ES2294922B1 - Proceso de obtencion de energia electrica y agua depurada a partir de la electrolisis. - Google Patents
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Abstract
Proceso de obtención de energía eléctrica y agua depurada a partir de la electrólisis. El proceso de obtención de energía y agua depurada a partir de la electrólisis que la invención propone consiste en aplicación de energía, en forma de electricidad (1), que perfectamente puede provenir de energías renovables, al agua a depurar (2), de manera que se va a provocar un proceso de electrólisis (3), en el que se va a generar hidrógeno (4) que es acumulado en un compresor-acumulador de hidrógeno (5). Este hidrógeno acumulado en el compresor (5) es el combustible utilizado en la pila de hidrógeno (6), de donde se obtiene energía eléctrica (7) y agua depurada (8) en forma de vapor de agua. De esta forma se consigue un proceso que aporta un mejor aprovechamiento de la energía.
Description
Proceso de obtención de energía eléctrica y agua
depurada a partir de la electrólisis.
La presente invención se refiere a un proceso
que permite la obtención de agua depurada, empleando para ello la
electrólisis, con lo que se consigue además producir hidrógeno en
diversas cantidades que es acumulado para posteriormente obtener
energía eléctrica y calor por medio de una pila de hidrógeno, o
mediante un motor de combustión de hidrógeno.
El objeto de la invención es, por tanto,
proporcionar un nuevo procedimiento que aporta una serie de
ventajas e innovaciones que permiten llevar a cabo el proceso de
depuración de aguas residuales, o marinas, a la vez que se consigue
la obtención de energía eléctrica y vapor de agua, lo que supone un
mejor aprovechamiento de la energía, ya que es posible acumular el
excedente de electricidad producida generando hidrógeno que
posteriormente será transformado de nuevo en energía
aprovechable.
Los procesos de depuración de aguas residuales,
tanto industriales como urbanas, son necesarios para la
conservación del medio ambiente, y se han convertido en
procedimientos obligatorios para evitar por un lado el vertido de
aguas contaminadas, y por otra parte para aprovechar mejor los
recursos existentes, puesto que como es sabido el agua es un bien
escaso.
Dichos procesos de depurado son llevados a cabo
en la actualidad por depuradoras que emplean para ello tratamientos
químicos o bioquímicos, que por lo general son sistemas complejos y
costosos. Además deben ir acompañados la mayoría de las veces de
otro tipo de sistemas físicos que permitan la separación de sólidos
tanto gruesos como en suspensión, aceites, grasas, etc.
La electrólisis es un método que posibilita la
separación de los distintos elementos que forman un compuesto, y
por tanto la depuración de las citadas aguas residuales. Se trata
de un proceso conocido que consiste, mediante la aplicación de
electricidad, en producir en primer lugar la descomposición en
iones, seguido de diversos efectos o reacciones secundarias según
los casos.
Por tanto la electrólisis es un método donde la
energía eléctrica cambiará a energía química. El proceso sucede en
un electrólito, una solución acuosa o sales disueltas que den la
posibilidad a los iones de ser transferidos entre dos electrodos.
El electrólito es la conexión entre los dos electrodos que también
están conectados con una corriente directa.
Por medio de este proceso de electrólisis
aplicado al agua es posible la obtención de Hidrógeno, que puede
ser utilizado en las pilas de combustible para la obtención de
energía. Las pilas de combustible son sistemas electroquímicos en
los que la energía de una reacción química se convierte
directamente en electricidad.
Sin embargo, aunque las pilas de combustible son
conocidas, presentan diversos problemas como son la duración de
dichas pilas, y los costos que suponen.
También son conocidos los acumuladores de
energía, pero actualmente son de baja potencia, y hoy en día el
excedente de energía producido no es acumulado, por lo que hay un
mal aprovechamiento de la misma. En la actualidad la energía es un
servicio que se genera cuando se consume, por eso el precio de la
electricidad es menor en horas nocturnas, porque se consume menos,
y a menor demanda los precios son más baratos. La energía que se
produce y no se consume es perdida.
Los acumuladores de energía actuales se basan en
reacciones químicas (ni-cd, ni-mh),
por lo general son de poca potencia, resultan económicamente caros
y poseen una vida media útil baja.
