12.-Hidrógeno Del Mar

7/25/2019 12.-Hidrgeno Del Mar

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Snchez-Dirzo, Rafael; Silva-Casarn, Rodolfo; Mendoza-Baldwin, Edgar G.; Gonzlez-Huerta, Rosa de Gpe.HIDRGENO DEL MAR

Tip Revista Especializada en Ciencias Qumico-Biolgicas, vol. 15, nm. 1, 2012, pp. 49-61

Universidad Nacional Autnoma de Mxico

Mexico, Mxico

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Tip Revista Especializada en Ciencias Qumico-

Biolgicas,

ISSN (Versin impresa): 1405-888X

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Universidad Nacional Autnoma de Mxico

Mxico

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Snchez-Dirzo, R. et al.: Hidrgeno del mar 49junio, 2012

D.R. TIP Revista Especializada en Ciencias Qumico-Biolgicas, 15(1):49-61, 2012

HHHHHIDRGENOIDRGENOIDRGENOIDRGENOIDRGENO DELDELDELDELDEL MARMARMARMARMAR

11111*Rafael Snchez-Dirzo,Rafael Snchez-Dirzo,Rafael Snchez-Dirzo,Rafael Snchez-Dirzo,Rafael Snchez-Dirzo, 22222Rodolfo Silva-Casarn,Rodolfo Silva-Casarn,Rodolfo Silva-Casarn,Rodolfo Silva-Casarn,Rodolfo Silva-Casarn, 33333Edgar G.Edgar G.Edgar G.Edgar G.Edgar G.Mendoza-Baldwin yMendoza-Baldwin yMendoza-Baldwin yMendoza-Baldwin yMendoza-Baldwin y 44444Rosa de Gpe. Gonzlez-HuertaRosa de Gpe. Gonzlez-HuertaRosa de Gpe. Gonzlez-HuertaRosa de Gpe. Gonzlez-HuertaRosa de Gpe. Gonzlez-Huerta

1Facultad de Estudios Superiores Zaragoza, CampusII, UNAM. Batalla del 5 de mayo s/nesq. Fuerte de Loreto, Col. Ejrcito de Oriente, C.P. 09230, Deleg. Iztapalapa, Mxico, D.F.

2,3Instituto de Ingeniera, UNAM. Ciudad Universitaria, Mxico, D.F. 4ESIQIE-IPN, UnidadZacatenco. Mxico, D.F. E-mail: [email protected],[email protected],

[email protected], [email protected]

Nota: Artculo recibido el 28 de enero de 2012 y aceptado el 18 de juniode 2012.

ARTCULO DE REVISIN

RRRRRESUMENESUMENESUMENESUMENESUMENEl hidrgeno es un combustible capaz de sustituir a los hidrocarburos y al uranio para obtener, particularmente,

energa elctrica. Adems de ser sustentable, el hidrgeno tiene la ventaja fundamental de ser reciclable. Elproceso para su obtencin ms simple y que se conoce desde hace ms de doscientos aos se llama electrlisisdel agua, esta tcnica enfrenta el problema que su operacin industrial mediante electricidad generada porsistemas fotovoltaicos, elicos y ocano-motrices, no est totalmente resuelta. Si bien los avances de lastecnologas solares y elicas estn bien documentados, las tecnologas ocano-motrices empiezan a despuntaren sus fundamentos, conceptos y prototipos: en los recursos energticos de los mares, islas y costas, se encuentranmuchas de las soluciones al actual dilema de la energa de nuestra civilizacin. Mxico, en especial, con docemil kilmetros de costas, ms de mil islas y abundantes recursos solares y elicos, debe incluir a sus mares ensus proyectos de desarrollo energtico. Este trabajo revisa propuestas de ingeniera que permitiran hibridar encostas a las fuentes de energa renovable y sintetiza soluciones planteadas de manera dispersa en la bibliografainternacional al problema fundamental de las energas alternas: su almacenamiento masivo, el cual podrahacerse en forma de hidrgeno.Palabras Clave:Desarrollo sustentable, energa marina, hidrgeno.

AAAAABSTRACTBSTRACTBSTRACTBSTRACTBSTRACTHydrogen is one fuel source able to substitute energy supplied by hydrocarbons and uranium and is particularlysuitable for the generation of electricity. Besides being sustainable, hydrogen has also the fundamentaladvantage of being recyclable. The electrolysis process, the simplest process for hydrogen production, has beenwell known for more than two hundred years, but up to date the problem of using electricity generated fromphotovoltaic systems, from the wind or from ocean energy, on an industrial scale,has not been fully solved. Whiledevelopments in wind and solar energy generation have been well documented in recent years, investigationinto producing energy from the sea is just beginning. Mexico has more than twelve thousand kilometers ofcoastline and more than a thousand islands and should therefore look towards the sea in its search for developingsources of sustainable energy. This work reviews engineering projects which could hybridize renewable energysources from the seas and evaluates the range of solutions offered internationally. While looking at the basicissue of renewable energy, it focuses on the fundamental problem of the storage of hydrogen for electricitygeneration.

