Artículo original
Integración
de la temática de producción de hidrógeno verde mediante software de simulación
Integration of the green hydrogen production thematic via simulation software
Nélida Mabel Agüero (1), Ignacio J.
Zaradnik (2), Hugo R. Tantignone (3)
(1)
Universidad
Nacional de la Matanza
maguero@unlam.edu.ar
(2) Universidad Nacional de la Matanza
izaradnik@unlam.edu.ar
(3) Universidad Nacional de la Matanza
htantignone@unlam.edu.ar
Resumen:
A continuación, se presenta un
trabajo conjunto realizado por grupos de investigación de la Universidad
Nacional de La Matanza asociados a las temáticas de energías renovables y
softwares de simulación. Es conocida la importancia que están teniendo las energías
renovables en la actualidad y la incidencia de la electrónica en ellas, por lo
que las mismas pueden ser un nexo entre las distintas materias de la carrera de
Ingeniería Electrónica. Lamentablemente, una instalación fotovoltaica, eólica o
de generación de hidrógeno, tienen costos elevados y requieren de un espacio
que no siempre se encuentra disponible en las instituciones. El uso de un
software de simulación brinda una alternativa viable para integrar estas
temáticas. En función de esto, se estudió la cadena de producción de hidrógeno
verde, la relación de cada uno de sus elementos con las materias de Ingeniería
Electrónica, y los softwares de simulación que se podrían emplear para
analizarlos. La selección realizada se fundamentó en la facilidad de uso y
acceso a los softwares por parte de docentes y alumnos. Los softwares
elegidos permiten integrar las energías renovables a la carrera, brindando a
los estudiantes la posibilidad de concebir, diseñar y desarrollar proyectos de
ingeniería.
Abstract:
The work carried out jointly by research groups from the Universidad Nacional de la Matanza associated with the topics of renewable energy and simulation software is presented below. The importance that renewable energies are having today and the impact of electronics on them is known, so they can be a link between the different subjects of the Electronic Engineering degree. Unfortunately, a photovoltaic, wind or hydrogen generation installation has high costs and requires space that is not always available in institutions, so the use of simulation software provides a viable alternative to integrate this topic. Based on this, the production chain of green Hydrogen was studied, the relationship of each of its elements with the subjects of Electronic Engineering and the simulation software that could be used to analyze them. The selection made was based on the ease of use of the software and the access to it by teachers and students. The chosen software not only allows the integration of renewable energies into the degree but also allows students to conceive, design and develop engineering projects.
Palabras Clave: Software de simulación, Energías renovables,
Hidrógeno verde
Key Words: Simulation software, Renewable energies, Green hydrogen
Colaboradores: Leandro Jaimes Soria, Javier Slawiski.
I. CONTEXTO
En el marco del proyecto
"Desarrollo de un sensor inteligente para certificación de origen del
Hidrógeno" (Proyecto CyTMA2 C2-ING-113),
se planteó trabajar en conjunto con los investigadores del proyecto de
investigación "Softwares de Simulación para Tecnología Electrónica y otras
cátedras del Departamento de Ingeniera de la UNLaM" (Proyecto CyTMA2 C2-ING-105). La línea de trabajo que se sigue
en este artículo es un aporte a la propuesta de "Integración de la carrera
de Ingeniería Electrónica a partir de tecnologías asociadas al Hidrógeno" [1] iniciada por el equipo de Softwares de
Simulación.
II. INTRODUCCIÓN
Tal como se ha descripto en [1],
en el mundo se plantea un cambio en la matriz energética. Es decir, se pretende
migrar desde una basada principalmente en combustibles fósiles [2],
a una con mayor incidencia de energías renovables. Para afrontar este desafío
se requieren profesionales preparados en múltiples áreas y que cuenten con un
amplio conjunto de competencias tecnológicas, industriales y formación
ético-social adquiridas [3].
A su vez, desde el Consejo Federal de Decanos de Ingeniería (CONFEDI),
se está impulsando la implementación de estándares de educación orientados a la
formación por competencias y el aprendizaje activo centrado en el estudiante [4].
