Ciencia y Educación
(L-ISSN: 2790-8402 E-ISSN: 2707-3378)
Vol. 7 No. 1.2
Edición Especial UG 2026
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INTEGRACIÓN DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA Y ELECTROLIZADOR PEM
PARA LA PRODUCCIÓN AUTÓNOMA DE OXÍGENO MÉDICO, CASO DE ESTUDIO
HOSPITAL TEODORO MALDONADO CARBO 2019-2022
INTEGRATION OF PHOTOVOLTAIC SOLAR ENERGY AND PEM ELECTROLYZER
FOR THE AUTONOMOUS PRODUCTION OF MEDICAL OXYGEN, CASE STUDY
TEODORO MALDONADO CARBO HOSPITAL 2019-2022
Autores: ¹Tyrone Fernando Alcivar Reyna.
¹ORCID ID: https://orcid.org/0000-0003-1841-2161
Afiliación:
1*
Universidad de Guayaquil, (Ecuador).
Artículo recibido: 11 de Enero del 2026
Artículo revisado: 13 de Enero del 2026
Artículo aprobado: 22 de Enero del 2026
1
Universidad de Guayaquil, Facultad de Ingeniería Química, (Ecuador). Escuela Superior Politécnica del Litoral Facultad, Facultad de
Ciencias Naturales y Matemáticas, (Ecuador).
Resumen
El oxígeno y el hidrógeno son elementos
esenciales en el ámbito médico, especialmente
en tratamientos respiratorios de unidades de
cuidados intensivos. La pandemia de COVID-
19 en 2020 puso de manifiesto la creciente
demanda de oxígeno medicinal y las
limitaciones de los hospitales que dependen
exclusivamente de proveedores externos. Este
trabajo propone la simulación y optimización
de un sistema híbrido basado en paneles solares
fotovoltaicos (PV) acoplados a un
electrolizador de membrana de intercambio
protónico (PEM), aplicado al Hospital Teodoro
Maldonado Carbo de Guayaquil, considerando
registros de consumo de oxígeno desde 2019
hasta 2022. La metodología abarca el
desarrollo de un modelo matemático que
integra datos reales de irradiancia solar,
temperatura ambiental y perfiles de demanda
hospitalaria. Se analizaron variables críticas;
intensidad, voltaje, potencia máxima, número
de paneles y configuración del electrolizador,
mediante un estudio techno-económico. Las
simulaciones anuales mostraron que en 2022 el
hospital consumió 438,46 t de oxígeno (un
promedio de 36,54 t/mes), siendo este el año de
mayor demanda. Sobre esta base, la
configuración óptima económicamente
consiste en un electrolizador de 24 celdas con
un área activa de 6 cm² cada una, respaldado
por 4 778 paneles solares. Bajo esta
configuración, el costo de producción de
oxígeno asciende a US $ 0,5212 por kilogramo,
incluyendo la generación simultánea de
hidrógeno como subproducto. Los resultados
de simulación confirman que este sistema PV-
EL optimizado puede cubrir de forma continua
y autónoma la demanda de oxígeno del
hospital, reduciendo la dependencia de
suministros externos y fortaleciendo la
resiliencia operativa ante futuras crisis
sanitarias. Este estudio demuestra la viabilidad
técnica y económica de integrar tecnologías
renovables para asegurar el suministro de
oxígeno médico, aportando una solución
sostenible y adaptable a las necesidades reales
de los centros de salud.
Palabras clave: Energía solar fotovoltaica,
Electrolizador PEM, Oxígeno médico,
Sistemas híbridos, Energía renovable,
Optimización energética, Suministro
autónomo.
Abstract
Oxygen and hydrogen are essential elements in
the medical field, especially in respiratory
treatments in intensive care units. The COVID-
19 pandemic in 2020 highlighted the growing
demand for medical oxygen and the limitations
of hospitals that depend exclusively on external
suppliers. This work proposes the simulation
and optimization of a hybrid system based on
photovoltaic (PV) solar panels coupled to a
proton exchange membrane (PEM)
electrolyzer, applied to the Teodoro
Maldonado Carbo Hospital in Guayaquil,
considering oxygen consumption records from
2019 to 2022. The methodology includes the
development of a mathematical model that
integrates real data on solar irradiance, ambient
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temperature, and hospital demand profiles.
Critical variables; intensity, voltage, maximum
power, number of panels, and electrolyzer
configuration, were analyzed through a techno-
economic study. Annual simulations showed
that in 2022 the hospital consumed 438.46 tons
of oxygen (an average of 36.54 tons per
month), making it the year of highest demand.
