Quimica suave

UNIVERSIDAD AUTNOMA DE NUEVO LEN

FACULTAD DE INGENIERA CIVIL

PRODUCCION FOTO-ELECTROQUMICA DE HIDRGENO EMPLEANDO SEMICONDUCTORES NO XIDOS PREPARADOS POR LA RUTA DE

QUMICA SUAVE

Por

ANAYANCY CAMPOS BADILLO

Como requisito parcial para obtener el Grado de MAESTRA EN CIENCIAS CON ORIENTACIN EN

INGENIERA AMBIENTAL

JULIO 2012

V

Aprobacin

_______________________________

Dr. Arqumedes Cruz Lpez Director de Tesis

_______________________________

Dr. Arturo Manzo Robledo Co-director de Tesis

_______________________________

Dr. Ricardo Gmez Romero Evaluador

_______________________________

Dr. Pedro Leobardo Valdez Tamez Sub-Director de Posgrado de la FIC-UANL

VI

Dedicatoria

A todos los que con su amor, apoyo incondicional, comprensin y cario, me dieron fuerzas y nimo para superar esta etapa de mi vida.

VII

Agradecimientos

Agradezco al Seor Jesucristo por cuidarme y darme fuerzas cada da para realizar mi trabajo. A mis padres Leopoldo y Hermelinda Campos, porque gracias a los valores que aprend de ellos he podido llevar a cabo este trabajo de investigacin sin rendirme a pesar de las adversidades. A Luis Velzquez por ser la persona especial que siempre me respalda. A mis familia: Ileana, Esteban, Liliana y Gael Campos. Gracias por su paciencia. Al Sr. Ernesto Cavazos por sus sabios consejos y su gran amor para toda mi familia. Agradezco a mis asesores Arqumedes Cruz y Arturo Manzo Robledo por compartirme de sus conocimientos, al igual que a los profesores que me han apoyado a lo largo de esta tesis: Dr. Odiln Vzquez, Dra. Nora Elizondo, Dr. Ricardo Gmez, Dr. Rodolfo Zanella, Dr. Antonio Zaldivar. A mis amigos y compaeros por compartir tan buenos momentos: Beln Reyna, David Rodrguez, Jaime Elizondo, Mirna Sina, Gerardo Ros, Ismael Daz, Armando Snchez, y a todos y cada uno de los que me dieron la oportunidad de convivir con ellos dentro y fuera del Instituto. A la Facultad de Ingeniera Civil y su departamento de Posgrado por la beca otorgada, al Centro Internacional del Agua y al proyecto Ciencias Bsicas de CONACyT (81437) y la red de Energa de CONACyT, al igual que al Laboratorio de Investigacin de Materiales de Construccin y el Laboratorio de Corrosin (IPN).

VIII

RESUMEN

Anayancy Campos Badillo. Fecha de graduacin: Septiembre 2012 Universidad Autnoma de Nuevo Len. Facultad de Ingeniera Civil. Titulo del Estudio: PRODUCCION FOTO-ELECTROQUMICA DE HIDRGENO EMPLEANDO SEMICONDUCTORES NO XIDOS PREPARADOS POR LA RUTA DE QUMICA SUAVE. Nmero de pginas: 159 Candidato: Maestra en Ciencias con Orientacin en Ingeniera Ambiental. rea de estudio: Ingeniera Ambiental. Propsito y mtodo de estudio: Los desarrollos cientficos y tecnolgicos del ltimo siglo han trado a la humanidad diversos satisfactores y bienes de consumo que hacen ms fcil y prctica nuestra vida. Sin embargo, el crecimiento demogrfico har insostenible el bienestar de estas necesidades energticas por mucho tiempo. Debido principalmente a que lograrlo implica una explotacin irracional de los recursos naturales que adems de su agotamiento trae consigo una aguda contaminacin del agua, aire y suelo. Lo que trae consigo una urgente necesidad de cambiar nuestra dependencia energtica de los combustibles fsiles. Buscando medios alternos que sean palanca del desarrollo y transitar hacia un combustible que presente al menos las mismas propiedades energticas de los hidrocarburos pero que sea accesible, econmico y amigable con el medio ambiente. En este sentido, el agua y la radicacin solar son dos recursos finitos en el planeta que podemos aprovechar para la generacin de hidrgeno. Pero para hacer uso de este binomio es necesario un foto-electrocatalizador que facilite las reacciones involucradas en la generacin de hidrgeno de una manera sustentable. Por lo tanto, el propsito de este trabajo es el disear un material que al ser activado en un reactor foto-electrocataltico tenga la capacidad de romper ms fcilmente la molcula de agua para generar hidrgeno (H2). Pero, adems que facilite la recuperacin del H2 para darle su uso final. Esto ltimo no ha sido posible hasta el da de hoy con la fotocatlisis convencional. En este trabajo se sintetiz el nitruro de galio por la ruta hidrotermal con la finalidad de incrementar la eficiencia como electrofotocatalizador, al obtener tamaos de partculas nanomtricas para facilitar la modificacin sustancial de las propiedades fisicoqumicas, pticas y electrnicas y hacerlos capaz de absorber luz visible (400800nm) cuando este soportado en un electrodo.

IX

Los resultados de este trabajo indican la obtencin del nitruro de galio (GaN) por la ruta hidrotermal a baja temperatura. La caracterizacin por Difraccin de Rayos X confirma la obtencin del GaN con fase wurzita el cual es trmicamente estable a partir de 950C segn los anlisis trmicos y con rea especfica de 48 m2.g-1. Lo que hace del GaN un material interesante para aplicaciones foto-electrocatalticas. Las imgenes de Microscopa Electrnica de Transmisin por Alta resolucin resaltan el contenido de cristales con tamaos entre 10 y 22 nm. Cuando se calcularon las distancias interplanares del GaN se determin que correspondan con el plano (002) con una distancia de 0.26 nm. La actividad electrocataltica del GaN se evalu utilizando la tcnica de voltametra lineal en polarizacin catdica. Los resultados preliminares indican que la cintica de adsorcin-desorcin de protones es ms eficiente en el semiconductor sintetizado. Como consecuencia, la fotocorriente generada en la interfase de GaN es de mayor magnitud con respecto al sustrato. Siendo ms susceptible a la oxidacin que el soporte, debido a su potencial a circuito abierto (0.162 V). El GaN fue dopado con Zn a diferentes proporciones destacndose que los materiales dopados son aun ms estables en el equilibrio que el soporte, presentando potenciales de circuito abierto de -0.29 V y -0.132 V para 5 y 10 % de Zn dopado, respectivamente. Esto parece reflejarse en los anlisis de voltametra lineal, donde el mejor resultado lo presenta el GaN-10%Zn con corrientes en el orden de mA. Bajo este contexto, la impregnacin de ZnO sobre GaN indica que la corriente durante polarizacin catdica es menor con respecto al material dopado debido, posiblemente, a que los efectos en los niveles electrnicos sobre el material dopado son ms eficientes para (foto)-electrocatlisis.

Firma de los asesores:

_________________________ _________________________ Dr. Arqumedes Cruz Lpez Dr. Arturo Manzo Robledo

ndice

X

ndice CAPITULO 1 Introduccin General ....................................................................... 2 1.1 Antecedentes ..................................................................................................... 2 1.2 Objetivos y Metas ............................................................................................ 16

1.2.1 Objetivo General ..................................................................................... 16 1.2.2 Objetivos Particulares ............................................................................. 16 1.2.3 Metas ...................................................................................................... 17

1.3 Hiptesis .......................................................................................................... 17 REFERENCIAS Captulo 1 .................................................................................... 18 CAPITULO 2: Fundamentos ................................................................................ 21 2.1 Introduccin ..................................................................................................... 21 2.2 Energa ............................................................................................................ 22

2.2.1 Tecnologas Maduras para la produccin de H2 .................................. 23 2.2.1.1 Gas de sntesis .......................................................................... 23 2.2.1.2 Reformado de Metano .............................................................. 24 2.2.1.3 Electrlisis ................................................................................. 28

2.2.2 Tecnologas Verdes para la generacin de energa............................. 30 2.2.2.1 Energa Hidrulica ..................................................................... 32 2.2.2.2 Biomasa .................................................................................... 33 2.2.2.3 Energa Elica ........................................................................... 36 2.2.2.4 Geotrmica ................................................................................ 39 2.2.2.5 Fotocatlisis............................................................................... 44 2.2.2.6 Celdas solares ........................................................................... 48 2.2.2.7 Fotoelectrocatlisis .................................................................... 53

2.3 Desarrollo de semiconductores para fotocatlisis y fotoelectrocatlsis .......... 55 2.3.1 Semiconductores de tipo d0 activos en luz UV ..................................... 57

2.3.1.1 xidos Metlicos ....................................................................... 57 2.3.1.2 Efecto electrnico de la estructura de banda ............................ 61

2.3.2. Fotocatalizadores activos en luz visible .............................................. 63 2.3.2.1 Dopaje de fotocatalizadores ...................................................... 65 2.3.2.2 Control de la banda de valencia del fotocatalizador metlico .... 67

2.3.3 Fotocatalizadores de compuestos No-xidos ...................................... 69 2.3.3.1 Compuestos con configuracin tipo d0 ...................................... 69 2.3.3.2 Compuestos con Configuracin tipo d10 .................................... 71

2.4 Propiedades de los Materiales GaN:ZnO ........................................................ 73 2.4.1 Nitruro de Galio .................................................................................... 73

ndice

XI

2.4.1.1 Propiedades fisicoqumicas ....................................................... 74 2.4.1.2 Aplicaciones .............................................................................. 76