A partir de la demanda social de potenciar la formación en temáticas
vinculadas a las energías renovables y los requerimientos de competencias de
egreso de un ingeniero, se realizó el trabajo "Integración de la carrera de Ingeniería Electrónica a
partir de tecnologías asociadas al Hidrógeno" [1]. En este trabajo se obtuvieron
las siguientes conclusiones: interés por parte de los jefes de cátedra en la
inclusión de la temática sobre energías renovables en los programas de las
materias, necesidad de implementación de una capacitación niveladora, acuerdo
unánime sobre la procedencia en la presentación y la realización de cálculos y diseños
asociados a casos concretos y reales para mejorar el entendimiento por parte de
los alumnos y entusiasmo por la posibilidad de
contar con ejemplos concretos de aplicación.
Sin embargo, dado que en el ámbito
educativo e industrial suele ser difícil recrear algunas situaciones, para
continuar con la integración de la carrera de Ingeniería Electrónica a partir
de tecnologías asociadas a hidrógeno, se planteó como alternativa el uso de
simuladores. La simulación facilita el estudio, análisis y evaluación de
situaciones que posibilitan la resolución de problemas. Además, mejora la
experiencia de los estudiantes ya que brinda un entorno para aprender haciendo,
tal como se detalla en trabajos como [5][6][7]. Las tareas que surgen para poner este entorno
en marcha sumado al análisis de los resultados obtenidos, así como la forma en
la que se organiza este trabajo en el aula, generan múltiples oportunidades
para trabajar diferentes competencias transversales, adicionalmente a las
tecnológicas.
III. MÉTODOS
Todo lo expuesto motivó el trabajo conjunto entre integrantes de los grupos
de investigación asociados a las energías renovables, la producción de
hidrógeno y el estudio de softwares de simulación para
generar una transferencia de conocimientos a los docentes de los diferentes
trayectos formativos de la carrera Ingeniería Electrónica.
Para adecuar la transferencia a las distintas áreas de conocimiento, en
primer lugar, se identificaron las asignaturas que pudieran relacionar sus
contenidos curriculares a las etapas que constituyen la cadena de generación de
hidrógeno. Para esto, se consultaron los programas del nuevo plan de estudio de
la carrera de Ingeniería Electrónica [8]
identificando aquellas materias que pudieran abordar contenidos similares y/o
aquellas que los desarrollen en forma progresiva. La segmentación en etapas del
proceso de producción de hidrógeno que se utilizó para el desarrollo del
presente trabajo se basó en la cadena de valor publicada por la Secretaría de
Asuntos Estratégicos presentada en la Estrategia Nacional para el Desarrollo de
la Economía del Hidrógeno [9].
En segundo lugar, se investigó entre diferentes opciones de simulación
para los procesos ligados a la producción de hidrógeno, analizando el potencial
de cada una de las alternativas encontradas para una posterior evaluación de
implementación en base a consideraciones relacionadas con el manejo del
simulador, su integración efectiva con los temas de cada materia, la
posibilidad de desarrollo de determinadas habilidades por parte de los
estudiantes y la disponibilidad de recursos económicos, entre otras.
IV. RESULTADOS
De
acuerdo con la cadena de valor [9],
la segmentación en etapas del proceso de producción de hidrógeno verde mediante
electrólisis se configura de la siguiente manera:
a)
Generación de energía renovable.
b)
Producción de hidrógeno verde a partir del proceso de electrólisis del
agua.
c)
Almacenamiento del hidrógeno.
d)
Transporte
y distribución para los diferentes usos y aplicaciones.
En relación con la primera etapa y asociado a las tres principales
fuentes de energía limpia (hidroeléctrica, eólica y solar) los temas relevantes
a la Ingeniería electrónica son: las propiedades de los materiales eléctricos y
magnéticos; el uso de estas para la fabricación de dispositivos como
generadores eléctricos y paneles fotovoltaicos y el uso, control y optimización
de dichos dispositivos. Tales temas se relacionan con materias como: “Física”,
“Fundamentos de Química”, “Tecnología Electrónica”, “Electrónica de Potencia”,
“Electrónica Industrial”, “Control”, “Análisis Matemático”, “Teoría de
Circuitos”, “Electrónica, “Proyecto Final”, “Electromagnetismo”.
