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Sistema de generación de energía eléctrica utilizando hidrógeno

by gugarte

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Conferencia del Ing. Jorge Ugarte Fajardo en el Simposio Internacional de Energías Renovables organizado por el Centro de Energías Renovables y Alternativas (CERA) de la ESPOL

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Buenas tardes asistentes visitantes y miembros de la comunidad politécnica. Tengo el honor de cerrar este ciclo de conferencias para hacerles conocer os avances que ha tenido la espol en los estudios del hidrógeno. Hace más de 2 años el investigador y catedrático Eduardo Mendieta, inició la investigación sobre celdas de combustible y hoy queremos poner a su consideración un trabajo de investigación sobre la utilización de pilas de combustible para la generación eléctrica de uso doméstico. El proyecto que le s vamos a presentar consiste la Generación de energía eléctrica para uso doméstico utilizando hidrógeno. Este proyecto fue concebido con un enfoque social, atender la necesidad de energía eléctrica de viviendas pequeñas en zonas rurales en la cuales no es posible el acceso a la infraestructura eléctrica.
Los objetivos principales de este proyecto con los siguientes: Implementar un sistema de generación eléctrica de 2 KW de potencia, a 110 VAC, para atender los requerimientos básicos de una vivienda. Construir una celda de combustible de hidrógeno. Elaborar membranas de intercambio protónico PEM utilizando un material biodegradable, el quitosano, que es obtenido del caparazón de los crustáceos.
todos conocemos los efectos negativos que produce por la quema de combustibles fósiles en el medio ambiente- El efecto invernadero, que consiste en la formación de gases atmosféricos que reflejan la radiación infrarroja solar causando el calentamiento global y el cambio climáticos. Entre estos gases estan : dióxido de carbono (CO 2 ), metano (CH 4 ) y óxido nitroso (N 2 0) Menos prevalente –sin embargo poderosos -- hidrofluorocarburos (HFCs), perfluorocarburos (PFCs) y hexafluoro oride de azufre (SF 6 ) Fuente: UNFCC El Efecto Invernadero: Básicamente, toda la energía que entra en el atmósfera de la Tierra procede del sol. Absorbe una parte de la radiación, otra parte se esparce y otra parte vuelve al espacio por reflejo debido a los varios gases de la atmósfera, nubes y aerosoles – son partículas diminutas suspendidas en la atmósfera. El sol emite radiación solar principalmente en forma de radiación visible y ultravioleta. Mientras esta radiación viaja hacia la Tierra, aproximadamente un 25% es absorbido por la atmósfera y un 25% vuelve al espacio debido al reflejo de las nubes. La radiación que queda viaja a la Tierra y calienta su superficie. Como la Tierra es mucho más fresca que el sol, la energía reflejada desde la superficie de la Tierra es más baja en intensidad que la energía emitida por el sol, es decir, viene en la forma de una radiación infrarroja que es invisible. Alrededor de un 90% de la radiación infrarroja reflejada en la superficie de la Tierra es absorbido por los gases invernadero, antes de que puedan irse al espacio. Estos gases, igual que las nubes, vuelven a emitir esta radiación – devolviéndola hacia la tierra. La atmósfera actúa como los cristales de un invernadero y permite que penetre una radiación de corto alcance, sin embargo atrapa algo de la radiación infrarroja de largo alcance que intenta escapar. Este proceso hace que la temperatura de la atmósfera suba igual que en un invernadero. Esto es el efecto invernadero natural de la Tierra y mantiene nuestro planeta 60ºF más caliente de lo que pudiese ser de otro modo. (Fuente: National Oceanic and Atmospheric Administration)
Por otro lado tenemos contaminación del aire, como la creación de la lluvia ácida formada principalmente el amoniaco, el dióxido de azufre y el óxido de nitrógeno, provoca daños en los bosques y en los lagos, y contribuye a la liberación de metales pesados en el agua subterránea. Los efectos menos conocidos son los múltiples formas en las que daña los ecosistemas de las costas y del agua dulce, los suelos e incluso los monumentos históricos, o las metales pesados que estos ácidos sueltan en el agua subterránea. Además la formación de ozono que produce dificultades respiratorias, dolores de cabeza, fatiga y puede agravar los problemas respiratorios
En la búsqueda de una fuente energética renovable como alternativa a las fuentes de combustibles fósiles, el Hidrógeno es visto en la actualidad como el combustible del futuro, enmarcado en un modelo económico energético alternativo denominado la Economía del hidrógeno (se ha concebido un modelo energéticos sostenible) , en el cual la energía, para su uso en distintas aplicaciones, se almacena como Hidrógeno (H 2 ) o dihidógeno. El Hidrógeno es un gas incoloro, inodoro, insípido altamente flamable y no es tóxico, este se quema en el aire formando una llama azul pálido casi invisible. El átomo de hidrógeno está formado por un electrón y un protón. En condiciones normales se presenta como gas estable en moléculas diatómicas (H2) El Hidrógeno es el elemento más abundante del Universo y por su capacidad de reaccionar con el oxígeno liberando energía constituye un excelente combustible. El hidrógeno se encuentra repartido por todo el planeta: en el agua, en los combustibles fósiles y en los seres vivos. Sin embargo, raramente