‘Diseño y control de un sistema de generación de hidrógeno’

1 UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES Grado en Ingeniería en Electrónica Industrial y Automática ‘Diseño y control de un sistema de generación de hidrógeno’ Autor: Martín Martín, Adrián Tutor: Baeyens Lázaro, Enrique Dpto. Ingeniería de Sistemas y Automática Valladolid, marzo 2023. Diseño y control de un sistema de generación de hidrógeno 2 Diseño y control de un sistema de generación de hidrógeno 3 «Be the change you want to see in the world» -Mahatma Gandhi- Diseño y control de un sistema de generación de hidrógeno 4 Agradecimientos 5 Agradecimientos En primer lugar, me gustaría agradecer a mi madre, a mi padre y a mi hermana el cariño, el apoyo y la educación recibida cada día de mi vida. Sin ellos nada de lo logrado hubiera sido posible, pues me alentaron en los momentos más complicados. En segundo lugar, a mi grupo de amigos por compartir aficiones y buenos momentos. En tercer lugar, agradecer a todos mis compañeros de la Universidad por las vivencias a lo largo del grado. Hoy en día puedo decir que son grandes amigos. Seguidamente, a mis compañeros de trabajo de CARTIF, por hacerme la estancia más enriquecedora y amena. Por último, agradecer a mis tutores de este trabajo, Enrique Baeyens, Ismael Lozano y Roberto Arnanz, quienes han estado siempre predispuestos a cualquier duda planteada y de los cuales he aprendido mucho, no solo sobre el tema propuesto, sino también en el ámbito laboral. Diseño y control de un sistema de generación de hidrógeno 6 Resumen 7 Resumen El trabajo realizado en este proyecto consiste en la programación de un modelo y un controlador básico para un sistema de generación de energía renovable con almacenamiento de hidrógeno en hidruros metálicos. El objetivo del controlador será el de proporcionar la energía requerida por una demanda utilizando las diferentes fuentes de energía renovables. Se trata el problema de cómo gestionar el almacenamiento para su posterior utilización. Se han utilizado los entornos de programación de Matlab (Simulink y Stateflow) para desarrollar tanto el modelo como el controlador. Palabras clave: hidrógeno, electrolizador AEM, pila de combustible PEM, almacenamiento, Matlab. Abstract The work carried out in this project consists of programming a model and a basic controller for a renewable energy generation system with hydrogen storage in metal hydrides. The aim of the controller will be to provide the energy required by a demand using different renewable energy sources. The problem of how to manage the storage for later use is solved. Matlab programming environments (Simulink and Stateflow) have been used to develop both the model and the controller. Keywords: hydrogen, AEM electrolyse, PEM fuel cell, storage, Matlab. Diseño y control de un sistema de generación de hidrógeno 8 Índice de figuras 9 Índice de figuras Figura 1. Crecimiento poblacional mundial. (Fuente: Fondo de población de la ONU) ...................................................................................................................... 20 Figura 2. Molécula de hidrógeno. (Fuente: peterschreiber.media) .................. 24 Figura 3. Tipos de hidrógeno. (Fuente: apilados.com) ...................................... 25 Figura 4. Emisiones de CO2. (Fuente: Global Carbon Project) .......................... 27 Figura 5. Demanda mundial de hidrógeno puro. (Fuente: Elaborado por AleaSoft con datos de la IEA) .............................................................................. 29 Figura 6. Electrolisis del agua (Fuente: alamy.es) ............................................. 30 Figura 7. Pila de combustible (Fuente: Centro Nacional de Hidrógeno) .......... 40 Figura 8. Esquema de una pila de combustible PEM (Fuente: apilados.com) 41 Figura 9. Esquema de una pila de combustible MCFC (Fuente: apilados.com) ............................................................................................................................... 42 Figura 10. Esquema de una pila de combustible SOFC (Fuente: apilados.com) ............................................................................................................................... 43 Figura 11. Esquema de una pila de combustible PAFC (Fuente: apilados.com) ............................................................................................................................... 43 Figura 12. Esquema de una pila de combustible AFC (Fuente: apilados.com) ............................................................................................................................... 44 Figura 13. Gráfica de tensión – densidad de corriente .................................... 50 Figura 14. Gráfica de potencia – intensidad ..................................................... 51 Figura 15. Tanque de almacenamiento de hidrógeno a alta presión (Fuente: synerhy.com) ........................................................................................................ 53 Figura 16. Tanque de almacenamiento de hidrógeno líquido (Fuente: Airbus) ............................................................................................................................... 54 Figura 17. Átomos de hidrógeno situándose en la estructura metálica del compuesto (Fuente: Ciemat; Curso de tecnologías, operación y aplicación del almacenamiento de energía a sistemas eléctricos) .......................................... 55 Figura 18. Coeficientes para el cálculo de la presión de equilibrio (Fuente: artículo de la bibliografía [18]) ............................................................................ 58 Figura 19. Curvas de almacenamiento de hidrógeno (Fuente: MetHydor) ...... 59 Figura 20. Curvas de almacenamiento de hidrógeno obtenidas en el modelo diseñado ............................................................................................................... 60 Diseño y control de un sistema de generación de hidrógeno 16 Índice 17 Índice Agradecimientos ..................................................................................................... 5 Resumen ................................................................................................................. 7 Abstract ................................................................................................................... 7 Índice de figuras ..................................................................................................... 9 Notación ................................................................................................................ 12 1 Introducción ...................................................................................................... 20 1.1. Motivación .............................................................................................. 20 1.2. Objetivos ................................................................................................ 21 1.2.1. Objetivo general ............................................................................. 21 1.2.2. Objetivos específicos ..................................................................... 21 2 Hidrógeno verde ................................................................................................ 23 2.1. Propiedades del hidrógeno ...................................................................... 23 2.2. Hidrógeno como vector energético ......................................................... 24 2.3. Transición energética ............................................................................... 26 3 Producción de hidrógeno ................................................................................. 29 3.1. Qué es un electrolizador y cómo funciona .............................................. 30 3.2. Tipos de electrolizadores ......................................................................... 30 3.3. ¿Por qué utilizar los electrolizadores AEM?............................................ 33 3.4. Modelo de electrolizador AEM ................................................................. 