2.4.2 Propiedades fsicas del xido de Zinc ............................................... 78 2.5 GaN:ZnO.......................................................................................................... 80 REFERENCIAS Captulo 2 .................................................................................... 82 CAPITULO 3: Metodologa Experimental .......................................................... 91 3.1 Introduccin ..................................................................................................... 91 3.2 El Mtodo Hidrotermal y su Fundamento ......................................................... 93

3.2.1 Historia de la Tecnologa Hidrotermal ................................................. 96 3.2.2 La tecnologa hidrotermal y su impacto en la nanotecnologa ............ 98

3.3 Metodologa de sntesis ................................................................................. 100 3.3.1 Sntesis de Fotoelectrocatalizadores ................................................. 100 3.3.2 Dopaje con Zn .................................................................................... 101 3.3.3 Impregnacin con ZnO ....................................................................... 102 3.3.4 Preparacin de pelcula para Electrodo ............................................ 102

3.4 Caracterizacin de los Materiales .................................................................. 103 3.4.1 Caracterizacin Fisicoqumica ............................................................ 103

3.4.1.1. Difraccin de Rayos X ............................................................ 103 3.4.1.2 Microscopia Electrnica de Barrido ......................................... 104 3.4.1.3 Microscopia Electrnica de Transmisin ................................. 106 3.4.1.4 Anlisis Trmicos (DTA-TGA) ................................................. 107 3.4.1.5 Fisisorcin de Nitrgeno .......................................................... 108 3.4.1.6 Espectroscopia de Infrarrojo .................................................... 110

3.4.2 Caracterizacin electroqumica .......................................................... 112 3.4.2.1 Potencial a circuito abierto ...................................................... 112 3.4.2.2 Voltametra lineal (LSV por sus siglas en ingls)..................... 113

3.5 Reactor de foto-electrocatlisis ...................................................................... 114 REFERENCIAS Captulo 3 .................................................................................. 116 CAPITULO 4: Resultados y discusin ............................................................. 119 4.1 Generalidades ................................................................................................ 119 4.2 Caracterizacin Fisicoqumica del Nitruro de Galio (GaN) ............................. 120

4.2.1 Difraccin de rayos X ......................................................................... 120 4.2.2 Anlisis de Microscopia Electrnica ................................................... 126

4.2.2.1 Microscopia Electrnica de Barrido (MEB) .............................. 126

ndice

XII

4.2.2.2 Microscopia electrnica de transmisin de alta resolucin (HRTEM) ......................................................................................... 129

4.2.3 Anlisis trmico .................................................................................. 131 4.2.4 Fisisorcin de nitrgeno ..................................................................... 132 4.2.5 Espectroscopa de Infrarrojo .............................................................. 134 4.2.6 Potencial a circuito abierto (PCA) ...................................................... 135 4.2.7 Voltametra lineal ............................................................................... 136 4.2.8 Mediciones fotogalvnicas ................................................................. 138

4.3 GaN dopado con Zn ....................................................................................... 140 4.3.1 Difraccin de rayos X ......................................................................... 140 4.3.2. Microscopia electrnica de transmisin (MET) ................................. 141 4.3.3 Anlisis trmico .................................................................................. 143 4.3.4 Espectroscopa de Infrarrojo .............................................................. 144 4.3.5 Potencial a circuito abierto ................................................................. 145 4.3.6 Voltametra lineal ............................................................................... 146 4.3.7 Mediciones fotogalvnicas ................................................................. 148

4.4 GaN impregnado con ZnO ............................................................................. 149 4.4.1 Potencial a circuito abierto ................................................................. 150 4.4.2 Voltametra lineal ............................................................................... 151

REFERENCIAS Captulo 4 .................................................................................. 154 CAPITULO 5: Conclusiones y recomendaciones ............................................ 158

ndice

XIII

Lista de figuras CAPITULO 1: Introduccin General ..................................................................... 2 Figura 1.1 Consumo mundial de petrleo y gas natural en millones de toneladas

diarias ................................................................................................................... 4 Figura 1.2 Temperaturas promedio anuales por hemisferio y global ....................... 5 Figura 1.3 Produccion real anual de energa a partir de fuentes no renovables de

energa en Mxico ................................................................................................ 6 Figura 1.4 Reservas de hidrocarburos totales y Reservas segun la certeza de

existencia .............................................................................................................. 7 Figura 1.5 Produccin real anual de energa a partir de fuentes renovables de

energa en Mxico ................................................................................................ 8 Figura 1.6 Fuentes de energa a partir de las cuales se produce electricidad ......... 9 Figura 1.7 Fuentes actuales para la produccin de Hidrgeno .............................. 10 Figura 1.8 Mecanismo probable en una heterounion semiconductora ................... 13 CAPITULO 2: Fundamentos ................................................................................ 21 Figura 2.1 Mercado mundial del gas de sntesis .................................................... 24 Figura 2.2 Diagrama de flujo del reformado de metano ......................................... 26 Figura 2.3 Representacin esquemtica del proceso de electrolisis. .................... 30 Figura 2.4. Rutas de obtencin de hidrgeno a partir de biomasa ........................ 34 Figura 2.5. Potencial elico en Mxico .................................................................. 39 Figura 2.6 Escenario mundial de produccin de energa elctrica a partir de

recursos geotrmicos .......................................................................................... 43 Figura 2.7 Procesos involucrados en la reaccin de rompimiento del agua en una

partcula de semiconductor ................................................................................. 46 Figura 2.8 Principios bsicos de la reaccin de oxidacin del agua en una partcula

semiconductora ................................................................................................... 47 Figura 2.9 Dopaje tipo p y tipo n ............................................................................ 50 Figura 2.10 Efecto fotovoltaico en una clula solar................................................ 51 Figura 2.11 Sistemas fotoelectroqumicos para la reaccin de rompimiento del

agua .................................................................................................................... 54 Figura 2.12 Distribucin estadstica de publicaciones cientficas enfocadas en

nanomateriales para produccin fotocataltica de H2 .......................................... 56 Figura 2.13 Estructura esquemtica de Ni/K4Nb6O17, y el mecanismo de reaccin

par la oxidacin del agua .................................................................................... 59 Figura 2.14 Esquema de la estructura de bandas de un fotocatalizador d0 y un d10.

............................................................................................................................ 62

ndice

XIV

Figura 2.15 Conceptualizacin de las estrategias para el desarrollo de fotocatalizadores activos en luz visible a travs de la modificacin del oxido metlico............................................................................................................... 65

Figura 2.16 Esquemas de las bandas estructurales del metal NaTaO3 y el (oxi)nitruro BaTaO2N........................................................................................... 70

Figura 2.17 Estructuras cristalinas del nitruro de Galio .......................................... 74 Figura 2.18 Espectro electromagntico, indicando la posicin energtica del gap

de los nitruros del grupo III.................................................................................. 76 Figura 2.19 Estructura wurtzita para ZnO .............................................................. 78 Figura 2.20 Micrografas electrnicas de barrido de muestras obtenidas por la

mezcla de Ga2O3 y ZnO, bajo un flujo de NH3 .................................................... 80 Figura 2.21 Micrografa electrnicas de transmisin de muestras obtenida por la

mezcla de Ga2O3 y ZnO, bajo un flujo de NH3 .................................................... 81 CAPITULO 3: Metodologa Experimental .......................................................... 91 Figura 3.1 Ventajas del mtodo hidrotermal con respecto a otras rutas de sntesis

............................................................................................................................ 94 Figura 3.2 Diferencias morfolgicas entre los productos obtenidos por molienda o

Sintering (Firing) y por el mtodo de Hidrotermal ............................................... 95 Figura 3.3 Diagrama de flujo para la sntesis de GaN por el mtodo Hidrotermal

.......................................................................................................................... 101 Figura 3.4 Fenmeno de difraccin ..................................................................... 103 Figura 3.5 Comparacin entre microscopia electrnica de transmisin (MET) y

microscopia electrnica de barrido (MEB) ........................................................ 106 Figura 3.6. Esquema propuesto del reactor para la produccin de Hidrgeno por la

ruta foto-electroqumica .................................................................................... 115 CAPITULO 4: Resultados y discusin ............................................................. 119 Figura. 4.1 Difraccin de rayos X de la muestra de GaN preparada por la ruta

hidrotermal utilizando Etilenglicol como solvente. ............................................. 122 Figura. 4.2 Difraccin de rayos X de la muestra de GaN preparada por la ruta

hidrotermal empleando Etanol como solvente. ................................................. 123 Figura. 4.3 Difraccin de rayos X de la muestra preparada empleando Isopropanol

como solvente. .................................................................................................. 123 Figura 4.4 Patrn de difraccin de rayos X de la muestra de GaN preparada por la

ruta hidrotermal empleando benceno como solvente. ...................................... 125

ndice

XV

Figura. 4.5 Comparacin entre los difractogramas del material sintetizado por diferentes solventes a 240C ............................................................................ 126

Figura 4.6 Micrografas de SEM del material calcinado a 950C. ........................ 127 Figura 4.7 Micrografa de SEM para la muestra de GaN de material calcinado a

950C. ............................................................................................................... 128 Figura 4.8 Micrografas de HRTEM de GaN. ....................................................... 129 Figura 4.9 Representacin tridimensional de las nanopartculas de GaN calcinadas

a 950C. ............................................................................................................ 130 Figura 4.10 Anlisis de difraccin de electrones para la muestra de GaN. .......... 131 Figura 4.11 Anlisis trmico de GaN. .................................................................. 132 Figura 4.12 reas superficiales de diferentes materiales (a 950 C) utilizados como

fotocatalizadores. .............................................................................................. 133 Figura 4.13 Espectroscopa de infrarrojo para GaN. ............................................ 134 Figura 4.14 Curva caracterstica E-t .................................................................... 136 Figura 4.15 Perfil i vs E para ITO y GaN. ............................................................. 137 Figura 4.16 Perfil i vs E para ITO y GaN aplicando luz UV. ................................. 138 Figura 4.17 Perfiles i-t para el sustrato (ITO) y el GaN soportado en ITO ........... 139 Figura 4.18 Patrn de difraccin de rayos X de GaN con diferentes proporciones

molares del dopante. ........................................................................................ 141 Figura 4.19 Micrografas de TEM para la muestra de GaN dopada con 5% de Zn.

