2 III Encuentro nacional e Internacional de semilleros y grupos de inv. REDITUL 163 14.2 Producto generación de nuevo conocimiento ................................................ 163 14.2.1 Revista especializada: Revista ingeniería y competitividad de la universidad del Valle. Categoría: B. ....................................................................................................... 164PregradoIngeniero(a) Electromecánico(a)164 páginas. ilustraciones, (Trabajo competo) 5.125 KBapplication/pdfspaUniversidad Francisco de Paula SantanderFacultad de IngenieríaSan José de CúcutaIngeniería ElectromecánicaDerechos Reservados - Universidad Francisco de Paula Santander, 2024https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessAtribución-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)http://purl.org/coar/access_right/c_abf2https://catalogobiblioteca.ufps.edu.co/cgi-bin/koha/opac-retrieve-file.pl?id=2462124fcaec194d673f3a0fa2e86b43Diseño de un sistema de control para la generación de hidrógeno por medio de una celda electrolítica con la aplicación en una estufa domésticaTrabajo de grado - Pregradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fTextinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesishttps://purl.org/redcol/resource_type/TPinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionhttp://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85Estufa EcológicaProducción de hidrógenoCelda electrolíticaAbdalla, A. M., Abdelrehim, O., Wei, B., Wang, X., Azad, A. K., & Dawood, M. K. (2023). Hydrogen production technologies: Conventional processes. En Hydrogen Economy (pp. 381–396). Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-99514-6.00004-2Abdin, Z., Zafaranloo, A., Rafiee, A., Mérida, W., Lipiński, W., & Khalilpour, K. R. (2020). Hydrogen as an energy vector. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 120, 109620. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.109620Abreu, J. L. (2012). Hipótesis, método & diseño de investigación (hypothesis, method & research design). International Journal of Good Conscience. http://www.spentamexico.org/v7-n2/7(2)187197.pdfAcar, C., & Dincer, I. (2014). Comparative assessment of hydrogen production methods from renewable and non-renewable sources. International Journal of Hydrogen Energy, 39(1), 1–12. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.10.060Adibi, T., Sojoudi, A., & Saha, S. C. (2022). 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