33 4 Pila de combustible .......................................................................................... 39 4.1. Funcionamiento y partes ......................................................................... 39 4.2. Tipos de pila de combustible ................................................................... 41 4.3. Aplicaciones de las pilas de combustible ............................................... 45 4.4. Modelo de pila de combustible ............................................................... 45 Índice 18 4.5. Resultados ................................................................................................ 50 4.5.1. Gráfica tensión – densidad de corriente ......................................... 50 4.5.2. Gráfica potencia – intensidad .......................................................... 51 5 Almacenamiento de hidrógeno ........................................................................ 52 5.1. Tipos de almacenamiento de hidrógeno ................................................ 53 5.2. Modelo de almacenamiento de hidrógeno ............................................. 55 5.3. Resultados ................................................................................................ 59 5.3.1. Presión – Relación de átomos de hidrógeno en el metal .............. 59 5.3.2. Presión de equilibrio – Flujo absorción y desorción ....................... 60 6 Diseño de un controlador ................................................................................. 62 7 Caso de estudio ................................................................................................ 67 8 Conclusiones y futuras líneas de trabajo ........................................................ 71 8.1. Conclusiones ............................................................................................. 71 8.2. Futuras líneas de trabajo ......................................................................... 72 Referencias ........................................................................................................... 73 Diseño y control de un sistema de generación de hidrógeno 19 Introducción 20 1 Introducción 1.1. Motivación Hoy en día, el mundo se encuentra en una difícil situación energética. Por una parte, y debido al desarrollo tecnológico creciente, cada vez existe una mayor demanda de energía. Por otra, las principales fuentes de energía presentan en gran parte recursos limitados, además de contribuir a situaciones medioambientales indeseables. Asimismo, cabe destacar el crecimiento demográfico. Según Naciones Unidas la población mundial actual es de 7.700 millones y en los próximos 30 años estiman que aumentará en 2.000 millones de personas. En otras palabras, en 2050 se estima que la población mundial sea de unos 9.700 millones. Y en 2100 podríamos estar hablando de cifras cercanas a los 10.400 millones de habitantes [1]. Como es evidente, son cifras absolutamente desproporcionadas, y es un cambio para el cual hoy en día no se está aún preparado. Figura 1. Crecimiento poblacional mundial. (Fuente: Fondo de población de la ONU) Introducción 21 Como he comentado anteriormente, es necesario un cambio energético que sea capaz de adaptarse al crecimiento mencionado, y que a su vez no sea perjudicial para la vida en el planeta tierra. Puede parecer evidente la necesidad de utilizar energías ilimitadas a la par que renovables, pero no es tarea fácil, pues, como muestra el Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico, en 2020 en España [2], del 100% de la energía consumida, el 50% procede del petróleo y únicamente el 21,22% proviene de energías renovables, ocasionando que los combustibles fósiles hayan cubierto más del 77% de la energía consumida. Aun así, se consiguió alcanzar los objetivos de la Unión Europea fijados en un 20%. El objetivo principal es el de potenciar la utilización de energías procedentes de las energías renovables para poder hacer frente a la transición energética; aquí es donde aparecen nuevas formas de generar energía, como puede ser a partir del hidrógeno, ya sea mediante su combustión, o mediante su reacción química en una pila de combustible para producir directamente electricidad y calor. 1.2. Objetivos 1.2.1. Objetivo general El proyecto que se presenta en esta memoria ha sido realizado en la Fundación CARTIF, y se hará realidad en escasos meses. El objetivo fundamental ha sido el de conseguir diseñar y regular las ecuaciones que rigen el funcionamiento de un sistema de generación de hidrógeno desde cero. De la misma forma, se ha tratado de estudiar la importancia del hidrógeno como generador de energía en un futuro cercano, a la vez que comprender los problemas que presenta la transición energética, y por lo tanto, las complicaciones a la hora de implantar el proyecto en nuestro día a día. 1.2.2. Objetivos específicos Para revolver el proyecto planteado, será necesario diseñar y programar las ecuaciones que rigen el comportamiento del electrolizador, así como el de la pila de combustible, los cuales son los elementos fundamentales de la tarea Introducción 22 propuesta. De igual modo, se diseñará un depósito de almacenamiento de hidrógeno basado en hidruros metálicos. En definitiva, mediante unos pocos parámetros, conseguiremos obtener un control regulado únicamente por la potencia de entrada a los dispositivos mencionados y que cumplirá con las especificaciones requeridas. Hidrógeno verde 23 2 Hidrógeno verde Como he comentado anteriormente, es necesario una transición energética. El hidrógeno es, una de las posibles soluciones al problema de la dependencia de los combustibles derivados del petróleo. Presenta la ventaja de que puede almacenarse en estado gaseoso o líquido, y fácilmente se puede distribuir mediante gasoductos, pudiendo en un futuro ser el sustituto ideal del gas natural. De esta manera, se limitará en gran medida los gases de efecto invernadero, además de preservar el medio ambiente. Asimismo, el hidrógeno es el elemento químico más abundante del universo [3]. Se encuentra tanto en las estrellas como en los planetas gaseosos. En el cosmos, el hidrógeno se encuentra principalmente en su forma atómica y en estado de plasma, cuyas propiedades difieren respecto a las del hidrógeno molecular. Como plasma, presenta una alta conductividad eléctrica y una gran emisividad 1 . Por el contrario, bajo condiciones normales de presión y temperatura, el hidrógeno existe como gas diatómico, H2. Sin embargo, el hidrógeno gaseoso es realmente poco abundante en la Tierra. La mayor parte del hidrógeno en el planeta se hallan formando otros compuestos químicos como el agua o los hidrocarburos. 2.1. Propiedades del hidrógeno El hidrógeno en condiciones normales se encuentra en estado gaseoso y es insípido, incoloro e inodoro a temperatura ambiente [4], que además presenta la cualidad de ser combustible. También, cabe destacar que tiene una densidad catorce veces más pequeña que la del aire. La molécula está compuesta por dos átomos de hidrógeno enlazados por un enlace covalente. 