Key Words:Sustainability development, ocean energy, hydrogen.


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TIP Rev.Esp.Cienc.Qum.Biol.50 Vol. 15, No. 1

a inclusin histrica de los mares en el desarrollosustentable de nuestra nacin es un asunto aninsuficiente e insatisfactorio por parte de nuestrasociedad y sus gobiernos1. El impacto de los mares en

el desarrollo humano, en la biogeoqumica del planeta, circulacin

de sales, distribucin de nutrientes, interaccin con la atmsfera2,la formacin de nubes mediante la produccin de DMS(dimetilsulfuro) por parte de algas3 y la regulacin del clima detodo el planeta4,5, se encuentra bajo investigacin permanente.

Los beneficios de los mares se han extendido a un rea que hastahace poco tiempo se consideraba excluida: la generacin a granescala de electricidad. La dinmica ocenica puede contribuir areducir la presencia de los hidrocarburos como combustiblespara la obtencin de energa elctrica. Para coordinar los esfuerzosinternacionales en hacer de los mares fuentes alternas de energa,laAgencia Internacional de Energa(IEA, siglas en ingls) haconstituido desde inicios del siglo XXI una de sus secciones ms

promisorias: la OES (Ocean Energy Systems)6.

Se estima que un alto porcentaje de la electricidad mundial puedeprovenir de los ocanos durante el transcurso del siglo, y lossistemas de ingeniera para su obtencin son ingeniosos ydiversos7, no existiendo un diseo que sobresalga, pero es deinters en este trabajo mostrar que esos sistemas pueden serhibridados con el resto de las energas renovables, proponiendosimultneamente mecanismos para su almacenamiento qumicoen forma de hidrgeno.

FFFFFLUJOSLUJOSLUJOSLUJOSLUJOS DEDEDEDEDE ENERGAENERGAENERGAENERGAENERGA DE LDE LDE LDE LDE L MA RMA RMA RMA RMA R YYYYY SISTEMASSISTEMASSISTEMASSISTEMASSISTEMAS DEDEDEDEDEINGENIERAINGENIERAINGENIERAINGENIERAINGENIERA QUEQUEQUEQUEQUE LOSLOSLOSLOSLOS TRANSFORMANTRANSFORMANTRANSFORMANTRANSFORMANTRANSFORMAN ENENENENEN ELECTRICIDADELECTRICIDADELECTRICIDADELECTRICIDADELECTRICIDADSon cinco los flujos de energa de los ocanos de inters paragenerar electricidad: mareas, corrientes marinas, oscilacionesdel nivel del mar, gradientes de temperaturas y gradientessalinos.

EEEEENERGANERGANERGANERGANERGA DEDEDEDEDE MAREASMAREASMAREASMAREASMAREAS YYYYY CORRIENTESCORRIENTESCORRIENTESCORRIENTESCORRIENTES MARINASMARINASMARINASMARINASMARINASLa energa de mareas puede aprovecharse debido a una diferenciade alturas del nivel del mar (similar al funcionamiento de unahidroelctrica) y las corrientes generadas por el movimiento delos ocanos tambin son una reserva de energa a la espera deuna razonable explotacin. Con el ascenso y descenso de lasmareas las centrales maremotrices utilizan estas diferencias enlos niveles de agua y explotan tambin las corrientes de agua

que se logran en ambas direcciones en los tiempos en que lasmareas cumplen su ciclo. La diferencia de altura h da lugaral cambio de la energa potencial E

p=gh, donde (g) y ()

son la aceleracin de la gravedad y la densidad del aguarespectivamente. La velocidad () del flujo y el reaperpendicular del mismo (A) de las corrientes de agua dalugar a la potencia hidrodinmica P = 3. Las centrales deenerga de este tipo captan y convierten ambos fenmenos enelectricidad.

Los gradientes de altura y la velocidad de flujo de las mareasastronmicas son provocados por la fuerza gravitacional de laluna y el sol. En funcin de la carrera de marea (diferencia en elplano vertical entre la bajamar y pleamar), existen localizados enel planeta diversos lugares para construir centrales maremotrices.

La ms clebre y antigua central maremotriz se encuentra en elestuario de Rance, Francia, con una capacidad de 240 MW8,9yopera desde hace ms de 40 aos. En Mxico se tiene localizadauna regin promisoria en el alto Golfo de California10,11, cuyopotencial energtico ha sido evaluado en 26 GW y una potencialproduccin de 23,000 GWh/ao, que es similar a la produccinde electricidad de todas las hidroelctricas del pas12, sin embargo,el reto ambiental es muy importante por la riqueza natural queexiste en esta zona.

