Comunicación presentada al II Congreso Edificios Energía Casi Nula:
Autores
- Verónica Mesa Vélez-Bracho, Responsable de Ingeniería, Abengoa Hidrógeno
- Cristina Lucero Martínez, Técnico, Abengoa Hidrógeno
- Paula Sánchez Sobrini, Desarrollo de Negocio, Abengoa Hidrógeno
- Marta T. Escudero Ávila, Técnico, Abengoa Hidrógeno
- María Maynar Muñoz, Técnico, Abengoa Hidrógeno
Resumen
Los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica basados en hidrógeno suponen una opción viable para mejorar la gestión energética en el sector de la edificación y urbanismo, e incrementar la implantación y uso de los sistemas de generación de energía eléctrica basados en fuentes renovables mediante su almacenamiento y uso posterior. Entre otras funciones, este sistema ofrece los siguientes servicios: posibilidad de ser empleado como sistema de respaldo en aquellas zonas donde un corte en el suministro puede ser fatal; posibilidad de funcionamiento en ‘Isla’, es decir de forma independiente a la red pública, de algunos circuitos, por ejemplo la iluminación pública.
Introducción
En la actualidad, una de las principales desventajas de la utilización y aprovechamiento de las energías renovables en el sector de la edificación y el urbanismo es la aleatoriedad de su oferta o la falta de alineamiento de ésta con su demanda.
El hidrógeno es un gas combustible que está considerado un vector energético dada su capacidad de almacenamiento y transporte de energía. Así, en este tipo de instalaciones, la energía eléctrica renovable producida puede ser empleada en un proceso de electrólisis para la separación de la molécula de hidrógeno en oxígeno e hidrógeno. De esta forma, la energía eléctrica es almacenada en forma química en el hidrógeno producido, que puede ser almacenado largos periodos.
Posteriormente, el hidrógeno puede emplearse en combinación con oxígeno para la obtención de energía eléctrica, ya sea en un motor de combustión o en una pila de combustible, obteniendo como resultado vapor de agua, y por lo tanto, una emisión de productos contaminantes nula.
En conclusión, emplear hidrógeno como almacenamiento de energía en combinación con energías renovables tiene muchas ventajas, las principales se enumeran a continuación.
- No produce contaminación: el hidrógeno se toma del agua y luego se oxida y se devuelve al agua. No hay productos secundarios ni tóxicos de ningún tipo que puedan producirse en este proceso.
- Seguridad: en muchos casos, el hidrógeno es más seguro que otros combustibles que reemplaza. Además de disiparse rápidamente en la atmósfera si se fuga, el hidrógeno, en contraste con los otros combustibles, no es tóxico en absoluto.
- Alta eficiencia en su conversión: las pilas de combustible convierten la energía química contenida en el hidrógeno directamente a electricidad, con mayor eficiencia que ningún otro sistema de energía.
Sistema de almacenamiento de energía basado en Hidrógeno
El empleo del hidrógeno como almacenamiento en el sector de la edificación consiste en usar este como vector energético, almacenando en forma de hidrógeno la energía eléctrica procedente de la instalación eléctrica o de fuentes renovables en periodos de pico de producción. El hidrógeno se produce mediante el aporte de electricidad y agua a un sistema llamado electrolizador, que separa la molécula de hidrógeno del agua. El hidrógeno producido puede tener varios usos:
- Producción de electricidad mediante el uso del hidrógeno en una pila de combustible.
- Utilización directa del hidrógeno.
En ambos casos el uso del electrolizador servirá para a gestión de cargas del sistema, estabilizando la red local del edificio o urbanización.
La Figura 1 muestra el sistema para el caso de la conversión del hidrógeno en energía eléctrica mediante una pila de combustible o un motor de combustión. La electricidad producida volverá a ser inyectada al anillo de potencia eléctrica para el apoyo en periodos de picos de demanda.
Este sistema puede ser utilizado en las siguientes funciones:
- Sistema de back-up. Sistema de emergencia para la seguridad del suministro. El sistema entra en acción, alimentando a las cargas, ante un fallo de la fuente principal de energía. El sistema está situado entre la fuente de potencia eléctrica, la fuente renovable o anillo de potencia y el centro de consumo, permaneciendo en funcionamiento en todo momento. Dan estabilidad y seguridad del suministro.
- Integración directa con energías renovables. La alimentación eléctrica procedente de fuentes renovables proporciona en todo momento una energía limpia. Permite el desacoplamiento entre la producción y el consumo; almacenamiento de excesos de producción, aportando estabilidad y seguridad del suministro renovable.
Otra opción existente es la utilización del hidrógeno producido de forma directa. Se plantea la posibilidad a futuro de emplear parte del hidrógeno como combustible de los vehículos del edificio o urbanización. Esta opción estará condicionada por el avance tecnológico del hidrógeno en la automoción, actualmente son muchos fabricantes automovilísticos los que apuestan por vehículos eléctricos mediante el uso del hidrógeno como combustible tratado en una pila de combustible.