En la segunda etapa, además de las leyes de la electrólisis de Faraday,
existen otros temas relevantes como por ejemplo la reacción de
oxidación-reducción, conductividad eléctrica, tipos de electrolizadores y sus
partes, embalamiento térmico y controladores de corriente. Las materias que
integran estos conocimientos en el nuevo plan son: “Fundamentos de Química”,
“Física”, “Automatización Industrial” y “Análisis de Señales”.
En cuanto a la tercera etapa, se pueden nombrar las propiedades de los
gases, presión de fluidos, válvulas, sensores de flujo, caudalímetros,
controladores de flujo, compresores y celdas de combustible entre los tópicos
de mayor interés. Para trabajar sobre estos asuntos se mencionan las
asignaturas: “Fundamentos de Química”, “Física”, “Elementos de Programación”,
“Cálculo Numérico”, “Medidas Electrónicas” y “Procesamiento Digital de
Señales”.
En la cuarta y última etapa, transporte y distribución para los
diferentes usos y aplicaciones, además de los aspectos técnicos, es necesario
adentrarse en las disposiciones y políticas locales. Como resultado del
estudio, los temas técnicos pueden desarrollarse en muchas de las materias
antes mencionadas, mientras que los temas de disposiciones y políticas pueden
ser tratados en materias de integración tecnológica, así como en “Economía”,
“Ejercicio de la Profesión” y “Seguridad e Higiene” y “Organización Industrial”.
En lo que respecta a los softwares de simulación, para lograr un mejor
acercamiento de los estudiantes a los procesos y sistemas que componen las
etapas de la cadena de valor en los diferentes trayectos formativos de la
carrera, se identificaron dos grandes grupos de simuladores cuya categorización
consiste principalmente en
la facilidad de uso y/o acceso por parte de los alumnos. Estos son
aspectos fundamentales a tener en cuenta ya que las
materias involucradas abarcan todos los años de la carrera.
En el primer grupo se ubican los laboratorios virtuales o simuladores
educativos. En este tipo de simuladores se trabaja en un entorno virtual de
aprendizaje que modela un laboratorio real o un experimento. Este ambiente
virtual tiene carácter interactivo a través de interfaces gráficas amigables,
pero no permite el agregado de expresiones matemáticas ni modificaciones del
modelo computacional. Entre ellos podemos nombrar: Phet Interactive Simulation,
Vascak, Geogebra, Connected Chemistry Curriculum, Go-Lab, Labster, VRLab
Academy, Algodoo, Virtual Labs y Physion.
En el segundo grupo se sitúan los simuladores computacionales más
avanzados que resuelven ecuaciones complejas de manera aproximada usando
métodos numéricos. Los principales métodos que usan los simuladores propuestos
son el método de elementos finitos (MEF) y el método de volúmenes finitos
(MVF). Este tipo de soluciones pueden clasificarse a su vez en dos subgrupos,
que se diferencian principalmente por la necesidad o no de saber realizar el
modelado, la generación de código e interpretación de resultados. En el caso de
las plataformas comerciales, el preprocesamiento, procesamiento y
postprocesamiento está más resuelto y el usuario dispone de guías de tareas,
interfaces gráficas o diagramas de flujo para generar el modelo a simular. En
cambio, si se trata de software de uso libre, el usuario debe generar su propio
código o modificar el código que ya está desarrollado por otro usuario para
hacer el modelado del sistema e interpretar los resultados obtenidos en la
simulación. En la figura N°1 se presentan algunos simuladores de esta
categoría.
Figura N°1.
Simuladores computacionales avanzados.
En general, los simuladores nombrados dentro de cada grupo cuentan con
diversas soluciones o propuestas para simular los procesos vinculados a las
diferentes etapas en la cadena de generación de hidrógeno.
En base al criterio expuesto anteriormente, seleccionar herramientas de
fácil acceso y operación para los estudiantes, se proponen las siguientes
opciones del grupo “Laboratorios virtuales y simuladores educativos”: Phet
Interactive Simulation [10]
para la simulación de generación de corriente alterna y efecto fotoeléctrico
(figura N°2); Vascak [11]
para la simulación de procesos de electrolisis (figura N°3) y disociación
electrolítica; Go-Lab [12]
para la simulación de parques eólicos, cambios en los gases (figura N°4) y
difusión a través de membranas entre otros, y Virtual Labs [13]
para la simulación de rectificadores (figura N°5) y fluidos.