Tambin hay otro tipo de corrientes aunque de naturalezadiferente a las provocadas por las mareas y se les conoce comocorrientes ocenicas y son de escala planetaria. Estas corrientes

recorren tanto la superficie del mar como sus profundidades yson generadas por la conveccin del agua debida a la radiacinsolar y los gradientes salinos. En virtud que las variacionestrmicas de largo periodo de estas corrientes estn siendoutilizadas para estimar el cambio climtico del planeta, actualmentese encuentran sujetas a muy diversas investigaciones13-18.

El potencial energtico de las corrientes, tanto las provocadaspor las mareas como las ocenicas, es elevado y diversossistemas de ingeniera se han puesto a prueba para su explotacin,por ejemplo los propuestos porMarine Currents Turbines19

(ver Figura 1), entre otras empresas dedicadas al diseo yconstruccin de turbinas marinas6. En Mxico se tienen estudios

sobre la corriente del canal de Yucatn20, Baja California y elPacfico.

EEEEENERGANERGANERGANERGANERGA DEDEDEDEDE OLASOLASOLASOLASOLASEl oleaje resulta de la accin del viento sobre la superficie delagua y, pese a su familiar imagen, es de una extraordinariacomplejidad21. En el caso de Mxico22, la energa concentrada

promedio en una ola se encuentra entre los 20-30 kW/m. Eldesafo tcnico de transformar esta inmensa energa disponibleen electricidad ha tenido una respuesta positiva, como puedeconstatarse en las decenas de dispositivos concebidos yconstruidos6.

BBBBBUFADORAUFADORAUFADORAUFADORAUFADORAEl oleaje en las costas tambin causa uno de los efectos msatractivos del mar conocidos como geiseres o bufadoras.stos se presentan cuando el oleaje se propaga sobre cavernassubmarinas fracturadas natural o artificialmente, siendo suscanales los distribuidores de chorros de aire y agua que salendisparados varios metros sobre el nivel del mar. El ms espectacularen Mxico se halla en Ensenada, Baja California23,24(Figura 2).La bufadora ha inspirado el diseo de un dispositivo que la

LLLLLIIIIINTRODUCCINNTRODUCCINNTRODUCCINNTRODUCCINNTRODUCCIN


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Figura 1. Turbinas marinasFigura 1. Turbinas marinasFigura 1. Turbinas marinasFigura 1. Turbinas marinasFigura 1. Turbinas marinas1919191919 . Transforman las corrientes superficiales del mar en electricidad.. Transforman las corrientes superficiales del mar en electricidad.. Transforman las corrientes superficiales del mar en electricidad.. Transforman las corrientes superficiales del mar en electricidad.. Transforman las corrientes superficiales del mar en electricidad.

Figura 2. La bufadora, Ensenada, Baja California, y el blowjet probndose en el canal de olas del Instituto de IngenieraFigura 2. La bufadora, Ensenada, Baja California, y el blowjet probndose en el canal de olas del Instituto de IngenieraFigura 2. La bufadora, Ensenada, Baja California, y el blowjet probndose en el canal de olas del Instituto de IngenieraFigura 2. La bufadora, Ensenada, Baja California, y el blowjet probndose en el canal de olas del Instituto de IngenieraFigura 2. La bufadora, Ensenada, Baja California, y el blowjet probndose en el canal de olas del Instituto de Ingenierade la UNAM.de la UNAM.de la UNAM.de la UNAM.de la UNAM.


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reproduce y que se encuentra en proceso de desarrollo paragenerar electricidad y almacenarla en forma de hidrgeno: elblowjet25-28.

La bufadora es una pequea muestra del poder de las olas. En eltranscurso de la historia humana, ese poder se ha manifestado

de manera destructiva, ya sea en forma de tsunamis, huracanesy/o tormentas. Estas adversidades han obligado a que la ingenierade la proteccin portuaria haya nacido hace miles de aoslevantando una de las ms importantes infraestructuras deproteccin y smbolo de nuestra civilizacin: los rompeolas29.

OOOOOBRASBRASBRASBRASBRAS DEDEDEDEDE ABRIGOABRIGOABRIGOABRIGOABRIGO YYYYY PROTECCINPROTECCINPROTECCINPROTECCINPROTECCIN COSTERACOSTERACOSTERACOSTERACOSTERALa proteccin de la infraestructura costera, muelles, casas,edificios, playas y el intercambio de personas y mercancas enlos puertos ha estado concebida mediante el diseo yconstruccin, entre los ms comunes, de diques marinos yrompeolas, reflejantes y mixtos30. La concepcin general para suconstruccin en forma de sistemas de escolleras, obra de los

fenicios, sigue siendo la propuesta que predomina hasta nuestrosdas con algunas importantes innovaciones. El concepto quesubyace en los diques protectores marinos es disipar la energadel oleaje con el fin de conservar un rea de playa lo ms serenaposible para el intercambio de personas y mercancas sobre elpuerto. Este concepto se encuentra en proceso de cambioconcibiendo a las obras de proteccin costera como estructurasmultipropsito que puedan servir tambin como centrales deenerga de olas adaptando precisamente el perfil del blowjet aldique 25-28,31. La interaccin ola-dique, ver Figura 3, es uno de losfenmenos ms espectaculares y estudiados por la ciencia y laingeniera30,32,33.