1 Medición de la capacidad de un objeto de emitir energía infrarroja. Hidrógeno verde 24 Figura 2. Molécula de hidrógeno. (Fuente: peterschreiber.media) Las principales propiedades tanto físicas como químicas del H2 son [5]: • Estado de oxidación: +1 • Electronegatividad: 2,2 • Radio covalente: 0,37 • Configuración electrónica: 1s1 • Primer potencial de ionización: 13,65 • Masa atómica (g mol-1): 1,00797 • Densidad (kg m-3): 0,08988 • Punto de ebullición (ºC): -252,7 • Punto de fusión (ºC): -259,2 • Temperatura crítica (ºC): -239,96 • Calor específico a presión constante (kJ KmolK-1): 28,623 • El calor específico a volumen constante (kJ KmolK-1): 20,309 • Entalpía de fusión (kJ mol-1): 0,1180 • Entalpía de vaporización (kJ mol-1): 0,8995 2.2. Hidrógeno como vector energético El hidrógeno no es una fuente como tal de energía primaria, ya que no existe en forma libre en la naturaleza, sino que se encuentra asociada a otros elementos químicos en muchos tipos de compuestos. Es necesario separarlo de estos compuestos mediante algún proceso, por eso se dice que es una fuente de energía secundaria. Además, es una sustancia que tiene la Hidrógeno verde 25 capacidad de ser almacenada de tal manera que pueda ser liberada en otro lugar o momento posterior de forma progresiva y controlada. Según el proceso de generación podemos diferenciar varios tipos de hidrógeno [6,7] como se puede apreciar en la figura 3. Figura 3. Tipos de hidrógeno. (Fuente: apilados.com) El hidrógeno negro toma este nombre debido a que es el producido a partir de hidrocarburos, sin captura de emisiones y sin usar energías procedentes de las fuentes renovables. El hidrógeno marrón se consigue mediante la gasificación del carbón. Poco a poco va perdiendo utilidad al igual que el anterior, por su incapacidad de uso de energías renovables. El hidrógeno gris se trata mayoritariamente de hidrógeno producido a partir de gas natural con la conocida técnica del reformado de vapor. No se realiza captura de emisiones contaminantes ni tampoco se usan fuentes de energías renovables. Por ello, es el más contaminante, y además hasta hace relativamente poco, el más utilizado industrialmente. El hidrógeno amarillo es aquel que se obtiene mediante electrólisis. Sin embargo, la electricidad necesaria para este proceso procede de fuentes Producción de hidrógeno 32 Los electrolizadores de óxido sólido (SOE) son conocidos por ser electrolizadores de alta temperatura (HTE), ya que operan entre 600º-800ºC, a diferencia de los alcalino y PEM que son considerados de baja temperatura (LTE). Es una tecnología que se encuentra aún en fase de desarrollo. En este tipo de electrolizadores, se usa un material cerámico sólido como electrolito. El procedimiento es tal que a una temperatura de 700ºC, el vapor del cátodo se junta con los electrones del circuito externo para formar hidrógeno gaseoso e iones de oxígeno cargados negativamente. Estos iones, cruzan la membrana cerámica sólida y reaccionan en el ánodo creando gas oxígeno y electrones para el circuito externo. Una de las principales ventajas es que no requieren de electrodos nobles, ya que, trabajan a alta presión, y teóricamente pueden alcanzar una alta eficiencia energética y térmica, cercana al 100%, en caso de aprovechar el calor generado (superando así a los PEM y alcalinos). Además, produce bajas emisiones a un coste bajo. Como desventajas encontramos el gran volumen de diseño, su baja durabilidad, y las temperaturas de operación altas y difíciles de trabajar. [10] Los electrolizadores de membrana de intercambio aniónico (AEM) se encuentran en fase de investigación. El fundamento es igual a los desarrollados anteriormente, diferenciándose en el intercambio de aniones en vez de cationes. Las principales ventajas es que pueden trabajar en medio básico en vez de ácido, lo que genera una mayor movilidad de electrones y una menor corrosión. Además, emplea metales no nobles sin perder las densidades de corriente en torno al 0,5 A/cm2. El principal problema que presentan este tipo de electrolizadores es la escasa vida útil, hasta 100 horas de operación sostenida como máximo, debido al uso de metales alcalinos y su posterior formación de iones de carbonato. [10] Producción de hidrógeno 33 3.3. ¿Por qué utilizar los electrolizadores AEM? Bajo la supervisión del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST), se ha anunciado un proyecto de aspecto colaborativo entre el equipo del Centro para el hidrógeno y Desarrollo de Pilas de Combustible, liderado por el Dr. So Young Lee, y el equipo del Departamento de Ingeniería Energética de la Universidad de Hanyang, dirigido por el profesor Young Moo Lee. Sendos responsables del proyecto afirman que su tecnología puede revolucionar por completo la producción de hidrógeno. [11] Como mencioné anteriormente, el problema principal de los electrolizadores AEM es su limitada vida útil, haciéndolos poco rentables. El Dr. So Young Lee asegura que este problema ha sido solucionado, consiguiendo reducir en 3000 veces el coste anterior. La clave de este nuevo electrolizador de tipo AEM está en la modificación de la membrana, sustituyendo a la original por una de electrolito y aglutinante de electrodos con elevada durabilidad y conductividad iónica en condiciones alcalinas. Los principales resultados que se consiguieron fueron aumentar la durabilidad por 10 respecto a la anterior, es decir, sobrepasar las 1000 horas de funcionamiento continuado, aumentar el rendimiento de la célula a 7,68 A/cm2, que se corresponde con un incremento de un 20% respecto a los electrolizadores PEM (6 A/cm2). Además, dichas modificaciones se realizan utilizando materiales en abundancia y, por lo tanto, mucho más baratos. En consecuencia, un mejor rendimiento, sumado a un coste muy inferior y una mayor durabilidad pueden cambiar de gran manera el devenir de la producción de hidrógeno verde. Asimismo, siendo conocedores del potencial que presentan este tipo de electrolizadores, y junto a la necesidad de un cambio energético, se presenta como nuestra prioridad contribuir en la medida de lo posible en la investigación. 3.4. Modelo de electrolizador AEM El modelo de simulación del electrolizador AEM generado por CARTIF ha sido programado en Python mediante la herramienta Spyder. Se trata de las ecuaciones que rigen el funcionamiento básico del mismo, con el que se podría generar hidrógeno a un nivel de pureza elevado. Las variables utilizadas a lo largo del programa del electrolizador son las siguientes: Producción de hidrógeno 34 Símbolos Significado 𝐼𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 Densidad de corriente 𝐼𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡 Corriente por el electrolizador 𝑎𝑟𝑒𝑎 Área de los electrodos 𝑉𝑢𝑛𝑖𝑡𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 Tensión unitaria por celda 𝑈𝑟𝑒𝑣 Tensión reversible 𝑡𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡 Temperatura del electrolizador 𝑑𝑔 Cambio de la energía de Gibbs 𝑛𝐹𝑎𝑟𝑎𝑑𝑎𝑦 Constante de Faraday 𝑟1,𝑟2 Resistencias óhmicas 𝑠1,𝑡1,𝑡2,𝑡3 Sobretensión en electrodos 𝑈𝑜ℎ𝑚𝑖𝑐 Tensión óhmica 𝑈𝑜𝑣𝑒𝑟𝑝𝑜𝑡 Tensión de sobre potencial 𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎𝑠 Tensión total de todas las celdas 𝑛𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎𝑠𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡 Número de celdas totales 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑ℎ2 Velocidad del hidrógeno 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝐹𝑎𝑟𝑎𝑑𝑎𝑦 Rendimiento de Faraday 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑠𝑡𝑑 Densidad estándar 𝑝𝑠𝑡𝑑 Presión en condiciones estándar 𝑟𝑔𝑎𝑠 Constante de los gases ideales 𝑡𝑠𝑡𝑑 Temperatura en condiciones estándar 𝑝𝑟𝑜𝑑ℎ2 Producción de hidrógeno 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑜2 Velocidad del oxígeno 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑜2 Producción de oxígeno 𝑉𝑡𝑒𝑟𝑚𝑜𝑛𝑒𝑢𝑡𝑟𝑜 Tensión del termoneutro 𝑑ℎ Entalpía descomposición del agua 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡 Calor generado en el electrolizador 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡 Calor perdido en el electrolizador 𝑅𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡 Resistencia térmica 𝑡𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 Temperatura ambiente 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑒𝑡𝑖𝑐𝑎 Rendimiento energético 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑙 Rendimiento global del sistema Producción de hidrógeno 35 Entradas del electrolizador • Corriente del electrolizador [A]: es una la de las principales características que definen el electrolizador, pues junto con la potencia de operación y el área de la membrana, se podrá calcular la densidad de corriente. • Potencia total [W]: es uno de los factores limitantes del electrolizador. Conociendo su valor máximo (dado por el fabricante), se optimizará la corriente que circula por el mismo, y así, maximizar la densidad de corriente, lo que