Sesión 1: la Energía del Hidrógeno

El hidrógeno es el vector energético de moda (no confundir con fuente de energía; los vectores energéticos son sólo formas de almacenamiento de la energía, no de obtención): gracias a las células de combustible el hidrógeno se pueden combinar con oxígeno para producir agua como único residuo y generar electricidad. Además es almacenable en altas cantidades, si lo comprimimos a alta presión: un depósito de H2 licuado puede mover un coche con la misma autonomía que lo haría un depósito igual de gasolina (no confundir con los coches de motor de combustión que utilizan hidrógeno: el rendimiento energético de la combustión del H2 en un ciclo térmico es la quinta parte del que tendría en una célula de combustible).

Hay en la red multitud de documentales sobre el potencial de este combustible en el futuro. Yo recomiendo HIDRÓGENO, EL PODER DEL FUTURO donde se muestran sus aplicaciones actuales.

Recientemente una encuesta entre expertos en el futuro del automóvil daba más potencial a los coches eléctricos con pila de hidrógeno que a los coches eléctricos con baterías recargables. Parece que el H2 moverá el futuro. Pero la cosa no es tan sencilla como pudieron comprobar los alumnos del ANDALUCÍA PROFUNDIZA.

Para ello utilizamos un coche didáctico que se mueve mediante una célula de hidrógeno que alimenta un motor eléctrico. Previamente, el mismo coche ha realizado la electrólisis del agua separando el hidrógeno y el oxígeno en sendos depósitos. Para ello utiliza una fuente exterior de energía que puede ser un par de pilas clásicas o (más interesante) una placa fotovoltaica que incorpora. Es interesante ver cómo produce el doble de volumen de H2 que de O2.

La empresa que fabrica este kir didáctico tiene varios modelos, pero yo recomiendo el Hydrocar FCJJ-20. También tiene otros que producen hidrógeno a partir de agua y etanol. Aquí hay un par de videos con publicidad del Hydrocar y una demostración.

El kit es relativamente barato (alrededor de 80 euros en España), pero conviene asegurarse de que incluye instrucciones en Español (no todas las cajas los traen).

La experiencia con los alumnos del ANDALUCÍA PROFUNDIZA trajo varias conclusiones. A partir del cálculo de la energía necesaria para “llenar el depósito” de hidrógeno mediante la fórmula E=V·I·t (la intensidad variaba durante el proceso: se aplicó  un valor ponderado) y del cálculo de hidrógeno obtenido mediante la fórmula  p·V = n· r .Tª y de la energía asociada a partir de la energía de combustión superior para esos escasos miligramos llegamos a la conclusión de que la electrólisis del hidrógeno necesita de mucha energía para darnos a cambio tan poca. Actualmente se trabaja en formas de obtención del hidrógeno más rentables energética y económicamente.

Otra conclusión es que cuando convertimos ese hidrógeno obtenido en energía eléctrica el rendimiento es bastante bueno. Ahí radica uno de sus grandes atractivos.

La última conclusión es que si realizamos la electrólisis del hidrógeno a partir de una fuente de energía renovable como el sol, puede ser una combinación muy interesante. Una forma de obtener energía inagotable y una forma de almacenarla poco aparatosa y no contaminante (frente a las baterías eléctricas). Veremos lo que nos depara el futuro en un sector tecnológico tan fundamental, tan dinámico y con tanto potencial de puestos de trabajo como las energía renovables.

Les dejo un par de vídeos con la experiencia de los alumnos del ANDALUCÍA PROFUNDIZA.

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Sesiones 7 y 8: la placa fotovoltaica de doble eje.

Los alumnos del ANDALUCÍA PROFUNDIZA ya sabían de la conveniencia de que la placa fotovoltaica estuviera siempre completamente de cara al sol. Lo contrario provocaría una reducción de la producción eléctrica de la misma (el llamado “factor coseno”). Y de lo que se trata es de optimizarla.

Para ello, nuestra placa fotovoltaica de doble eje incorpora dos servomotores que la orientarán horizontal y verticalmente. En un caso real, esta orientación depende de la latitud y longitud del emplazamiento de la placa y del día del año y la hora en que esté operando. No obstante, nosotros gestionaremos el movimiento de la placa en función de su producción eléctrica y de si su última orientación ha mejorado la producción o la ha empeorado. El programa consistirían en cuatro bucles (uno para cada sentido del movimiento) dentro de un bucle infinito.

Como en el aerogenerador autoorientable, conviene optimizar el angulo de giro en cada bucle tanto para el movimiento horizontal como el vertical, los retardos entre los movimientos y la medidad de la potencia generada  y el número de medidas de potencia a ponderar hasta obtener un parámetro de potencia comparable. Eso nos obligará a utilizar el Data Logger.