GGGGGRADIENTESRADIENTESRADIENTESRADIENTESRADIENTES TRMICOSTRMICOSTRMICOSTRMICOSTRMICOSLa diferencia de temperaturas existentes entre la superficie y elfondo marino es suficiente para operar un ciclo termodinmicocon el fin de obtener energa elctrica. Al dispositivo marino

capaz de transformar ese pequeo gradiente trmico marino enelectricidad se le conoce como Ocean Thermal EnergyConversion(OTEC)34,35.

La ingeniera subyacente en los sistemas OTEC se describe enla Figura 4.

El agua de la superficie marina a mayor temperatura (1) pasa porun evaporador (2) cuya presin se reduce a 0.03 atmsferas. Estoprovoca que el agua hierva a 25C, que es la temperaturapromedio de la superficie del mar. El vapor generado a bajaspresiones mueve un turbogenerador (3). Realizado su trabajo, elvapor pasa al condensador (4) donde circula el agua del marprofundo a menor temperatura (5). Esta propuesta adems degenerar electricidad puede suministrar agua dulce y salmuerasmarinas6.

GGGGGRADIENTESRADIENTESRADIENTESRADIENTESRADIENTES SALINOSSALINOSSALINOSSALINOSSALINOSLa experiencia de diluir sustancias como la sal de cocina o el

azcar en agua es de una cotidianidad y simplicidad que es difcilconcebir de esta experiencia la obtencin de energa elctrica, sinembargo, la posibilidad existe. Por ejemplo diluir unos 35 gramosde cloruro de sodio en un litro de agua es sencillo, pero volvera separar los componentes para regresarlos a su estado originalimplica por ejemplo, transmitirle cierta cantidad de calor a lasolucin, para vaporizar el agua, que posteriormente se emitira los alrededores para condensarse separando mecnicamentea la sal. ste es el proceso convencional usado y el calortransmitido para vaporizar el agua puede provenir de quemarhidrocarburos o directamente del sol. Existe otro proceso quehace uso de membranas semipermeables que slo permiten elpaso de las molculas de agua impidindole el paso a los iones

salinos. ste es el proceso clsico usado por la naturaleza y queel hombre a ltimas fechas est dominando, sin llegar a laperfeccin del rin o las branquias, aunque su estado dedesarrollo tcnico es tal, que es aprovechado para desalar el agua

Figura 3. Interaccin ola-dique en mar abierto y su estudio en el laboratorioFigura 3. Interaccin ola-dique en mar abierto y su estudio en el laboratorioFigura 3. Interaccin ola-dique en mar abierto y su estudio en el laboratorioFigura 3. Interaccin ola-dique en mar abierto y su estudio en el laboratorioFigura 3. Interaccin ola-dique en mar abierto y su estudio en el laboratorio 3232323232 .....


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del mar y se piensa seriamente en el mismo para obtener parte de

la electricidad que se consumir en el futuro, este proceso se leconoce como smosis. Tericamente la smosis permitira elevarel agua hasta una altura de 248 metros, una altura nada despreciabledesde el punto de vista energtico36,37. La presin de esa alturahidrosttica se llama Presin Osmtica y es el principio con el quela empresa Starkraft38(ver Figura 5) dise y construy el primerprototipo de central osmo-motriz de 10 kW de potencia inauguradoen Noruega en el ao de 2009.

EEEEELLLLL DILEMADILEMADILEMADILEMADILEMA DEDEDEDEDE LALALALALA ENERGAENERGAENERGAENERGAENERGA ::::: ALTERNATIVASALTERNATIVASALTERNATIVASALTERNATIVASALTERNATIVAS DEDEDEDEDESOLUCINSOLUCINSOLUCINSOLUCINSOLUCINPese a todos estos avances en el desarrollo de las energasrenovables, en especial las que provienen del mar, todas juntas

son fuentes minoritarias para satisfacer nuestros requerimientos

de energa39, en particular de energa elctrica. El petrleo, gasnatural, carbn, uranio y lea siguen predominando como lasfuentes primarias, de las cuales se extraen las caloras para lacoccin de alimentos, calentar agua, iluminar espacios, obtenerelectricidad y moverse por mar, cielo y tierra a travs de barcos,aviones y autos. El confort de la humanidad se sostiene con lacombustin de miles de millones de toneladas de hidrocarburosal ao y todava la mayora de la poblacin mundial no accede alos bienes bsicos. No es posible an proporcionar los bienesy el confort exigido por siete mil millones de seres mediante elactual modelo energtico40,41, menos an para los diez mil millonesque se espera seamos a finales del siglo XXI42. Otra consecuenciade la quema sin precedentes de hidrocarburos es el incremento

Figura 4.Figura 4.Figura 4.Figura 4.Figura 4. Ocean Thermal Energy ConversionOcean Thermal Energy ConversionOcean Thermal Energy ConversionOcean Thermal Energy ConversionOcean Thermal Energy Conversion (OTEC).(OTEC).(OTEC).(OTEC).(OTEC).