aparece en estado libre en la naturaleza, por lo que tiene que ser extraído de fuentes naturales, por lo que es considerado un vector energético: como el vector energético permite concentrar la energía de diferentes fuentes renovables facilitando el almacenamiento, transporte y su utilización en una infinidad de aplicaciones como: vehículos, generación de energía eléctrica para domicilios e industria, dispositivos electrónicos portátiles, además de las ya conocidas misiones espaciales. A partir de la energía solar, eólica o hidráulica se produce la electricidad necesaria para el proceso de electrólisis del agua, luego de su desmineralización, obteniendo el hidrógeno. El hidrógeno que actualmente es utilizado en procesos petroquímicos para la obtención de derivados del petróleo como combustibles, parafina y la obtención de amoniaco y otros. Se utilizaría para la producción de energía térmica, energía eléctrica para viviendas, edificios, industria, vehículos, dispositivos portátiles y la industria aeroespacial, el desecho d estos proceso, agua pura, que regresará a ríos, océanos continuando el ciclo del agua. En investigaciones realizadas en la Universidad de Valencia se ha descubierto un catalizador que contiene molibdeno y que, al entrar en contacto con el agua, separa de manera sencilla y barata, y tras varias reacciones encadenadas, el hidrógeno y el oxígeno. Esta hallazgo abre la posibilidad de masificar el uso del hidrógeno. Fuente: Ludwig Jörisson, H2 Manual de Formación, capítulo 4 El hidrógeno es una materia prima importante en la industria química: Producción de fertilizantes. Petroquímica (Desulfurización, Hidrocracking). La industria alimenticia (endurecimiento de grasas). Procesos metalúrgicos (recocido de metales, endurecimiento, sinterización). semiconductores (elemento de dopaje). Aunque hoy en día se produce el hidrógeno principalmente con las fuentes de los fósiles, en el futuro se podrá considerar el hidrógeno como una energía vector que permite que la energía generada de la energía solar y eólica pueda introducirse en el mercado de los combustibles para el transporte por carretera además de las aplicaciones aeroespaciales. Además, se podría utilizar el hidrógeno para los recortes de pico (peak shaving) o para el almacenamiento estacional de energía en el mercado de la electricidad. Además, la gasificación de la biomasa puede proporcionar una fuente adicional de energía renovable para la producción del hidrógeno. La producción del hidrógeno con las energías renovables y su uso como un combustible en el tráfico por carretera podría reducir la dependencia de fuel mineral que actualmente es la fuente principal para la producción de combustibles. El hidrógeno producido con las energías renovables también podría reducir las emisiones de CO 2 y los contaminantes clásicos (CO, NO x hollín) generadas por los motores de combustión internas que funcionan con hidrocarburos. Se puede considerar que los vehículos que funcionan con pilas de combustible utilizando el hidrógeno como combustible están completamente libres de emisiones cuando están en uso. Electrolyzers descentralizados y colocados en las gasolineras o en los portadores de combustible domésticos proporcionan una opción para la implantación de una infraestructura del hidrógeno incipiente. Sin embargo, hay que tener en cuenta que la implantación de una economía del hidrógeno como se muestra arriba, deberá tratar los siguientes temas claves: Una densidad limitada de la energía volumétrica del hidrógeno. La implantación de una nueva infraestructura del combustible. Una eficiencia limitada en el uso del hidrógeno como forma de almacenar la energía. Otros caminos para la conversión de las energías renovables en combustibles o para el almacenamiento de la electricidad en recortes de pico y para el almacenamiento estacional de la energía podrían ser implantados más fácilmente. Actualmente, se está estudiando con intensidad la conversión de la biomasa en combustible de hidrocarburo (por Ej. diésel) o metano. Además, los avances en la tecnología de las baterías podría permitir la implantación de vehículos que funcionen solamente con electricidad. En una primera aproximación, la Generación Eléctrica Distribuida contempla la producción de energía eléctrica mediante sistemas modulares descentralizados, próximos al usuario final, conectados a la red de distribución o aislados. La capacidad máxima de los generadores que se incluyen en la GD ha ido aumentando en los últimos años (hasta 10 MW, 50 o incluso 100 MW). Se consideran sistemas de GD las plantas fotovoltaicas, las solares térmicas de alta temperatura, aerogeneradores, mini-hidráulica, plantas de biomasa, pilas de combustible, turbinas y micro-turbinas de gas, máquinas de combustión interna, etc. Los sistemas de generación con fuentes de energía renovable se están asentando en el mercado eléctrico actual. Principalmente, porque son muy favorables desde el punto de vista medioambiental, ya que prácticamente no emiten gases contaminantes a la atmósfera. En su construcción no se presentan tantas restricciones técnicas como en las grandes centrales eléctricas y sus rendimientos y fiabilidad son elevados. La producción de energía eléctrica con combustibles fósiles resulta cada vez más inviable desde el punto de vista social, técnico y económico. La dependencia crítica de los combustibles fósiles provoca inseguridad e incertidumbre económica y energética.