Based on this, the economically optimal
configuration consists of a 24-cell electrolyzer
with an active area of 6 cm² per cell, backed by
4,778 solar panels. Under this configuration,
the cost of oxygen production is US$0.5212 per
kilogram, including the simultaneous
generation of hydrogen as a byproduct. The
simulation results confirm that this optimized
PV-EL system can continuously and
autonomously meet the hospital's oxygen
demand, reducing dependence on external
supplies and strengthening operational
resilience to future health crises. This study
demonstrates the technical and economic
feasibility of integrating renewable
technologies to ensure the supply of medical
oxygen, providing a sustainable solution
adaptable to the real needs of healthcare
facilities.
Keywords: Solar photovoltaic energy, PEM
electrolyzer, Medical oxygen, Hybrid
systems, Renewable energy, Energy
optimization, Autonomous supply.
Sumário
Oxigênio e hidrogênio são elementos
essenciais na área médica, especialmente em
tratamentos respiratórios em unidades de
terapia intensiva. A pandemia de COVID-19
em 2020 evidenciou a crescente demanda por
oxigênio medicinal e as limitações de hospitais
que dependem exclusivamente de fornecedores
externos. Este trabalho propõe a simulação e
otimização de um sistema híbrido baseado em
painéis solares fotovoltaicos (PV) acoplados a
um eletrolisador de membrana de troca de
prótons (PEM), aplicado ao Hospital Teodoro
Maldonado Carbo em Guayaquil, considerando
os registros de consumo de oxigênio de 2019 a
2022. A metodologia inclui o desenvolvimento
de um modelo matemático que integra dados
reais de irradiação solar, temperatura ambiente
e perfis de demanda do hospital. Variáveis
críticas; intensidade, tensão, potência máxima,
número de painéis e configuração do
eletrolisador, foram analisadas por meio de um
estudo técnico-econômico. As simulações
anuais mostraram que em 2022 o hospital
consumiu 438,46 toneladas de oxigênio (média
de 36,54 toneladas por mês), tornando-se o ano
de maior demanda. Com base nisso, a
configuração economicamente otimizada
consiste em um eletrolisador de 24 células com
uma área ativa de 6 cm² por célula, alimentado
por 4.778 painéis solares. Nessa configuração,
o custo de produção de oxigênio é de US$
0,5212 por quilograma, incluindo a geração
simultânea de hidrogênio como subproduto. Os
resultados da simulação confirmam que esse
sistema fotovoltaico-eletrolítico otimizado
pode atender de forma contínua e autônoma à
demanda de oxigênio do hospital, reduzindo a
dependência de suprimentos externos e
fortalecendo a resiliência operacional a futuras
crises de saúde. Este estudo demonstra a
viabilidade técnica e econômica da integração
de tecnologias renováveis para garantir o
fornecimento de oxigênio medicinal,
oferecendo uma solução sustentável e
adaptável às necessidades reais de instalações
de saúde.
Palavras-chave: Energia solar fotovoltaica,
eletrolisador PEM, oxigênio medicinal,
sistemas híbridos, energia renovável,
otimização energética, fornecimento
autônomo.
Introducción
La pandemia de COVID-19 fue causada por una
cepa mutante del coronavirus SARS-CoV-2 y
desencadenó una crisis sanitaria a nivel
mundial. Su origen se remonta a finales de
diciembre de 2019, en la provincia de Hubei,
China, específicamente en la ciudad de Wuhan,
donde se reportaron 27 casos de neumonía de
etiología desconocida, de los cuales siete
correspondían a pacientes en estado grave
(Amodio et al., 2020; Tang et al., 2020; Zhu et
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al., 2020). En las semanas siguientes, la
enfermedad comenzó a propagarse hacia otros
países del continente asiático y posteriormente
a distintas regiones del mundo. Ante la
confirmación de transmisión comunitaria en
múltiples continentes, la Organización Mundial
de la Salud declaró oficialmente el brote como
pandemia global en marzo de 2020 (Cucinotta y
Vanelli, 2020; Roknuzzaman et al., 2024). Uno
de los principales síntomas clínicos en los
pacientes con COVID-19 fue la insuficiencia
respiratoria, frecuentemente acompañada de
disnea e hipoxemia, lo que hizo imprescindible
la administración de oxígeno como parte del
tratamiento estándar (Kompass Neumología,
2022). El oxígeno medicinal es una mezcla
gaseosa con una concentración de oxígeno igual
o superior al 95 %, ampliamente utilizada en
pacientes que requieren soporte ventilatorio,
especialmente en unidades de cuidados
intensivos y en aquellos sometidos a ventilación
mecánica invasiva (Schjørring et al., 2020;
Cumpstey et al., 2022; Jaber et al., 2020; ICU-
ROX Investigators, 2020). Durante la
pandemia, la demanda global de oxígeno
medicinal se incrementó entre cinco y diez
veces respecto a los niveles habituales, como
consecuencia del aumento sostenido de casos
graves y críticos, generando una presión sin
precedentes sobre los sistemas de producción y
distribución (Ismail & Bansal, 2022; White et
al., 2023; Bikkina et al., 2021; Ross y Wendel,
2023; Radhakrishnan et al., 2021).