ocasionará un mayor rendimiento del sistema. • Temperatura ambiente [ºC]: es una propiedad a tener en cuenta, pues altera la cantidad de calor perdido del sistema. A menor temperatura ambiente, más calor se pierde. Además, en términos de eficiencia, a mayor temperatura, se desprenderá menos calor, y, por lo tanto, tendrá una mejor eficiencia. • Temperatura de operación [ºC]: viene dado por el fabricante en función del tipo de electrolizador. Es un parámetro importante, pues de él depende la tensión unitaria de cada celda, y con ello, el voltaje total de las mismas, el calor generado, y la eficiencia energética del conjunto. Salidas del electrolizador • Densidad de corriente [mA/cm2]: es un factor fundamental en la generación de hidrógeno. Se trata de un parámetro característico de cada tipo de electrolizador. Como se puede apreciar en la ecuación inferior, se calcula dividiendo la corriente del electrolizador entre el área de la membrana. [12] 𝐼𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑=𝐼𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡 (𝑎𝑟𝑒𝑎·10) • Voltaje total de las celdas [V]: es el producto entre el voltaje unitario y el número total de celdas. Para realizar el cálculo del voltaje unitario por celda, se tiene en cuenta el voltaje termodinámico reversible, el voltaje óhmico y el voltaje de sobrepotencial. Para calcular cada voltaje requerido, necesitaremos la variación de la energía de Gibbs, el número de Faraday, la corriente del electrolizador, el área de la membrana, la temperatura de operación del electrolizador, y algunos parámetros proporcionados por el fabricante del electrolizador. [12] 𝑉𝑢𝑛𝑖𝑡𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎=𝑈𝑟𝑒𝑣𝑟∗𝐼𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡 𝑎𝑟𝑒𝑎+𝑠∗log(𝑡∗𝐼𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡 𝑎𝑟𝑒𝑎+1) Producción de hidrógeno 36 Siendo 𝑟∗=𝑟1+𝑟2𝑡𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡, 𝑠∗=𝑠1+𝑠2𝑡𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡+𝑠3𝑡𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡 2, 𝑡∗=𝑡1+𝑡2 𝑡𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡+𝑡3 𝑡𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡 2 𝑈𝑟𝑒𝑣=𝑑𝑔 2·𝑛𝐹𝑎𝑟𝑎𝑑𝑎𝑦 𝑈𝑜ℎ𝑚𝑖𝑐=(𝑟1+𝑟2·𝑡𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡)·𝐼𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡 𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑈𝑜𝑣𝑒𝑟𝑝𝑜𝑡=(𝑠1+𝑠2 𝑡𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡+𝑠3 𝑡𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡 2)·log10((𝑡1+𝑡2 𝑡𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡+𝑡3 𝑡𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡 2) 𝑎𝑟𝑒𝑎 +1) Es decir, 𝑉𝑢𝑛𝑖𝑡𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎=𝑈𝑟𝑒𝑣+𝑈𝑜ℎ𝑚𝑖𝑐+𝑈𝑜𝑣𝑒𝑟𝑝𝑜𝑡 𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎𝑠=𝑛𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎𝑠𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡·𝑉𝑢𝑛𝑖𝑡𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 • Producción de hidrógeno [Nm3/h]: es el principal objetivo del electrolizador, ya que, nos informa de la cantidad de hidrógeno por unidad de tiempo que somos capaces de producir. Depende de la velocidad de producción del hidrógeno [mol/s] y la densidad del gas en condiciones estándar [mol/m3]. Para lo cual, se requerirá de la eficiencia de Faraday, el número de celdas, la corriente y parámetros en condiciones estándar, como la presión, temperatura y la constante de los gases ideales. [12] 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑ℎ2=𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝐹𝑎𝑟𝑎𝑑𝑎𝑦·𝑛𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎𝑠𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡·𝐼𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡 (2·𝑛𝐹𝑎𝑟𝑎𝑑𝑎𝑦) 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑠𝑡𝑑=𝑝𝑠𝑡𝑑·100000 (𝑟𝑔𝑎𝑠·(𝑡𝑠𝑡𝑑+273,15)) 𝑝𝑟𝑜𝑑ℎ2=𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑ℎ2 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑠𝑡𝑑·3600 • Producción de oxígeno [Nm3/h]: el caudal obtenido de oxígeno es la mitad que el de hidrógeno debido a las relaciones estequiométricas. Se calcula igual que el del hidrógeno. [12] Producción de hidrógeno 37 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑜2=𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑ℎ2 2 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑜2=𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑜2 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑠𝑡𝑑·3600 • Calor generado [W]: representa el excedente de calor que se produce durante el funcionamiento del electrolizador. Se calcula mediante la diferencia entre el voltaje unitario de las celdas y el voltaje termoneutro, así como de la corriente total y el número de celdas del sistema. [12] 𝑉𝑡𝑒𝑟𝑚𝑜𝑛𝑒𝑢𝑡𝑟𝑜=𝑑ℎ (2·𝑛𝐹𝑎𝑟𝑎𝑑𝑎𝑦) 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡=𝑛𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎𝑠𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡·𝐼𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡·(𝑉𝑢𝑛𝑖𝑡𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎−𝑉𝑡𝑒𝑟𝑚𝑜𝑛𝑒𝑢𝑡𝑟𝑜) • Pérdida de calor térmico [W]: es la transferencia de calor dentro del sistema. La cantidad de calor perdido es directamente proporcional a la variación entre la temperatura del electrolizador y la ambiental e inversamente proporcional a la resistencia térmica del electrolizador. [12] 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡=1 𝑅𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡·(𝑡𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡−𝑡𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒) • Eficiencia energética: hace referencia a la capacidad para obtener los mejores resultados utilizando la menor cantidad de recursos energéticos. Se calcula como la fracción entre el voltaje termoneutro y el voltaje unitario por celda. [12] 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑒𝑡𝑖𝑐𝑎=𝑉𝑡𝑒𝑟𝑚𝑜𝑛𝑒𝑢𝑡𝑟𝑜 𝑉𝑢𝑛𝑖𝑡𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 • Eficiencia global: es el rendimiento global del electrolizador, y se calcula como el producto entre la eficiencia energética y la de Faraday. [12] 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑙=𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑒𝑡𝑖𝑐𝑎·𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝐹𝑎𝑟𝑎𝑑𝑎𝑦 Producción de hidrógeno 38 Optimización del modelo La producción de hidrógeno es el primer paso en el proyecto, y uno de los más importantes, que, junto con el diseño de la pila de combustible y el almacenamiento, compondrán el sistema final. Es por ello, que se antoja necesario realizar un programa de optimización 2 para maximizar rendimientos, y reducir costes innecesarios en la creación de nuestro electrolizador. Por consiguiente, utilizando como herramienta Excel, se realizará dicho programa para ajustar los parámetros de éste, tanto en simulación como en la práctica, ya que, se desconoce el número de celdas exacto y la corriente óptima que debe circular por él. Primeramente, se necesita conocer las características de nuestro electrolizador: • Potencia máxima = 2400W • Caudal (ideal) = 0,5 m3/h • Área = 0,25 cm2 • Resistencia térmica = 0,167 Ω • Presión del electrolizador = 7 bar • Temperatura del electrolizador = 30ºC Conociendo sus principales parámetros, se elegirá la configuración más eficiente para obtener unos resultados los más cercanos al caudal máximo posible. Aplicando el problema de optimización, se obtiene la siguiente parametrización: • Número de celdas = 18 • Corriente del electrolizador = 81A De esta manera, se obtiene un caudal de 0,479 m3/h, con una potencia de 2396,2 W, cumpliendo así las restricciones en su diseño. Por lo tanto, se puede concluir con que el modelo del electrolizador se realizó satisfactoriamente, pues bajo las condiciones de funcionamiento del aparato, y cumpliendo los requerimientos de potencia y caudal teóricos, se consigue el objetivo de generar hidrógeno con una gran pureza. 