Figura 5. Central de energa osmo-motriz, StarkraftFigura 5. Central de energa osmo-motriz, StarkraftFigura 5. Central de energa osmo-motriz, StarkraftFigura 5. Central de energa osmo-motriz, StarkraftFigura 5. Central de energa osmo-motriz, Starkraft3838383838 .....


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de la contaminacin, la destruccin de los ecosistemas y suefecto sobre el clima del planeta43. La infraestructura energticabasada en los hid rocarburos lleva ms de cien aosconstruyndose, sin embargo, es insuficiente. Disminuir lapresencia de los hidrocarburos como combustibles y aumentarsu presencia en la industria petroqumica, que es donde adquiere

su verdadera riqueza y se generan los empleos, requerir unesfuerzo concertado durante el resto del siglo XXI. Sutransformacin implica, no slo incidir en el desarrollo de lasenergas renovables, sino tambin en los modos en que seconsume la energa. En buena medida la problemtica seencuentra, no en la oferta, sino en la demanda de energa y enlos hbitos de consumo. En este sentido, se puede concebir yconstruir un futuro no para el automvil de combustin interna,sino para el ciudadano de a pie y/o en bicicleta. No para el caminde carga, sino para el ferrocarril. No para gigantescas ciudades,sino para las pequeas, recuperando y enriqueciendo losmunicipios rurales, transformndolos en ciudadesbicicleteras44,45 y conectndolas con redes ferrocarrileras. No

para el derroche, sino para el ahorro y la eficiencia energtica entodos los procesos productivos. Entonces pasar de unainfraestructura energtica centralizada y sucia basada en laquema del petrleo, hacia otra infraestructura descentralizaday no tan contaminante basada en las fuentes de energarenovables, requerir de una infraestructura de transicin.Actualmente, ya existe el planteamiento para la creacin de estainfraestructura y se les denomina CentralesdePotencia HbridasCosteras(CPHC). LasCentralesdePotencia Hbridas Costeraspueden aprovechar de manera organizada los recursos solares,elicos y ocano-motrices, que conjunta y de manera naturalexisten en nuestros miles de kilmetros de costas, para queseleccionando algunas zonas que renan las caractersticas de

mayor potencia energtica, menor impacto ambiental y mayor

infraestructura fsica disponible, se inicie el diseo, construcciny operacin de estas Centrales, primero, disponiendo delconocimiento universal que existe para las tecnologas madurasy comerciales y segundo, ser un espacio para la investigacincientfica y tecnolgica de aqullas que requieren mayordesarrollo. La comparacin de ambos sistemas para el caso de

la generacin de electricidad se muestra en la Figura 6.

La mayor parte de la electricidad en el mundo se genera a travsde un proceso conocido como cicloRankine. Este ciclo consisteen el cambio de la fase lquida del agua a vapor dentro de unacaldera (1) (ver Figura 6). El vapor es proyectado sobre unturbogenerador (2)(3) que produce la corriente elctrica. El vaporexhausto se condensa (4) y ya lquido se bombea (5) de nuevacuenta a la caldera (1) y el ciclo vuelve a iniciarse. El problemaactual es que la generacin de vapor se realiza quemandohidrocarburos o fisionando el uranio: ambos producencontaminacin. Los procesos para su obtencin son abiertos yla emisin de sus contaminantes inevitables (ver Figura 6 lado

izquierdo). Por el contrario, el ciclo fisicoqumico del agua en sumodelo clsico de la forma H

2OH

2+ O

2, permite concebir

un ciclo del combustible cerrado y sin emisiones como sedescribe en el esquema del lado derecho de la figura 6, donde elagua es descompuesta en sus elementos O

2 e H

2 utilizando

energa proveniente de fuentes renovables en sistemas hbridos.Otra alternativa, adaptada a este ltimo modelo, es el uso de lasceldas de combustible, un dispositivo conocido desde el sigloXIX47, aplicado inicialmente en la industria aeroespacial y con el

potencial para hacer realidad que todo consumidor de electricidadse transforme en productor40,48. Es posible concebir que en cadacasa, barrio y colonia, sea construida una pequea central deenerga y que pueda compartir la energa generada como

actualmente se comparte la informacin a travs de Internet, lo

Figura 6. Comparacin entre la generacin de electricidad quemando hidrocarburos y la generada con aguaFigura 6. Comparacin entre la generacin de electricidad quemando hidrocarburos y la generada con aguaFigura 6. Comparacin entre la generacin de electricidad quemando hidrocarburos y la generada con aguaFigura 6. Comparacin entre la generacin de electricidad quemando hidrocarburos y la generada con aguaFigura 6. Comparacin entre la generacin de electricidad quemando hidrocarburos y la generada con agua 4646464646 .....