Entonces el hidrógeno se convierte en el portador de energía de fuentes primarias renovables. Dependiendo de la condiciones ambientales, la geografía y la disponibilidad de los recursos podrá utilizarse distintas procesos para la obtención del hidrógeno a partir de la fuentes de energía primarias como: la gasificación del carbón o biomasa, a partir del gas combinándolo con vapor de agua, aplicando calor obtenido de fuentes solares o nucleares o mediante el proceso de electrólisis aplicando electricidad obtenida a partir de fuentes de energía renovables.. Pero este cuadro no está completo si no incluimos la investigación de la Universidad de Valencia, la producción de hidrógenos con molibdeno y la investigación de la U de Minnesota que utiliza el Boro. entre sus aplicaciones están los motores de combustión interna para producir energía mecánica y la pilas de combustible para la generación de energía eléctrica para diferentes usos, desde muy pequeñas pilas de combustible en aparatos portátiles como teléfonos móvil, y ordenadores portátiles hasta aplicaciones móviles como coches, vehículos de reparto, autobuses y barcos, hasta generadores de calor y energía en aplicaciones estacionarias en el sector doméstico e industrial. En una primera aproximación, la Generación Eléctrica Distribuida contempla la producción de energía eléctrica mediante sistemas modulares descentralizados, próximos al usuario final, conectados a la red de distribución o aislados. La capacidad máxima de los generadores que se incluyen en la GD ha ido aumentando en los últimos años (hasta 10 MW, 50 o incluso 100 MW). Se consideran sistemas de GD las plantas fotovoltaicas, las solares térmicas de alta temperatura, aerogeneradores, mini-hidráulica, plantas de biomasa, pilas de combustible, turbinas y micro-turbinas de gas, máquinas de combustión interna, etc. El hidrógeno y las pilas de combustible abren el camino para integrar sistemas de energía abiertos que simultáneamente cubren todos los retos de la energía y el medioambiente. Además son lo bastante flexibles para adaptarse a diversas e intermitentes fuentes de energía renovable que serán disponibles en la Europa del 2030. hacen del gas natural la materia prima por excelencia para fabricar hidrógeno. Específicamente, la metodología más extendida de producción de H2 es el reformado con vapor de agua conforme a la reacción: CH 4 + H 2 O ---------- CO + 3H 2 Otra alternativa de aprovechamiento energético de la biomasa es la gasificación, que permite obtener gas de síntesis (CO + H 2 ) mediante calefacción controlada del residuo a temperaturas de 800 – 1000ºC en atmósfera de O 2 o vapor de H 2 O. El gas de síntesis obtenido puede utilizarse como combustible directo, como fuente de H 2 o como materia prima química para preparar gasolinas o diesel mediante el proceso Fischer-Tropsch. El empleo de vapor de agua en la alimentación permite incrementar la producción de hidrógeno reduciendo la producción de alquitranes y CO. La gasificación, dada la severidad del tratamiento, está particularmente indicada para el tratamiento de residuos vegetales difícilmente aprovechables por otras vías. Un ejemplo de estos residuos lo constituyen los alperujos producidos en la industria del aceite Solar termal- Calentando el agua a 2.000 ºC se descompone en Hidrógeno y Oxígeno Fuente: EC_Hydrogen Energy and Fuel Cells. A vision of our Future_2003 Una alta y sostenible calidad de vida es el motor básico para proporcionar en Europa un suministro de una energía limpia, fiable y segura. Para garantizar un ambiente económico competitivo, los sistemas de energía deben cubrir las necesidades de la sociedad con precios asequibles: – Mitigar los efectos del cambio climático; – Reducir los contaminantes tóxicos; y – Prever la disminución de las reservas de petróleo. Si no logra cubrir estas necesidades, tendrá efectos negativos significativos sobre: – la economía; – el medioambiente; y – la salud pública. Por lo tanto, se debe introducir medidas que promocionan: – un uso más eficiente de la energía; y – un suministro energético que procede de una proporción creciente de fuentes libres de carbono. Los efectos potenciales del cambio climático son muy graves y lo más importante de todo, irreversibles. Europa no puede permitirse el lujo de esperar antes de tomar medidas de acción y debe apuntar por lo mejor – un futuro libre de emisiones basado en la energía sostenible. La electricidad y el hidrógeno juntos representan una de las formas más prometedoras para lograr este objetivo, junto con las pilas de combustible que proporcionan un conversión de energía muy eficiente. El hidrógeno no es una fuente de energía primaria como el carbón o el gas. Es un portador de energía. Inicialmente, se producirá utilizando los sistemas de energía existentes basados en distintos y convencionales portadores y fuentes de energía primaria. A más largo plazo, las fuentes de energía renovable se convertirán en la fuente más