.......................................................................................................................... 142 Figura 4.20 Micrografas de TEM para la muestra de GaN dopada con 10% de Zn.

.......................................................................................................................... 142 Figura 4.21 Anlisis trmico de GaN-5%Zn y GaN-10%Zn. ................................ 143 Figura 4.22 Espectroscopa de infrarrojo para GaN dopado. ............................... 144 Figura 4.23 Curva caracterstica E-t, alternando luz UV. ..................................... 145 Figura 4.24 Perfil i vs E para ITO y GaN con 5 y 10 % de Zn. ............................. 146 Figura 4.25 Perfil i vs E para ITO y GaN con 5 y 10 % de Zn en luz UV. ............ 147 Figura 4.26 Perfiles i-t para el sustrato (ITO) y el GaN-10% Zn soportado en ITO

.......................................................................................................................... 148 Figura 4.27 Patrn de difraccin de Rayos X para la muestra GaN-10% ZnO. ... 149 Figura 4.28 Curva caracterstica E-t, alternando luz UV. ..................................... 151 Figura 4.29 Perfil i vs E para ITO y GaN 10% ZnO. ............................................. 152 Figura 4.30 Perfil i vs E para ITO y GaN 10% ZnO en presencia de luz UV. ....... 153

ndice

XVI

Lista de Tablas CAPITULO 1: Introduccin General ..................................................................... 2 Tabla 1.1 Comparativo de energa por unidad de masa y volumen de diferentes

combustibles ....................................................................................................... 10 CAPITULO 2: Fundamentos ................................................................................ 21 Tabla 2.1 Evolucin esperada de los costos de capital para las tecnologas de

fuentes renovables .............................................................................................. 31 Tabla 2.2 Principales productores de electricidad por energia geotermica a nivel

mundial ............................................................................................................... 44 Tabla 2.3. Tabla de propiedades de GaN .............................................................. 75 Tabla 2.4. Propiedades del ZnO ............................................................................ 79 CAPITULO 3: Metodologa Experimental .......................................................... 91 Tabla 3.1 Desarrollo histrico del mtodo hidrotermal ........................................... 97 Tabla 3.2 Tipos de vibraciones moleculares ........................................................ 110 CAPITULO 4: Resultados y discusin ............................................................. 119 Tabla 4.1 Propiedades Fisicoqumicas de los solventes empleados en la sntesis

de GaN por la ruta hidrotermal. ......................................................................... 121 Tabla 4.2 Composicin elemental de la muestra de GaN calcinado a 950 C (% en

peso). ................................................................................................................ 128 Tabla 4.3 reas superficiales de GaN a diferentes temperaturas ........................ 133

Captulo 1 Introduccin General

I.Q. Anayancy Campos Badillo 1

CAPITULO 1:

Introduccin General



CAPITULO 1: Introduccin General

1.1 Antecedentes

Desde sus inicios la humanidad ha utilizado diferentes formas de energa primaria

para satisfacer los requerimientos en actividades como la agricultura, ganadera,

pesca, transporte y fabricacin artesanal, de ah la importancia de buscar fuentes

de energa que estn al alcance. Son consideradas fuentes de energa primarias

aquellas obtenidas directamente de la naturaleza y pueden dividirse en dos tipos:

Renovables y No Renovables.

Se denomina Energa Renovable a la energa que se obtiene de fuentes

clasificadas como inagotables, ya sea por la cantidad de energa que poseen o por

su capacidad de regenerarse por medios naturales. Entre las energas renovables

se encuentran la elica, solar, hidroelctrica, geotrmica, maremotriz, la biomasa y

los biocombustibles. Mientras que las energas no Renovables son aquellas cuyas

reservas son limitadas y se agotan con el uso. Los combustibles fsiles (petrleo,

gas natural y carbn) y los compuestos radioactivos son un ejemplo de este tipo

de recursos no renovables, ya que no podemos reponer lo que gastamos.

La utilizacin de algunos de estos recursos ha ido cambiando segn los avances

tecnolgicos que se han alcanzado y las necesidades propias de cada poca, por

ejemplo, durante la revolucin industrial, el consumo masivo de la madera de los

bosques llev a la rpida deforestacin de grandes reas propiciando la escasez

de madera as como la desaparicin de los hbitat naturales de muchas especies

de plantas y animales, debido a esto se opto por la sustitucin paulatina de la

madera por el carbn mineral en un intento por frenar el dao a los ecosistemas

por medio de la tala de rboles para consumo de su madera como fuente de

combustible. Otras ventajas del carbn, es su mayor capacidad calorfica por



unidad de masa con respecto a la madera y un menor volumen. Estas

propiedades jugaron un papel decisivo para que el carbn tuviera un fuerte auge

como combustible en maquinas de vapor y en la generacin de electricidad hasta

inicios del 1900 [1].

Aunque el carbn se encuentra distribuido en la mayor parte de la corteza terrestre

y en la actualidad existen reservas para los prximos 200 aos [2]. El deterioro de

la calidad del aire en las ciudades industriales por la quema de grandes

cantidades de carbn origin una mezcla de humo y de dixido de azufre; en

consecuencia, en los siguientes aos se present nuevamente una sustitucin

gradual del combustible predominante.

En el siglo XVII, ya se haba comenzado con la produccin de gas a partir de hulla

y en 1760 se le da aplicacin para fuentes de iluminacin en talleres. En aquel

momento, los derivados del petrleo, como el queroseno, eran los ms utilizados

para esta funcin.

Gracias a la constante bsqueda de este compuesto, en 1859 Coronel Edwin

Drake perforo exitosamente el primer pozo petrolero en Titusville, Pensilvania; en

ese momento pocos se imaginaban el cambio que se dara en el mundo a causa

de la utilizacin del petrleo [3]. Sin embargo con la invencin de la bombilla por

Thomas Edison y la creacin de la generacin elctrica terminaron con los

principales usos del petrleo hasta ese momento. A finales del siglo XIX haba

gran desperdicio de los subproductos del petrleo, ejemplo de esto fue la gasolina,

la cual era desechada tal y como se obtena al no encontrrsele una utilidad.

No fue sino hasta principios del siglo XX cuando se le dio un uso a la gasolina al

inventarse los motores de combustin interna para los 8,000 vehculos registrados.

Para 1920 el parque vehicular haba incrementado casi 4 veces, con lo que se

aument el consumo de dicho combustible debido a la practicidad del diseo del

motor. Frente a un siglo de grandes descubrimientos, el desarrollo de la industria



qumica y petroqumica conlleva al creciente consumo de productos derivados del

petrleo originando la bsqueda y explotacin intensiva de nuevos depsitos

petroleros y de gas natural. En la figura 1.1, se puede observar que el consumo

mundial de petrleo pas de 1500 millones de toneladas diarias a ms de 4000

millones de toneladas entre los aos 1965 y 1980.

Figura 1.1 Consumo mundial de petrleo y gas natural en millones de toneladas

diarias entre los aos 1965 y 2010.

Como todos sabemos, el crecimiento econmico de los pases desarrollados est

sustentado en el consumo de energa (petrleo y gas natural), sin embargo

muchos de estos pases no son autosuficientes, lo que constituye un grave

problema de abastecimiento de energa, mismo que fue evidenciado por primera

vez en la dcada de los 70s cuando la Organizacin de los Pases Exportadores

de Petrleo rabes (OAPEC en ingles) detuvo la produccin la produccin de

crudo y estableci un embargo principalmente hacia estados Unidos y los pases

bajos ocasionando graves estragos econmicos a nivel mundial. Esta situacin,

aunado a las nuevas reglamentaciones ambientales estrictas para reducir la

emisin de contaminantes sealados por sus efectos nocivos hacia el medio



ambienta y a la salud humana dan pie hacia el diseo del futuro energtico a partir

de recursos abundantes como la energa solar, la biomasa, etc.

A principios de las dcada de los 70, los cientficos tambin empezaron a divulgar

los primeros efectos nocivos de los gases de efecto invernadero, que relacionan

[4,5] con el incremento en la temperatura media global (ver figura 1.2), lo que ha

promovido la realizacin de acuerdos internacionales para la disminucin de

emisiones como en el Protocolo de Kyoto entre otros.

Figura 1.2 Temperaturas promedio anuales por hemisferio y global. Fuente:

Unidad de Investigacin Climtica, Reino Unido.

El Protocolo de Kioto se aplica a las emisiones de seis gases de efecto

invernadero: dixido de carbono (CO2), metano (CH4), oxido nitroso (N2O),

hidrofluorocarbonos (HFC), perfluorocarbonos (PFC), hexafluoruro de azufre

(SF6). Los Estados Partes en el acuerdo anteriormente mencionado, se

comprometen a reducir sus emisiones entre un 5 y 8 % en el periodo 2008-2012

con respecto a 1990 (ao de referencia), segn su caso.



Para cumplir con los objetivos, el Protocolo propone una serie de medios:

- Reforzar o establecer polticas nacionales de reduccin de las emisiones

(aumento de la eficiencia energtica, fomento de formas de agricultura

sostenibles, desarrollo de fuentes de energas renovables, etc.);

- Cooperar con las otras Partes contratantes (intercambio de experiencias o

informacin, coordinacin de las polticas nacionales por medio de permisos

de emisin, aplicacin conjunta y mecanismo de desarrollo limpio).