El proceso de obtención de energía eléctrica y
agua depurada mediante la aplicación de electrólisis que la
invención propone, resuelve de forma plenamente satisfactoria la
problemática anteriormente expuesta, en los distintos aspectos
comentados, puesto que se trata de un proceso novedoso mediante el
cual se consigue un mejor aprovechamiento de la energía, ya que
permite obtener agua depurada, electricidad, hidrógeno y calor en
forma de vapor de agua, por ejemplo para la calefacción, utilizando
tan solo para ello energía eléctrica y agua residual.
De forma más concreta el proceso propuesto por
la invención, consiste en aplicar electricidad al agua que se
pretende depurar, con ello lo que se consigue es provocar un
proceso de electrólisis a partir del cual se obtiene hidrógeno, que
es acumulado por un compresor. Posteriormente dicho hidrógeno
acumulado se utiliza en una pila de hidrógeno, de donde se obtiene
agua depurada y electricidad.
Por tanto con este método se puede acumular el
excedente de electricidad generando hidrógeno, proveniente de la
electrólisis del agua, y acumular el hidrógeno generado, estos
acumuladores presentan una serie de ventajas respecto a los
existentes puesto que permiten acumular una gran potencia y tienen
una vida media aceptable, además de depurar el agua empleada para
la electrólisis.
En dicha electrólisis del agua, se forma
hidrógeno en el cátodo, y oxígeno en el ánodo. El proceso se lleva
a cabo según la reacción:
H_{2}O +
285,84 KJ = H_{2} + ½
O_{2}
Para descomponer un mol de agua en condiciones
normales de temperatura y presión, 25ºC y 1 atmósfera, es necesario
suministrar 285,84 KJ.
El agua a la que se le aplica el proceso de
electrólisis es agua residual, tanto industrial como urbana, y la
electricidad aplicada puede ser, por ejemplo proveniente de
energías renovables, como energía solar o eólica, por lo tanto se
trata de un procedimiento limpio, que cuida el medio ambiente, lo
que constituye una importante ventaja. No obstante la energía
eléctrica necesaria para el proceso de electrólisis puede ser
electricidad convencional.
El hidrógeno producido con la electrólisis y
acumulado en un compresor, se vuelve a pasar a electricidad por
medio de una pila de combustible, que en este caso será una pila de
hidrógeno, con un rendimiento comprendido entre el 35% y el 69%, lo
que hace que el proceso descrito en la invención sea eficaz. La
reacción que se produce en la citada pila de combustible es la
siguiente:
H_{2} + ½
O_{2} = H_{2}O + 285,84
KJ
Las pilas de hidrógeno son sistemas
electroquímicos en los que la energía de una reacción química se
convierte en electricidad. Dichas pilas ni se acaban ni necesitan
ser recargadas, sino que funcionan mientras el combustible y el
oxidante sean suministrados desde fuera de la pila. Una pila de
combustible consiste en un ánodo en el que se inyecta el
combustible, hidrógeno, y un cátodo en el que se introduce un
oxidante, normalmente aire u oxígeno. Los dos electrodos de la pila
están separados por un electrólito fónico conductor.
Su principio de funcionamiento es inverso al de
una electrólisis. El sistema opera con dos tipos de gases,
combustible y oxidante, que pasan a través de las superficies del
ánodo y cátodo opuestas al electrólito, respectivamente, y generan
energía eléctrica por oxidación electroquímica del oxidante,
normalmente oxígeno. Se transforma entonces la energía química,
almacenada en el enlace H-H de la molécula H_{2},
en energía eléctrica y vapor de agua.
Este concepto nuevo ofrece ventajas sustanciales
sobre la tecnología clásica de combustión, no solamente por el
aumento de eficiencia hasta niveles de 30% o 40%, sino también
porque la única emisión producida es vapor de
agua.
agua.
Las pilas de combustible están constituidas por
un conjunto de celdas apiladas, cada una de las cuales posee un
ánodo o electrodo negativo y un cátodo o electrodo positivo,
separados por un electrólito que facilita la transferencia fónica
entre los electrodos. Cada una de las sustancias que participan en
la reacción es alimentada a un electrodo distinto. Así, el
combustible, generalmente rico en hidrógeno, es alimentado de forma
continua al ánodo, y el oxidante, el oxígeno o aire, al cátodo. Allí
los reactivos se transforman electroquímicamente de acuerdo con las
semi-
rreacciones:
rreacciones:
- ÁNODO:
- H_{2} \rightarrow 2H + 2e^{-}
- CÁTODO:
- ½ O_{2} + 2H + 2e^{-} \rightarrow H_{2}O
Se genera de esta forma una corriente eléctrica
entre ambos electrodos que, a diferencia de lo que ocurre en una
pila o batería convencional, no se agota en el tiempo de
funcionamiento, sino que se prolonga mientras continúe el
suministro de los reactivos.