En el contexto ecuatoriano, médicos y personal
de enfermería reportaron una escasez crítica de
oxígeno medicinal, mientras que los
administradores hospitalarios buscaron
alternativas urgentes para garantizar su
abastecimiento. Desde el sector industrial
encargado del envasado del gas se advirtió que
la situación llegó a ser incluso más grave que en
las primeras etapas de la pandemia, debido a
que la demanda hospitalaria superó la capacidad
nacional de producción. Informes publicados
entre 2020 y 2021 evidenciaron que algunos
hospitales triplicaron su consumo habitual de
oxígeno, generando una presión extrema sobre
el sistema sanitario y logístico del país (Seth et
al., 2022; Ortiz et al., 2021; Herrera et al.,
2020). Ante la urgente necesidad de garantizar
la disponibilidad de oxígeno medicinal durante
la pandemia, surgió el interés por desarrollar
soluciones tecnológicas capaces de satisfacer
esta demanda crítica de manera sostenible. En
este marco, la implementación de sistemas
híbridos basados en energía solar y electrólisis
del agua se consolidó como una alternativa
viable desde el punto de vista técnico y
ambiental. El aprovechamiento de la energía
solar mediante paneles fotovoltaicos permite
transformar la radiación solar en energía
eléctrica, la cual puede emplearse para
alimentar electrolizadores de agua, dispositivos
en los que se separan las moléculas de agua en
oxígeno e hidrógeno (Kumar et al., 2022; Izadi
et al., 2022; Jomon et al., 2024). Este proceso
no solo posibilita la obtención de oxígeno con
fines médicos, sino que también genera
hidrógeno como subproducto, el cual ha
demostrado un alto potencial como vector
energético limpio, con aplicaciones crecientes
en sectores industriales y energéticos (Campbell
et al., 2024; Limper et al., 2022).
El Hospital Teodoro Maldonado Carbo,
ubicado en el sur de la ciudad de Guayaquil, fue
uno de los centros hospitalarios ecuatorianos
que enfrentó una marcada escasez de
suministros médicos esenciales durante la
pandemia por COVID-19, entre ellos el oxígeno
medicinal. Este insumo resultó fundamental
para el tratamiento de enfermedades
respiratorias agudas y crónicas, cuya incidencia
se incrementó significativamente como
consecuencia directa de la infección por SARS-
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CoV-2. Debido a su designación como hospital
centinela para la atención de pacientes con
COVID-19, esta institución asumió una elevada
carga asistencial, lo que incrementó
sustancialmente la demanda de oxígeno y otros
recursos críticos. Por su rol estratégico durante
la emergencia sanitaria, el Hospital Teodoro
Maldonado Carbo fue seleccionado como caso
de estudio para la presente investigación.
Actualmente, la institución dispone de 377
camas destinadas a cuidados intensivos, lo que
refuerza su relevancia dentro del sistema
nacional de salud (Instituto Ecuatoriano de
Seguridad Social, 2020).
Muthumeenal y Han (2024) propusieron un
sistema acoplado de energía solar fotovoltaica
con electrólisis PEM que incorpora baterías
para mitigar la variabilidad de la irradiancia,
logrando mejorar la estabilidad de la
producción de hidrógeno y extender la vida útil
del electrolizador, con eficiencias de conversión
solar-hidrógeno de hasta 8,81 %. En la misma
línea, Ghosh (2025) revisó el sistema PV-H₂ y
destacó que el acoplamiento directo entre
energía solar y electrólisis del agua constituye
una solución limpia y competitiva para la
producción de hidrógeno verde, aunque aún
enfrenta desafíos relacionados con la
intermitencia solar, la estabilidad operativa y la
durabilidad de los electrolizadores. Por su parte,
Gutiérrez-Martín et al. (2023) desarrollaron un
modelo de diseño y simulación de sistemas
híbridos solar-hidrógeno que optimiza el
dimensionamiento de los componentes a partir
de datos meteorológicos, demostrando
reducciones significativas en el costo de
producción del hidrógeno. Di Caro y Vitale
(2024) propusieron una técnica de acoplamiento
directo con reconfiguración dinámica de
arreglos fotovoltaicos, logrando incrementos
sustanciales en la energía entregada frente a
configuraciones fijas. Asimismo, Phan Van et
al. (2023) realizaron una revisión exhaustiva de
sistemas PV-electrolizador acoplados
directamente, destacando estrategias de
dimensionamiento y operación orientadas a
reducir costos sin sacrificar eficiencia.