Figura 1.3 Produccin real anual de energa a partir de fuentes no renovables de

energa en Mxico. Fuente: Sistema de Informacin Energtica, Secretaria de

Energa, Mxico.

En el caso de nuestro pas, la situacin no es muy diferente a pesar que somos

un pas productor de petrleo y en los ltimos 70 aos, este sector ha sido

palanca de desarrollo. En la figura 1.3, se muestra el consumo anual de energa

no renovable en la ltima dcada el cual ha crecido en aproximadamente 10% por

ao y en 2005 alcanz un mximo alrededor de 10,000 Petajoules. De esta misma

figura podemos observar que el 70% de la energa generada tiene origen en el

petrleo seguida por el gas natural con 27% y un lejano 2% del carbn mineral.

Sin embargo, en la ltima dcada dos factores han sido fundamentales para



pensar en explorar nuevas fuentes renovables de energa en el pas. El primero

es la disminucin de las reservas de petrleo que han ocasionado un incremento

en el precio en el mercado internacional (vase figura 1.4). La segunda est

relacionada con reglamentacin internacional estricta que busca disminucin de

las emisiones de CO2 y contribuir a la solucin de los problemas de calentamiento

global.

Figura 1.4 a) Reservas de hidrocarburos totales. b) Reservas segn la certeza de

existencia. (Millones de barriles de petrleo crudo equivalente). PEMEX.

Dentro de las tecnologas maduras para la produccin de energa limpia

registradas en el 2010 est la biomasa que incluye la produccin de energa a

partir de lea y del bagazo de caa (348 Petajoules), la energa elica (0.59

a)

b)



Petajoules), la geoenerga (150 Petajoules), la hidroenerga (132 Petajoules) y la

energa solar (4.91 Petajoules). A partir 2007 la energa elica ha comenzado a

despegar con la implementacin de campos elicos en el sur del pas, aun as, la

suma todas estas rutas representa menos del 10% del consumo total de energa

(vase figura 1.5).

Figura 1.5 Produccin real anual de energa (Petajoules) a partir de fuentes

renovables de energa en Mxico. Fuente: Sistema de Informacin Energtica,

Secretaria de Energa, Mxico.

El consumo de energa elctrica en Mxico est distribuido en 48.05 % transporte,

29.26 industria, 3.08 % en uso agropecuario y 16.31 % de consumo residencial,

2.70 % comercial y 0.59 % publico. El sector elctrico juega un papel fundamental

de tal manera que representa ms del 75% del consumo nacional de combustibles

fsiles (vase figura 1.6) y en consecuencia un alto nivel de las emisiones totales

de CO2 [6]. El consumo Nacional de energa en 2010 se report en 4,940.04

Petajoules, sin embargo si seguimos creciendo econmicamente a esta misma

tasa los requerimientos energticos en 2050 sern 100% mayor. Por lo tanto, es

urgente encontrar a mediano plazo alternativas tecnolgicas que nos garanticen la

generacin de energa en forma masiva y limpia.



Figura 1.6 Fuentes de energa a partir de las cuales se produce electricidad

(Produccin real en Mxico, 2010, GWh). Fuente: International Energy Agency.

Una alternativa a mediano plazo para lograr la produccin de energa de manera

sustentable es cambiar progresivamente la base energtica utilizando un

combustible capaz de emplear recursos disponibles, de bajo costo y sobre todo

que sea amigable con el medio ambiente. En este sentido, la propuesta ms

acertada es la utilizacin de hidrgeno como fuente de energa alternativo como

se muestra en la tabla 1.1; ya que el hidrgeno posee un potencial energtico

mayor al 50% con respecto a su ms cercano competidor y 3 veces mayor a la

gasolina. Desafortunadamente, el principal inconveniente del hidrgeno es que no

se encuentra puro en la naturaleza y las actuales tecnologas requieren altas

cantidades de energa para obtenerlo.



Tabla 1.1 Comparativo de energa por unida de masa y volumen de diferentes combustibles. [7]

Tipo de

Combustible

Energa (KJ.g-1)

Energa (KJ.L-1)

Hidrgeno 120 10

Gasolina 44 30590

Diesel 43 29850

Carbn 29 -

Gas Natural 50 32

Metanol 22 18100

Etanol 27 21950

Actualmente el hidrgeno se produce en su gran mayora por procesos

industriales como el reformado de metano con vapor, donde los hidrocarburos son

consumidos y el CO2 es emiti a la atmsfera y como ya se ha mencionado

anteriormente es una molcula nociva como gas de efecto invernadero [8]. Sin

embargo, un alto porcentaje de este compuesto es empleado en la produccin de

NH3. Por lo tanto, uno de los mayores retos tecnolgicos de este siglo es la

produccin limpia de hidrgeno, y en medida de lo posible a partir de fuentes

naturales renovables [9,10].

Figura 1.7 Fuentes actuales para la produccin de Hidrgeno



Una economa de hidrgeno es un modelo econmico de vanguardia en el cual

ser posible el almacenamiento de hidrgeno (H2) para posteriormente generar

energa en forma de trabajo, en diversas reas como transporte de carga,

produccin de electricidad, entre otros. De hecho, cada da se publican en revistas

especializadas avances sobre las investigaciones que buscan aprovechar la

energa del sol que incide sobre la superficie de la tierra (1000 W/m2), ya que si

somos capaces de captar esta energa nuestras demandas energticas estaran

satisfechas sin ningn problema [11]. Desafortunadamente, el desarrollo de las

celdas voltaicas y electroqumicas quienes son capaces de convertir la energa

solar en electricidad son poco eficientes en absorber la luz y transferir la carga por

lo tanto resultan poco atractivas dado los altos costos de fabricacin. Por

consecuencia es indispensable disear y construir otros sistemas que sean

capaces de generar energa limpia a base de hidrgeno con la finalidad de

mantener un crecimiento econmico sustentable. Para lograr estas metas es

necesario invertir en el desarrollo de investigaciones relacionadas con el diseo de

los fotocatalizadores que permitan trabajar en condiciones ms drsticas de

temperatura o alimentacin de hidrocarburo, etc.

Hoy en da, los grupos de investigacin ms avanzados en este tema se

encuentran en el continente asitico siendo los japoneses Y. Inoue y A. Kudo

[12,13], quienes han invertido considerables esfuerzos en el desarrollo de

fotocatalizadores capaces de ser activados por luz visible y que constituye ms

del 43% de la energa solar que incide sobre la corteza terrestre [14]. Estos

mismos grupos ya han logrado desarrollar por la ruta tradicional de estado slido

materiales sensibles a la luz UV, principalmente semiconductores con estructura

pirocloros, tneles rectangulares, perovskitas dobles, holanditas, pero

desafortunadamente estas estructuras presentan baja eficiencia. Por lo tanto es

necesario continuar con estudios fundamentales de materiales nanoestructurados

que logren desarrollar propiedades electro-fotocatalticas a longitudes de onda

mayores a 400 nm [15].



Aunque la carrera cientfica por alcanzar este propsito se remonta a la dcada de

los 90s cuando se public que algunos calcogenuros como el CdS, CdSe y el

WO3 eran activos en luz visible; la primera razn es porque posean una energa

de banda prohibida lo suficientemente pequea para permitir la absorcin de luz

visible. La segunda porque los potenciales de las bandas de valencia y de la

banda de conduccin eran los apropiados para llevar a cabo las reacciones de

oxido-reduccin [13,16]. Sin embargo, estos calcogenuros no son recomendables

en la reaccin de oxidacin de agua para formar O2 porque los aniones S-2 o Se2-

son ms susceptibles a la oxidacin con respecto al agua, lo que conlleva a que el

catalizador se oxide y en consecuencia se degraden. Para el caso del WO3 o del

BiVO4, aunque los materiales son estables para la evolucin de O2 en presencia

de un adecuado receptor de electrones [17,18]. La banda de conduccin del

material se encuentra por encima del potencial de oxidacin del agua. Por lo tanto,

el xido metlico no puede reducir H+ hacia H2. Otros sistemas prometedores son

los oxinitruros de tipo BaTaO2N, CaTaO2N, TaON, SrTiO3:Cr o sulfuros, los cuales

poseen propiedades electrnicas adecuadas para la reaccin [12,16].

Hasta el momento, se han hecho numerosos intentos sobre cmo preparar un

material fotocataltico de manera eficiente bajo la accin de luz visible a partir de la

experiencia de los xidos metlicos activos en luz UV. Por lo tanto, si sabemos

que la banda de conduccin se encuentran ligeramente por debajo de 0 V (vs

NHE) a pH 0, y arriba la banda de valencia es 3 eV. Entonces, lo anterior hace que

la energa de banda prohibida del material sea demasiado grande para excitarse

con luz visible, por lo tanto se sugiere que el xido metlico conserve el potencial

suficiente para oxidar al agua debido a la diferencia entre el potencial de oxidacin

de H2O en O2 (1.23 eV vs NHE) y el potencial del lado de la banda de valencia. Lo

anterior es muy importante para disear la estructura de bandas de un xido

metlico conservando el potencial de la banda de conduccin.