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que constituye una meta de red energtica, slo posible pormedio del ciclo fisicoqumico del agua. Alcanzar esa meta sertarea de todos durante el siglo XXI, siempre y cuando se tomenhoy las decisiones polticas y educativas que la hagan posible.Entre las primeras, dos son trascendentes: 1. Difusin en lasociedad, en el sentido que sus necesidades energticas pueden

ser satisfechas en costo y calidad por medio de las energasalternas, y 2. Es crucial la participacin de las comunidades paraorientar a sus representantes polticos a elaborar iniciativas deley que fomenten su uso49. Entre las educativas, la actualizacinde planes de estudio, el desarrollo de tecnologas propias y laadaptacin de sistemas desarrollados en otras latitudes, seconsidera imprescindible50.

PPPPPRODUCCINRODUCCINRODUCCINRODUCCINRODUCCIN INDUSTRIALINDUSTRIALINDUSTRIALINDUSTRIALINDUSTRIAL DEDEDEDEDE HIDRGENOHIDRGENOHIDRGENOHIDRGENOHIDRGENO SOLARSOLARSOLARSOLARSOLARPara alcanzar el desarrollo sustentable de nuestra civilizacin serequiere que todas, o al menos las mercancas en circulacin quems se consumen, tengan la capacidad de ser recicladas, enparticular los combustibles. De ciclos vitales est estructurada

la naturaleza51y la respuesta bsica a por qu la actividad humanatiene tan contaminado el planeta es porque sus procesos deproduccin de bienes y servicios son lineales, sobresaliendosus procesos energticos; miles de millones de toneladas depetrleo, gas natural, carbn, uranio y madera son quemados alao durante procesos abiertos, principales causantes deldeterioro ambiental, emitiendo al ambiente sustancias que lanaturaleza simplemente es incapaz de asimilar52. De acuerdo contoda la informacin disponible, esto no se puede seguirsosteniendo y una alternativa viable, como se observa en el ladoderecho de la Figura 6, puede darse concibiendo los cicloscerrados para los sistemas energticos, especficamenteconsiderando algunos combustibles alternos como es el

hidrgeno, con el fin de generar electricidad53,54. El hidrgeno esel nico combustible con la capacidad de reciclarse como lo exigeel requisito fundamental de la sustentabilidad, pero existe unproblema: el 96% de lo 65 millones de toneladas al ao dehidrgeno (equivalente a 8 EJ, comparar con el suministro totalde energa primaria mundial que asciende a los 450 EJ) se obtienede la reformacin del metano, petrleo y gasificacin del carbnen las refineras39. En otras palabras, actualmente se obtienehidrgeno a partir de la quema de hidrocarburos, lo cual es unaparadoja insostenible.

Entre el modelo centralizado de energa, controlado por unascuantas empresas y naciones55,56construido a lo largo de todo

el siglo XX y el modelo descentralizado deseado y posible aconstruir durante el siglo XXI (donde todo consumidor es a suvez productor), median diversas alternativas e incertidumbresque no es posible ignorarlas. Si bien la produccin a baja escalade hidrgeno no presenta mayor dificultad, la carencia detecnologas para su produccin masiva usando la electricidadproveniente de fuentes renovables representa su taln de Aquilescomo alternativa real frente al petrleo57,58. Para dar solucin aeste problema central de las energas renovables no existen

consensos. Una alternativa es planteada en el resto de estetrabajo y consiste en la hibridacin de las energas fotovoltaicas,elicas y ocano-motrices en las zonas donde ms abundan: lascostas. El papel de vector energtico que puede jugar elhidrgeno en el transcurso del siglo XXI, hace necesario que elproceso de su produccin conocido como electrlisis empiece

a buscar las llamadas economas de escala.

El desafo para la obtencin masiva de hidrgeno electrolticoes imponente, sin embargo, se encuentra al alcance de laingeniera contempornea. Un Diagrama de Ingeniera quemuestra la complejidad del proceso de electrlisis se muestra enla Figura 7. La electrlisis es una tecnologa madura y comercialpero, como ya se dijo, se enfrenta al difcil problema de alimentarsede electricidad que no provenga de la quema de los hidrocarburossino de la generada por las energas renovables: sol, vientos ymares. La Figura 8 ilustra el concepto, muestra el funcionamientode una celda de electrlisis, una celda de combustible yproporciona una imagen de un dispositivo a escala de laboratorio

que integra ambas celdas59-61. La Figura 9 extiende el conceptoa un Diagrama de Bloques ms completo. En este sentido eldesarrollo de sistemas que acoplan paneles fotovoltaicoscon plantas de electrlisis tiene aos de investigacin ydesarrollo62-65. Lo mismo se podra decir del acoplamiento deaerogeneradores y plantas de electrlisis66,67. El acoplamientode dispositivos ocano-motrices con plantas de electrlisisapenas empieza a investigarse con prototipos de tipo flotante68

y un dispositivo en fase de investigacin en la UNAM: elblowjet25,26,27,28. Las celdas de electrlisis tienen la ventaja depoder construirse modularmente, esto es, clulas tpicas sonacopladas una a una hasta alcanzar los niveles de produccinplaneados respondiendo positivamente a la intermitencia de los

flujos elctricos provenientes de las fuentes de energarenovables69,70.