importante para la producción del hidrógeno. El hidrógeno regenerativo, y el hidrógeno procedente de las fuentes nucleares y los sistemas de conversión de energía basados en fósiles con captura, y un almacenaje seguro de las emisiones de CO 2 , son energías que están prácticamente libres de carbono. Producir el hidrógeno en las grandes cantidades que son necesarias para el transporte y los mercados de energía estacionaria podría convertirse en una barrera para avanzar más allá de la fase inicial de la demostración. Si el coste y la seguridad del suministro son consideraciones dominantes, entonces la gasificación del carbón con el secuestro de CO 2 puede resultar interesante para grandes áreas de Europa. Si la voluntad política es cambiar a las energías renovables, entonces la energía de biomasa, solar, eólica y marina serán más o menos viables según las condiciones geográficas regionales y climáticas. Por ejemplo, la energía termal solar que es concentrada, es una opción potencialmente asequible y segura para la producción a gran escala de hidrógeno, sobre todo para el sur de Europa. La amplia gama de opciones para fuentes, convertidores y aplicaciones, mostrada en el gráfico 1 y 2, aunque no es exhaustiva, refleja la flexibilidad del hidrógeno y los sistemas de energía de las pilas de combustible. Se puede utilizar las pilas de combustible en una amplia gama de productos, desde muy pequeñas pilas de combustible en aparatos portátiles como teléfonos móvil, y ordenadores portátiles hasta aplicaciones móviles como coches, vehículos de reparto, autobuses y barcos, hasta generadores de calor y energía en aplicaciones estacionarias en el sector doméstico e industrial. Los sistemas de energía del futuro también incluyen convertidores de energía convencionales que funcionan con hidrógeno (por Ej. Motores de combustión interna, motores Stirling, motores turbinos) además de otros transportadores de energía (por Ej. el calor y la electricidad directo de la energía renovable, y los bio-combustibles para el transporte). Los beneficios del hidrógeno y las pilas de combustible tienen amplio alcance, sin embargo no se verá su verdadera utilidad hasta que no estén en total uso. El uso del hidrógeno en los sistemas de pilas de combustible ofrece emisiones de carbono muy bajas o de cero y ninguna emisión de sustancias nocivas que dañan el aire como el dióxido de nitrógeno, el dióxido de azufre o el monóxido de carbono. Debido a su bajo nivel de ruido y su alta calidad de energía, los sistemas de pilas de combustible son idóneos para el uso en hospitales o en centros informáticos o aplicaciones para móviles. Ofrecen una alta nivel de eficiencia, independientemente de su tamaño. Los trenes eléctricos de pilas de combustible proporcionan una reducción significante en el consumo de energía y en emisiones reguladas. Las pilas de combustible también sirven como Unidades de Energía Auxiliar en combinación con motores de combustión interna, o en los sistemas de apoyo estacionarios cuando funcionen. Los trenes eléctricos con pilas de combustible pueden proporcionar una reducción significativa en el consumo de la energía y en las emisiones reguladas. También se puede utilizar las pilas de combustible. Las pilas como Unidades de Energía Auxiliar en combinación con los motores de combustión interna, o en los sistemas estacionarios de apoyo cuando funcionen con reformers para la conversión a bordo de otros combustibles – con el ahorro de energía y una reducción en la polución del aire, especialmente en el tráfico urbano. En resumen, el hidrógeno y la electricidad juntos representan una de las formas más prometedoras de producir una energía sostenible, mientras que las pilas de combustible proporcionan el mecanismo de conversión más eficiente para la conversión del hidrógeno y otros posibles combustibles en electricidad. El hidrógeno y las pilas de combustible abren el camino para integrar sistemas de energía abiertos que simultáneamente cubren todos los retos de la energía y el medioambiente. Además son lo bastante flexibles para adaptarse a diversas e intermitentes fuentes de energía renovable que serán disponibles en la Europa del 2030. En una primera aproximación, la Generación Eléctrica Distribuida contempla la producción de energía eléctrica mediante sistemas modulares descentralizados, próximos al usuario final, conectados a la red de distribución o aislados. La capacidad máxima de los generadores que se incluyen en la GD ha ido aumentando en los últimos años (hasta 10 MW, 50 o incluso 100 MW). Se consideran sistemas de GD las plantas fotovoltaicas, las solares térmicas de alta temperatura, aerogeneradores, mini-hidráulica, plantas de biomasa, pilas de combustible, turbinas y micro-turbinas de gas, máquinas de combustión interna, etc. Continuación en la siguiente diapositiva