Los primeros intentos para hacer funcional un semiconductor sensible a la luz

visible estn trabajando en las siguientes direcciones:

1. Dopar al semiconductor con iones de metales de transicin que tengan

configuracin electrnica dn (o



Otra estrategia para incrementar la actividad es usar lo que ha llamado ingeniera

de bandas al juntar dos semiconductores con diferente potencial de oxido-

reduccin, se puede lograr diferentes mecanismos de combinacin electrn-hueco

lo que incrementa la actividad fotocataltica del material compuesto llamada

heterounin tal como se muestra en la figura 1.8, la imagen muestra como el

electrn hace una recombinacin diferente al pasar de la banda de conduccin del

semiconductor A, a la banda de conduccin del semiconductor B una vez ah pasa

a la banda de valencia del mismo semiconductor B para finalmente pasar a la

banda de valencia del semiconductor A lo que incrementa el tiempo de

recombinacin del par electrn-hueco original, adems se ha demostrado la

existencia de una nueva fase en la unin de los dos materiales que probablemente

proporcionara nuevas caractersticas que incrementan la actividad de la

heterounin en este caso los valores de los potenciales de oxido reduccin de

ambos materiales son determinantes en la eficiencia fotocataltica de la

heterounin en la produccin de hidrgeno.

Para la produccin de hidrgeno a travs de la foto-electroqumica es necesario el

uso de nano-materiales catalticos para utilizarse en diversas reacciones de

catlisis heterognea o foto-catalticas, en donde la estructura del slido

empleado, tamao y forma de partcula as como los precursores usados para su

sntesis juegan un papel importante para la obtencin de una conversin y

selectividad en la obtencin de hidrgeno por cualquier reaccin [22,23,24,25].

Bajo este contexto, otro reto interesante es el de inducir la formacin de hidrogeno

va electro-foto-cataltica. Es bien sabido que los procesos foto-catalticos pueden

ser mejorados al aplicar corriente elctrica (foto-electrocatlisis) [11]. Por ejemplo,

en el trabajo de K. Satoshi et al. [26], la reduccin de CO2 fue llevada a cabo foto-

electroqumicamente utilizando electrodos de InP modificados con partculas de

cobre. Otro estudio demostr que molculas orgnicas pueden ser oxidadas con

electricidad y luz UV [27]. Entonces, el control de la reaccin de evolucin de

hidrgeno (HER) [28] y oxgeno (OER) es posible en estos sistemas.



Con la expectativa de que el hidrgeno jugara un papel importante en la economa

de la energa global de los prximos aos, la comunidad cientfica busca

desarrollar estas investigaciones y frenar la problemtica ambiental. En este

proyecto se propone la sntesis de compuesto no xidos (GaN) como

fotoelectrodos activos en luz ultravioleta. Para incrementar la actividad de los

semiconductores se llevara a cabo el dopaje y la impregnacin de diferentes

cargas de xidos metlicos (xido de zinc) generando una sinergia a travs de las

propiedades electrnicas. Los fotocatalizadores preparados sern depositados

sobre sustratos modelo (ej. vidrio conductor, ITO) para emplearse como electrodos

en un reactor foto-electroqumico para la produccin de hidrgeno y su

separacin.



1.2 Objetivos y Metas

1.2.1 Objetivo General

Produccin selectiva de hidrgeno a partir de una celda (foto)-electroqumica

constituida de electrodos de materiales no-xidos o compositos sintetizados por

rutas de qumica suave (hidrotermal).

1.2.2 Objetivos Particulares

Anlisis de literatura referente a materiales no xidos y compositos (GaN)

activos con Luz UV y Luz Visible.

Poner a punto las rutas de sntesis del GaN, Zn:GaN por la ruta hidrotermal.

Caracterizacin fisicoqumica y electroqumica de los materiales sintetizados

en esta propuesta en los laboratorios de la Universidad Autnoma de Nuevo

Len y del Instituto Politcnico Nacional.

Depositacin de pelcula del semiconductor sobre ITO para su utilizacin en la

celda electroqumica.

Implementacin de una ruta de impregnacin del ZnO sobre la superficie del

semiconductor con la finalidad de amplificar la actividad de los materiales

sintetizados por las rutas de qumica suave.

Diseo, construccin y puesta en marcha del reactor fotoelectrocataltico para

lograr la produccin de H2.

Evaluacin y cuantificacin de la produccin de hidrgeno de la celda

electroqumica empleando semiconductores no xidos activos en luz visible.



1.2.3 Metas

Obtener materiales a base de Nitruro de Galio foto-electro-activos.

Diseo, construccin y puesta a punto de un reactor foto-electroqumico para

producir H2 y lograr su separacin simultanea.

Incrementar la eficiencia foto-electrocataltica a partir de la impregnacin de la

fase activa (Zinc).

Divulgacin de resultados en congresos nacionales e internacionales.

Publicacin en revistas nacionales e internacionales especializadas en el tema.

Impulsar la lnea de investigacin relacionada con fuentes alternas de energa

correspondiente a la Maestra en Ciencias con Orientacin en Ingeniera

Ambiental.

Fomentar y consolidar la colaboracin multidisciplinaria entre Instituciones

Educativas Nacionales (ESIQIE-IPN - UANL).

1.3 Hiptesis.

Es posible disear las propiedades fisicoqumicas de un compuesto no-xido

empleando rutas de qumica suave para incrementar la eficiencia hacia la

produccin de H2 en sistemas in situ (foto)-electroqumicos bajo la accin de luz y

electricidad.



REFERENCIAS: Captulo 1 [1] J. T. Baines y P.S. Bodger, Further issues in forecasting primary energy consumption, Technological Forecasting and Social Change; 26 (1984) 267-280 [2] R. Ekawan and M. Duchne, The evolution of hard coal trade in the atlantic market, Energy Policy; 34 (2006) 1487-1498 [3] http://es.wikipedia.org/wiki/Petr%C3%B3leo#El_petr.C3.B3leo_y_el_ser _humano [4] Georgios A. Florides, Paul Christodoulides, Global warming and carbon dioxide through sciences. Environment International, 35, 2009, 390401. [5] Karl E. Lonngren, Er-Wei Bai. On the global warming problem due to carbon dioxide. Energy Policy, 36, 2008, 15671568. [6] Energy technology perspectives 2010, International Energy Agency, OCDE/AIE, Paris Francia. [7] M-C. Snchez Snchez, Desarrollo de catalizadores de Niquel para la obtencin de hidrgeno a partir del reformado de etanol con vapor de agua, Tesis Docotral, Instituto de Catlisis y Petroqumica (2008) 14 [8] J. D. Holladay, J. Hu, D. L. King, Y. Wang, Catal. Today; 139 (2009) 244-260 [9] F. E. Osterloh, Chem. Mater. 2008; 20(1):35-54 [10] L. M. Torres-Martnez, R. Gmez, O. Vzquez-Cuchillo, I. Jurez-Ramrez, A. Cruz-Lpez and F. J. Alejandre-Sandoval, Catal. Communication; 12 (2010) 268-272 [11] Ouderns dEnergies Renovables, Energies Solar Fotovoltaica 3, Ecologistas en Accin (2001) [12] Y. Inoue, Energy Environ. Sci. 2 (2009) 364-386 [13] A. Kudo A, Int. J. Hydrogen Energy;32 (2007) 2673-78



[14] H. W. Kang, E.-J. Kim and S. B. Park. International Journal of Photoenergy, 14 (2008) 1-8 [15] A. B. Murphy, Solar Energy Materials and Solar Cell, 91 (2007) 1326-1337 [16] A. Kudo and Y. Miseki, Chem. Soc. Rev., 2009, 38, 253-278 [17] R. Abe. J. Photochem. Photobiol. C: Photochemistry Rev; 11 (2010) 179-209 [18] K. Maeda, J. Photochem. Photobiol. C: Photochemistry Rev; 12 (2011) 237-268 [19] J. M. Herrmann, C. Guillard, and P. Pichat, Catal. Today, 17 (1993) 7 [20] A. Hagfeldt, M. Grtzel, Light-Induced Redox Reactions in Nanocrystalline Systems, Chem. Rev. 95 (1995) 49-68 [21] A. Mills, S.-K. Lee, J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 152 (2002) 233-247 [22] M. Satyabadi, R. K. Hemalata, K.M. Parida, P.K. Satapathy, Int. J. Hydrogen Energy, 37:1, (2012) 115-124 [23] Jiefang Zhu and Michael Zach, Current opinion in colloid and Interface Science, 2009 [24] K. Domen, J. N. Kondo, M. Hara, T. Takata; Bull. Chem. Soc. Jpn., 73, 1307-1331 (2000) [25] M. Kohno, S. Ogura, K. Sato, Y. Inoue; J. Chem. Soc., Faraday Trans., 1997, 93(14), 2433-2437 [26] K. Satoshi, U. Yousuke, K. Hideyuki, S. Tohru , O. Kiyohisa; Chem. Eng. J. 148 (2009) 5762. [27] T. Mawdsley, and Y. Krause, Applied Catalysis A: General, 334:1-2 (2008) 311-320 [28] A. Manzo-Robledo, C. Levy-Clement, N. Alonso-Vante. Langmuir. 23 (2007) 11413

Captulo 2 Metodologa Experimental


CAPITULO 2: Fundamentos



CAPITULO 2: Fundamentos

2.1 Introduccin

Este captulo se presenta el desarrollo histrico de las diferentes rutas de

obtencin del hidrgeno empleando recursos renovables y no renovables con el

propsito de ubicarlo como vector energtico en las prximas dcadas. Adems

de mencionar cual es aporte energtico de cada una de estas tecnologas en la

economa se describe la importancia de impulsar las tecnologas verdes aun

cuando presentan limitaciones que las ubican en desventaja con las tecnologas

convencionales; sin embargo es fundamental su estudio para poder lograr

alcanzar un desarrollo equilibrado y en armona con la naturaleza.