En la comparativa en condiciones reales, una vez más el tiempo no acompañó: eran altas horas de la tarde cuando hicimos la prueba y, además, estaba nublado…

Veamos los vídeos de la comparativa entre los diferentes programas de gestión de la placa fotovoltaica de doble eje creados por los alumnos del Andalucía Profundiza.

La placa fotovoltaica de doble eje en detalle

Sesiones 5 y 6: el aerogenerador autoorientable

Los aerogeneradores ya forman parte del paisaje en la zonas ventosas. El viento es una fuente de energía limpia e inagotable, pero tiene el inconveniente de ser imprevisible e intermitente. Así las cosas, es vital aprovechar al máximo su potencial encarando siempre sus aspas al viento como ya hacían desde hace siglos los molinos de trigo.

Para ello el aerogenerador incorpora un servomotor que orienta el rotor del generador (acoplado mediante un mecanismo multiplicador de la velocidad a las aspas) al viento. Para ello, el ladrillo del Mindstorm NXT 2.1 le pregunta al ladrillo almacenador y medidor de energía por la potencia que produce el generador. Si tras el último movimiento del servomotor esta producción ha mejorado es que el eje del generador a reducido el ángulo respecto del viento y vuelve a moverse en el último sentido. Si por contra el último movimiento del servomotor ha provocado una reducción en la producción de potencia eléctrica es que ha llegado el momento de invertir el sentido de giro del servomotor. Y vuelta a empezar. Se trata de dos bucles seguidos dentro de un bucle infinito.

Parece sencillo y obvio, pero la cosa es más complicada: como se puede observar haciendo pruebas en el prototipo con en el NXT2.1 Data Loggin (usar el ladrillo Mindstorm como tarjeta de adquisición de datos con representación de gráfica en tiempo real) los resultados demuestran que:

Primero, la producción de potencia tiene muchos picos causados por la conmutación del colector de delgas de la dinamo (suongo). Esto motiva que tengamos que hacer varias medidas y ponderarlas para obtener un valor de potencia eléctrica con el que hacer comparaciones con potencias anteriores.

Segundo, la variación de la potencia al variar el ángulo con respecto del viento tiene un cierto retraso motivado por el momento de inercia de rotor de la turbina. Conviene entonces introducir un pequeño retardo entre el giro del servomotor y la medida de la potencia que sea suficiente pero no excesivo.

Y tercero, el ángulo mínimo que tiene que girar el servomotor para que la mejora/empeoramiento de la producción sea fiable. Si es demasiado pequeño, no se percibe cambio en la potencia. Si es demasiado grande, nunca encontraremos el ángulo óptimo.

Corresponde entonces hacer muchos ensayos y comparativas con el Data Logging y con el prototipo en condiciones reales para optimizar el número de medidas a ponderar, el retardo y el ángulo de giro.

Dejo la palabra a los alumnos del ANDALUCÍA PROFUNDIZA para que expliquen ellos mismos el aerogenerador autoorientable y la comparativa entre los diferentes programas de gestión del mismo que realizaron ellos mismos.

Al buen tiempo, mala cara…

Conclusiones

Y el programa de gestión

 

El aire comprimido como vector energético

El aire comprimido tiene muchas aplicaciones industriales: la neumática es la rama de la tecnología que las estudia. Podemos ver su utilidad en puertas de autobuses, por ejemplo. O en cualquier cadena de producción.

Su aplicación en la automoción es más reciente. Youtube está lleno de vídeos de intentos de convertir bicicletas en motos sin más combustible que el aire. La mayor parte se basa en cilindros neumáticos o en motores de dos tiempos. Personalmente, creo que sería mejor idea aplicar alguna suerte de turbina de varias etapas, esto es, que aprovechara al máximo las descompresiones del aire hasta quedar a presión atmosférica y que fuera reversible, esto es, que pudiera utilizar el frenado regenerador para que en caso de frenado o si va cuesta abajo se utilice la inercia de la bici para comprimir nuevo aire que quede almacenado para ayudarnos en la próxima aceleración o la próxima cuesta arriba.

Opciones más serias son el coche de aire comprimido (pequeño utilitario con una autonomía aceptable para desplazamientos urbanos) o el coche híbrido neumático, donde la energía sobrante del motor de combustión se almacena en forma de aire comprimido para aprovecharla posteriormente como hacen los coches híbridos eléctricos que la almacenan en baterías eléctricas.

No todo pinta bien en este vector barato y no contaminante: sus inconvenientes son poquísima autonomía para bajas presiones, la energía que se pierde en forma de calor al comprimir (una perdida considerable en caso de altas presiones) y el peligro de explosión del depósito en caso de accidente.

Con las piezas de lego se pueden hacer vehículos movidos por aire comprimido como los siguientes (del segundo se pueden localizar los planos de montaje):

Los alumnos del profundiza no han montado estos prototipos: era su primer contacto con LEGO Technic y se optó por otros dispositivos más fáciles de montar y ensayar.

