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PROYECTOS PARA LA SUSTENTABILIDAD

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“El uso de energías renovables como fuentes de energía necesita de nuevas tecnologías para construir un camino desde la generación hasta el consumo. Estas tecnologías deben ser viables en el largo plazo, seguras y eficientes para aprovechar los recursos sin soslayar el impacto ambiental de la fabricación de los equipos y su decomisionado”.

Por Dr. Sebastián D’hers
Director de Ingeniería Mecánica

El Departamento de Ingeniería Mecánica investiga y desarrolla tecnología transferible al mercado energético, lo que implica ser industrializable con un impacto ambiental controlado y económicamente viable para empresas o gobiernos. Para esto se desarrollan varios proyectos orientados al aprovechamiento de energías alternativas vinculadas con el uso de hidrógeno como vector energético por su versatilidad para ser almacenado en la cantidad deseada y transportado a los lugares de consumo.

La tendencia sobre vehículos es usar presiones del orden de 700 bar (3,5 veces la presión de los actuales tanques de GNC) para almacenar el hidrógeno y presiones mayores en las estaciones de servicio.
Para comprimir el hidrógeno a la presión de almacenamiento es necesario invertir una cantidad significativa de energía. En efecto, se debe gastar el equivalente al 12% del calor de obtenible por combustión para comprimirlo a 30 bar, el 29% para comprimirlo a 200 bar y más del 45% para llevarlo a 700 bar.

Generación por electrólisis de agua a alta presión

ITBA ha trabajado durante más de una década en electrolizadores (disociar el agua en hidrógeno y oxígeno) que operan a alta presión para obtener hidrógeno a la presión de almacenamiento. Esto reduce el consumo de energía y simplifica la instalación requerida.
El desarrollo ha llevado a la construcción de diversos prototipos, que fueron instalados en sitios como la Base Esperanza de la Antártida Argentina, la Planta Experimental de Hidrógeno en Santa Cruz, la Universidad Nacional de Córdoba y en el ámbito industrial en la Planta de EnerSystem.

Una mirada a los detalles

Elevar la presión de trabajo de los electrolizadores y su eficiencia requiere optimizar aspectos críticos tales como celda donde ocurre la electrólisis. Para lograr esto, en colaboración con el “Institute of Nuclear and Energy Technologies” de Karlsruhe en Alemania, se desarrolló un electrolizador óptico que permite observar la formación de burbujas en el electrodo a presiones de hasta 450 bar. Este equipo fue desarrollado y fabricado en el ITBA y trasladado a Alemania. Constituye la primera exportación desde el ITBA de un equipo de laboratorio de alta tecnología llave en mano.

Una mirada general

Las energías renovables tienen la particularidad de ser no despachables (por ejemplo, es necesario alimentar una ciudad durante la noche pero se dispone de energía solar durante el día). Esto requiere almacenar energía que en nuestro caso se hace en forma de hidrógeno y los electrolizadores son los encargados de generarlo de acuerdo a la oferta de energía disponible. Para coordinar estas acciones son necesarios sistemas que integren la producción y el posterior aprovechamiento de la energía. Esto hoy se investiga en colaboración con el “Institut de Robòtica i Informàtica Industrial” de la Universidad Politécnica de Catalunya y Centro de Sistemas y Control del ITBA.

Almacenamiento

Para completar cualquier sistema es necesario almacenar hidrógeno entre su generación y su consumo. Esto debe hacerse de manera segura tanto para ser utilizado en vehículos como en instalaciones fijas. Para esto se han desarrollado bobinados de tubos para presiones superiores a los 500 bar. El resultado es más liviano, seguro y barato que los tanques de acero usados para el almacenamiento de hidrógeno a alta presión. La tecnología fue aceptada para competir en una convocatoria del Department of Energy de Estados Unidos.

El hidrógeno como reemplazo de combustibles fósiles

La generación de potencia a partir de fuentes renovables de energía o de combustibles alternativos de menor impacto ambiental (gas natural, el gas de síntesis, el biogás y el hidrógeno) es un tema de fuerte interés dentro de la comunidad científica. El uso de motores de combustión interna eficientes y confiables que queman combustibles de composición variable permite reducir el costo de generación y su adecuada regulación disminuye el efecto invernadero (41% de los gases provienen de la generación de energía y un 23% del sector transporte).
El hidrógeno como combustible resulta en una tecnología limpia, con vapor de agua como único producto, aunque existen desafíos debido a la temperatura de combustión (mayor a la de combustibles convencionales) que conlleva inconvenientes en el proceso. En este sentido se han propuesto estrategias para mejorar el proceso, como la operación con exceso de aire, donde aún hay mucho por hacer. El ITBA ha desarrollado un banco para ensayo de motores, instrumentado y modificado para investigar y desarrollar modelos predictivos de combustión para el diseño de motores a hidrógeno más eficientes y con emisiones nulas.

Autobús hibrido impulsado con hidrógeno

El transporte público es un grave problema en las mega-ciudades debido a la contaminación ambiental y sonora y la emisión de gases de efecto invernadero. Como una solución a esto se trabaja en transformar una plataforma diesel Mercedes Benz en una plataforma de propulsión híbrida que combine un motor de combustión interna alimentado con hidrógeno con un sistema de generación, almacenamiento y motorización eléctrica capaz de movilizar el vehículo aún con el motor hidrógeno apagado. El motor térmico alimentado con hidrógeno funciona en el régimen de máxima eficiencia y carga baterías con mínimo consumo de combustible. El motor eléctrico alimentado por las baterías, tiene mayor potencia que el térmico por lo que es usado en arranque, aceleración, subida, etc. Parte de la energía eléctrica se recobra mediante frenos regenerativos que recuperan energía en el frenado o el descenso de pendientes.
La combinación del motor térmico operando en su punto de máxima eficiencia y la recuperación de energía determinan que el autobús híbrido sea óptimo para uso urbano con una eficiencia muy superior a la de los vehículos convencionales.
El motor térmico a hidrógeno y operado con mezclas pobres de aire y combustible, no produce emisiones contaminantes de ningún tipo, se anulan las emisiones de monóxido de carbono y dióxido de carbono y material particulado (hollín). Esta combinación de tecnologías logra un estándar no alcanzable por un autobús convencional.


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