Para lograr este propsito en la segunda parte se esta seccin se presenta una

descripcin de los sistemas fotocatalticos mas sobresalientes en la literatura que

se han empelados como fotocatalizadores para la produccin de hidrgeno bajo la

accin de luz UV y el desarrollo de sub-orbitales para la activacin en luz visible

empleando compuestos de tipo nitruro y oxinitruros metlicos. Adems de la

adaptacin de foto-electrodos para la obtencin y separacin de hidrgeno en una

solo etapa. En consecuencia, se describirn las propiedades fisicoqumicas,

pticas y electrnicas del nitruro de galio (GaN) y del xido de zinc (ZnO) cuando

se dop o se impregn. Lo anterior con la finalidad de incrementar la eficiencia en

las reacciones electro-fotocatalticas.



2.2 Energa Debido al incremento en la poblacin mundial y a su creciente demanda en el

consumo de energa para satisfacer las necesidades propias de una sociedad con

los avances tecnolgicos de hoy en da, es necesario producir energa cada vez

ms eficientemente y de manera sustentable. Como ya lo comentamos en el

capitulo anterior, por el momento, la fuente ms utilizada para la produccin de

electricidad es la quema de combustibles fsiles, sin embargo, sabemos tambin

que las reservas son cada vez menores. Por lo tanto es necesaria la generacin

de energa empleando recursos que se encuentren disponibles en la naturaleza.

En este caso el agua y la luz solar son recursos que estn disponibles de manera

finita y que tienen potencial para poderse aprovechar para la generacin de

hidrgeno.

Con un peso atmico de 1.0 g el hidrgeno es el elemento ms ligero. El

hidrgeno lquido tiene una densidad de 0.07 g/cm3, un factor 10 veces menor que

el de la gasolina, estas propiedades dan al hidrgeno ventajas y desventajas. Una

de las ventajas que el hidrgeno presenta es que tiene 2.6 veces ms energa por

unidad de masa [1] que la gasolina, lo que significa que es ms eficiente. Por lo

cual es ms conveniente la utilizacin del hidrgeno, a pesar de esto, la tecnologa

actual est diseada mayormente para trabajar con combustibles fsiles a nivel

industrial sin embargo los actuales problemas ambientales nos obligan al

desarrollo de tecnologas energticas ms amigables con el medio ambiente.



2.2.1 Tecnologas Maduras para la produccin de H2

2.2.1.1 Gas de sntesis

El gas natural es un combustible fsil, no renovable, compuesto por una mezcla de

hidrocarburos ligeros. Aunque su composicin puede cambiar en funcin del

yacimiento del que se extraiga, est constituido bsicamente por metano, el cual

suele encontrase en una proporcin mayor a 90%. Adems puede contener otros

gases como nitrgeno, dixido de carbono o sulfuro de hidrgeno. El gas natural

es utilizado a nivel industrial en la produccin de energa elctrica para uso

domstico y como materia prima en procesos petroqumicos. A pesar de los

fuertes problemas ambientales la demanda del gas natural ha ido en aumento y se

prev un incremento en las prximas dcadas.

Muchas de las opciones de utilizacin de metano implican su conversin inicial a

gas de sntesis. El gas de sntesis consiste en una mezcla de hidrgeno y

monxido de carbono (H2 + CO) que se usa para la obtencin de un amplio rango

de productos qumicos y combustibles, adems la mayor parte de gas de sntesis

obtenido en la industria se destina a la produccin de H2. De todo el hidrgeno

producido aproximadamente 70% se emplea en la sntesis de amoniaco y el 30%

restante se utiliza en los procesos de hidrotratamiento que se llevan a cabo en las

refineras. Como se muestra en la figura 2.1, despus de la produccin de H2, el

gas de sntesis se utiliza para la sntesis de metanol y para la produccin de

hidrocarburos lquidos a travs de la reaccin de Fisher-Tropsch. Otras

aplicaciones son la produccin de alcoholes ya aldehdos de cadena larga, por

medio de la reaccin de gas de sntesis con elefinas (reaccin de

hidroformilacin), as como la sntesis de un gran nmero de compuestos

qumicos, como formaldehido, cido actico, etileno y etilenglicol.[2,3]. Sin

embargo, la composicin del gas de sntesis es un parmetro importante en la

selectividad del producto final.



Figura 2.1 Mercado mundial del gas de sntesis.

Aunque el gas de sntesis puede ser obtenido a partir de casi cualquier fuente rica

en carbn, como petrleo, carbn, biomasa, etc. El gas natural es la principal

materia prima para la produccin del gas de sntesis. Por lo tanto para el modelo

econmico actual, el hidrgeno se podra presentar como una solucin

medioambiental a mediano plazo en la llamada economa del hidrgeno.

2.2.1.2 Reformado de Metano

El reformado de metano utilizando diferentes hidrocarburos (ej. Gas natural,

petrleo liquido, nafta, etc.) como materia prima; es el proceso ms comn para

producir gas de sntesis con vapor de agua y catalizadores metlicos[4].

El proceso se divide en la generacin de una corriente rica en hidrgeno

reformado, refirindonos a la reformacin de metano, y a la siguiente etapa que es

la purificacin de hidrgeno por la adsorcin por presurizacin. Pero nosotros no

avocaremos a la parte de la reaccin cataltica (vase figura 2.1).



Reformado de metano y conversin de CO

El metano y el vapor son transformados en una pequea estufa del reformador a

aproximadamente 900 C en presencia de un catalizador de nquel a una corriente

de reformado rico en hidrgeno de acuerdo a la siguiente reaccin:

4 + 2 + 32 H298=206 kJ.mol-1 (2.1)

+ 2 2 + 2 H298=-41 kJ.mol-1 (2.2)

El calor requerido para la reaccin 2.1 se obtiene por la combustin de

combustible gas y del calor que queda de la compresin en el paso de

purificacin. A nivel industrial, el siguiente paso realizar un ajuste en el gas de

sntesis (H2/CO) hasta un valor adecuado, por medio de la reaccin de

desplazamiento con vapor, (en ingles water gas shift) como se muestra en la

reaccin 2.2, en la que se produce H2 y CO2 y que aade un coste sustancial al

proceso global.

Debido a la naturaleza endotrmica de la reaccin 2.1, se necesitan altas

temperaturas para obtener una alta conversin de metano, lo que implica que

debe suministrarse calor al sistema. Generalmente, el calor suministrado procede

de la combustin de una parte de la propia alimentacin de gas natural

(precalentamiento), por lo que no solo se produce CO2 en el propio proceso

(reaccin 2.2) sino que a causa de la energa requerida para llevar a cabo la

reaccin [5]. As las emisiones totales de CO2 suelen encontrarse en el intervalo

de 0.35 a 0.42 m3 de CO2/m3 de H2 producido [6]. Las condiciones de operacin

de las reacciones de reformado y de desplazamiento con vapor pueden variar

ligeramente, pudindose incluso llevarse a cabo cada una de ellas en diferentes

etapas, en funcin del producto final. En el caso de la produccin de hidrgeno a

partir de gas natural, la etapa de reformado se realiza entre 100 y 1000C, y la

reaccin de desplazamiento con agua se lleva a cabo en dos etapas, una primera

a alta temperatura, entre 350C y 450C, sobre un catalizador de xido de



hierro/oxido de cromo, y una segunda etapa a baja temperatura, en el intervalo de

200-250C, sobre un catalizador de cobre. Por ltimo la corriente producto,

compuesta fundamentalmente por H2 y CO2, debe ser sometida a varias etapas de

purificacin (vase figura 2.2).

Figura 2.2 Diagrama de flujo del reformado de metano: 1 Pre-tratamiento de la

alimentacin. 2 Reformado y generacin del vapor. 3 Conversin a alta

temperatura. 4 Unidad intercambiadora de calor * opcional, dependiendo del

diseo del reformador.

Fuente: Global hydrogen bus platform.

Los catalizadores ms empleados a nivel industrial en la reaccin de reformado

con vapor son los basados en nquel (Ni/Al2O3). En general, los metales nobles

muestran mejor selectividad cataltica y resistencia a la desactivacin, pero se

usan los catalizadores basados en Ni debido a su menor costo [2]. Las principales

causas de desactivacin de los catalizadores metlicos son la sinterizacin y el

bloqueo a causa de los depsitos de carbn, para evitar este ltimo fenmeno, a

nivel industrial se trabaja con exceso de vapor de agua (H2O/CH4=3 a 4), lo que

implica mayores costos de operacin y mayor consumo de energtico [6]. Adems



los catalizadores metlicos se envenenan en presencia de compuestos de azufre,

por lo que la corriente de gas natural debe ser pre-tratada antes de su paso por el

reformador.

En la actualidad, teniendo en cuenta las limitaciones descritas para el reformado

con vapor principalmente el elevado consumo energtico, con las consecuentes

emisiones de CO2, y la inadecuada relacin H2/CO que se obtiene, se trabaja en

las mejoras en el propio proceso de reformado, as como en el desarrollo de

proceso alternativos para la produccin de hidrgeno.

Reformado de metano con CO2

El reformado de metano con CO2, o reformado seco de CH4 (reaccin 2.3), se

considera una alternativa prometedora al reformado con vapor. Se trata de una

reaccin endotrmica, favorecida por altas temperaturas y bajas presiones.

Termodinmicamente, la reaccin de reformado seco puede ocurrir a

temperaturas superiores a 640C pero, asumiendo una relacin de alimentacin

reductora (CH4/CO2=1), se necesitaran temperaturas superiores a 800C para

obtener conversiones razonables [7,8].

4 + 2 2 + 22 H298= 247 kJ.mol-1 (2.3)

Dependiendo de las condiciones de operacin, la reaccin 2.3 puede estar

acompaada de varias reacciones secundarias, las cuales determinan la

selectividad del proceso. As a temperaturas inferiores a 800C, es muy probable

que ocurra la reaccin inversa de desplazamiento con vapor de agua (Reverse

wter gas shift) descrita en la reaccin 2.4 [5].

