INSTITUTO DE
INVESTIGACIONES
ELECTRICAS
SISTEMAS HÍBRIDOS CON CELDAS DE
COMBUSTIBLE
Ulises Cano Castillo
Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible.
Division Energías Alternas
Cuernavaca, Mor. MEXICO
[email protected]
INSTITUTO DE
INVESTIGACIONES
ELECTRICAS
combustible
1.- ¿Qué es una Celda de Combustible?
H+
OH-
calor
Generador de energía eléctrica
2.- ¿Cómo opera?
Convierte energía química en eléctrica sin combustión
3.- ¿Qué características generales tiene?
Operación continua, muy eficiente, limpia, silenciosa
aire
agua
Principio de Operación
INSTITUTO DE
INVESTIGACIONES
ELECTRICAS
e-
ecátodo
ánodo
conductor
iónico
aire

ocombustible
H+
O2
OH-
H2
H2O
calor
Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible
G. de Energás No Convencionales, Cuernavaca, Mor. MEXICO
[email protected]
agua
INSTITUTO DE
INVESTIGACIONES
ELECTRICAS
...eficiencia
Máquinas de Combustión interna
Energía Química
E. Calorífica
E. Mecánica
E. Eléctrica
ciclo de Carnot ( 30%)
Celdas de Combustible
Energía Química
E. Eléctrica
G ( 83%), NO hay combustión
INSTITUTO DE
INVESTIGACIONES
ELECTRICAS
Potencia
CAPACIDADES Y ESTADO DE DESARROLLO
Tipo de
Aplicación
Ejemplos
Tecnología
Observaciones
PEM
Campo de acción viable
básica
estacionaria
y
portátil
iluminación,
refrigeración,
bombeo,
radio
comunicación,
telefonía celular,
1kW – 10kW
estacionaria
uso residencial,
estaciones de
trabajo y PC´s,
UPS, equipo digital
PEM / SOFC
Campo de acción
viable, principalmente
usando tecnología PEM
10kW –
250kW
estacionaria
(generación
distribuida)
y transporte
Pequeñas
comunidades
Comercial como
oficinas, bancos y
hospitales
Autos y autobuses
PAFC / PEM
/ SOFC
Campo de acción viable
mediante proyectos
demostrativos
250kW – 1MW
estacionaria
(generación
distribuida)
residencial,
comercial,
industrial
SOFC /
MCFC
Tecnología menos
desarrolladas
> 1MW
estacionaria
- gen. dist. y
centralizada
Cualquier uso
SOFC /
MCFC
Tecnología menos
desarrolladas
< 1kW
INSTITUTO DE
INVESTIGACIONES
ELECTRICAS
US $3,000/kW
$1,500/kW
$1,000/kW
Costos
INSTITUTO DE
INVESTIGACIONES
ELECTRICAS
HIDRÓGENO
H2
Propiedades
Bajo valor calorífico
(kJ/kg)
Alto valor calorífico
(kJ/kg)
Densidad
(kg /m3)
Temperatura de
ignición en aire (°C)
Límites de ignición en
aire (vol-%)
Máxima velocidad de
flama (cm/s)
CH4
C3H8
119,972 50,020
46,350
141,890 55,530
50,410
0.0838
0.7175
2.011
530
645
510
4.1-72.5 5.1-13.5 2.5-9.3
346
43
Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible
G. de Energás No Convencionales, Cuernavaca, Mor. MEXICO
[email protected]
47
INSTITUTO DE
INVESTIGACIONES
ELECTRICAS
COSTOS DE PRODUCCIÓN
Tamaño de
instalación
(millones Nm3/d)
Grandes
instalaciones
(gas natural)
2.8
6.75
Pequeñas
instalaciones
(gas natural)
0.096
Electrólisis
Fotovoltaico
0.195 (2000)
0.209 (2010)
Electrólisis
Eólica
0.247 (2000)
0.279 (2010)
Inversión de
capital
(USD/GJ)
Precio del
hidrógeno
(USD/GJ)
[10]
[13]
2.95
30.97
20.6
24.5
[12]
31.88
28.7
[5]
[5]
485.8
242
41.8
24.8
[5]
[5]
158.6
92.5
20.2
11.0
Referencia
Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible
G. de Energás No Convencionales, Cuernavaca, Mor. MEXICO
[email protected]
INSTITUTO DE
INVESTIGACIONES
ELECTRICAS
ELECTRÓLISIS
H2O
O2
+ H2
Almacenamiento para periodos largos = económico E. renovables
INSTITUTO DE
INVESTIGACIONES
ELECTRICAS
COSTOS DE ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO
Sistema de almacenamiento/
tamaño (GJ)
Gas comprimido
Periodo corto de almacenamiento
(1-3 días) 1 31
Periodo largo de almacenamiento
(30 días) 3,900
Hidrógeno líquido
Periodo corto de almacenamiento
(1-3 días) 131
Periodo largo de almacenamiento
(30 días) 3,900
Costos de
almacenamiento
(USD/GJ)
4.21
36.93
17.12
22.81
Hidruros metálicos
Periodo corto de almacenamiento
(1-3 días) 131 a 130,600
