REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DE LA DEFENSA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL UNEFA

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1 REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DE LA DEFENSA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL UNEFA CARACTERIZACIÓN DEL COMPORTAMIENTO ELÉCTRICO DE UNA PLANTA DE CELDA DE COMBUSTIBLE COMO FUENTE DE GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD ANTEPROYECTO DE TRABAJO ESPECIAL DE GRADO PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO ELECTRICISTA TUTOR TESISTAS ING. FRANCISCO GONZÁLEZ L. BR. FACENDO P., ALEXANDER E. ENERO DE 006

2 ii REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DE LA DEFENSA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL UNEFA FECHA: ACEPTACIÓN DEL TUTOR Señor Coordinador de la carrera de Ingeniería Eléctrica, mediante la presente comunicación hago de su conocimiento que ante la solicitud realizada por el Br. Facendo Peraza Alexander Enrique, apruebo el anteproyecto titulado: CARACTERIZACIÓN DEL COMPORTAMIENTO ELÉCTRICO DE UNA PLANTA DE CELDA DE COMBUSTIBLE COMO FUENTE DE GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD. Asimismo, acepto la tutoría del Trabajo Especial de Grado a desarrollar por los mencionados alumnos. Francisco M. González Longatt. C.I. V

3 iii REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DE LA DEFENSA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL UNEFA FECHA: COMISIÓN DEL TRABAJO ESPECIAL DE GRADO Los infrascritos integrantes de la Comisión Especial del Trabajo de Grado, de la especialidad de Ingeniería Eléctrica. En cumplimiento de las disposiciones vigentes, una vez considerado el anteproyecto realizado por el Br. Facendo Peraza Alexander Enrique de la Especialidad de Ingeniería Eléctrica mención Potencia, cuyo titulo es: CARACTERIZACIÓN DEL COMPORTAMIENTO ELÉCTRICO DE UNA PLANTA DE CELDA DE COMBUSTIBLE COMO FUENTE DE GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD deciden: Aprobarlo Rechazarlo Observaciones: Firma Profesor Firma Profesor Firma Profesor Nombre del Profesor Nombre del Profesor Nombre del Profesor Jefe del Departamento

4 iv ÍNDICE GENERAL ACEPTACIÓN DEL TUTOR... ii COMISIÓN DEL TRABAJO ESPECIAL DE GRADO... iii ÍNDICE GENERAL...iv ÍNDICE DE FIGURAS...vi ÍNDICE DE TABLAS... vii INTRODUCCIÓN...1 CAPÍTULO I EL PROBLEMA PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL OBJETIVOS ESPECÍFICOS JUSTIFICACIÓN ALCANCES LIMITACIONES... CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO ESTUDIOS PREVIOS Antecedentes Nacionales.... Error! Marcador no definido..1.. Antecedentes Internacionales BASES TEÓRICAS....5 CAPÍTULO III MARCO METODOLÓGICO METODOLOGÍA A EMPLEAR FASES DE LA INVESTIGACIÓN ESTIMACIÓN Y DISPONIBILIDAD DE RECURSOS...9

5 v CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES...30 REFERENCIAS DOCUMENTALES...31

6 vi ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Celda de Combustible de Grove [1]...5 Figura. Celda de Combustible Utilizada en las Misiones Espaciales Apolo y Géminis [1]....6 Figura 3. Estructura de una Celda de Combustible [3], [6], [7]...6 Figura 4. Esquema Simple de una Celda de Combustible [7]...7 Figura 5. Funcionamiento Básico de una Celda de Combustible [4]...8 Figura 6. Esquema de una Celda de Combustible AFC...11 Figura 7. Esquema de una Celda de Combustible DMFC Figura 8. Esquema de una Celda de Combustible MCFC...1 Figura 9. Esquema de una Celda de Combustible PAFC...13 Figura 10. Estructura de una Celda de Combustible SOFC...14 Figura 11. Estructura de una Celda de Combustible PEMFC...15 Figura 1. Planta de Celda de Combustible [7]...16

7 vii ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Diferencias entre los Tipos de Celda de Combustible [9]....15

