proyecto de grado anÁlisis de la implementaciÓn de …

ANÁLISIS DE LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA CELDA DE

COMBUSTIBLE EN UNA MOTOCICLETA TIPO ESCÚTER

CELESTIN PELLISSIER, ESTUDIANTE INTERCAMBIO DE

INGENIERIA MECANICA

Director: Ph.D. Juan Esteban Tibaquirá Giraldo

UTP - PEREIRA – Junio de 2016

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL :

Analizar la implementación de una celda de combustible en una motocicleta tipo escúter

OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

Realizar un estudio de las marcas y modelos de escúter vendidos en Colombia.

Seleccionar el escúter donde se implementará la celda de combustible.

Seleccionar y analizar un ciclo de conducción, para obtener la potencia y la velocidad media del escúter.

Seleccionar la celda de combustible.

Seleccionar el sistema de almacenamiento de hidrógeno para el escúter.

Ubicar los componentes seleccionados en el modelo 3D del escúter seleccionado.

CONTENIDO

MARCO TEÓRICO

SELECCIÓN DEL ESCÚTER

POTENCIA REQUERIDA Y VELOCIDAD MEDIA DEL ESCÚTER

SELECCIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE

SELECCIÓN DEL SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE HIDROGENO

UBICACIÓN DE LOS COMPONENTES Y DISEÑO POR CAD

CELDA DE COMBUSTIBLE

Densidad energética: H2:120 MJ/kg - Gasolina: 44,4 MJ/kg

Celda de combustible (PEMFC) :

Reacción en el ánodo: H2 → 2H+ + 2e−

Reacción en el cátodo: 1

2𝑂2 + 2𝐻+ + 2𝑒− → 𝐻2𝑂

Reacción general: 𝐻2 +1

2𝑂2 → 𝐻2𝑂

CATHODE

ANODE

HYDROGEN

OXYGEN

ELECTROLYTELOAD

ALMACENAMIENTO DE HIDROGENO

• 300, 350, 500, 700 bar

• Tipos I, II, III, IV

• Presiones muy altas

Compresión

• menor presión

• T= −252.8°C

• Poco eficiente

• Peligroso

Licuefacción

• MOFs (materiales sintéticos porosos)

• Hidruros Metalicos

• Poca relación peso/volumen

• Alto costo

Adsorción/Absorción

• Hidruros: LiBH4, NaBH4, LiAlH4…

• Alto costo

Almacenamiento químico

1. Generación Hidrógeno

• Separación Hidrocarburos

• Hidrólisis

2. Transporte

• Infraestructura (hidroductos)

• Carrotanques

3. Almacenamiento

• Compresión

• Licuefacción

• Materiales

4. Celda de combustible

PROCESO ENERGÉTICO COMPLETO

5. Conversor DC/DC

6. Almacenamiento eléctrico

• Batería

• Supercapacitor

7. Motor eléctrico

8. Rueda

PROCESO ENERGÉTICO COMPLETO

METODOLOGÍA

CONTENIDO

MARCO TEÓRICO






ESTUDIO DE LAS MARCAS Y MODELOS VENDIDOS EN COLOMBIA

Método: Análisis de las ventas, periodo 1977-2015 : www.publimotos.com

MODELO VENTAS DESDE 1977

YAMAHA BWS + BWS X 175991

HONDA ELITE 4567

KYMCO AGILITY + AGILITY

DIGITAL92096

http://www.publimotos.com/


PRECIO: $6’850.000 COP

• Alta % de participación en el parque

automotor colombiano

• Importante disponibilidad de espacio

• Demanda en mercados internacionales

(Yamaha Zuma)

• Alto costo relativo

CONTENIDO

MARCO TEÓRICO






MODELIZACIÓN DE LA POTENCIA

Modelo matemático de la potencia a la rueda:

Prueda = mav + mgv sin ϑ + mgvCRR cos ϑ +1

2ρaireCDAFv

3

Parámetros:

Masa total = 120kg (moto) + 2x70kg (pasajeros) + 20kg (sobrecarga) = 280kg

Potencia del motor: Pmotor=Prueda

ηmotorcon 𝜂𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 ≈ 80% (Heinzmann)

Vehículo CRR CD AF (m²) Peso (kg) Potencia de auxiliares (W)

Escúter

eléctrico0,014 0,9 0,6 130 60

APLICACIÓN DEL MODELO MATEMÁTICO

• “Steady-state test”: pruebas a velocidad, aceleración y pendiente fijas

(requerido para baterías y motor)

• Ciclo de manejo: Reproduce el manejo real de un vehículo y da : Velocidad = f(t)

De este ciclo se puede sacar la aceleración a, y con esas dos variables se puede

calcular la potencia en cualquier momento del ciclo.