Por otro lado, si bien no estaba previsto trabajar en esta etapa con
simuladores computacionales avanzados se seleccionó para un futuro trabajo
OpenFOAM [14]
para el preprocesado y procesado y ParaView [15] para el
postprocesado.
Figura N°2. Efecto
fotoeléctrico a través de Phet Interactive Simulation.
Figura N°3.
Electrolisis a través de Vascak.
V. DISCUSIÓN
La oferta de softwares de simulación es muy amplia y dinámica. Hacer la
selección de la herramienta adecuada para el proceso de enseñanza-aprendizaje
implica la valoración de múltiples criterios. Este proyecto se apoya
principalmente en la facilidad de uso y acceso a los simuladores dado que
materias de los primeros años abordan varios contenidos relacionados con la
producción de hidrógeno. Esto se traduce en la necesidad de anteponer la
situación de estos alumnos ya que no disponen de los mismos conocimientos
técnicos que otros más avanzados, no poseen un manejo de lenguajes de
programación y ecuaciones matemáticas complejas imprescindibles para modelar
procesos, ni manejan el mismo nivel de abstracción. El nivel de desarrollo del
pensamiento crítico es otro requisito fundamental para lograr interpretar los
resultados de las simulaciones, especialmente en los simuladores más complejos.
Así mismo, hay algunos puntos que trascienden al trayecto formativo
tales como el costo de la licencia de uso, los requerimientos de hardware o la
dificultad en el uso de idioma extranjero.
Figura N°4. Cambio
en los gases a través de Go-Lab.
Figura N°5.
Rectificadores a través de Virtual Labs.
En este escenario en donde, por un lado, se requieren profesionales
preparados en múltiples áreas y por otro, hay un fuerte impulso a la enseñanza
por competencias, el
uso de simulaciones permite que los estudiantes ejerzan roles cada vez más
autónomos y que los docentes actúen como facilitadores proporcionando
suficientes oportunidades de experimentación orientadas a la comprensión del
tema [16].
Esto nos hace pensar en la necesidad de formación técnica de los docentes no
sólo en temáticas vinculadas a la economía del hidrógeno sino también en el uso
de la simulación como estrategia didáctica.
VI. CONCLUSIONES
Luego del trabajo del grupo interdisciplinario se pudieron segmentar los
temas de interés ligados a la cadena de producción de hidrógeno para cada
asignatura e identificar los simuladores que podrían utilizarse para elaborar
las secuencias didácticas dentro de cada espacio curricular. En una próxima
fase del trabajo, se debería elaborar un plan para organizar la capacitación
docente en los procesos y etapas de la cadena de generación de hidrógeno verde
y en el uso de simulaciones como estrategia didáctica para aquellos docentes
que necesiten formarse en esta área. Aunque no se incluyeron en el
análisis asignaturas tales como Responsabilidad Social Universitaria o
Seguridad e Higiene y Organización industrial; se estima necesaria la
capacitación del cuerpo docente a cargo de estos espacios curriculares ya que
se pueden generan múltiples
oportunidades para trabajar diferentes competencias transversales. En un
siguiente paso, resultaría de interés evaluar los resultados de implementación
de estas actividades dentro del proceso de enseñanza-aprendizaje y su aporte en
la formación de competencias de los estudiantes.
Finalizada la capacitación docente y la evaluación de los
resultados previamente descriptos, no se descarta avanzar en una
siguiente etapa asociada a los simuladores computacionales avanzados.
VII. REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA
[1] I. Zaradnik, L. J. Soria, D. Brengi and R. Spano, "Integration of the Electronic Engineering course by using technologies associated with hydrogen," 2022 Congreso de Tecnología, Aprendizaje y Enseñanza de la Electrónica (XV Technologies Applied to Electronics Teaching Conference), Teruel, Spain, 2022, pp. 1-5, doi: 10.1109/TAEE54169.2022.9840590.
[2]
“bp
Statistical Review of World Energy”, Whitehouse Associates, London, London,
2022 | 71st edition, julio de 2022. Accedido el 6 de
diciembre de 2023. [En línea]. Disponible: https://www.bp.com/content/dam/bp/business-sites/en/global/corporate/pdfs/energy-economics/statistical-review/bp-stats-review-2022-full-report.pdf
[3] Consejo Federal de Decanos de Ingeniería CONFEDI, “La Formación del
Ingeniero para el Desarrollo Sostenible”, Congreso Mundial Ingeniería 2010 –23
Aportes del CONFEDI, octubre de 2010. Accedido el 6 de diciembre de 2023. [En
línea].