2 + 2 + 2 H298= 41 kJ.mol-1 (2.4)



Por otro lado bajo condiciones de estequiomtricas y a una temperatura inferior a

700C, es probable la formacin de depsitos de carbn a causa de la reaccin de

Boudouard (reaccin 2.5). Sin embargo, a altas temperaturas, tiene lugar

preferencialmente la reaccin de inversa, es decir la gasificacin de carbono con

CO2 (reaccin 2.6). A elevadas temperaturas, el depsito de carbn se produce,

pero a causa de la descomposicin de CH4.

Reaccin de Boudouard

2 + 2 H298= - 172 kJ.mol-1 (2.5)

Gasificacin de CO2

+ 2 2 H298= 41 kJ.mol-1 (2.6)

El reformado de metano con CO2 tambin se lleva a cabo con catalizadores. La

naturaleza del catalizador y soporte puede influir sobre la cintica y mecanismo de

reaccin. Adems es potencialmente beneficioso para la conservacin del medio

ambiente, ya que permite convertir dos gases de efecto invernadero,

especialmente dixido de carbono en materia prima til y valiosa [9,10]. No

obstante, puesto que se trata de un proceso endotrmico, las emisiones de CO2

no se eliminaran por completo a menos que el calor necesario sea suministrado

por fuentes renovables de energa. De cualquier modo, si el calor suministrado

procediese de la combustin de una parte de la alimentacin de gas natural, las

emisiones totales de CO2 serian aproximadamente de 0.2 m3/m3 de H2.

2.2.1.3 Electrlisis

A diferencia de las reacciones redox espontaneas, que convierten la energa

qumica en energa elctrica, en la electrolisis se utiliza la energa elctrica para

inducir una reaccin qumica que es no espontnea. Este proceso se lleva a cabo

en un dispositivo que se conoce como celda electrocataltica. La electrolisis se



basa en los mismos principios en que se fundamentan los procesos que se

realizan en las celdas electroqumicas.

En el caso de la electrolisis del agua la celda est formada por un par de

electrodos de un metal inerte, como el platino, sumergidos en agua. Cuando los

electrodos se conectan a la batera, no suceda nada porque en el agua pura no

hay suficientes iones para que lleven una buena cantidad de corriente elctrica.

Por otro lado, la reaccin se llevara a cabo rpidamente en una disolucin de

H2SO4 porque tiene suficiente cantidad de iones para conducir la electricidad. De

inmediato empiezan a aparecer burbujas de gas en los dos electrodos.

El proceso que tiene lugar en el nodo es:

22() 2 () + 4+() + 4 (2.7)

En tanto que en el ctodo se tiene: +() + 122 () (2.8)

La reaccin global est dada por:

nodo (oxidacin): 22() 2 () + 4+() + 4

Ctodo (reduccin): 4[+() + 122 ()]

Reaccin global: 22() 22 () + 2 () (2.9)

Observe que no hay consumo neto de H2SO4.

En la industria el proceso de produccin de hidrgeno por la va de la electrlisis

del agua se lleva a cabo tambin en una celda de electrlisis que consiste de dos

electrodos como lo muestra la figura 2.3. Los electrodos son colocados en un

electrolito conductor de iones (usualmente una solucin acuosa alcalina con 30 %

de KOH). El gas hidrgeno es producido en el electrodo negativo (ctodo).



Figura 2.3 Representacin esquemtica del proceso de electrolisis.

2.2.2 Tecnologas Verdes para la generacin de energa. Como ya se mencion en el capitulo anterior, las energas renovables a nivel

mundial representan casi el 18% [11] de la generacin elctrica (donde la mayora

de esta participacin considera las energas generadas en hidroelctricas y

plantas elica) mientras que, la contribucin al suministro trmico de las

renovables es de un 24% [12]. En nuestro pas la generacin elctrica con base en

energas renovables representa el 3.3 % de la capacidad instalada en el servicio

pblico del pas, que incluye la capacidad destinada al servicio pblico,

cogeneracin y autoabastecimiento.

Para el ao 2030 se espera que en promedio el costo fijo se reduzca en ms de

un 20 %, destacan por el monto de reduccin, la energa fotovoltaica y la biomasa.

Gracias a diferentes factores como: la evolucin tecnolgica, la optimizacin de

cadenas de suministro, los procesos de manufactura y la mayor diseminacin,

podr lograrse esta reduccin en costos dentro de los prximos aos.



Esta es una clara muestra de la alternativa energtica real con la que contamos

para ampliar su participacin en la matriz energtica y con esto lograr la reduccin

de la dependencia a los combustibles fsiles.

Tabla 2.1 Evolucin esperada de los costos de capital para las tecnologas de

fuentes renovables. Fuente: Energy Information Administration/Assumptions to the

Annual Energy Outlook 2009. * Costos Instantneos (Overnight).

Costos de Capital para la Generacin de Energa Elctrica con Fuentes Renovables (dlares de 2007 por kW)*

Tecnologa Ao Costo de referencia

Escenario de costo

alto

Escenario de costo

bajo

Geotrmica 2012 4.097 4.158 4.081 2020 3.770 4.100 3.468 2030 3.548 4.238 3.184

Hidroelctrica 2012 2.232 2.242 2.201 2020 2.113 2.224 1.950 2030 1.920 2.339 0.929

Fotovoltaica 2012 5.266 5.434 4.937 2020 4.513 5.434 3.946 2030 3.440 5.434 2.705

Trmica Solar 2012 3.407 3.515 3.180 2020 3.597 4.519 3.228 2030 2.774 4.519 3.152

Biomasa 2012 3.710 3.729 3.252 2020 3.285 3.586 2.613 2030 2.488 3.367 1.814

Elica en costa 2012 3.784 3.851 3.462 2020 3.412 3.851 2.872 2030 2.859 3.851 2.134

Elica 2012 1.915 1.923 1.793 2020 1.810 1.923 1.530 2030 1.615 1.923 1.214



2.2.2.1 Energa Hidrulica

El aprovechamiento de la energa hidrulica data de varios siglos atrs, ya que

existen evidencias de que los griegos fueron de las primeras civilizaciones que

comenzaron a utilizar y aprovechar la energa proveniente del agua en actividades

agrcolas. Pero fue hasta la edad media cuando se desarroll la primera

maquinaria hidrulica y posteriormente durante la revolucin industrial, cuando la

energa hidrulica contribuyo de manera sustancial en el desarrollo econmico y

social de la sociedad.

Con respecto a la generacin de energa hidrulica, esta se logr entre 1880 a

1885, en la Gran Bretaa donde se construy la primera presa hidroelctrica. A

partir de ah se continuaron realizando trabajos e investigaciones para crear un

generador elctrico y lo consiguieron, adems de perfeccionar cada detalle del

mismo. Para las primeras dcadas del siglo XX, las centrales hidrulicas ya se

haban expandido alrededor del mundo y en la actualidad contribuye con ms del

10% de la produccin mundial de energa.

La energa elctrica se genera a partir de una caudal de agua que golpea unas

aspas y hace funcionar unas turbinas. Las presas hidroelctricas se clasifican en

funcin de su capacidad de produccin de electricidad en MW. Por ejemplo. Una

planta micro hidrulica produce menos de 1MW, una planta mini hidrulica puede

tener una produccin entre 1-5 MW y una central pequea hasta 30 MW.

Esta tecnologa se considera dentro de las tecnologas renovable porque tiene

como beneficio inherente la no produccin de gases de efecto invernadero (CO2,

CH4, etc.) adems influye en la reduccin del consumo de combustibles fsiles.



2.2.2.2 Biomasa La energa de la biomasa es aquella que se obtiene de productos y residuos

animales y vegetales. As, la energa contenida en la lea, los cultivos energticos,

el carbn vegetal, los residuos agrcolas, los residuos urbanos y el estircol puede

ser calificada como energa de la biomasa y se clasifica como formas primarias a

los recursos forestales mientras que las formas secundarias corresponde a los

residuos forestales, agrcolas, ganaderos y urbanos.

Actualmente se estima que 46,000 Petajoules (PJ) se producen a partir de la

biomasa y que un alto porcentaje de la poblacin de los pases en vas de

desarrollo dependen fuertemente de combustible para cubrir sus necesidades

domesticas y menos de 15% de la biomasa tiene uso industrial como combustibles

o en procesos de Calor y Energa Combinados (CHP), y electricidad [13].

En nuestro pas, el potencial de la bioenerga se estima entre 2,635 y 3,771

Petajoules al ao y es el sector agroindustrial de la caa de azcar, el ms

promisorio con un potencial de generacin de electricidad, a partir del bagazo de

caa, superior a 10.8 Petajoules al ao [14].

Desde el punto de vista del aprovechamiento energtico, la biomasa se

caracteriza por tener un bajo contenido de carbn, un elevado contenido de

oxgeno y compuestos voltiles. Estos compuestos voltiles (formada por cadenas

de tipo CnHn, CO2, CO e H2) son los que concentran gran parte del poder

calorfico de la biomasa sin embargo esta propiedad depende mucho del tipo de

biomasa y de su humedad. A partir de lo anterior, se puede considerar que el

poder calorfico de la biomasa oscila entre 3000-3500 kcal.kg-1 [0.125 - 0.146

TJ.kg-1] para residuos ligno-celulosos, 2000-2500 kcal.kg-1 [0.183 0.104 TJ.kg-1]

para residuos urbanos y 10,000 kcal.kg-1 [0.418 TJ.kg-1] para los combustibles

lquidos provenientes de cultivos energticos.



Como se ha mencionado en prrafos anteriores, este proceso involucra la

presencia de compuestos voltiles, pero desde el punto de vista ambiental, el

aprovechamiento energtico de la biomasa no contribuye al aumento de los gases

de efecto invernadero, dado que el balance de emisiones de CO2 a la atmsfera

es neutro. En decir, el CO2 generado en la combustin de la biomasa es

reabsorbido mediante la fotosntesis en el crecimiento de las plantas necesarias

para su produccin y, por lo tanto no aumenta la cantidad de CO2 presente en la

atmsfera.

