Comunicación presentada al II Congreso Edificios Energía Casi Nula:
Autoras
- Paula Sánchez Sobrini, Desarrollo de Negocio, Abengoa Hidrógeno
- Verónica Mesa Vélez-Bracho, Responsable de Ingeniería, Abengoa Hidrógeno
Resumen
Las pilas de combustible son dispositivos electroquímicos capaces de generar energía eléctrica y térmica a partir de un combustible (Gas Natural, biogás, etc.) y un comburente (generalmente aire). Abengoa Hidrógeno trabaja en el desarrollo, construcción e integración de sistemas de cogeneración basados en pilas de combustible de carbonatos fundidos, que se alimentan de estos combustibles. En comparación con los sistemas de cogeneración tradicionales, presentan mayor eficiencia, robustez y fiabilidad suponiendo un ahorro en el consumo de combustible y una reducción de las emisiones contaminantes. Otras características de las pilas de combustible son sus bajas emisiones de ruido, su modularidad y su escalabilidad. Estos sistemas permiten la generación de electricidad y energía térmica para abastecer las necesidades de edificios y distritos.
Sistemas de cogeneración
En los sistemas de cogeneración se producen conjuntamente dos formas de energía, como la electricidad (o energía mecánica) y calor (energía térmica útil) partiendo de un único combustible. El gas natural es la energía primaria más utilizada en las centrales de cogeneración, las cuales tradicionalmente funcionan con turbinas o motores de combustión. No obstante, también se pueden utilizar fuentes de energía renovables, biomasa, u otros residuos, como los derivados de la biomasa, que se incineran[1], así como otras tecnologías de cogeneración, como las pilas de combustible.
En todo proceso de generación de energía eléctrica se libera energía térmica que no puede transformarse en trabajo. Existen diferentes aplicaciones (industrias, edificios de oficinas o viviendas, instalaciones deportivas.) que requieren calor de manera que con la cogeneración se posibilita la utilización del calor que de otra forma se desecharía. El objetivo de la cogeneración es por tanto, aprovechar dicha energía para aumentar el rendimiento del proceso y reducir pérdidas económicas.
En términos generales, el aprovechamiento simultáneo de la energía eléctrica y térmica incrementa el rendimiento del proceso global, lo que favorece la obtención de elevados índices de ahorro energético, así como una disminución importante de la factura energética sin alterar el proceso productivo. Se debe tener en cuenta, que el consumo total de combustible requerido en una instalación de cogeneración (que produzca por ejemplo, electricidad y energía térmica útil) es menor que el utilizado para generar dos formas de energía por separado.
El atractivo de la cogeneración se debe a las eficiencias en el uso de combustible, la reducción del impacto en las emisiones de efecto invernadero y la posibilidad de su operación de manera independiente de la red eléctrica. Las diferentes tecnologías de cogeneración han despertado interés en una amplia variedad de sectores, tales como edificios comerciales, zonas industriales, aplicaciones agrícolas y rurales, etc. Una planta de cogeneración de tamaño adecuado puede satisfacer las necesidades térmicas del usuario final y suministrar la electricidad necesaria para el proceso y vender a la red eléctrica el exceso, si bien, el marco regulatorio que aplique, será determinante a la hora de diseñar la estructura y operación de una planta de cogeneración.
Sistemas de pilas de combustible para cogeneración
El desarrollo de diferentes tecnologías para su uso en plantas de cogeneración ha avanzado por diversos caminos. Uno que en los últimos años ha destacado con importantes mejoras y resultados, ha sido el uso de pilas de combustible.
Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico capaz de generar electricidad, y vapor de agua como único residuo, a partir de un combustible (generalmente una corriente rica en hidrógeno) y un comburente (generalmente oxígeno del aire). Existen diferentes tecnologías de pila de combustible, que pueden clasificarse atendiendo a distintos criterios. Un posible criterio es según su temperatura de operación, teniendo así pilas de combustible de baja y alta temperatura.
Por otra parte, unas tecnologías son más apropiadas que otras para determinadas aplicaciones. Para aplicaciones estacionarias (generación de electricidad o calor) tiene sentido hablar de tecnologías de membranas poliméricas si se trata de aplicaciones pequeñas y de carbonatos fundidos (MCFC por sus siglas en inglés) en caso de tratarse de grandes cogeneraciones.