2 En el siguiente enlace se encuentran todos los ficheros del trabajo: https://drive.google.com/file/d/1Qn2nfgURg2Lb1nDjggNuSM1kWnPmoWMr/view?usp=sharing Pila de combustible 39 4 Pila de combustible Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico que transforma de manera directa la energía química en eléctrica. Nace de un combustible, generalmente el hidrógeno, y de un comburente, normalmente oxígeno, para producir agua, calor y electricidad en forma de corriente continua. [13] A diferencia de las baterías convencionales, las pilas de combustible no se agotan ni necesitan ser recargadas. Es decir, siempre que exista flujo de reactivos, funcionarán. Además, las pilas de combustible son capaces de procesar casi cualquier tipo de combustibles y oxidantes. En otras palabras, pueden funcionar con cualquier sustancia que se pueda oxidar en una reacción química, siendo suministrado mediante un flujo constante, junto con cualquier fluido que se pueda reducir en dicha reacción. Cabe destacar, la alta eficiencia de estos dispositivos, así como el pequeño impacto medioambiental que provocan. Asimismo, la pila no involucra cambios térmicos, lo que genera un aumento en su rendimiento. De esta manera, se antoja como una buena solución en el proyecto propuesto, pues se seguirá cumpliendo con el objetivo principal sin olvidarnos de uno de los más importantes; cero emisiones, o en su defecto, limitar al máximo su impacto. 4.1. Funcionamiento y partes Como se puede ver en la figura 7, el hidrógeno que entra por el ánodo se separa en protones y electrones. De esta forma, los electrones están obligados a ir por el circuito externo produciendo energía (debido a que la membrana está aislada eléctricamente), mientras que los protones son llevados hasta el cátodo a través de la membrana. En el cátodo, los Pila de combustible 40 electrones, provenientes del circuito externo, reaccionan con las moléculas de oxígeno y los protones formando agua líquida o vapor de agua. [13] La pila de combustible está compuesta por las siguientes partes: • Electrodo negativo o ánodo: se reduce el H2 en dos protones H+. • Electrodo positivo o cátodo: reaccionan los protones H+, electrones y O2. • Electrolito: se encarga de separar los gases, de manera que permite el paso de iones H+ al cátodo reteniendo los electrones. • Placas bipolares: se utilizan como conductor de los gases y evacúan el H2O. Figura 7. Pila de combustible (Fuente: Centro Nacional de Hidrógeno) Como resultado, las reacciones que tienen lugar son: • Reacción anódica: 𝐻2→2𝐻++2𝑒− • Reacción catódica: 12𝑂2+2𝐻++2𝑒−→𝐻2𝑂 • Reacción global: 𝐻2+ 12𝑂2→𝐻2𝑂 Pila de combustible 41 4.2. Tipos de pila de combustible En la actualidad, existen seis tipos de pila de combustible, cada una con sus ventajas e inconvenientes. Se diferencian entre sí en las temperaturas de operación, las potencias máximas, los rendimientos, los tipos de electrolitos y sus aplicaciones. [14] La pila de combustible PEM está basada en la tecnología de membrana de intercambio de protones H+, formada por un polímero especial. Actualmente, el Nafion es el más utilizado, ya que, gracias a la presencia de agua se convierte en el conductor ideal de protones. Las principales ventajas que poseen este tipo de pilas de combustible son las bajas temperaturas de operación, altas potencias, rápida respuesta, alto rendimiento, bajo nivel de ruido y alta presión de salida. Su principal desventaja recae en el coste, debido a que el uso continuado durante el tiempo eleva los gastos a causa de los metales preciosos utilizados como catalizadores en la electrólisis. Figura 8. Esquema de una pila de combustible PEM (Fuente: apilados.com) La pila de combustible de carbonato fundido MCFC es un tipo de pila basada en un electrolito formado por carbonatos alcalinos embebidos en una matriz cerámica, generalmente en una aleación de níquel. Como catalizadores característicos utiliza metales no nobles, como cromo, aluminio u óxidos metálicos. Debido a sus altas temperaturas de funcionamiento, entre Pila de combustible 48 Presión interfacial de hidrógeno: 𝑝ℎ2𝑠𝑎𝑡=25,7−0,1615·𝑡𝑝𝑖𝑙𝑎+0,000255·𝑡𝑝𝑖𝑙𝑎 2 𝑝ℎ2=𝑝ℎ2𝑖𝑛·𝑒(−1,653· 𝐼𝑝𝑖𝑙𝑎 𝑎𝑝𝑒𝑚·𝑡𝑝𝑖𝑙𝑎 1,334)−0,5·𝑝ℎ2𝑠𝑎𝑡 Presión interfacial de oxígeno: 𝑝𝑜2=𝑝𝑜2𝑖𝑛·𝑒(−4,192·𝐼𝑝𝑖𝑙𝑎 𝑎𝑝𝑒𝑚·𝑡𝑝𝑖𝑙𝑎 1,334)−𝑝ℎ2𝑠𝑎𝑡 Concentración interfacial del oxígeno: 𝑐𝑜2=1,9690 107·𝑒(498 𝑡𝑝𝑖𝑙𝑎)·𝑝𝑜2 Potencial termodinámico, eficiencias de activación y óhmica: 𝐸𝑡𝑒𝑟𝑚=1,23−0,00085·(𝑡𝑝𝑖𝑙𝑎−298)+0,0000431·𝑡𝑝𝑖𝑙𝑎·log(𝑝ℎ2·(𝑝𝑜2 0,5)) 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑎𝑐𝑡=−0,95+0,00243·𝑡𝑝𝑖𝑙𝑎+0,000192·𝑡𝑝𝑖𝑙𝑎·log(𝑎𝑝𝑒𝑚) −0,000192·𝑡𝑝𝑖𝑙𝑎·log(𝐼𝑝𝑖𝑙𝑎)+0,000076·𝑡𝑝𝑖𝑙𝑎·log(𝑐𝑜2) 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑜ℎ𝑚𝑖𝑐𝑎 =−(𝐼𝑝𝑖𝑙𝑎·𝑡𝑝𝑒𝑚 𝑎𝑝𝑒𝑚)· ( 8 𝑒(3,6·(1−(353 𝑡𝑝𝑖𝑙𝑎))) ) ·(1+1,64·𝐼𝑝𝑖𝑙𝑎 𝑎𝑝𝑒𝑚+𝑔𝑎𝑚𝑚𝑎·(𝐼𝑝𝑖𝑙𝑎 𝑎𝑝𝑒𝑚)3) Voltaje unitario por celda y voltaje total: 𝑉𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎𝑝𝑖𝑙𝑎=𝐸𝑡𝑒𝑟𝑚+𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑎𝑐𝑡+𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑜ℎ𝑚𝑖𝑐𝑎 Pila de combustible 49 𝑉𝑝𝑖𝑙𝑎=𝑛𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎𝑠𝑝𝑖𝑙𝑎·𝑉𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎𝑝𝑖𝑙𝑎 • Potencia total [W]: es la potencia consumida por la pila. Se necesitará la corriente y el voltaje que circulan por la pila de combustible. [15] 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙=𝐼𝑝𝑖𝑙𝑎·𝑉𝑝𝑖𝑙𝑎 • Consumo total de hidrógeno, oxígeno y aire [Nm3/h]: es la cantidad de hidrógeno, oxígeno y aire que entra en la pila para producir electricidad. Dependerá de las relaciones estequiométricas, presión y temperatura estándar, la constante de los gases ideales y la densidad de cada elemento. [15] 𝑛ℎ2=𝐼𝑝𝑖𝑙𝑎 2 𝑛𝐹𝑎𝑟𝑎𝑑𝑎𝑦·𝑛𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎𝑠𝑝𝑖𝑙𝑎 𝑟𝑜𝑠𝑡𝑑=𝑝𝑠𝑡𝑑·100000 𝑟𝑔𝑎𝑠·(𝑡𝑠𝑡𝑑+273,15) 𝑚ℎ2=𝑛ℎ2 𝑟𝑜𝑠𝑡𝑑 𝑚ℎ2=𝑚ℎ2·3600·𝑠ℎ2 𝑚𝑜2=0,5·𝑠𝑜2 𝑠ℎ2·𝑚ℎ2 𝑚𝑎𝑖𝑟=4,76·𝑚𝑜2 • Calor generado en la pila [W]: representa el calor que se produce durante el funcionamiento de la pila. Se halla con la corriente, el voltaje unitario, el número de celdas, la entalpía del hidrógeno y la constante de Faraday. [15] 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑝𝑖𝑙𝑎=𝐼𝑝𝑖𝑙𝑎·𝑉𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎𝑝𝑖𝑙𝑎·𝑛𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎𝑠𝑝𝑖𝑙𝑎·(1−(𝑉𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎𝑝𝑖𝑙𝑎·2·𝑛𝐹𝑎𝑟𝑎𝑑𝑎𝑦 𝑑ℎℎ2 )) (𝑉𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎𝑝𝑖𝑙𝑎·2·𝑛𝐹𝑎𝑟𝑎𝑑𝑎𝑦 𝑑ℎℎ2 ) • Pérdida total de calor al ambiente [W]: es la transferencia de calor dentro de la pila. Se calcula con el balance de calor y la resistencia térmica de la pila. [15] Pila de combustible 50 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜𝑝𝑖𝑙𝑎=1 𝑅𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎𝑝𝑖𝑙𝑎·(𝑡𝑝𝑖𝑙𝑎−𝑡𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒) • Eficiencia energética: al igual que en el electrolizador, hace referencia a la capacidad para obtener los mejores resultados utilizando la menor cantidad de recursos energéticos. Se calcula con el voltaje unitario por celda, la entalpía del hidrógeno y la constante de Faraday. [15] 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑒𝑡𝑖𝑐𝑎𝑝𝑖𝑙𝑎=𝑉𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎𝑝𝑖𝑙𝑎·2·𝑛𝐹𝑎𝑟𝑎𝑑𝑎𝑦 𝑑ℎℎ2 4.5. Resultados 4.5.1. Gráfica tensión – densidad de corriente Para una corriente de 100A, a la que funcionará nuestra pila de combustible PEM, tenemos una densidad de corriente de 430 mA/cm2. Como se puede apreciar en la figura 13, se corresponde con un voltaje de aproximadamente 0,74V, que coincide con la tensión que obtenemos por cada celda unitaria. Este voltaje normalmente oscila entre 0,5V y 1V, según la Escuela de Organización Industrial (EOI). Asimismo, a mayor densidad de corriente, menor es la tensión mencionada, por tanto, tampoco nos interesa elevarla demasiado, pues la tensión óptima por celda unitaria ronda 1V. Además, densidades de corriente excesivamente altas provocan consecuencias indeseables, ya que, los cables eléctricos presentan poca resistencia, ocasionando calentamiento y disipación de energía en forma de calor por todo el sistema. Figura 13. Gráfica de tensión – densidad de