Ciclo de manejo ECE-15 (condiciones de manejo en ciudades europeas)

CICLO DE MANEJO ECE-15

𝑷𝒎𝒐𝒕𝒐𝒓_𝒔𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂 = 𝟓𝟗𝟖, 𝟖𝑾 ≈ 𝟔𝟎𝟎𝑾

𝑽𝒔𝒄𝒐𝒐𝒕𝒆𝒓_𝒎𝒆𝒅𝒊𝒂 = 𝟏𝟖, 𝟐𝟔𝐤𝐦/𝐡

CONTENIDO

MARCO TEÓRICO






TECNOLOGÍA DE LAS CELDAS DE

COMBUSTIBLE Comercializado: celda de membrana de intercambio de protones (PEMFC)

Modo de funcionamiento: “load-leveled” o “load-following”

POTENCIA REQUERIDA DE LA CELDA

Entre la celda y el motor, interviene un conversor DC/DC llamado “boost converter” en

inglés, que va a aumentar el voltaje suministrado por la celda al motor.

𝜼𝒄𝒐𝒏𝒗𝒆𝒓𝒔𝒐𝒓 𝑫𝑪/𝑫𝑪 > 90%

Perdidas por auxiliares, (ventiladores, luces, controlador, etc.) = 5/10% de la potencia

requerida ≈ 100W

Entonces, para que el motor disponga de 600W y que los sistemas auxiliaros funcionen:

𝑷𝒄𝒐𝒏𝒔𝒕𝒂𝒏𝒕𝒆_𝒄𝒆𝒍𝒅𝒂 =𝑷𝒎𝒐𝒕𝒐𝒓_𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 + 𝑷𝒂𝒖𝒙𝒊𝒍𝒊𝒂𝒓𝒐𝒔

𝜼𝒄𝒐𝒏𝒗𝒆𝒓𝒔𝒐𝒓 𝑫𝑪/𝑫𝑪=

𝟕𝟎𝟎𝑾

𝟎,𝟗𝟎= 𝟕𝟕𝟖𝑾

Ciclo de manejo hecho para ciudad de Europa

y cálculos a condiciones ideales

⇒ 𝑷𝒄𝒐𝒏𝒔𝒕𝒂𝒏𝒕𝒆_𝒄𝒆𝒍𝒅𝒂 ≈ 𝟏𝟎𝟎𝟎𝑾

COMPARACIÓN DE LAS CELDAS

Ballard FCGen-1020ACS : 43W/cell => Modelo estándar : 28 cells => Potencia nominal = 1204W

Dimensiones: L x H x W = 209,4 x (103 + 30) x 351mm, 6,58kg

HFC H-1000 FCS-C1000: Modelo estándar 1kW

Dimensiones: 268 x 233 x 122,5mm, 4kg + 400g (controlador)

PowerCell S1-10C: Modelo estándar 1kW

Dimensiones: información no disponible en la documentación del sitio

Inteligent Energy: Potencia nominal 2,5kW

No HAY información disponible (Suzuki)

COMPARACIÓN DE LAS CELDAS

Mejor densidad de potencia para la HFC H-1000 y también mejor relación

potencia/volumen si se considera la Ballard con ventiladores (dimensiones aproximadas).

Nombre Potencia [W] Peso [kg]

Volumen

[cm3]

Densidad de

potencia

[W/kg]

Densidad de

potencia por

volumen

[W/cm3]

Ballard FCGen-

1020ACS 28 cells1204 6,58 75704 183 0,0159

Ballard FCGen-

1020ACS 28 cells

(ventiladores)

1204 ? 97754 ? 0,0123

HFC H-1000 1000 4 72191 250 0,0139

CONTENIDO

MARCO TEÓRICO






CALCULO DE LA CAPACIDAD DE HIDROGENO A

ALMACENAR

• t =A𝑢𝑡

V𝑚= 9,3 ℎ

• ER = 𝑃 × 𝑡 = 9310𝑊ℎ

• La =𝐸𝑅

DEH= 3347 𝐿

• mH =𝐿𝑎

𝑉𝑒= 0,279kg

Variables Símbolo Valor

Tiempo de uso t 9,3 [h]

Autonomía Aut 170 [km]

Velocidad media V𝑚 18,26 [km/h]

Potencia P 1000 [W]