Estos avances escalados industrialmente, permiten concebirsistemas hbridos ocenicos como los mostrados en la Figura 10.Las propuestas son prometedoras pese a que reducen lahibridacin de las energas renovables en las islas, tanto naturalescomo artificiales71-73. Si bien los recursos de las islas sondiversos, trascendentes y abundantes en vientos, sol y olas, losmismos son un complemento a un recurso muy superior ycercano: las costas y la infraestructura portuaria construida enellas.

HHHHH IBRIDACINIBRIDACINIBRIDACINIBRIDACINIBRIDACIN DEDEDEDEDE LA SLA SLA SLA SLA S ENERGASENERGASENERGASENERGASENERGAS RENOVABLESRENOVABLESRENOVABLESRENOVABLESRENOVABLES ENENENENENCOSTASCOSTASCOSTASCOSTASCOSTASLa hibridacin de los sistemas fotovoltaicos, trmicos y elicoses una realidad a niveles de comercializacin y mercadoempresarial74; el diseo, la arquitectura e ingeniera en generaldisponen de una amplia gama de posibilidades de aplicacin quedan a los productos finales, sobre todo los vinculados a lavivienda, un sello de sustentabilidad al ahorrar y hacer eficienteel uso del agua y la energa, adems de elevar la calidad de vida


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Figura 7. Diagrama de tubera e instrumentacin de la electrlisisFigura 7. Diagrama de tubera e instrumentacin de la electrlisisFigura 7. Diagrama de tubera e instrumentacin de la electrlisisFigura 7. Diagrama de tubera e instrumentacin de la electrlisisFigura 7. Diagrama de tubera e instrumentacin de la electrlisis 7575757575 .....

de sus usuarios, tanto en sus espacios de convivencia como elimpacto esttico que provocan los mismos. Su aplicacin en laindustria automotriz es sobresaliente y, por su extensin, estfuera del alcance del presente trabajo, pero al menos tiene queestar referido el esfuerzo por hacer del auto un dispositivo msamable con el ambiente, aunque una duda sustentada hacedcadas sobre la viabilidad de seguir manteniendo la cultura delauto sigue vigente44.

Los avances, tanto en la ciencia del sol como en la del viento, hanhecho posible la hibridacin en los sistemas de ingenierareferidos76,77. Considerar a las energas marinas en estos procesosde hibridacin potenciara de manera exponencial la capacidadde las renovables de disminuir las emisiones de gases invernaderoen la atmsfera, abatira la quema de hidrocarburos, en particularla lea, que es el nico combustible en las zonas rurales, y sobretodo, disminuira la presencia de los hidrocarburos y el uraniocomo combustibles para la generacin de electricidad. Un manejo

integral, sustentable y bien planeado de las costas78 para lageneracin de electricidad por hibridacin de las energasrenovables que incluyera los mares, adems de la obtencin dehidrgeno y oxgeno, gases que por s mismos tienen un altovalor agregado en la industria qumica, potenciara la obtencinde agua potable por desalinizacin79,80, salmueras marinas que asu vez son productoras de materia prima para diversos bienescomo fertilizantes81, cloro, sodio y otros productos de la qumicainorgnica y catalizara el desarrollo sustentable de la acuacultura,

las redes del ferrocarril elctrico y los servicios para la industriaeco-turstica, entre otras. Un diagrama de procesos (extensindel concepto de la Figura 8) que sintetiza estos planteamientosmostrando las conversiones y equipos bsicos se muestra en laFigura 9. La idea central sigue siendo la conversin fisicoqumicade H

2OH

2+ O

2dinamizada con la hibridacin de las energas

renovables en las costas.


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Figura 8. Concepto de integracin (A) de energas renovables con sistemas integrados de celda de electrlisis (B) a celdaFigura 8. Concepto de integracin (A) de energas renovables con sistemas integrados de celda de electrlisis (B) a celdaFigura 8. Concepto de integracin (A) de energas renovables con sistemas integrados de celda de electrlisis (B) a celdaFigura 8. Concepto de integracin (A) de energas renovables con sistemas integrados de celda de electrlisis (B) a celdaFigura 8. Concepto de integracin (A) de energas renovables con sistemas integrados de celda de electrlisis (B) a celdade combustible (C) y un prototipo experimental (D)de combustible (C) y un prototipo experimental (D)de combustible (C) y un prototipo experimental (D)de combustible (C) y un prototipo experimental (D)de combustible (C) y un prototipo experimental (D) 59-61,8259-61,8259-61,8259-61,8259-61,82.....


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Figura 10. Islas de la energaFigura 10. Islas de la energaFigura 10. Islas de la energaFigura 10. Islas de la energaFigura 10. Islas de la energa 84-8584-8584-8584-8584-85.....