Periodo largo de almacenamiento
(30 días) 3,900 a 3.9 millones
2.89 a 7.46
205.31
Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible
G. de Energás No Convencionales, Cuernavaca, Mor. MEXICO
[email protected]
INSTITUTO DE
INVESTIGACIONES
ELECTRICAS
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE HIDRUROS
Característica de sistemas
de almacén vía hidruros
Descripción
Seguridad
El hidrógeno se almacena como
un metal sólido a baja presión
Compacta
Alta pureza
Portabilidad
Vida útil
Más eficiente en términos del
volumen que gas comprimido ó
líquido
Purifica el hidrógeno a niveles
tipo cromatografía de gases y
otras aplicaciones ultrapuras
Ideal para aplicaciones
remotas
El hidrógeno puede ser cargado
y descargado más de 100,000
veces
Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible
G. de Energás No Convencionales, Cuernavaca, Mor. MEXICO
[email protected]
INSTITUTO DE
INVESTIGACIONES
ELECTRICAS
DENSIDAD ENERGÉTICA
Capacidad de almacenamiento
de hidrógeno
kg/l
Medio de
%
almacenamiento
en peso
Densidad de
energía
MJ/kg
MJ/L
Hidruros metálicos
MgH2
MgH2NiH4
FeTiH2
LaNi2H7
Hidrógeno líquido
7.60
3.16
1.75
1.37
100
0.101
0.081
0.096
0.089
0.070
9.9
4.5
2.5
1.9
141.9
14.3
11.5
13.6
12.6
10.1
Gas comprimido
1470 psi
2000 psi
6000 psi
100
100
100
0.008
0.011
0.037
141.9
141.9
141.9
1.1
1.6
5.2
Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible
G. de Energás No Convencionales, Cuernavaca, Mor. MEXICO
[email protected]
INSTITUTO DE
INVESTIGACIONES
ELECTRICAS
CONCEPTO SOLAR-HIDRÓGENO-PEM
Sistema FV
H2
electrolizador
hidrógeno
celda de
combustible
aire
acondicionamiento
INSTITUTO DE
INVESTIGACIONES
ELECTRICAS
...otras fuentes renovables
Celda MCFC, a gas
de un relleno
sanitario
INSTITUTO DE
INVESTIGACIONES
ELECTRICAS
Almacenamiento de energía en sistemas híbridos
Baterías plomo-ácido
Bajo costo de inversión
Alto costo en su ciclo de vida
Profundidades de descarga variable
Disposición
Reguladores de voltaje
Recargables
Hidrógeno
Reducir costos del ciclo de vida (20-40%)
Reduce impactos ambientales
Estrategías p/almacén de energía plazos mayores
Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible
G. de Energás No Convencionales, Cuernavaca, Mor. MEXICO
[email protected]
INSTITUTO DE
INVESTIGACIONES
ELECTRICAS
INTEGRACIÓN DEL SISTEMA
intermitencia
Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible
G. de Energás No Convencionales, Cuernavaca, Mor. MEXICO
[email protected]
INSTITUTO DE
INVESTIGACIONES
ELECTRICAS
SIST. DE ALMACEN. ESPECIFICACIONES
Característica
Especificación
Volumen Almacenado
2,550 litros
1m3 = 1.6kW
Presión de descarga
30 psig en aire ambiental
250 psig en agua caliente
1.5 hrs
6.12 kWh
Velocidad de flujo
máxima
Tiempo de recarga
28 l/min (1 ft3/min)
Material del
contenedor
dimensiones
4 h en aire ambiental
45 min en agua a 20C
Acero inoxidable (cuerpo
y válvula)
61cmx30.5cmx7.6cm
peso
36 kg
sobrepresión
Válvula de escape y
Disco de rapto
Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible
G. de Energás No Convencionales, Cuernavaca, Mor. MEXICO
[email protected]
0.014m3
INSTITUTO DE
INVESTIGACIONES
ELECTRICAS
Curva caracteristica de una celda de combustible
potencia
INSTITUTO DE
INVESTIGACIONES
ELECTRICAS
RETOS Y MOTIVACIONES
Ganar experiencia operativa
Evaluar costos ciclos de vida
Reducir costos de capital
Desarrollo de electrolizadores para CD
Sistemas de Control
Fuentes renovables + tecnologías avanzadas (almacenamiento)
Aumento en confiabilidad
Reducción en consumo de combustible
altos costos por transporte de combustible
Fuentes renovables disponibles
Sistemas totalmente renovables
Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible
G. de Energás No Convencionales, Cuernavaca, Mor. MEXICO
[email protected]
Descargar

Sistemas Híbridos y Celdas de Combustibles