Complementariamente, Vizza et al. (2025)
evaluaron configuraciones costo-óptimas
considerando la vida útil del sistema y la
ubicación geográfica, mientras que Ma et al.
(2024) demostraron que la integración de
sistemas PVT con electrolizadores PEM mejora
la eficiencia global en ambientes cálidos. En el
ámbito hospitalario, Maggio et al. (2022)
evidenciaron que la coproducción in situ de
oxígeno medicinal e hidrógeno mediante
electrólisis fotovoltaica puede resultar
económicamente viable para hospitales de hasta
500 camas.
Finalmente, Tang et al. (2022) confirmaron la
seguridad y efectividad del oxígeno generado
por electrólisis como suplemento respiratorio en
condiciones de alta altitud, mientras que Kato et
al. (2005) demostraron que el aprovechamiento
del oxígeno como subproducto de la electrólisis
mejora significativamente la rentabilidad del
proceso. A partir de los registros de consumo de
oxígeno medicinal proporcionados por el
Hospital Teodoro Maldonado Carbo para los
años 2019 y 2022, que incluyen el número
diario de pacientes atendidos y el volumen de
oxígeno utilizado, la presente investigación
simulará la producción in situ de oxígeno
mediante un sistema híbrido compuesto por
paneles solares fotovoltaicos y un electrolizador
PEM. La simulación se realizará en Microsoft
Excel, complementada con macros
personalizadas para automatizar los cálculos del
sistema. No se considerará el uso de baterías
con el fin de reducir los costos de inversión y
operación, permitiendo evaluar la viabilidad de
un sistema de acoplamiento directo.
Finalmente, se desarrollará un análisis técnico-
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económico centrado exclusivamente en el costo
de producción del oxígeno, con el objetivo de
estimar su factibilidad como alternativa
sostenible y autónoma en el contexto
hospitalario.
Materiales y Métodos
La metodología propuesta comienza con la
recopilación de los datos históricos de consumo
de oxígeno del Hospital Teodoro Maldonado
Carbo durante el período comprendido entre los
años 2019 y 2022, con el objetivo de establecer
una referencia precisa de la demanda real de
oxígeno que se busca cubrir mediante la
solución propuesta. Posteriormente, se obtiene
la información meteorológica del sitio de
estudio utilizando la plataforma PVGIS,
ingresando las coordenadas geográficas
correspondientes, un azimut de 0° y una
inclinación del panel fotovoltaico también de
0°. Esta configuración resulta adecuada para
regiones cercanas a la línea ecuatorial, donde la
radiación solar presenta una distribución
relativamente homogénea a lo largo del año, lo
que permite analizar de manera representativa
el comportamiento anual de la irradiancia solar
durante los años considerados (SFE Solar, s. f.;
PVsyst, s. f.). Con base en los datos
meteorológicos obtenidos, se procede a
configurar el modelo del panel fotovoltaico
utilizando las especificaciones técnicas
proporcionadas por el fabricante, tales como
potencia nominal, tensión, corriente y
características de operación. De forma paralela,
se establece la configuración del electrolizador
de acuerdo con las propiedades de los
materiales seleccionados y los parámetros
electroquímicos definidos para el sistema. A
partir de estas configuraciones, se calcula el
punto de máxima potencia (MPP) tanto del
panel fotovoltaico como del electrolizador, y
posteriormente se realiza el acoplamiento
eléctrico directo entre ambos dispositivos, con
el fin de evaluar su desempeño conjunto sin el
uso de convertidores intermedios.
Empleando la Ley de Faraday, se calcula la
cantidad de oxígeno e hidrógeno producida
mediante el proceso de electrólisis del agua. La
producción de oxígeno obtenida por cada
sistema individual; compuesto por un panel
fotovoltaico y una celda electrolizadora con un
área y número de celdas definidos, se multiplica
por el número total de sistemas instalados, de
manera que se alcance el volumen de oxígeno
requerido para satisfacer la demanda
hospitalaria estimada. Finalmente, se analizan
diversas configuraciones del sistema, variando
el número de paneles fotovoltaicos, el área de
las celdas electrolizadoras y la cantidad de
celdas por electrolizador, con el propósito de
identificar la alternativa que permita minimizar
el costo de producción de oxígeno. En todos los
escenarios evaluados se garantiza que la
densidad de corriente se mantenga por debajo
de 1 A/cm², dado que valores superiores pueden
comprometer la integridad estructural de los
componentes y reducir la vida útil del sistema.