Empezamos por la prensa neumática, aunque será mejor que nos la expliquen ellos mismos

.

Seguimos con la plataforma neumática (como la que tienen la gente que hace obras o pinta en fachadas, aunque en su caso son hidráulicas). Vemos como cambia el consumo de aire si se levanta a más altura o con más peso

Y terminamos con el espectacular brazo robótico con tres grados de libertad. Incorpora un compresor eléctrico construido con piezas de Lego también.

En el futuro las aplicaciones de la neumática en la automoción darán muchísimo juego frente a las baterías eléctricas que son caras y contaminantes en su producción y deshecho.

Vídeo

Sesión 3: generando energía a partir de la naturaleza

En esta práctica los muchachos del Andalucía Profundiza aprendieron a generar energía eléctrica (y a cuantificarla en voltios, amperios, wattios y julios) a partir de fuentes naturales: el sol, el viento y el agua de los ríos.

Para ello conviene aclarar el funcionamiento del ladrillo del set de Energías Alternativas de LEGO: se trata de un pequeño almacenador de energía (hasta 100 julios) que muestra instantáneamente el voltaje, la intensidad y la potencia eléctrica que recibe de una fuente externa (una dinamo o una placa fotovoltaica) o que envía a un receptor externo (un motor de CC, un LED, etc). Muestra también la energía que queda en su interior (entre la que recibe y la que envía). Pero lo más importante es que en prácticas posteriores podré utilizarlo como sensor en contacto con el ladrillo del MINDSTORM NXT 2.1 para tomar decisiones sobre la orientación del aerogenerador o de la placa fotovoltaica de doble eje. Pero ya hablaremos de ello. De momento, dejemos que un alumno del programa nos explique el funcionamiento del ladrillo.

Con un generador eólico de LEGO  movemos una dinamo que generará energía eléctrica que se almacenará y cuantificará en el ladrillo contador de energía. Veamos en qué consiste y cómo varía la producción de energía en función de ángulo y de la intensidad del viento.

Ahora llega el turno de la energía hidroeléctrica. Los alumnos experimentan el incremento de la producción eléctrica con el mayor caudal del agua y la mayor altura respecto de la que cae.

Finalmente es el turno de la energía solar. A partir de una placa fotovoltaica observamos cómo varía la producción en función de varios factores como el día del año, la hora del día, la meteorología (que, por cierto, fue bastante adversa durante todo el profundiza:cuando hizo falta sol, estaba nublado, cuando hizo falta viento, llovía, etc) y la inclinación de la placa respecto del suelo y de su sombra. Los primeros factores son inalterables pero los dos últimos pueden ser optimizados para que la placa esté siempre encarada al sol perpendicularmente.

A modo de resumen, las conclusiones de la sesión

Sesión 4: Programación del Mindstorm NXT 2.1

Se trata de un Kit bastante caro de LEGO (en torno a los 300 euros…) cuyo corazón es el ladrillo programable. Éste tiene una conexión USB para recibir del ordenador (PC o Mac) los programas que hayamos desarrollado con éste. El Ladrillo tiene conexiones para acoplarse a tres servomotores y a cuatro sensores (de contacto, de luz, de ultrasonidos, de sonido, etc).

El robot es lúdicamente versatil: con ayuda de otros kits de LEGO se puede convertir en un escorpión, en una máquina distribuidora de piezas por colores, en un robot andarín… o en una placa fotovoltaica de doble eje autoorientable o en un aerogenerador que siempre dé la cara al viento como realizarán en próximas sesiones. Y en mil cosas más.

Lo realmente interesante es programarlo; esto es, diseñar un programa que mande órdenes a los servomotores en función de la información del exterior que reciben de los sensores. Su programación es accesible al alumnado de primer ciclo de ESO porque se realiza mediante comandos gráficos que colocan en un circuito algorítmico y se aprende fácilmente gracias a un tutorial bastante ameno que incorpora el software del robo. No obstante, quien dominar el lenguaje de programación deberá leerse completamente las ayudas del programa. Otra opción es programarlo directamente en lenguaje C.

El alumnado del ANDALUCÍA PROFUNDIZA dispuso de 3 horas para montar el robot y aprender la mayor parte de su programación así como a volcarla en el robot y ensayarla. Fue una práctica bastante entretenida. Pero también necesaria para acometer la automatización del aerogenerador y de la placa fotovoltaica.

A modo de curiosidad, les dejo algunos vídeos del youtube con tutoriales de programación del robot y algunas de las cosas que se pueden hacer con él.

Tutorial rápido de programación del Mindstorm NXT 2.1

El robot andarín

Escorpión contra dinosaurio (ver con el volumen apagado…)

El clasificador de ladrillos por colores

El aerogenerador y las variaciones de su producción energética con la intensidad del viento

La placa fotovoltaica de doble eje y su comportamiento con el software de adquisición de datos