El aprovechamiento energtico de la biomasa puede realizarse, normalmente de

tres formas genricas: produccin trmica, elctrica o en el sector transporte. Para

ello se suelen utilizar, generalmente dos tipos de proceso termoqumicos y los

procesos biolgicos o bioqumicos como se muestra en la figura 2.4. [15]

Figura 2.4. Rutas de obtencin de hidrgeno a partir de biomasa.



Un proceso aparte es la obtencin de biodiesel partiendo de materias primas

oleaginosas que se efecta empleando distintos pre-tratamientos a travs del

proceso de esterificacin. Generalmente con metanol generando glicerina como

subproducto.

Los procesos termoqumicos implican la trasformacin directa de la energa

qumica que contiene la biomasa en energa trmica. El calor puede generarse a

partir de biomasa slida, lquida o gaseosa. La cantidad de calor generado

depende solo del poder calorfico del combustible que se utilice.

En los procesos termoqumicos la descomposicin trmica de la biomasa puede

llevarse a cabo en distintas condiciones de oxidacin: i) En exceso de oxgeno,

dara lugar a un proceso de combustin. ii) Bajo cierta restriccin de oxgeno, lo

que se obtiene es un proceso de gasificacin (oxidacin parcial) y iii) En ausencia

completa de oxgeno se da lugar a la pirolisis.

El proceso de combustin es comnmente utilizado en pequeas calderas para la

generacin de calor o en grandes calderas para la produccin de electricidad. Una

caracterstica importante de este proceso es la capacidad de generar un elevada

temperatura de llama (1000-2000C) en funcin de las condiciones de combustin

y de las perdidas calorficas adems existe una escasa presencia de cido

sulfhdrico en los gases de combustin. En el caso de la gasificacin, el proceso

consiste en la oxidacin parcial de la biomasa para obtener monxido de carbono,

dixido de carbono, hidrgeno, metano y nitrgeno. Para transformar estos gases

en combustibles es necesario combinarlos con vapor de agua o aire y as obtener

gas de sntesis (CO e H2) mediante un proceso endotrmico. Sin embargo, la

composicin qumica de los productos de la gasificacin depender de la

naturaleza de la materia prima. Finalmente, el proceso de pirolisis consiste en la

degradacin de trmica de las molculas complejas de la biomasa en ausencia de

oxgeno. Este proceso exige un aporte trmico que puede provenir de la

combustin de una parte de la biomasa.



Por el lado de los procesos biolgicos existen 3 tecnologas para el

aprovechamiento de la biomasa. El primero es la digestin anaerobia, seguido por

la fermentacin y finalmente los procesos fotobiolgicos. En cada uno de estos

procesos estn involucrados procesos microbianos que aseguran la calidad de los

productos, CH4, CO2 o etanol para el caso de la fermentacin. Posteriormente

estas materias primas son procesadas por reformado para la obtencin de gas de

sntesis y finalmente obtener hidrgeno. Obviamente en estos sistemas se ven

involucrados sistemas catalticos a base de nquel [16]. 2.2.2.3 Energa Elica A travs de grabados pertenecientes a civilizaciones muy antiguas, se ha podido

comprobar que el aprovechamiento del viento con fines energticos se remonta a

por lo menos 3000 aos antes de la era cristiana. Habiendo sido utilizada

principalmente para la navegacin por los Fenicios y Romanos. 200 A.C., los

Persas desarrollaron artefactos que aprovechaban el viento para la molienda de

granos y durante la edad media se ampli la gama de usos emplendolas para

mover la maquinaria de las nacientes industrias textil o la metalrgica. Estos

primeros molinos eran muy rudimentarios, basando su diseo en la rotacin de un

eje colocado de forma horizontal. Los holandeses modificaron esta tecnologa y a

partir del ao 1350 comenzaron a utilizarse mquinas de eje horizontal y de cuatro

palas.

Para aprovechar la energa contenida en el viento y convertirla en energa

elctrica, Brush en el ao de 1887 construy la primera turbina elica de

funcionamiento automtico para generacin de electricidad. La turbina era de

grandes dimensiones ya que contaba con un dimetro de rotor de 17 m y 144

aspas fabricadas en madera, el generador era de solo 12 kW. Sin embargo por el

nmero de aspas el giro era lento y poco eficiente.



Otro de los grandes pioneros de los generadorores elicos fue el ingeniero Paul La

Cour que en 1892 construy su primer prototipo de generador eoloelctrico, as

como un tnel de viento para realizar su experimento. Lo anterior sent las bases

de los autogeneradores modernos debido a que en sus experimentos descubri

que en los grandes generadores eoloelctricos de giro rpido con pocas palas en

el rotor son ms eficientes para la produccin de electricidad que aquellos de giro

lento. La Cour se preocupaba del almacenamiento de energa y utilizaba la

electricidad para realizar electrlisis y obtener as hidrgeno.

Los primeros autogeneradores de corriente alterna fueron desarrollados por

Johannes Juul. En 1956 desarroll el autogenerador de Gedser en Dinamarca con

capacidad de 0.200 MW. El generador era tripala con rotor barlovento (que reciben

el viento de frente y necesitan un sistema independiente de orientacin), con

orientacin electromecnica y un generador asncrono (el campo magntico

giratorio se crea a travs del estrator, cuyos devanados debern estar a

conectados a una fuente exterior de tensin alterna). Su diseo fue pionero de los

modernos autogenradores; ya que contaba con regulacin por prdida

aerodinmica, as como la innovacin de frenos aerodinmicos de emergencia.

Despus de la crisis energtico de la dcada de los 70s, se origin un auge de las

energas renovables y la elica no fue la excepcin. La generacin de

aerogeneradores de 55 kW que fueron desarrollados entre 1980 y 1981 supuso la

ruptura industrial y tecnolgica para los modernos autogenradores.

La energa elica hace referencia a aquellas tecnologas y aplicaciones en que se

aprovecha la energa cintica del viento, convirtindola a energa elctrica o

mecnica. En esta seccin nos avocaremos a los autogeneradores donde existen

dos tcnicas a partir de las cuales se ha buscado transformar la energa elica en

electricidad:

a) La primera, que utiliza una mquina generadora de eje horizontal apoyada

en lo alto de una estructura, cuyo rotor est provisto con labes o palas que



le permiten capturar la energa cintica del viento. Esta es la tecnologa

ms estudiada y utilizada en el planeta dado que permite capturar vientos

de alturas superiores, donde son ms ricos, y su instalacin y

mantenimiento presenta menos complicaciones.

b) La segunda, que utiliza un generador de eje vertical apoyado en el suelo

con un rotor igualmente provisto de labes que le permiten capturar la

energa. Adems tienen la ventaja que no necesitan orientarse respecto a la

direccin de donde sopla el viento, porque cualquiera que sea, acciona de

la misma manera sobre si rotor.

La tecnologa contina avanzando a travs del aumento en las dimensiones y de

eficiencia de las mquinas, pasando de las primeras que tenan una capacidad

medida en decenas de kilowatts, hasta mquinas de varios Megawatts que operan

al da de hoy. De igual forma, la explotacin de este recurso renovable ha migrado

desde las zonas con viento en tierra hacia otras ms complejas como el mar

abierto.

En Mxico se han identificado diferentes zonas con potencial para la explotacin

elica para la generacin elctrica, como en el Istmo de Tehuantepec, en el

estado de Oaxaca, La Rumorosa en el estado de Baja California, as como en los

estados de Zacatecas, Hidalgo, Veracruz, Sinaloa, y en la Pennsula de Yucatn,

entre otros. La Asociacin Mexicana de Energa Elica estima que estas zonas

podran aportar hasta 10,000 MW de capacidad al parque elctrico nacional [17].

En marzo de este ao se inaugur el parque elico con mayor capacidad de

generacin de todo el pas, Oaxaca II y IV proveer una energa estimada de

304.2 MW (vase figura 2.5). [18]



Figura 2.5. Potencial elico en Mxico.

As como otras fuentes de energa renovable, la energa elica presenta ventajas

importantes para cualquier matriz energtica debido a sus costos, a que no

produce emisiones de gases de efecto invernadero y a que no est sujeta a la

volatilidad de los precios de los combustibles. En cambio, presenta desventajas en

su intermitencia, la distancia entre las zonas de viento y las redes elctricas, la

contaminacin visual y auditiva que produce y el impacto que puede tener en la

fauna que habita las zonas de viento o utilizan este recurso como una gua en sus

migraciones anuales.

2.2.2.4 Geotrmica La geotermia es referida como la energa que se deriva del calor natural existente

en el interior de la tierra. La mayor parte de este calor se genera a partir de

material fundido llamado magma. La mayora del magma producido en la Tierra no



llega a la superficie, sino que tiende acumularse a profundidades entre 5 y 10 km,

en donde suele calentar grandes regiones de roca o reservorios de fluidos

confinados, los cuales dan origen a la formacin de los sistemas geotrmicos

[19,20]. Desde un punto de vista prctico, se denomina energa geotrmica o

simplemente geotermia al estudio y utilizacin de la energa trmica que,

transportada a travs de la roca y/o de fluidos, se desplaza desde el interior de la

corteza terrestre hacia los niveles superficiales de la misma. Esta energa produce

en la superficie terrestre impresionantes manifestaciones tales como fumarolas,

manantiales termales, giseres, as como la manifestacin ms extraordinaria de

todas, los volcanes. [21].

El flujo de calor promedio que se da travs de

Documents

Quimica suave