Resultados y Discusión
Datos de consumo de oxígeno medicinal del
Hospital Teodoro Maldonado Carbo
El análisis del consumo de oxígeno medicinal
en el Hospital Teodoro Maldonado Carbo se
realizó a partir de una base de datos que
contiene más de 175 000 registros individuales,
en los cuales se detalla el consumo por paciente
y el tipo de suministro utilizado, ya sea oxígeno
administrado en cama hospitalaria o en tanques
destinados a tratamientos domiciliarios, tal
como se ilustra en la Figura 2. Esta información
fue proporcionada por las autoridades del
Hospital Teodoro Maldonado Carbo durante el
período de estudio. El año con mayor demanda
registrada fue 2022, alcanzando un total de
438,46 toneladas, con un promedio mensual de
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36,54 toneladas. En contraste, el año 2020,
correspondiente al inicio de la pandemia por
COVID-19, presentó el menor consumo total,
con 217,43 toneladas acumuladas y un
promedio mensual de 18,12 toneladas.
Esta aparente contradicción se explica por la
severa crisis de abastecimiento de oxígeno que
afectó al hospital durante el año 2020. En dicho
periodo, diversos proveedores priorizaron la
venta del gas medicinal a los mejores postores,
lo que dificultó significativamente su
adquisición por parte del sistema público de
salud. A esta problemática se sumaron
irregularidades administrativas ampliamente
denunciadas en medios de investigación
periodística y actualmente sujetas a procesos de
análisis e indagación judicial
(TierradeNadie.ec, s. f.; Americas Market
Intelligence, s. f.; GK, 2021; Primicias.ec,
2024). Dado que el año 2022 representa el
escenario de mayor consumo de oxígeno
registrado en el hospital, este período se adopta
como referencia crítica para el análisis y el
diseño del sistema de generación y
almacenamiento de oxígeno medicinal
propuesto en el presente estudio.
Datos climatológicos
El conocimiento de la irradiación solar
disponible y de la temperatura ambiente durante
el período comprendido entre 2019 y 2022
constituye un aspecto fundamental para la
estimación del potencial de generación eléctrica
mediante sistemas fotovoltaicos. De igual
manera, disponer de los datos históricos de
consumo de oxígeno medicinal del hospital
resulta esencial para el desarrollo de la
metodología y la ejecución de los cálculos
necesarios dentro del simulador (García et al.,
2019; Vaca y Ordóñez, 2020). Para la obtención
de los datos climatológicos se empleó la
plataforma PVGIS, la cual proporciona
información confiable sobre irradiancia solar
promedio horaria y temperatura ambiente a
partir de bases de datos meteorológicas de alta
resolución. La ubicación seleccionada para el
estudio fue la ciudad de Guayaquil,
específicamente el emplazamiento del Hospital
Teodoro Maldonado Carbo. La base de datos
utilizada fue PVGIS-ERA5, estableciendo
como año inicial 2019 y como año final 2022.
La simulación se configuró considerando un
sistema de montaje fijo, dado que los paneles
solares propuestos no estarán diseñados para
seguir la trayectoria solar. Como parámetros
adicionales requeridos por la plataforma, se
estableció un azimut de 0° y un ángulo de
inclinación acorde a la latitud del sitio, en
concordancia con las recomendaciones técnicas
para regiones cercanas a la línea ecuatorial.
Paneles fotovoltaicos
Los paneles solares empleados en la simulación
del proyecto fueron seleccionados a partir de la
información técnica disponible en la página
oficial del fabricante JA Solar. El modelo
escogido fue el JAM72-S30, con una potencia
nominal de 540 W. Para el cálculo de los
parámetros fotovoltaicos se utilizó la ficha
técnica del fabricante bajo condiciones estándar
de prueba (STC), correspondientes a una
irradiancia de G0=1000 W/m2G_0 = 1000 \,
\text{W/m}^2G0=1000W/m2 y una
temperatura de celda de Tm,0=25CT_{m,0} =
25^\circ \text{C}Tm,0=25C (298,15 K). Cada
panel presenta dimensiones de 2,278 m de largo
por 1,134 m de ancho, lo que equivale a un área
total de 2,58 m². La ubicación prevista para la
instalación de los paneles solares corresponde a
las terrazas del Hospital Teodoro Maldonado
Carbo, donde se garantiza una exposición
óptima a la radiación solar. Como alternativa
complementaria, se considera su instalación en
los estacionamientos del hospital,
aprovechando un espacio actualmente
subutilizado y proporcionando, adicionalmente,
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sombra a los vehículos del personal médico,
administrativo y de los pacientes.