De esta forma a parte de conseguir obtener
electricidad, se consigue también vapor de agua depurada, lo que
supone una importante ventaja ya que permite, por ejemplo, que una
industria o un edificio depure sus aguas residuales sin que ello
suponga un coste energético elevado, sino más bien todo lo
contrario.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente
de realización práctica del mismo, se acompaña como parte
integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con
carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
La figura 1.- Muestra un esquema en el que se
han representado las distintas etapas del proceso de obtención de
energía y agua depurada aplicando para ello la electrólisis,
propuesto por la invención.
La figura 2.- Muestra una representación
esquemática de una pila de combustible, y más concretamente de una
pila de hidrógeno y su funcionamiento.
A la vista de las figuras reselladas y en
concreto de la figura uno, puede observarse como el proceso de
obtención de energía y agua depurada propuesto por la invención
está constituido por una serie de etapas que permiten obtener tanto
energía acumulada en forma de hidrógeno, como agua depurada.
Para iniciar el proceso es necesario la
aplicación de energía, en forma de electricidad (1), que
perfectamente puede provenir de energías renovables, al agua a
depurar (2), de manera que se va a producir un proceso de
electrólisis (3), en el que se va a generar hidrógeno (4) que es
acumulado en un compresor-acumulador de hidrógeno
(5). Este hidrógeno acumulado en el compresor (5) es el combustible
utilizado en la pila de hidrógeno (6), de donde se obtiene energía
eléctrica (7) y agua depurada (8) en forma de vapor de agua.
De esta forma se consigue que en un mismo
proceso se genere y acumule energía, a la vez que se obtiene la
depuración del agua empleada para la electrólisis.
La pila de hidrógeno, representada en la figura
2, a parte de emplear como combustible el hidrógeno, que es
inyectado sobre el ánodo (9) de dicha pila, precisa de un oxidante
como el oxígeno, aplicado sobre un cátodo (10), separados ambos por
un electrólito (11) iónico conductor. De esta forma la energía
acumulada en forma de hidrógeno (5) vuelve a pasar a ser energía
eléctrica (7). Si suponemos un rendimiento del proceso de al menos
un 50%, por cada 111 g de hidrógeno acumulado se obtienen 2,25 kw y
alrededor de un litro de agua depurada.
Según el método propuesto, en una primera fase,
con el proceso de electrólisis (3) el agua a depurar (2) pasa a ser
hidrógeno (4), por lo que hay una separación del gas con los
sólidos además de una separación iónica. En el segundo ciclo, en la
pila de hidrógeno (6), el hidrógeno forma agua depurada (8) y la
energía (7) obtenida puede ser utilizada para obtener más hidrógeno,
en la primera fase. Con esto lo que se consigue es que el consumo
energético sea menor y se utilice para mantener el sistema. Por lo
que depurar un litro de agua costará menos de 4,5 kwatios hora, el
gasto energético de una depuradora está en torno a los 100 kwatios
hora, con esta energía se puede depurar más de 22 litros/hora de
agua residual.
En un caso práctico el proceso es aplicado a un
edificio donde se genera energía eléctrica a través de un generador
fotovoltaico o eólico, del orden de 5 kw por hora. Esta potencia se
emplea en la electrólisis del agua a depurar, que en este caso
proviene de lavabos y bañeras.
Según se lo expuesto anteriormente 4,5 kw
descomponen un litro de agua, teóricamente, en condiciones
normales, pero hay que tener en cuenta que la presión, la
temperatura o el aporte de sales al agua facilitan el proceso de
electrólisis, por lo cual 4,5 kwh para descomponer un litro/hora o
24 litros/día es una aproximación teórica a la baja.
La electrólisis se realiza en un depósito no
metálico hasta el que es conducida el agua a depurar, dicho
depósito además debe ser accesible para poder limpiar los fangos
formados y cambiar los electrodos. El hidrógeno que en él se genera
es reconducido y comprimido en un depósito, que sustituye las
baterías tradicionales. Este depósito, por ejemplo, es capaz de
acumular 111 g de H_{2}, o lo que es lo mismo, 12461 de
H_{2}/hora.