Las pilas de combustible se clasifican según el electrolito que utilicen de igual forma tienen diferentes aplicaciones. Las que utilizan hidrógenos son las ALcalinas (AFC) y las de Membrana de intercambio protónico (PEM) AFC: Alcalinas (hidróxido de potacio) PAFC: Celda combustible de Acido Fosfórico MCFC: Celda Combustible de Carbonato Fundido SOFC: Celda Combustible de Oxido Sólido PEMFC: Celda Combustible de Membrana de Intercambio Protónico DMFC: Celda de combustible de metanol directo AFC .- La pila de combustible alcalina ( AFC , o Alcaline Fuel Cell en su denominación anglosajona), es una de las más desarrolladas tecnologías dentro de las pilas de combustible, y es el tipo de pila de combustible que llevó al hombre a la Luna. La AFC consume Hidrógeno y Oxigeno, produciendo agua, calor y electricidad. Su efectividad es de las más elevadas en este tipo de tecnologías, llegando a alcanzar un rendimiento del 70%. Trabaja entre 90 – 100 C PEM.- que utilizan un pólímero sólido trabajan a temperaturas entre 60 y 100 C, son utilizados en aplicaciones de potencia menor, como vehículos livianos, edificios y también en reemplazo de baterías de dispositivos electrónicos. PAFC, Acido Fosfórico.- son las más desarrolladas a nivel comercial y son utilizadas en clínicas, hospitales, hoteles, edificios, autobuses y locomotoras, etc. Eficiencia 40%, pero utilizando el vapor en cogeneración puede llegar hasta un 85% de eficiencia. La temperatura de trabajo es del rango de 175 y 200 C. Usa gas natural. Carbonato Fundido (MCFCs). Las Celdas de Combustible de Carbonato Fundido prometen altas eficiencias combustible-electricidad y la habilidad para consumir combustibles base carbón. Esta celda opera a temperaturas del orden de los 1,200F. La primera pila de carbonato fundido a gran escala ha sido ya probada y algunas unidades para demostración están siendo terminadas para su prueba en California en 1996. Óxido Sólido (SOFCs). Otra Celda de Combustible altamente prometedora, la Celda de Combustible de Óxido Sólido, podría ser usada en aplicaciones grandes de alta potencia incluyendo estaciones de generación de energía eléctrica a gran escala e industrial. Algunas organizaciones que desarrollan este tipo de celdas de combustible también prevéen el uso de estas en vehículos motores. Una prueba de 100kW está siendo terminada en Europa mientras que dos pequeñas unidades de 25kW se encuentran ya en línea en Japón. Un sistema de Óxido Sólido normalmente utiliza un material duro cerámico en lugar de un electrólito líquido permitiendo que la temperatura de operación alcance los 1,800 grados F. Las eficiencias de generación de potencia pueden alcanzar un 60%. Un tipo de Celda de Combustible de Óxido Sólido utiliza un arreglo de tubos de un metro de longitud mientras que otras variaciones incluyen un disco comprimido semejando la parte superior de una lata de sopa. Alcalinas. Utilizadas desde hace mucho tiempo por la NASA en misiones espaciales, este tipo de celdas pueden alcanzar eficiencias de generación eléctrica de hasta 70%. Estas celdas utilizan hidróxido de potasio como electrólito. Hasta hace poco tiempo eran demasiado costosas para aplicaciones comerciales pero varias compañías estan examinando formas de reducir estos costos y mejorar la flexibilidad en su operación. Otras Celdas de Combustible. Nuevos miembros de la familia de Celdas de Combustible, tales como las de Metanol Directo, pueden surgir como resultado del presente trabajo llevado a cabo en laboratorios privados y gubernamentales. Fuente: EC_Hydrogen Energy and Fuel Cells. A vision of our Future_2003 (continuación de la diapositiva anterior) Europa debería ser el líder en asumir una análisis racional de las opciones de las energías alternativas y demostrar los beneficios de una transición hacia un uso extendido del hidrógeno y las pilas de combustible. Tendrá que proporcionar soluciones rentables para los siguientes retos claves y ser el motor principal para los futuros sistemas de energía. La seguridad de la energía y su suministro: La sociedad de hoy depende en gran medida de la disponibilidad constante de combustibles fósiles asequibles, los cuales, en un futuro, se concentrarán cada vez más en un número más pequeño de países – creando potencial para la inestabilidad geopolítica de precios. El hidrógeno abre el camino hacia una amplia grama de fuentes primarias de energía, incluyendo los combustibles fósiles, la energía nuclear y cada vez más, las fuentes de energía renovable (por Ej. Eólica, solar, oceánica y biomasa), al hacerse más disponible. Por lo tanto, la disponibilidad y el precio del hidrógeno como portador debería ser más estable que cualquier otra fuente de energía. La introducción del hidrógeno como portador de energía, junto con la electricidad, permitiría que Europa pudiese explotar los recursos que mejor se adapten a las circunstancias de cada región. El hidrógeno y la electricidad también permiten una flexibilidad en el balance de la energía centralizada y descentralizada, basado en unas redes inteligentes y bien distribuidas para poder abastecer de energía