corriente Pila de combustible 51 4.5.2. Gráfica potencia – intensidad En la figura 14 se puede discernir como para una corriente de 100A se tiene una potencia de 1250W. Sin embargo, se ve como en este caso no es óptima, pues necesitaríamos una corriente de aproximadamente 220A para alcanzar la potencia máxima. No obstante, no se puede elegir dicha corriente, pues tendríamos una tensión por celda muy baja, alrededor de 0,55V, además de una densidad de corriente de más del doble, ocasionando mayores disipaciones de energía en el sistema. Figura 14. Gráfica de potencia – intensidad Por consiguiente, y como se puede apreciar, las representaciones obtenidas son muy similares a las teóricas, que corroboran no solo el funcionamiento de la pila de combustible diseñada para un instante de tiempo, sino también a lo largo de intervalos grandes. Almacenamiento de hidrógeno 52 5 Almacenamiento de hidrógeno Como sabemos, el hidrógeno es un vector energético que poco a poco va tomando mayor importancia como forma de energía alternativa. La principal ventaja que nos ofrece es la posibilidad de almacenamiento de este, ya sea en grandes o pequeñas cantidades y por largos o cortos periodos de tiempo [16]. Esta característica, es lo que lo diferencia del resto de energías renovables, ya que, no se tendrá que depender del factor imprevisibilidad, es decir, de si un gran periodo de demanda eléctrica coincide con un día nublado o bajas rachas de viento. Asimismo, cobra especial relevancia en el ámbito de regulación del consumo y la producción de energía eléctrica mediante las energías renovables. Además, si se fusionan sistemas de generación de hidrógeno (electrolizadores) con sistemas de almacenamiento, se dejará de tener el problema de desaprovechamiento de la energía, pues en instantes de pérdida de energía en sistemas eólicos o solares, se activarían los electrolizadores produciendo hidrógeno sin desperdiciar ni un solo watio. Otros beneficios según Pablo Lara [16], gestor de proyectos de Ariema, sería el de sustituir los grupos electrógenos que hoy en día se emplean para generar energía a partir de gas o diésel por sistemas de almacenamiento de hidrógeno. En definitiva, el almacenamiento de hidrógeno tiene múltiples beneficios para aprovechar tanto los excedentes de energía, que de otra manera se derrocharían, como el de complementar o sustituir otros sistemas que hoy en día dependen del carbón. Almacenamiento de hidrógeno 53 5.1. Tipos de almacenamiento de hidrógeno Hoy en día existen innumerables maneras de almacenar el hidrógeno, y cada día se descubren nuevas posibilidades que harían nuestra vida más fácil y sostenible [17]. Almacenaje en microesferas de vidrio, en zeolitas o en carbón activado son de las últimas investigaciones desarrolladas. Realizando un estudio para nuestra aplicación expondré los tipos de almacenamiento más usados, así como, el que se utilizará para generar nuestro sistema. El almacenamiento en gas a presión es el tipo de almacenamiento más desarrollado durante los últimos años [17]. Puede almacenarse en forma gaseosa de diferentes maneras, como en depósitos de superficie móviles (tanques, botellas) o estacionarios y cavernas subterráneas. En las hidrogeneras, el gas se suele comprimir a unos 200 bares para posteriormente envasarlo en botellas o transportarlo a plataformas fijas. Otras presiones típicas son entre 350 y 700 bares para sistemas de automoción. El gran problema que presentan este tipo de almacenamiento es el espacio que ocupa y el peso que pueden llegar a tener los tanques de hidrógeno, ya que, la densidad volumétrica del hidrógeno es realmente baja. Es por ello por lo que hoy en día se están buscando soluciones como envases de tipo poliméricos sustituyendo al acero. Además, hay que tener en cuenta el coste que puede ocasionar la compresión del hidrógeno en función de su estado inicial. Figura 15. Tanque de almacenamiento de hidrógeno a alta presión (Fuente: synerhy.com) Almacenamiento de hidrógeno 54 El almacenamiento de hidrógeno líquido es comúnmente conocido como almacenamiento criogénico [17]. Sus principales aplicaciones son misiones espaciales y de transporte. La temperatura a la cual obtenemos el hidrógeno líquido es de -252,76 ºC y 1 atmósfera. Aquí es donde tenemos el principal inconveniente, pues almacenar y manipular un líquido a estas temperaturas requiere de un gran consumo energético, además de que los depósitos pertinentes deberán estar fuertemente aislados para soportar temperaturas tan bajas. Es un método para el cual se pretenden almacenar grandes cantidades de hidrógeno, sin embargo, no por mucho tiempo, debido al coste que supone mantener tanta cantidad de hidrógeno en estas condiciones. Figura 16. Tanque de almacenamiento de hidrógeno líquido (Fuente: Airbus) El almacenamiento en hidruros metálicos es el que se estudiará en el proyecto presente [17]. Hace más de 50 años que en los centros de investigación se empezó a trabajar con compuestos metálicos que tenían la propiedad de combinarse con el hidrógeno. A raíz de muchos ensayos de prueba y error se encontró como había varios hidruros metálicos donde las reacciones químicas se producen tan rápidas como para considerarse un tipo de almacenamiento. El funcionamiento es tal que los átomos de hidrógeno se empaquetan dentro de la estructura metálica del compuesto logrando unas densidades mayores a las que podríamos obtener con el hidrógeno a presión. Para la liberación de los átomos de hidrógeno necesitaremos calor, que será suficiente con el calor residual de la pila de combustible ya desarrollada. En cambio, no se producirá instantáneamente, a diferencia del hidrógeno comprimido, lo que puede suponer un problema para ciertas aplicaciones. Asimismo, el hidruro metálico tendrá gran peso, lo que dificultará su utilización para prácticas donde sea necesario la ligereza. Aun así, presentan Almacenamiento de hidrógeno 55 un gran campo de aplicación, ya que, pueden ser utilizados para bombas de calor, compresores de hidrógeno y equipos de purificación, entre otros. Cabe destacar, que no cualquier hidruro metálico es capaz de considerarse como un sistema de almacenamiento, sino que ha de cumplir ciertos requisitos: • El hidruro debe ser fácilmente formado y descompuesto • La cinética de las reacciones de absorción y desorción debe ser lo suficientemente rápida • La presión de equilibrio correspondiente a la temperatura de descomposición debe ser compatible con la seguridad del sistema • Las condiciones de operación deben ser óptimas durante el mayor número de ciclos de carga y descarga • Debe presentar la máxima tolerancia a las posibles impurezas gaseosas del hidrógeno, pues podría dificultar las reacciones y disminuir la vida útil del sistema Figura 17. Átomos de hidrógeno situándose en la estructura metálica del compuesto (Fuente: Ciemat; Curso de tecnologías, operación y aplicación del almacenamiento de energía a sistemas eléctricos) 5.2. Modelo de almacenamiento de hidrógeno El modelo de simulación del almacenamiento de hidrógeno en hidruros metálicos generado por CARTIF ha sido programado en Python mediante Spyder. Al igual que para los modelos de electrolizador y pila de combustible, se trata de las ecuaciones que facilitan su funcionamiento, con el que se será capaz de almacenar los excedentes de hidrógeno producido y utilizarlo cuando sea menester. En cuanto a las variables y los parámetros utilizados en su diseño se podrán ver en la siguiente tabla: Almacenamiento de hidrógeno 56 Símbolos Significado 𝑚󰇗ℎ2𝑖𝑛 Flujo de entrada al almacenamiento 𝐶𝑎 Constante de velocidad de absorción 𝐸𝑎 Energía de activación de la absorción 𝑅 Constante de los gases ideales 𝑇 Temperatura ambiente 𝑃 Presión del sistema 𝑃𝑒𝑞𝑎 Presión de equilibrio en la absorción 𝑃𝑒𝑞𝑑 Presión de equilibrio en la desorción 𝑟𝑜𝑠𝑎𝑡 Densidad del metal hidruro saturado 𝑟𝑜𝑠 Densidad del metal hidruro 𝑚󰇗ℎ2𝑜𝑢𝑡 Flujo de salida del almacenamiento 𝐶𝑑 Constante de velocidad de desorción 𝐸𝑑 Energía de activación de la desorción 𝑟𝑜𝑒𝑚𝑝 Densidad del metal hidruro vacío 𝑎𝑖 Coeficientes de la presión de equilibrio 𝐻 𝑀 Concentración de hidrógeno en el metal ∆𝐻 Entalpía del hidrógeno 𝑇𝑟𝑒𝑓 Temperatura de referencia El objetivo del modelo es conocer en todo momento los flujos para los procesos de absorción y desorción, además de las presiones del sistema y la presión de equilibrio [18,19]. Para poder realizar el estudio, y como he mencionado anteriormente, se ha diseñado un script donde se encontrarán todas las ecuaciones pertinentes. Para analizar de mejor forma los resultados, se analizarán las gráficas más importantes, donde se relacionan las principales variables y parámetros, ayudándonos de las curvas proporcionadas por el fabricante para ajustarlas a sus valores óptimos. Para ello, el primer paso será el de conocer las ecuaciones que rigen el flujo del sistema. Almacenamiento de hidrógeno 57 Ecuación para el proceso de absorción: 𝑚󰇗ℎ2𝑖𝑛=𝐶𝑎·𝑒(−𝐸𝑎 𝑅𝑇)·ln(𝑃 𝑃𝑒𝑞)·(𝑟𝑜𝑠𝑎𝑡−𝑟𝑜𝑠) Ecuación para el proceso de desorción: 𝑚󰇗ℎ2𝑜𝑢𝑡=𝐶𝑑·𝑒(−𝐸𝑑 𝑅𝑇)·(𝑃−𝑃𝑒𝑞 𝑃𝑒𝑞 )·(𝑟𝑜𝑠−𝑟𝑜𝑒𝑚𝑝) Como se puede apreciar, para poder conocer el flujo de entrada y salida del sistema de almacenamiento, se deberá conocer en todo instante de tiempo la presión de equilibrio, que se calculará con la siguiente ecuación. 