Sistema de recolección de oxígeno
El oxígeno se genera en el lado del ánodo del
sistema de electrólisis y es conducido mediante
tuberías, preferiblemente fabricadas en acero
inoxidable compatible con oxígeno, hacia un
separador gas-líquido encargado de eliminar el
agua arrastrada durante el proceso. El líquido
recuperado se recircula al tanque de
alimentación para su reutilización, optimizando
el uso del recurso hídrico. Para el transporte y
acondicionamiento del gas se emplean
compresores o, dependiendo del esquema de
presión adoptado, soplantes y bombas en los
circuitos líquidos. Posteriormente, el oxígeno es
sometido a un proceso de enfriamiento
mediante un intercambiador térmico, con el
objetivo de alcanzar condiciones adecuadas
para su almacenamiento y facilitar la
eliminación de vapor y gotas finas. La fase de
limpieza incluye un demister o separador de
niebla destinado a retener partículas líquidas
remanentes y, de ser necesario, sistemas
adicionales de filtrado o secado para alcanzar la
pureza exigida en aplicaciones médicas.
Finalmente, el oxígeno tratado se transfiere a
tanques de inercia y almacenamiento fabricados
en acero inoxidable. Desde estos recipientes, el
gas puede mantenerse comprimido para su uso
y distribución directa, o bien someterse a etapas
adicionales de compresión y criogenia en caso
de requerirse su licuefacción. Todos los
componentes del sistema deben diseñarse
conforme a las normativas vigentes para gases
medicinales y emplear materiales compatibles
con oxígeno, garantizando así la seguridad y
estabilidad del suministro.
Sistema de recolección de hidrógeno
Aunque el presente estudio no se centra en la
explotación del hidrógeno producido, se plantea
una línea básica para su recolección y
acondicionamiento a partir del stack de
electrólisis. El hidrógeno se genera en el lado
del cátodo y es conducido mediante tuberías,
preferiblemente de acero inoxidable compatible
con hidrógeno, hacia un separador gas-líquido
que elimina el agua arrastrada, la cual se
recircula al tanque de alimentación para su
reutilización. Posteriormente, el gas pasa por un
sistema de enfriamiento destinado a reducir su
temperatura y facilitar la condensación y
eliminación del vapor de agua, así como por un
demister o separador de niebla para retener
gotas finas. Para alcanzar la pureza requerida, el
hidrógeno puede someterse a procesos de
secado y desoxidación, tales como adsorción en
tamices moleculares o tratamientos catalíticos.
Finalmente, el gas se comprime mediante
equipos adecuados para su almacenamiento en
recipientes a presión diseñados específicamente
para hidrógeno. Como posible valor añadido;
fuera del alcance principal de este trabajo, el
hidrógeno purificado podría emplearse en
sistemas de cogeneración o en unidades de
celda de combustible reversible, permitiendo
recuperar parte de la energía en forma de
electricidad. En todos los casos, las etapas del
sistema deben diseñarse de acuerdo con
criterios estrictos de seguridad para hidrógeno y
gases medicinales, considerando la selección de
materiales, ventilación, detección de fugas y
protección frente a riesgos de ignición.
Cálculos de los parámetros fotovoltaicos
El número de datos disponibles de irradiancia
solar (G) y temperatura ambiente (Ta) es
considerablemente elevado. Por ejemplo, para
el año 2019 se registraron 4 096 datos, mientras
que para el año 2020 se obtuvieron 4 153
registros, manteniéndose valores similares en
los años posteriores. Con el fin de procesar este
volumen de información de manera eficiente y
sistemática, se desarrolló una macro en
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Microsoft Excel que permite calcular los
parámetros fotovoltaicos correspondientes a
cada par de valores de G y Ta, aplicando las
ecuaciones propuestas por Carrero et al. (2011).
La macro se estructura de tal forma que, para
cada combinación de irradiancia y temperatura
ambiente, se calculan las variables fotovoltaicas
necesarias a partir de las constantes técnicas
proporcionadas por el fabricante del panel solar.
Tanto las variables como las constantes son
declaradas y definidas dentro del código,
asignándoles los rangos de valores
correspondientes para garantizar la consistencia
de los cálculos a lo largo de todo el período de
análisis. Los parámetros considerados en estos
cálculos se presentan de manera detallada en la
Tabla 1.
Tabla 1. Parámetros fotovoltaicos con sus
respectivas ecuaciones empleadas en la macro.
Nombres de las
variables
Ecuaciones para cada variable
Temperatura del
módulo (T
m
)
Voltaje térmico (V
th
)
,
y
Son
obtenidos por el
método de Carrero y
son valores fijos para
cada panel
fotovoltaico.