zonas alejadas o aisladas (por Ej. islas y montañas) La energía descentralizada es atractiva tanto para asegurar la calidad de la energía para cubrir las necesidades específicas del cliente, como para incrementar las medidas de seguridad y dispersar puntos de concentración de riesgo. La habilidad para almacenar el hidrógeno más fácilmente que la electricidad puede ayudar con la nivelación de cargas y en el balance de la naturaleza intermitente de las fuentes de energía renovable. Asimismo, el hidrógeno es uno de los pocos portadores de energía que permite que se pueda introducir las fuentes de energía renovable en los sistemas de transporte. La competitividad económica: Desde la primera crisis del petróleo en los años 70, el crecimiento económico no ha sido directamente relacionado con el crecimiento en la demanda de la energía en el sector industrial. mientras que en el sector del transporte el incremento en la movilidad aún lleva a un incremento proporcionado en el consumo de la energía. Se debe reducir la cantidad de energía que se necesita para cada unidad de crecimiento, mientras que el desarrollo de los portadores de energía y las tecnologías para asegurar un suministro de energía de bajo coste es de gran importancia. El desarrollo y las ventas de los sistemas de energía también son elementos importantes en la creación de la riqueza, desde automóviles hasta centrales de energía, creando un empleo sustancioso y oportunidades para la exportación, especialmente para las naciones en fase de industrialización. El liderazgo europeo en el hidrógeno y las pilas de combustible tendrá un papel clave en la creación de oportunidades de empleo de alta calidad, desde la I+D estratégico hasta la producción y artesanos. En EEUU y Japón, el hidrógeno y las pilas de combustible se considerarán como las tecnologías esenciales para el siglo XXI e importantes para la prosperidad económica. Existe una inversión fuerte y una actividad industrial en el campo del hidrógeno y las pilas de combustible en estos países que impulsa la transición hacia el hidrógeno – independientemente de Europa. Si Europa quiere competir y ser uno de los líderes mundiales, debe intensificar sus esfuerzos y crear un ambiente que favorece el desarrollo del negocio. La calidad del aire y las mejoras en cuanto a la salud. Una tecnología mejorada y los tratamientos post-combustión para las tecnologías convencionales continuamente reducen las emisiones de los contaminantes. Sin embargo, los óxidos de nitrógeno y las partículas todavía son un problema en ciertas zonas, mientas que la tendencia global hacia la urbanización enfatiza la necesidad para soluciones de energía limpia y un mejor transporte público. Los vehículos y la generación de la energía estacionaria impulsados con hidrógeno son mecanismos con emisiones cero cuando estén en uso. También ofrecen beneficios en cuanto a la calidad de aire en zonas locales. La reducción del gas invernadero: Se puede producir el hidrógeno de las fuentes de energía que son libres de carbono o carbono neutral, o de combustibles fósiles con la captura y recogida de CO 2 . Por lo tanto, el uso del hidrógeno podría eliminar las emisiones de gas invernadero en el sector de la energía. Las pilas de combustible ofrecen una generación de energía limpia y eficiente con una gama de combustibles. También pueden ser colocados cerca de los puntos de uso final permitiendo la explotación del calor generado durante de proceso. Se podría lograr uno ahorros con respecto al gas invernadero de aproximadamente 140 MtCO 2 al año (un 14% de los niveles de las emisiones de CO2 que hoy en día proceden de la generación de la electricidad) si un 17% de la demanda total de la electricidad que actualmente se suministra desde las centrales de energía centralizada fuera sustituida por unas centrales de energía más eficientes y descentralizadas, y que incorporasen unos sistemas de pilas de combustible estacionarias de alta temperatura impulsados por el gas natural. Los sistemas de las pilas de combustible serán utilizadas como una carga de base en los sistemas futuros de la energía descentralizada. No se proponen estos ejemplos como metas, sino que solamente sirven de demostración de como se puede lograr ahorros en el CO 2 mediante unas modestas penetraciones de los vehículos de hidrógeno y la generación de energía basada en las pilas de combustible. Juntos, un 15% de vehículos de hidrógeno regenerativo y los sistemas híbridos de pilas de combustible/turbina de gas, podrían suministrar alrededor de unos ahorros de 250 MtCO 2 cada año. Esto corresponde aproximadamente al 6% de las emisiones de CO 2 relacionadas con la energía previstas para 2030, y tal avance permitiría que Europa vaya más allá que el Protocolo de Kyoto.
A diferencia de la pila eléctrica o batería, una pila de combustible no se acaba ni necesita ser recargada; funciona mientras el combustible y el oxidante le sean suministrados desde fuera de la pila.