[4] Consejo Federal de Decanos de
Ingeniería CONFEDI, “Propuesta de estándares de segunda
generación para la acreditación de carreras de ingeniería en la República
Argentina “Libro rojo””, Universidad FASTA Ediciones, octubre de 2018. Accedido
el 6 de diciembre de 2023. [En línea].Disponible: https://confedi.org.ar/download/documentos_confedi/LIBRO-ROJO-DE-CONFEDI-Estandares-de-Segunda-Generacion-para-Ingenieria-2018-VFPublicada.pdf
[5] B. Bravo,
M. Braunmüller y C. Verucchi, “La inducción electromagnética y el
desarrollo de competencias de resolución de problemas en el ciclo básico de
carreras de Ingeniería”, en “El enfoque por Competencias en las Ciencias
Básicas. Casos y ejemplos en Educación en Ingeniería”. Ciudad Autónoma de
Buenos Aires: CONFEDI, 2019, pp. 208–221.
[6] F. A. Martínez-Marín y I. A. Cantú-Munguía, “Manejo de la simulación en la enseñanza de la ingeniería”, Rev. Educ. En Ing., vol. 12, n.º 24, p. 58, julio de 2017. Accedido el 7 de diciembre de 2023. [En línea]. Disponible: https://doi.org/10.26507/rei.v12n24.749
[7] B. Venkatalakshmi, R. Balakrishnan, V. Saravanan and A. P. Renold, "Impact of simulation softwares as teaching tools in engineering learning - An instructional design choice," 2016 IEEE Global Engineering Education Conference (EDUCON), Abu Dhabi, United Arab Emirates, 2016, pp. 868-873, doi:
10.1109/EDUCON.2016.7474654.
[8] “Departamento
de Ingeniería e Investigaciones Tecnológicas -”. Departamento de Ingeniería e
Investigaciones Tecnológicas - Página Principal. Accedido el 7 de diciembre de
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[9] A. P. Secretaría de asuntos estratégicos, “Estrategia Nacional para el Desarrollo de la Economía del Hidrógeno”, octubre de 2023. Accedido el 6 de diciembre de 2023. [En línea].
Disponible: https://www.argentina.gob.ar/sites/default/files/2023/07/estrategia_nacional_de_hidrogeno_sae_2023.pdf
[10] “PhET Interactive Simulations”. PhET. Accedido el 7 de diciembre de 2023. [En línea].
Disponible: https://phet.colorado.edu
[11] “Physics at School”. RNDr. Vladimír Vačák
osobní stránky učitele z Moravy. Accedido
el 7 de diciembre de 2023. [En línea].
Disponible: https://www.vascak.cz/data/index.html
[12] “Home | Golabz”. Home | Golabz. Accedido el 7 de diciembre de 2023. [En línea].
Disponible: https://www.golabz.eu/
[13] “Welcome to Virtual Labs - A MHRD Govt
of india Initiative”. Welcome to Virtual Labs - A MHRD Govt of india
Initiative. Accedido el 7 de diciembre de 2023. [En
línea]. Disponible: https://be-iitkgp.vlabs.ac.in/
[14] “OpenFOAM”.
OpenFOAM. Accedido el 7 de diciembre de 2023. [En línea].
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[15] “ParaView - Open-source,
multi-platform data analysis and visualization application”. Accedido el 7 de diciembre de 2023. [En línea].
Disponible: https://www.paraview.org/
[16] M. Plano,
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Física”, Rev. Enseñanza Fis., vol. 31, Extra, pp. 605–611, 2019.
Accedido el 6 de diciembre de 2023. [En línea].
Disponible: https://revistas.unc.edu.ar/index.php/revistaEF/article/view/26629/28333
Recibido:
2023-12-06
Aprobado:
2023-12-27
Hipervínculo Permanente: https://doi.org/10.54789/reddi.8.2.5
Datos de edición: Vol. 8 - Nro. 2 - Art. 5
Fecha de edición: 2023-12-29 666
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