Figura 9. Modelo general de un nodo costero para la hibridacin de las energas renovables, su almacenamiento qumicoFigura 9. Modelo general de un nodo costero para la hibridacin de las energas renovables, su almacenamiento qumicoFigura 9. Modelo general de un nodo costero para la hibridacin de las energas renovables, su almacenamiento qumicoFigura 9. Modelo general de un nodo costero para la hibridacin de las energas renovables, su almacenamiento qumicoFigura 9. Modelo general de un nodo costero para la hibridacin de las energas renovables, su almacenamiento qumicoy sus aplicaciones para obtener potencia elctrica, potencia trmica, materias primas y agua potabley sus aplicaciones para obtener potencia elctrica, potencia trmica, materias primas y agua potabley sus aplicaciones para obtener potencia elctrica, potencia trmica, materias primas y agua potabley sus aplicaciones para obtener potencia elctrica, potencia trmica, materias primas y agua potabley sus aplicaciones para obtener potencia elctrica, potencia trmica, materias primas y agua potable 8383838383 .....


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CCCCCONCLUSIONESONCLUSIONESONCLUSIONESONCLUSIONESONCLUSIONES1. La concepcin, el diseo y la construccin de una civilizacin86,87

sostenida sobre una infraestructura energtica basada en elhidrgeno, se presenta como una tarea imponente a largo plazo,pero plausible, factible y sobre todo la nica con el sello de lasustentabilidad.

2. La produccin de hidrgeno a baja escala forma parte de lasactividades cotidianas de la actividad econmica moderna. Suvalor como vector energtico y combustible obliga a producirlomasivamente por medio de centrales de electrlisis que operencon electricidad proveniente de las energas renovables: sol,vientos y mares.

3. La electrlisis actualmente operada por sistemas fotovoltaicosy elicos a baja escala puede ser potenciada a niveles industriales(de escala) si se desarrollan tecnologas que permitan suhibridacin en las costas donde se sumaran las energas marinas.Esto traera adicionales beneficios y ventajas, ya que no slo se

obtendra hidrgeno, oxgeno y electricidad, sino que stoscatalizaran la produccin de agua potable, insumos de la industriaqumica y fomentaran los servicios del eco-turismo y lainfraestructura elctrica para la movilidad sobre redesferrocarrileras.

4. Por la naturaleza modular de la infraestructura energticabasada en el hidrgeno88, es posible concebir que los nodoscentrales de un proyecto de ingeniera a largo plazo (transcursodel siglo XXI) fueran las costas, impulsando el desarrollo del pashacia la descentralizacin en direccin a las mismas. Esto permiteaprovechar la infraestructura de carreteras, vas frreas,telecomunicaciones y, en general, la de tipo industrial, ya existente,

planificar su innovacin y reconstruirla montada en las nuevastecnologas. Con esta orientacin deben invertirse los recursosde la industria petrolera. En las ltimas fases del uso de loshidrocarburos como combustibles, stos debern coadyuvarpara construir la economa del hidrgeno.

5. Finalmente, los obstculos ms importantes para el desarrollode estas tecnologas son en orden de importancia: polticos,educativos y tecnolgicos. La falta de acuerdos para el desarrollode Mxico a largo plazo (de hecho todo el siglo XXI) es evidenteen todos los rubros por parte de nuestra clase poltica. Unasociedad ignorante y desinformada tampoco permite avanzar ensu propio desarrollo sustentable. La experiencia nacional

resumida en las actividades, congresos y publicaciones de laSociedad Mexicana de Hidrgeno89, la Asociacin Nacional deEnerga Solar90 el Centro de Investigacin en Energa91-93, laexperiencia internacional dirigida por la International Associationfor Hydrogen Energy94, los proyectos multinacionales para eldesarrollo de las nuevas tecnologas para el uso de hidrgenocomo combustible, donde sobresale el proyecto We Net delJapn95, los informes de gobiernos como los europeos96-99y deUSA100-103, permiten que un proyecto nacional de ingeniera para

el uso de las energas renovables, su almacenamiento masivo enforma de hidrgeno (entre otras tcnicas existentes), y quecontemple todo el siglo XXI para impulsar el desarrollo deMxico, pueda ser diseado sin partir de cero104,105. sta es unatarea pendiente por parte del Estado y de la sociedad mexicanaque no puede posponerse ms si no se desea que otro ferrocarril

del desarrollo se vuelva alejar sin poder ser alcanzado duranteel resto del siglo XXI59-61.

AAAAAGRADECIMIENTOSGRADECIMIENTOSGRADECIMIENTOSGRADECIMIENTOSGRADECIMIENTOSLos autores agradecen el apoyo recibido del CONACyT a travsdel proyecto 130254: Sistema de aprovechamiento energticodel oleaje en canales en estrechamiento y su captacin para laproduccin de hidrgeno, as como al PAPIME PE104312:Produccin de material didctico interactivo y audiovisual enFisicoqumica y Termodinmica.

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12.-Hidrógeno Del Mar