𝑃𝑒𝑞𝑎−𝑑=∑(𝑎𝑖·(𝐻 𝑀)𝑖)·𝑒(∆𝐻 𝑅·(1𝑇−1 𝑇𝑟𝑒𝑓)) 9 𝑖=0 Para ello, se necesitará conocer el valor de H/M, que se corresponde con la concentración de hidrógeno en el hidruro metálico. Se estima considerando que, para una primera iteración, en el caso de la absorción, el contenido de hidrógeno almacenado es de 0,001%, es decir, prácticamente nulo. De esta manera, para iteraciones consecutivas ya se conocerá un valor anterior, y se podrá iterar combinando las ecuaciones de los flujos y presión de equilibrio. Para la desorción, se utilizarán las densidades del sólido, siendo en este caso la densidad del almacenamiento la saturada. Relacionando estas concentraciones se podrá obtener un primer valor de H/M, que dará paso a comenzar las iteraciones al igual que en el proceso de absorción. En cuanto al rango de concentración de H/M, oscilará entre 0% y 1,6%, representando el 0% como almacenamiento vacío y el 1,6% completamente lleno, siendo este equivalente al 100%. Diseño de un controlador 64 Figura 25. Bloque de la pila de combustible Sus principales variables son las siguientes, configurables también en línea por el usuario: • Número de celdas = 17 • Resistencia térmica pila de combustible = 0,06179 K/W • Temperatura ambiente = 293,15ºC • Temperatura de la pila de combustible = 343,15ºC • Presión de entrada del hidrógeno = 3 bar • Presión de entrada del oxígeno = 3 bar • Área de electrodos = 232 cm2 • Espesor de la membrana = 0,0118 cm Tanto el flujo de hidrógeno generado, correspondiente a la salida del electrolizador, como el flujo del hidrógeno volumétrico utilizado para generar energía, equivalente a la salida de la pila de combustible, se conducen a un bloque sumador/restador de Simulink. Por lo que, a su salida, se tendrá el balance de flujo de hidrógeno en todo el sistema, que se verá representado en el scope flujos y se analizará posteriormente. Figura 26. S-function programada para el almacenamiento Diseño de un controlador 65 A su vez el balance de flujos será la entrada al sistema de almacenamiento, representado por el bloque sfun_almacenamiento, como se puede ver en la figura 26. Se trata de una S-function, es decir, una función que presenta un conjunto de entradas, estados, parámetros y salidas, donde las salidas son una función del tiempo de simulación. Como se puede ver, tendrá una entrada y tres salidas. La entrada, como he mencionado anteriormente, se corresponde con el balance de flujos, mientras que las salidas serán la presión de operación, el estado de carga, que indica el porcentaje de hidrógeno almacenado (SOC), y la cantidad de hidrógeno en el hidruro metálico (H_M). Para poder realizar el control, se utilizará la herramienta de Stateflow como se puede ver en la figura 27, que permite programar el control como una máquina de estados y que además proporciona herramientas para la depuración del código y comprobar cómo funcionan las entradas y salidas del sistema para diferentes condiciones a lo largo del tiempo. Figura 27. Programación del bloque Stateflow Diseño de un controlador 66 En primer lugar, definiremos unos parámetros de inicio donde igualaremos las potencias tanto del electrolizador como de la pila a cero, indicando que el sistema inicialmente se encuentra en reposo. Se crearán unas constantes de estado, de manera que, sabremos qué dispositivo de todos es el que está activo en cada momento. Seguidamente, se impondrán unas condiciones que serán el funcionamiento del sistema, donde en función de las necesidades se encenderán o apagarán los dispositivos. La entrada de energía principal al sistema vendrá dada por unas curvas de paneles fotovoltaicos instalados en CARTIF, ya que, como he indicado anteriormente se trata de generación de hidrógeno verde. La manera de operar será la siguiente: • Si a la potencia demandada le restamos la potencia de la fotovoltaica y el resultado es positivo, quiere decir que tenemos exceso de demanda y por lo tanto encenderemos la pila de combustible para generar energía eléctrica y compensar dicha demanda de potencia. Para que la pila de combustible siga en funcionamiento, además de que la operación tenga que ser positiva, el SOC del sistema tendrá que ser mayor que 5%, que equivale a decir que la cantidad de hidrógeno almacenado es mayor del 5%. De esta manera se tendrá un mínimo de hidrógeno para no quedarnos nunca a cero. • Si por el contrario la resta entre la potencia demandada y la fotovoltaica es negativa, se apagará la pila de combustible y se encenderá el electrolizador, ya que, indica que la potencia fotovoltaica es superior a la demandada y que no tenemos excedentes para generar energía en la pila. Asimismo, el electrolizador se mantendrá encendido mientras el sumatorio de las potencias sea negativo y la cantidad de hidrógeno almacenado en el sistema sea menor del 93%. Así, se intentará realizar los ciclos de carga y descarga casi al completo. Caso de estudio 67 7 Caso de estudio Una vez desarrollado el sistema, se planteará un caso de estudio de interés. Como se ha mencionado, el objetivo es producir hidrógeno verde, de manera que, se utilizarán los datos de irradiancia y demanda de un panel fotovoltaico instalado en CARTIF. Para realizar el análisis, se examinarán los resultados de simulación tomando como referencia el mes de junio. La herramienta utilizada para hacer dicha simulación será Matlab 3 . En ella, se pondrá un tiempo de simulación de 604.800 segundos, equivalentes a una semana de ese mismo mes. Figura 28. Curvas de generación y demanda de la red (energía PV y energía demandada) y curvas de generación y demanda del sistema de almacenamiento (energía EL y energía FC) 3 En el siguiente enlace se encuentran todos los ficheros del trabajo: https://drive.google.com/file/d/1Qn2nfgURg2Lb1nDjggNuSM1kWnPmoWMr/view?usp=sharing Caso de estudio 68 En la figura 28, se pueden apreciar las cuatro energías principales del sistema planteado. Por una parte, se encuentran las curvas de generación y demanda de la red, equivalentes a la energía proveniente de los paneles solares y la demanda. Por otro lado, en la zona inferior se observan las curvas de generación y demanda de los equipos que comprenden el sistema de almacenamiento, es decir, del electrolizador y la pila de combustible. Se puede percibir como la energía fotovoltaica obtenida durante la semana no se halla por igual. Previamente, el sistema se encuentra apagado, porque hasta pasadas las ocho horas del primer día no se tiene suficiente energía como para encender el electrolizador. En los dos primeros días no se llega a superar los 2000W siendo también poco regular en las horas de máximo sol. En el tercer día, se atisba una insuficiencia de energía, ocasionada posiblemente por un día nuboso. Como se puede ver en ese caso particular, la energía demandada es superior a la energía generada de la fotovoltaica, por lo que el electrolizador no