El hidrógeno acumulado de esta forma se
introduce en una pila de hidrógeno, similar a la representada en la
figura 2, a partir de la cual se obtiene energía eléctrica y vapor
de agua. Para este caso concreto de un edificio, el vapor de agua
puede ser aprovechado por el calor que aporta para el sistema de
calefacción, por medio de un intercambiador de calor. La
electricidad generada es en continua así que para ser utilizada es
rectificada 220 v en alterna una vez convertida la tensión, pasando
a la caja general de protección y de ahí a la red de distribución
eléctrica.
De esta forma se está depurando el agua residual
para obtener energía, en lugar de gastar energía para depurar agua,
que es lo que habitualmente sucede.
El proceso propuesto por la invención, puede
encontrar aplicación también en diversas industrias, como sistema
de depuración de las aguas residuales que en ellas se generan. Por
ejemplo una fábrica que contamine 100 1/h necesita 450 kw, energía
que puede generar un molino de viento, y produce 11,1 kg de H_{2}
o lo que es lo mismo 124600 litros de H_{2}/hora. Además la pila
de hidrógeno da electricidad para el consumo en la propia
industria, y el vapor de agua es muy utilizado en distintos
procesos industriales a parte de la calefacción.
También puede ser aplicado el proceso que se
describe para acumular energía, aprovechando así de mejor forma los
recursos energéticos. Así por, por ejemplo, un parque eólico por
ley no puede pasar de 50 megawatios, un solo molino de viento
produce entre 800 kw y 2200 kw por hora. Hay veces que uno o más de
estos molinos tienen que estar parados porque la subestación está al
máximo o porque la red no soporta más potencia, en este caso se
puede decir que la energía no generada es energía perdida.
Si se aplica el proceso objeto de la invención,
los 800 kw hora de un molino, se convertirían en 88,8 kg de
hidrógeno, que puede ser acumulado para producir energía cuando se
necesite, y que además se puede emplear para depurar 178 litros de
agua.
Claims (7)
1. Proceso de obtención de energía eléctrica y
agua depurada a partir de la electrólisis, caracterizado
porque consiste en aplicar energía en forma de electricidad (1), al
agua a depurar (2), con lo que se consigue provocar un proceso de
electrólisis (3) con el que se va a generar hidrógeno (4) que es
acumulado en (5), hasta que alimenta a una pila de hidrógeno (6) de
donde se obtiene energía eléctrica (7) y agua depurada (8).
2. Proceso de obtención de energía eléctrica y
agua depurada a partir de la electrólisis, según reivindicación
primera, caracterizado porque la energía eléctrica (1)
empleada para el proceso de electrólisis (3), es energía renovable,
como puede ser energía eólica o fotovoltaica.
3. Proceso de obtención de energía eléctrica y
agua depurada a partir de la electrólisis, según reivindicaciones
anteriores caracterizado porque el depósito en el que se
produce la electrólisis (3) es no metálico, con acceso fácil para
limpieza de los fangos y para el cambio de electrodos.
4. Proceso de obtención de energía eléctrica y
agua depurada a partir de la electrólisis, según reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque en la primera fase o
depuración, con el proceso de electrólisis (3) el agua a depurar
(2) pasa a ser hidrógeno (4), por lo que hay una separación del gas
con los sólidos además de una separación fónica.
5. Proceso de obtención de energía eléctrica y
agua depurada a partir de la electrólisis, según reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque hidrógeno (4), generado en
el proceso de electrólisis (3) del agua a depurar (2), es acumulado
en un compresor-acumulador de hidrógeno (5).
6. Proceso de obtención de energía eléctrica y
agua depurada a partir de la electrólisis, según reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque se obtiene agua depurada
(8) en forma de vapor de agua.
7. Proceso de obtención de energía eléctrica y
agua depurada a partir de la electrólisis, según reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque la pila de hidrógeno (6)
empleada para generar energía eléctrica (7) y agua depurada (8)
está constituida por un conjunto de celdas apiladas, cada una de las
cuales está posee un ánodo o electrodo negativo (9) y un cátodo o
electrodo positivo (10), separados por un electrólito (11).
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