Cada celda tiene 2 electrodos (ánodo y cátodo) en el ánodo se inyecta el combustible – hidrógeno en este caso - y en el cátodo se introduce un oxidante – normalmente aire u oxígeno. Los dos electrodos de una celda de combustible están separados por un electrólito iónico conductor. Su principio de funcionamiento es inverso al de una electrólisis. Por ejemplo, en la electrólisis del agua, se separa este compuesto en sus dos componentes, hidrógeno y oxígeno, mientras que en una pila de combustible se obtendría una corriente eléctrica por medio de la reacción entre estos dos gases: 2H 2 + O 2 ® 2H 2 O El funcionamiento de una celda de combustible consiste básicamente en la oxidación del hidrógeno en agua, generando energía eléctrica y calor El proceso químico que se lleva a cabo es el siguiente: Ánodo: 2H2 4H+ + 4e- Cátodo: 4e- + 4H+ + O2 2H2O Reacción completa: 2H2 + O2 2H2O
MEA conjunto membrana electrodo (MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY) PEM Membrana de Un conductor polímero solido de membrana se utiliza como electrolito en pilas de combustible PEM. El electrolito conduce los protones desde el ánodo al cátodo del electrodo y evita la combustión de la mezcla y directa de los reactivos. La mayoría de las pilas de combustible utilizan ácido perfluorosulfonic (EPIP) membranas de polímero, que consisten en grupos de éter perfluorovinyl terminado con grupos sulfonato incorporado en politetrafluoroetileno (PTFE) la columna vertebral. El material de la membrana más común es el Nafion ®. Otros materiales similares, por ejemplo, Flemion ® y Aciplex ® (Asahi Glass Co. Ltd.), y GORE-Select ® (WL Gore & Associates, Inc.). Principales diferencias entre estas membranas son las longitudes de las cadenas de monómeros en las cadenas principales y secundarios [18]. Grosor de las membranas comunes varía aproximadamente entre 15 y 200 micras, dependiendo del material y condiciones previstas de funcionamiento. Electrodes Electrochemical reactions in PEM fuel cells take place on the electrodes, which are manufactured directly onto the membrane, hence the term membrane electrode assembly or onto the porous transport layers . PEMFC electrodes are very thin, only ca. 10 μm, thinner than in other fuel cell types, and thus power density in PEMFC electrodes is higher compared to other fuel cells. Electrodo.- Reacciones electroquímicas en las células de combustible PEM tendrá lugar en los electrodos, los cuales son fabricados directamente en la membrana, por lo tanto, el conjunto de la membrana de electrodos plazo o en las capas de transporte porosa. Electrodos PEMFC son muy delgadas, sólo ca. 10 micras, más fino que en otros tipos de células de combustible, y por lo tanto la densidad de potencia en los electrodos de PEMFC es mayor en comparación con otras células de combustible. PTL Capas porosas de transporte tienen numerosas funciones en una celda de combustible PEM. Como su nombre indica, actúan como un conducto para especies reactivas, productos de reacción, la corriente eléctrica y calor. Además, proporcionan soporte mecánico para el MEA, asegurando un contacto suficiente eléctrica y térmica entre la AMA y la PTL en los canales de flujo. La naturaleza porosa de los materiales PTL proporciona el acceso a los reactivos a las partes de los electrodos que están en los bordes del canal de flujo, y un pasaje para el agua producto de la reacción del electrodo en el canal de flujo. Transporte reactivo suele ser impulsada por la difusión y en algunos casos, por convección y la eliminación de agua por capilaridad. Una corriente eléctrica pasa a través de la PTLs cuando los electrones viajan desde el cátodo al electrodo ánodo a través de un circuito externo, y el calor producido en la reacción del cátodo sale de la MEA, principalmente por conducción a traves del PTLs. Tradicionalmente, las PEMFC las capas de transporte se han hecho porosas de carbono tela, papel o fieltro tratadas con PTFE o fluorocarbono similares para aumentar la hidrofobia, es decir, asegurar que el agua no llena todos los poros. [28 29]. PTLs muchos cuentan con una capa microporosa de negro de humo y PTFE en uno o ambos lados para mejorar las propiedades de manejo del agua Placas de flujo del campo El flujo de las placas de campo cuentan con canales de flujo para la distribución de reactivos en la celda activa y se retiro del agua y proporcionar una interconexión eléctrica entre las capas de transporte y componentes porosos exterior. Además, las placas de flujo de campo conducen el calor y proporcionar un soporte mecánico para los componentes de células más flexibles, tales como PTLs y la MEA. Placas de flujo de campo en una pila de combustible se refiere a menudo como placas bipolares, ya que actúan como una placa ánodo de la celda unitaria y una placa de cátodo por otro, la separación de los reactivos y conectar eléctricamente las células adyacentes. Del mismo modo, las placas de flujo de campo de una sola célula se denominan placas monopolar.