Litros de hidrogeno a

condiciones ambientesLa

3347 [L]

Energía requerida ER 9310 [Wh]

Densidad energética

del hidrogenoDEH 2,78 [Wh/L]

Volumen especifico del

hidrogeno𝑉𝑒 11983 [L/kg]

Masa de hidrogeno mH 0,279 [kg]

ALMACENAMIENTO DE HIDROGENO : HIDROGENO

COMPRIMIDO

Factor de compresibilidad del hidrogeno: f (Presión)

Coef. director =𝟏, 𝟒𝟑𝟒 − 1

700 − 0= 6,1997 × 10−4

=> Z = 6,1997 × 10−4 × P + 1

COMPARACIÓN DE LAS SOLUCIONES DE

ALMACENAMIENTO

Análisis de las soluciones del mercado para 3347L de hidrogeno:

• Tanques a presión tipo IV, 300 bares

CTS Energy Tanques

• Tanques a presión tipo III, 350 bares

Worthington

• Tanques a presión tipo III o IV, 700 bares

Faber

• Tanques de hidruros metálicos

(PragmaIndustries)

Variable Valor Unidades

Litros de H2 requeridos (a condiciones ambientes) 3347 L

kg de H2 almacenado 0,2793115 kg

Factor de compresibilidad Z para 700bares a 300K 1,43397865



Volumen bajo 700 bares 6,85651399 L



SOLUCIONES DEL

MERCADO

Ventajas y desventajas de las soluciones:

• Hidruros: Carga facilitada, estabilidad del

hidrogeno almacenado / reacción de descarga

endotérmica

• Alta presión: Solo se necesita válvula de

regulación / Peligro debido a la presión,

necesita herramientas de carga costosos

Tanques de

hidruros

metálicos

(PragmaInd

ustries)

Tanque alta

presión type

III, 350 bares

(Worthington

)

Tanque alta

presión type IV,

300 bares (CTS

Energy Tanques)

Tanque alta

presión type IV,

700bares (Faber)

Capacidad de

almacenamiento

equivalente

3500L 8600L 4544L18550L

Peso_tanque25kg + 12kg

= 37kg

18,8kg (con

muy alta

capacidad)

4,5kg + 3,3kg =

7,8kg28kg

Volumen_tanqu

e

Ø180 x

L480 mm +

Ø145 x

L2840 mm

Ø305x L700

mm

Ø180x L538 mm +

Ø158x L465 mmØ246 x L…

Precio del

tanque

(calculado)

$43 x #kWh ~$13 x #kWh $13 x #kWh $17 x #kWh

Soluciones

Criterios

SELECCIÓN DE UNA SOLUCIÓN

Criterio

Tanques

de

hidruros

metálicos

Tanques

a presión

Peso_tanque/H2 almacenado

Ponderación : 3(1)*3 (3)*3

Volumen_tanque/H2 almac.


Precio del tanque


Seguridad de almac.


Condiciones de uso

(Temperatura, P…)


Total : 25 37

Mejor solución: tanques a presión

Tanques a alta presión: 700 bares

Pero alta capacidad (38L…) o hechos al pedido

Análisis del mercado: dimensiones… y realización de un “prototipo”

“Faber Cylinders”

= (Nota)*Ponderación

Water

Capacity

(litre)

Nominal

Diameter

(mm)

Standard /

Regulations

Working

Pressure

(bar)

Comments

38 246 EC 79/2009 700Type 3 Carbon

Fibre

39 346 EC 79/2009 700Type 3 Carbon

Fibre

PROTOTIPO DE TANQUE

• Diámetro max. (resistencia): 246mm

• Volumen interno: 6,86L

• Varios intentos para la ubicación

optima del tanque

CONTENIDO

MARCO TEÓRICO






UBICACIÓN DE LOS COMPONENTES

CONCLUSIONES






TECNOLOGIA DEL HIDROGENO EN VEHICULOS (PRECIO, FUTURO)

AGRADECIMIENTOS

Instituciones:

• Facultad de Ingeniera Mecánica, Universidad Tecnológica de Pereira

• Laboratorio de Pruebas Dinámicas Automotrices, Universidad Tecnológica de Pereira

• Vicerrectoría de Investigaciones, Innovación y Extensión, Universidad Tecnológica de Pereira

Personas:

• Dr. Juan Esteban Tibaquirá Giraldo

• Sebastián, Luis Felipe, Adrián, Juan Pablo y María, por sus aportes y hacer muy amena la realización de este

trabajo.

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