Intensidad de corriente
de corto circuito (I
SC
)
Intensidad de corriente
luminosa (I
L
)
Voltaje en circuito
abierto (V
OC
)
Corriente de saturación
(I
O
)
Fuente: Elaboración propia.
Una vez calculados los parámetros
fotovoltaicos para cada valor de G y Ta
correspondientes al año de estudio 2022, se
procede a determinar la intensidad en el punto
de máxima potencia (Impp), el voltaje en el
punto de máxima potencia (Vmpp) y la potencia
máxima (Pm) para cada combinación de G y Ta
registrada en cada año analizado.
Parámetros del electrolizador y Acople con el
panel fotovoltaico
Para la celda del electrolizador, se prueban
distintas combinaciones de número de celdas
(NEL) y áreas de celda (SEL) en la celda PEM.
Estas dos variables definen el comportamiento
del electrolizador, siendo el área de cada celda
expresada en cm². El tamaño de la celda (SEL)
y el número total de celdas (NEL) se determinan
mediante la intersección de las curvas de
potencia del electrolizador con las curvas de
potencia–voltaje del panel fotovoltaico.
Tabla 2. Parámetros del electrolizador de agua
Parámetro cinético [K]
Resistencia eléctrica total de la celda [r]
Potencia de disociación [E
0
]
Fuente: Elaboración propia.
Los datos de la tabla 2 presenta los parámetros
cinéticos y eléctricos del electrolizador de agua
utilizados para construir su curva de potencia
(curva verde de la Figura 5), que representa la
relación entre la potencia (P) y el voltaje (V).
Primero, se determina el voltaje a partir de la
siguiente ecuación:
(ec. 1)
donde J es la densidad de corriente (valor
asignado en el análisis), K el parámetro
cinético, r la resistencia eléctrica total de la
celda, y E
0
la potencia de disociación.
Luego, la potencia se obtiene con:
P(W)=V×I donde I=J×SEL
Finalmente, se seleccionan los valores de SEL
y NEL que permitan que la curva del
electrolizador intercepte la mayor cantidad de
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puntos de máxima potencia (MPP) del sistema
fotovoltaico. En este estudio, los valores
definidos son SEL = 6 cm² y NEL = 24. Se debe
determinar el valor de la intensidad en una celda
del electrolizador (I
EL−1
), el cual debe cumplir
que, al reemplazarlo en las ecuaciones
correspondientes, el resultado sea igual a cero.
Este valor es clave, ya que el cálculo del voltaje
del electrolizador (V
EL
) también depende de
I
EL−1
. Por lo tanto, ambas ecuaciones deben
resolverse con un mismo valor de I
EL−1
que
satisfaga esta condición. Para este fin, se utiliza
una macro en Excel que aplica el principio de
Solver, permitiendo encontrar el valor de I
EL−1
que iguala el resultado a cero en cada caso
analizado. Las curvas se presentan junto con las
curvas simuladas del módulo fotovoltaico bajo
condiciones de irradiancia distintas a 1000
W/m² y temperatura de celda de 298,15 K,
correspondientes al año 2022. Además, se
indican los puntos de máxima potencia (MPP)
calculados para cada condición, lo que permite
evaluar el acoplamiento entre el sistema
fotovoltaico y el electrolizador en diversos
escenarios de operación.
Oxigeno producido
El valor de la cantidad de oxígeno que se desea
producir se determina a partir del consumo de
oxígeno medicinal registrado en el Hospital
Teodoro Maldonado Carbo durante el año 2022.
Para obtener la cantidad de oxígeno producido
(QO2, en kg/h) para cada mes, se utiliza la
misma macro previamente descrita. Esta
herramienta realiza la suma de todos los valores
correspondientes a una misma fecha y, al
detectar un cambio de fecha, reinicia el conteo.
Posteriormente, los resultados se convierten de
gramos a kilogramos. Una vez calculada la
producción mensual de oxígeno, se comparan
estos valores con el consumo mensual
registrado en el hospital, con el objetivo de
determinar el número de paneles fotovoltaicos
necesarios. La cantidad de oxígeno producida se
calcula mediante la ecuación de Faraday,
obteniendo así la producción de oxígeno de
cada electrolizador acoplado a una celda solar.
Dado que un único sistema no puede cubrir la
demanda total del hospital, se debe multiplicar
esta producción por el número necesario de
paneles fotovoltaicos para alcanzar la cantidad
total requerida, según lo establecido en la
ecuación (2).