- El sistema de almacenamiento de energía propuesto supondría las siguientes mejoras en el sector de la edificación:
- Integración con renovables, estabilizando y mejorando el suministro. Además, permite compensación de fluctuaciones en la red inyectando energía cuando es necesario, por ejemplo en picos de potencia demandada. Facilitando la presencia de la generación distribuida.
- Posibilidad de que cada bloque de vivienda tenga un sistema de almacenamiento integrado con renovable.
- Evita o aplaza la inversión en infraestructura de transporte y distribución, debido a que el incremento de potencia de una red puede cubrirse con almacenamiento energético.
- Disponibilidad de almacenamiento de energía como sistema de respaldo, en aquellas zonas donde un corte en el suministro puede ser fatal.
- Posibilidad de funcionamiento en ‘Isla’, es decir de forma independiente a la red pública, de algunos circuitos, por ejemplo la iluminación pública.
Estado del arte de la electrólisis de agua
Un electrolizador es el equipo donde se produce hidrógeno a partir del proceso de electrólisis.
Este proceso tiene lugar en las celdas electrolíticas, que son el elemento principal del equipo, y que están compuestas por dos electrodos y un electrolito. El electrolito es el medio por el cual se conducen los electrones liberados de un electrodo a otro, y puede ser líquido (alcalino o ácido) o sólido (polimérico u óxido sólido). La ecuación química general que se produce en el proceso de electrólisis es la siguiente:
Electricidad + 2H2O à O2 + 2H2
Existen diferentes tipos de electrolizadores. Según el tipo de electrolizador, las diferentes reacciones químicas que se producen en el cátodo y ánodo son las mostradas en la Figura 2.
Las celdas electrolíticas se unen formando stacks, que son elementos pasivos. Para que el proceso tenga lugar, el equipo debe contar con diferentes subsistemas que adecúen las distintas corrientes de entrada y salida, así como la corriente eléctrica que da lugar al proceso.
Descripción de la tecnología de electrólisis PEM
A día de hoy, la tecnología más prometedora para este tipo de aplicaciones es la tecnología de electrólisis PEM. Los electrolizadores de membrana polimérica son presentados habitualmente como una interesante alternativa a los electrolizadores alcalinos. Entre sus ventajas respecto a tecnologías tradicionales se encuentran: grandes eficiencias energéticas, altos ratios de producción y un diseño más compacto.
La estructura general de una celda electrolítica de un electrolizador PEM presenta la configuración mostrada en la Figura 3.
Las celdas electrolíticas que usa este tipo de electrolizadores tienen un diseño prensado. En él no se requiere la circulación electrolítica, debido a que el electrolito es una resina sólida de intercambio iónico. En dicha resina, a ambos lados están incrustados los electrodos. Entre las celdas electrolíticas se interpone una placa ondulada que proporciona la continuidad eléctrica entre una celda y la siguiente, mientras se produce el proceso de separación del hidrógeno y del oxígeno en las celdas adyacentes. Este tipo de celdas son normalmente enfriadas mediante la circulación de agua a través de la cavidad existente entre el separador de metal y el electrodo, que a su vez arrastra hacía el exterior el hidrógeno y oxígeno producidos.
El proceso de electrólisis del agua en este tipo de electrolizadores se inicia con el suministro de agua en el ánodo. Los protones son transportados a través de la membrana hacia el cátodo. En el cátodo, los electrones y protones (H+) se combinan para dar el hidrógeno en forma de gas. Estos procesos llevan consigo asociadas las siguientes reacciones:
2H+ + 2e-à H2 (reacción en el cátodo)
H2O à 1/2O2 + 2H+ + 2e- (reacción en el ánodo)
Este tipo de electrolizadores tiene una serie de ventajas, como son:
- Es una tecnología muy conocida a nivel teórico, encontrándose en desarrollo para la gran escala.
- La membrana o diafragma del electrolito puede ser muy fina, permitiendo una alta conductividad; a su vez, acerca los electrodos y permite la separación de gases.
- Ofrece la oportunidad de trabajar a elevadas presiones y temperaturas.
- Admite transitorios en la potencia de entrada.
- Requieren menos mantenimiento.
A nivel nacional, son varios los proyectos demostrativos existentes, en los que se integra una fuente de energía renovable (fotovoltaica y eólica principalmente) con la producción de hidrógeno.
Conclusiones
Los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica basados en hidrógeno suponen una opción viable para mejorar la gestión energética en el sector de la edificación y urbanismo, e incrementar la implantación y uso de los sistemas de generación de energía eléctrica basados en fuentes renovables mediante su almacenamiento y uso posterior.
El sistema propuesto está basado en la producción de hidrógeno mediante el proceso de electrólisis, que es una tecnología madura, que consiste en el empleo de energía eléctrica para la separación de la molécula de agua en hidrógeno y oxígeno, pudiendo volver a transformar la energía almacenada en energía eléctrica mediante pilas de combustible o motores de combustión,
Entre otras funciones, este sistema ofrece los siguientes servicios:
- Posibilidad de ser empleado como sistema de respaldo en aquellas zonas donde un corte en el suministro puede ser fatal.
- Posibilidad de funcionamiento en ‘Isla’, es decir de forma independiente a la red pública, de algunos circuitos, por ejemplo la iluminación pública.