Las pilas de combustible que aquí se van a presentar son las pilas MCFC, ideales para cogeneraciones de tamaño superiores a 300 kW. Las MCFC trabajan a alta temperatura (650 – 800 ºC) y sus dos características principales son, por un lado, que permiten aprovechar el calor que se genera en el proceso y que, por otro lado, la pureza del hidrógeno del que se alimentan no ha de ser tan alta como en otros tipo de pilas de combustible. La alta temperatura de operación genera una corriente de humos de escape calientes que se pueden utilizar en una variedad de aplicaciones de cogeneración.
Como parte de este mercado emergente, Abengoa Hidrógeno está desarrollando en sus instalaciones en Sevilla una planta cogeneración con MCFC que producirá 300 kWe. La planta consta de tres componentes principales:
- Módulo Mecánico: es la parte del sistema que adecúa el combustible de entrada del sistema a las características requeridas por la pila de combustible a la entrada de ésta. Este módulo reforma el combustible de origen, además de realizar un tratamiento de refrigeración y humidificación de los gases, y una adecuación térmica de los mismos. Este sistema procesará el gas natural y debe ser lo suficientemente robusto para resistir los cambios en la composición del gas natural, especialmente de los compuestos de azufre que pueden diferir dependiendo de la fuente de gas. Además debe tener la posibilidad de ser adaptado para funcionar con biogás generado a partir de plantas agrícolas, industriales y de instalaciones de tratamiento de aguas residuales.
- Módulo Eléctrico: es la parte del sistema que adecúa la salida eléctrica de la pila de combustible (en corriente continua), a las características eléctricas requeridas a la salida del sistema.
- Sistema de Control de Planta: este sistema general de control es el responsable de integrar y gobernar los distintos módulos, así como de gestionar el aprovechamiento energético del sistema.
Otras características que hacen a estos sistemas atractivos son:
- La cogeneración con MCFC pueden ser utilizadas en muchas instalaciones; para suministros de sistemas aislados, de generación distribuida o centralizada en función de la energía eléctrica y térmica suministrada, permitiendo un uso industriales así como de servicio público o privado.
- Fiabilidad y largos períodos de vida útil.
- Generación distribuida: la energía puede ser producida en las inmediaciones del usuario final, aumentando así la eficiencia del sistema.
- Bajas emisiones de gases de efecto invernadero.
- Baja contaminación acústica.
- Diversidad en la localización: estos sistemas no presentan grandes necesidades de servidumbres por lo que pueden ser ubicados casi en cualquier localización.
- Bajo nivel de mantenimiento al no haber partes móviles en la pila de combustible.
- Funcionan en continuo sin intermitencias de encendido/apagado.
Las plantas de cogeneración de pilas de combustible son modulares. La potencia mínima que se puede instalar es de 300 kW y los otros dos tamaños de planta disponibles a día de hoy son de 1,2 MW y de 2,8 MW. Según aumenta la potencia de la planta, más bajos son los costes por megavatio instalado. Esto se debe, entre otros, a una mejor distribución del coste de los auxiliares por más potencia generada. En la Ilustración 4 puede apreciarse una disminución de casi el 50% en este coste, entre una planta de 300 kW y una de 2.800 kW.
A continuación, en la Figura 5 se muestran las características principales de los sistemas de pila de combustible en función de su potencia.
Considerando una misma cantidad de energía generada de 38.700 MWh/año (Ilustración 7) los sistemas de cogeneración con MCFC presentan no solo ventajas respecto a las emisiones evitadas (más de 10 veces mayor en comparación con las otras dos tecnologías con las que se compara, cifra conservadora) sino que además presentan otras ventajas significativas. Dado que las MCFC operan a alta temperatura y su carbonato se funde, no es recomendable ni eficiente operarlas de manera discontinua ni a cargas parciales. De este modo se operarán siempre a máxima capacidad, siempre que haya suministro de combustible (gas natural, biogás…). Por otra parte, la superficie necesaria para generar una misma cantidad de energía es significativamente menor en el caso de las MCFC del mismo modo que los megavatios necesarios de la instalación.
Como ya se ha mencionado, en el proyecto concreto en el que Abengoa Hidrógeno está trabajando, se integrará en 2015 una planta de cogeneración con pila de carbonatos fundidos en las instalaciones de la empresa. El sistema funcionara con gas natural y tiene una potencia de 300 kW.
[1] Cogen España, Asociación Española para la promoción de la Cogeneración.
[2] Los costes que se muestran son aproximados. El coste final depende de diferentes aspectos tales como el lugar de instalación, el coste de la materia prima, la calidad del combustible que se emplee, etc.
[3] Los datos mostrados en la tabla, hacen referencia al inicio de vida útil de las plantas de potencia, viéndose estas degradada un 10% en eficiencia durante los cinco años de vida del sistema de pila de combustible.