tiene la potencia suficiente como para funcionar. Sin embargo, durante los últimos cuatro días de la semana, se tienen picos de energía más altos, además de mucho más estables durante las horas de mayor exposición solar. Tanto en los dos primeros días de la semana como durante los últimos cuatro, se contempla como el electrolizador es el equipo que más tiempo se encuentra activo, mientras que la pila de combustible se activará en los tiempos complementarios a éste. La excepción es el tercer día, en el que al no conseguir que el electrolizador funcione más de tres horas debido a las condiciones climatológicas, la pila de combustible no llegará a encenderse. En cuanto al balance de potencias como se puede observar en la figura 29, se corresponde con el sumatorio de las cuatro potencias recién mencionadas. Se puede apreciar como excepto al comienzo del día, debido al estado del sistema en reposo como se ha comentado anteriormente (potencia cero), siempre se estará algún dispositivo activado, pues ya sea para aprovechar la energía del panel solar y utilizarla para encender el electrolizador (potencia positiva) y junto con agua producir hidrógeno, o para poder generar energía eléctrica gracias a la pila de combustible (potencia negativa). Además, se puede comprobar cómo los momentos de potencia máxima coinciden con las horas de más calor, correspondientes aproximadamente entre las 15:00 y 19:00 de cada día de la semana. Caso de estudio 69 Figura 29. Balance de potencias del sistema En la figura 30, se ve el SOC (porcentaje de hidrógeno almacenado), las presiones de operación y el balance de flujo del sistema. Inicialmente el sistema se corresponde con un 50% de hidrógeno almacenado. Es por ello por lo que durante los primeros instantes de tiempo el flujo aparece negativo, pues al haber más del 5% se utilizará para generar energía. Seguidamente, se refleja un flujo nulo durante las siguientes 8 horas. Esto es debido a que el hidrógeno almacenado durante esos intervalos de tiempo se corresponde con un valor inferior al 3%. Es por ello por lo que la primera directriz es la de encender el electrolizador, pero la potencia generada por el panel solar es insuficiente. A medida que nos acercamos a las horas de mayor generación de energía por parte del panel, tendremos más excedentes de la misma y es cuando se aprecia que se realizan correctamente los ciclos de carga y descarga, así como las activaciones y desactivaciones del electrolizador y la pila, excepto en el tercer día donde se ve como el flujo es completamente nulo, ya que, no se encienden ninguno de los equipos. Caso de estudio 70 Figura 30. SOC, presión de operación y balance de flujos del sistema Asimismo, en la figura 30, se ve reflejado cómo las pendientes ascendentes se producen más lentamente mientras que las descendentes se producen más rápido, indicando que los ciclos de carga se producen más rápidamente que los de descarga por las distintas capacidades de generación de hidrógeno del electrolizador y de generación de potencia de la pila de combustible. Como es de esperar, los picos de mayor carga se corresponden con las horas de la tarde donde más energía se produce, consiguiendo llegar hasta un 80% de llenado. Por último, para el funcionamiento correcto del sistema y por motivos de seguridad, se han impuesto unas condiciones para que la presión de operación se encuentre entre el rango de 3 a 35 bares y la capacidad de almacenamiento no supere el 80%, pues como se vio en la figura 19, se trata de los límites de operación en el que nuestro sistema funcionaría en condiciones óptimas respetando la compatibilidad del fabricante. Además, se ha comprobado que no se puede poner más porcentaje de almacenamiento, pues conseguiría disparar las presiones de operación ocasionando un mal funcionamiento del sistema. Conclusiones y futuras líneas de trabajo 71 8 Conclusiones y futuras líneas de trabajo 8.1. Conclusiones En primer lugar, se realizó un estudio de investigación de la crítica situación energética actual tanto a nivel nacional como mundial. En ella, se entablan las bases y la justificación de la importancia de realizar este trabajo. Se destaca el abuso insostenible de los combustibles fósiles y el aumento de los emisores de gases de efecto invernadero, además del crecimiento demográfico desmesurado durante las últimas décadas. Por estos motivos, es necesario buscar nuevas formas de generar energía de manera sostenible y viable para toda la población. Una de las mejores soluciones es utilizar energías renovables para hacer frente a la transición energética. Es aquí donde se encuentra la alternativa; que analizamos en este trabajo, el hidrógeno, que como se ha comentado, gracias a su combustión, o mediante reacción química en una pila de combustible se puede utilizar para producir electricidad y calor, y así abastecer a las necesidades de la población. En segundo lugar, se consiguió diseñar el modelo de simulación de un sistema de generación de hidrógeno verde desde cero (electrolizador AEM). El sistema incluye una pila de combustible PEM que, mediante una reacción química, permite generar electricidad y calor. Asimismo, se diseñó el modelo de un sistema de almacenamiento en hidruros metálicos para almacenar los excedentes de hidrógeno y utilizarlo cuando sea menester. Junto a estos tres dispositivos y con la ayuda de un controlador, se impondrán las condiciones y los límites de funcionamiento estipulados por el fabricante. En cuanto a los modelos AEM, PEM, e hidruros metálicos para el electrolizador, la pila de combustible y el almacenamiento de hidrógeno respectivamente, fueron elegidos tras un trabajo de investigación donde se compararon entre todas Conclusiones y futuras líneas de trabajo 72 las posibilidades y se justificó el por qué eran los más adecuados para la aplicación presente. 8.2. Futuras líneas de trabajo A pesar de los resultados favorables obtenidos, siempre cabe la posibilidad de mejorar y completar el trabajo desarrollado. Una primera posible futura línea de trabajo consistiría en incluir en el modelo una batería de ion de litio. Pues de esta forma se conseguiría ser más autosuficiente. El funcionamiento global del sistema sería similar al diseñado. La energía solar es intermitente e impredecible, pero con la implementación de la batería almacenaríamos los excedentes de energía en ella, y podría ser utilizado en aquellas situaciones donde no se disponga de suficiente sol. Es el ejemplo de los días nublados, lluviosos, o incluso el caso de la noche, donde se podría continuar trabajando sin necesidad de detener la instalación. Una segunda posible línea de trabajo futura sería reducir los costes de producción. En la actualidad una pequeña planta de electrolizadores tipo PEM que trabaje a 0,5MW tiene un coste de un millón de euros. Es el principal inconveniente de que esta tecnología no este implementada a gran escala hoy en día. Si en un futuro se pudiera reducir el coste de los materiales, optimizar los rendimientos y reducir el coste de la electricidad, se estarían dando grandes pasos en la transición energética. Referencias 73 Referencias [1] Organización de las Naciones Unidas. (2022, junio). Población mundial. https://www.un.org/es/global-issues/population [2] Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico. (2021, diciembre). España cumple los objetivos europeos de renovables y eficiencia energética en 2020. https://www.miteco.gob.es/es/prensa/ultimas-noticias/espa%C3%B1a- cumple-los-objetivos-europeos-de-renovables-y-eficiencia- energ%C3%A9tica-en-2020/tcm:30-534576 [3] Astrobitácora. (2017, abril). Alex Riveiro: El hidrógeno es el elemento más común del universo, pero, ¿por qué? https://www.astrobitacora.com/el-hidrogeno-es-el-elemento-mas- comun-del-universo-pero-por-que/ [4] Centro Nacional del Hidrógeno. (2021). ¿Qué es el hidrógeno? https://www.cnh2.es/el-hidrogeno/#tab-id-3 [5] National Geographic España. (2022, septiembre). Héctor Rodríguez: Propiedades del hidrógeno. https://www.nationalgeographic.com.es/ciencia/propiedadeshidrogeno-h_18653