Electrolizador PEM Descripción El electrolizador PEM convierte energía eléctrica en energía química y puede ser concebirse como la inversión de una célula de combustión. La conversión ocurre en dos cámaras, separadas por una membrana conductora de protones ( Proton Exchange Membrane). Al aplicarsele una tensión continua se produce la separación del agua en hidrógeno (H2) en el polo negativo y en oxígeno (O2) en el polo positivo. Los gases son recibidos en recipientes colectores. Para el funcionamiento del electrolizador se requiere agua destilada. Para la alimentación de tensión se puede emplear por ej. una fuente de tensión continua (por ej. 521 50) o la célula solar sobre zócalo (664 431). Se denomina bar a una unidad de presión equivalente a un millón de barias , aproximadamente igual a una atmósfera (1 atm). Su símbolo es «bar». Psi LIBRA FUERZA POR PULGADA CUADRADA Almacenamiento en forma sólida como hidruros metálicos El hidrógeno tiene una tercer forma de ser almacenado que le es característica y que no existe en el caso de otros combustibles líquidos o gaseosos: el hidrógeno reacciona con distintos metales o compuestos intermetálicos formando hidruros. Estos pueden guardar aún más hidrógeno por unidad por unidad de volumen que el hidrógeno líquido. Como bajo adecuadas condiciones de temperatura y presión esta reacción es reversible, una dada masa metálica puede ser cargada y descargada un número prácticamente ilimitado de veces, pudiendo utilizarse como un tanque para el almacenamiento sólido del hidrógeno. Esta forma de almacenamiento. Tiene la ventaja que se requieren bajas presiones ( menores que 1.01 atm. ) y que éstos almacenadores son muy seguros, pues en caso de producirse una pérdida brusca de oxígeno, el sistema reaccionará inhibiendo la producción de liberaciones adicionales del gas. La ventaja de esta forma de almacenamiento es el peso relativamente alto asociado al material absorbente: en el mejor de los casos se llega a aproximadamente el 7% del peso del hidrógeno total. Esto impide la utilización de este método en el caso de la aeronavegación, por ejemplo, tiene escasa relevancia en el caso de unidades estacionarias de almacenamiento. El almacenamiento del hidrógeno como hidruros es especialmente útil y conveniente en el caso de pequeños sistemas energéticos aislados, como hogares en zonas rurales, dónde la electricidad puede generarse a partir de las energías eólica, solar o pequeñas plantas hidroeléctricas. Almacenamiento 900 slitros Tasa de descarga 6 slpm Llenado requiere 8 horas a 250 psig (17 bar) Temperatura operación 0 – 75 C Temperatura de almacenamiento -29 -54 C PEM ELECTROLIZADOR 19000 ALMACENAMIENTO HIDROGENO SOLIDO 1000
Consumo 42 slm

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Javier Aubert 1 year ago

Sistema de generación de energía eléctrica utilizando hidrógeno Presentation Transcript

GENERACION DE ENERGÍA ELECTRICA ALTERNATIVA PARA USO DOMESTICO UTILIZANDO HIDRÓGENO Ing. Jorge Ugarte Fajardo Simposio Internacional de Energías Renovables CERA-ESPOL (Centro de Energías Renovables y Alternativas )
Objetivos principales
- Implementar un sistema de generación eléctrica de 2 KW de potencia, a 110 VAC.
- Elaborar membranas de intercambio protónico PEM utilizando quitosano
Efecto invernadero
Contaminación del aire
Tráfico carretera Aeroespacio Ríos Océanos Atmósfera Agua subterráneo Licuefacción Air Economía del hidrógeno Petroquímica Química de Hidrógeno Desmineralización Electrólisis Mercado del Calor Producción de Electricidad Producción de Electricidad de energía solar, eólica Energía hidro
Hidrógeno: Las Fuentes de la Energía Primaria y Aplicaciones SUMINISTRO DEMANDA
Hidrógeno: Pilas de combustible y Aplicaciones
Hidrógeno: Pilas de combustible estacionarias Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico capaz de convertir la energía química que contiene el hidrógeno en electricidad.
Pilas de Combustible Estacionarias Una pila de combustible está formada por la unión de varias celdas de combustible.
Celda de Combustible: funcionamiento El proceso químico que se lleva a cabo es el siguiente: Ánodo : 2H2 4H+ + 4e- Cátodo: 4e- + 4H+ + O2 2H2O Reacción completa : 2H2 + O2 2H2O
Celda de Combustible: componentes
- MEA conjunto membrana electrodo
- PTL Capa porosa de transporte (Carbón)
- Sello ( teflon )
- Placas de flujo (grafito)
- Colector de corriente (cobre)
- Aislador eléctrico
- Placa final
Sistema de generación de energía eléctrica 110 VAC
Sistema de generación de energía eléctrica 110 VAC
La generación y almacenamiento El electrolizador PEM Al aplicársele una tensión continua se produce la separación del agua en hidrógeno (H2+) en el polo negativo y en oxígeno (O2) en el polo positivo. Los gases son recibidos en recipientes colectores. Pureza H2 19,99999% El hidrógeno reacciona con distintos metales o compuestos intermetálicos formando hidruros Capacidad 900 sl. Almacenamiento H2 en forma sólida
La pila de combustible
La pila de combustible Principales especificaciones técnicas Tipo de celda de combustible PEM Número de celdas 72 Potencia 3000 W Rendimiento 43 V a 69 A Reactivos Hidrógeno y aire Max temperatura 65 ⁰C Flujo H2 a max potencia 42 l/min
La pila de combustible
Sistema de conversión DC - AC
Sistema de medición
Sistema de medición
Tabla de consumo estimado Tabla de consumo (watts) Bombillos ahorradores 6 20 120 Refrigerador 1 575 575 Televisor color 1 150 150 Radio 1 15 15 Licuadora 1 350 350 Estereo 1 75 75 plancha 1 800 800 TOTAL (watts) 2085
Costos del sistema Costos del sistema de generación 2KW Pila de combustible (3 Kw) $13.000,00 Inversor (2.4 Kw) $820,00 Fuente DC $60,00 Comp. Electrónicos $100,00 Baterías Litio $60,00 TOTAL $14.040,00