Q (〖0,H〗_2 )= S_total∙(1 A/〖cm〗^2
)/(n_(e^- )∙F)∙〖Mw〗_(H_2
)∙1/1000∙3600∙η_EL (ec. 2)
Costo de producción de oxigeno
Para estimar el costo de producción del sistema,
se consideraron múltiples factores: la cantidad
total de paneles fotovoltaicos requeridos, el área
utilizada por cada electrolizador, el número de
celdas por electrolizador, así como los costos de
operación y mantenimiento (O&M), el costo de
amortización y el factor de escala. El costo
anual de los paneles solares se determina
mediante la ecuación (3):
c_(PV,year)=c_PV∙(1/L_PV +〖O&M〗_PV)
(ec. 3)
El costo anual de los electrolizadores se calcula
con la ecuación (4):
c_(EL,year)=c_EL∙(1/L_EL +〖O&M〗_EL)
(ec. 4)
Finalmente, el costo total por kilogramo de
oxígeno producido se obtiene a partir de la
ecuación (5):
c_(O_2 )=(c_(PV,year)+c_(EL,year))/Q_(O_2
) (ec. 5)
donde QO2 representa la cantidad total de
oxígeno producido en el año.
La simulación de la producción de oxígeno para
el año 2022, bajo el escenario óptimo desde el
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punto de vista económico, determinó que la
cantidad requerida de paneles fotovoltaicos es
de 4778 unidades. Con esta configuración, se
logra cubrir completamente la demanda de
oxígeno del Hospital Teodoro Maldonado
Carbo. Estas configuraciones se descartaron por
motivos operativos y de durabilidad: densidades
de corriente elevadas aumentan las
sobrepotencias y aceleran los mecanismos de
degradación del electrolizador, con el
consiguiente riesgo de reducir la vida útil del
stack y de incrementar costos de mantenimiento
y reemplazo. Por coherencia metodológica,
dichas combinaciones no participaron en la
comparación de costos anualizados y, por tanto,
aparecen cruzadas en la matriz. La
configuración óptima (24 celdas NEL, área de 6
cm², 4 778 paneles) se resalta en rojo, ya que
cumple la restricción J≤1 Acm−2 y minimiza
el costo anualizado de producción de O2.
Conclusiones
El proceso de producción de oxígeno se simuló
para el año 2022 en el Hospital Teodoro
Maldonado Carbo, empleando un sistema
acoplado fotovoltaico–electrolizador (PV–EL).
A partir de las simulaciones se concluye que el
sistema PV–EL puede generar volúmenes
relevantes de oxígeno medicinal, suficientes
para cubrir una fracción significativa de la
demanda del hospital durante el periodo
analizado. La producción simulada de oxígeno
depende directamente de la demanda clínica
registrada en el hospital y de las condiciones
ambientales utilizadas como entradas del
modelo, principalmente la irradiancia solar
GGG y la temperatura ambiente Ta, que
determinan la potencia disponible y el
rendimiento del electrolizador. En los últimos
meses del año se observa un excedente
acumulado de oxígeno, de modo que no es
necesario suministrar adicionalmente: el exceso
producido en meses previos permite cubrir la
demanda posterior mediante
almacenamiento/gestión de inventario.
En cuanto a la estructura de costos del sistema
PV–EL, el componente determinante es el
electrolizador: el número de celdas por stack
(N
EL
) y el proveedor de las mismas condicionan
en gran medida el costo de capital y, por ende,
el costo nivelado de producción de oxígeno. En
la simulación se asumió un único proveedor
para los paneles fotovoltaicos, por lo que el
costo unitario de los módulos se mantuvo
constante entre escenarios; en cambio, el precio
asociado a las celdas del electrolizador fue
variable según proveedor y configuración. El
análisis identificó como configuración óptima
NEL = 24 (24 celdas por stack), con las demás
variables y restricciones consideradas (por
ejemplo, J≤1 Acm−2). El sistema propuesto
demuestra ser viable y reproducible: su
arquitectura modular (acoplamiento directo
PV–EL) facilita la replicación y la adaptación a
distintas unidades hospitalarias. No obstante, su
implementación requiere la realización previa
de análisis técnicos y logísticos específicos para
cada centro, tales como: caracterización de la
demanda de oxígeno, evaluación del recurso
solar local (perfil de G y Ta), disponibilidad de
espacio y condiciones estructurales para el
montaje de los módulos, estudio de integración
eléctrica y de almacenamiento, análisis
económico y regulatorio, y un plan de operación
y mantenimiento. Con estos estudios y las
correspondientes adaptaciones a las
condiciones locales (escala, normativa y
proveedores), el sistema puede instalarse y
operar en otras instalaciones hospitalarias con
expectativas razonables de rendimiento y coste
similares a los aquí reportados.
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Alcivar Reyna.