8 1 INTRODUCCIÓN Manejar los suministros de energía globales se esta volviendo cada vez más un problema para el futuro de la humanidad. Si los niveles de uso actuales se mantienen, los recursos de combustible fósil, serán usados dentro de sólo unas generaciones [1]. A nivel mundial el uso de fuentes no renovables de energía ha sido dominante por algunos años. En la actualidad un alto porcentaje de la capacidad instalada de generación proviene de plantas térmicas que operan a partir de los ciclos termodinámicos, utilizando la energía contenida en los combustibles fósiles para mover una turbina encargada de hacer girar un rotor de un generador cuyo objetivo final es el producir electricidad. Este tipo de tecnología trae consigo la emisión de gases contaminantes que resultan ser tóxicos, nocivos para la salud, y además agresivos al ambiente []. Actualmente existe un termino relativamente nuevo y que ha surgido como consecuencia de eventos relacionados directamente con las formas de generación de energía eléctrica tradicionales, la generación distribuida (GD), que no es mas que pequeños generadores de potencia localizados típicamente cerca de los usuarios donde la energía es consumida, esta forma de generación le permite a los usuarios aumentar sus capacidades de potencia eléctrica, y hacer énfasis en la confiabilidad y la calidad de servicio. En otras palabras la GD se puede conceptualizar como la integración de de nuevas formas de generación, sistemas de almacenamiento, generación renovable, que se localizan cerca de la demanda [7]. En la búsqueda de esas nuevas formas de generación de energía se encuentra que el hidrogeno es el elemento más liviano del universo, es el principal combustible de las estrellas, una de ellas es el sol, en él los átomos de hidrogeno se fusionan permanentemente liberando energía. Teóricamente la fusión en frió de los átomos de hidrogeno es posible, esto representaría una fuente de energía prácticamente ilimitada, sin embargo técnica y económicamente esa fuente de energía está todavía muy lejos del alcance de la humanidad. No obstante hidrocarburos como el petróleo y el gas natural que poseen un alto contenido de hidrogeno, puede ser aprovechado como fuente de energía [7]. Una de las formas más interesantes de aprovechar la energía contenida en el hidrogeno es a través de un dispositivo conocido como celda de combustible, ésta es una tecnología antigua, las primera noticias acerca de las celdas de combustible se remontan hasta 180, pero no es sino hasta 184 cuando es presentada oficialmente la primera celda de combustible, por el físico aficionado William Grove, quien es conocido como el Padre de las Celdas de Combustible. Para el tiempo en que Grove presento su invento no se le dio mucha importancia, posteriormente sus investigaciones fueron retomadas y desarrolladas por la National Aeronautics and Space Administration (NASA), cuando en 1960 sintiera la necesidad de desarrollar una nueva fuente de energía para ser implementadas en los proyectos espaciales Apolo y Géminis [8].

9 La celda de combustible es un dispositivo electroquímico capas de producir energía eléctrica a partir de reacciones químicas, para lograr esto debe ser alimentada constantemente con un combustible (puede ser hidrogeno directamente ó cualquier hidrocarburo con alto contenido de hidrogeno) y un oxidante (puede ser oxigeno directamente ó aire), teóricamente son capases de producir tanta energía eléctrica como combustible y oxidante se les sea suministrado [3]. Debido al hecho de que la energía eléctrica que se produce es de tipo directa (DC), son comparas con la batería común, sin embargo su funcionamiento es totalmente diferente [6]. Las celdas de combustible han probado ser una tecnología más efectiva que los motores de combustión interna, y ambientalmente amena, ya que solo genera como desecho agua y calor [6], [9], [10]. En la actualidad la celda de combustible es una tecnología que se encuentra en desarrollo, sin embargo luego de años de investigación en la actualidad se pueden identificar seis tipos diferentes, celdas de combustible alcalinas (AFC), celdas de combustible de metanol directo (DMFC), celdas de combustible de carbonato fundido (MCFC), celdas de combustible de ácido fosfórico (PAFC), celdas de combustible oxido sólido (SOFC), y celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC), en ellas se puede notar que la esencia del funcionamiento es básicamente la misma, a pesar de esto cada una de ellas posee características de fabricación y operación totalmente diferentes [3]. En lo que respecta a las aplicaciones que tienen las celdas de combustible son amplias, pueden ser empleadas como fuente de energía para alimentar equipos especiales (portátiles ó estacionarios), pueden ser utilizadas como fuente de energía para vehículos de transporte terrestre, en la actualidad todavía son utilizadas en los transbordadores espaciales de la NASA como fuente de generación de electricidad y agua, y principalmente como fuente de generación estacionaria de electricidad. De acuerdo con la aplicación se emplea la celda de combustible (AFC, DMFC, MCFC, PAFC, SOFC ó PEMFC) más adecuada, particularmente para el caso de generación estacionaria de electricidad técnicamente cualquiera de los tipos mencionados anteriormente puede ser implementado [9]. Investigaciones realizadas acerca del comportamiento de las celdas de combustible como fuente de generación de electricidad han arrojado como resultado que existen diferencias notorias entre los sistemas de generación tradicional y un sistema que utiliza celdas de combustible [3], [5], [4], [5], [6]. Por tal razón, se presenta el siguiente anteproyecto de investigación que persigue efectuar un Caracterización del Comportamiento Eléctrico de una Planta de Celda de Combustión como Fuente de Generación de Electricidad. Este documento está constituido por tres capítulos. En el primero de ellos, se presenta la esencia y la necesidad que origina el desarrollo de la investigación mediante el planteamiento del problema. De igual forma se reflejan los objetivos planteados para cumplir con la meta establecida, además de justificar y delimitar el tema de la investigación, así como también las

10 3 posibles limitaciones que interfieran en la ejecución del trabajo. El segundo capítulo reúne los antecedentes y soportes teóricos que facilitarán la indagación. Finalmente el capítulo tres indica la metodología aplicada para la realización del proyecto y en loa anexos se muestra el cronograma de actividades a ser ejecutado.

11 4 CAPÍTULO I EL PROBLEMA 1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. El mundo ha estado experimentado un proceso de desregulación que ha permitido una competencia en el sector de generación de electricidad. Abriendo oportunidades para la generación de potencia por los usuarios de electricidad usando sistemas de generación de tamaño reducido y con tecnologías consideradas como emergentes [3], todo esto como consecuencia de un crecimiento del mercado eléctrico, el desarrollo de los mercados financieros y el acelerado progreso técnico, que han hecho posible que el tamaño óptimo de las nuevas inversiones en generación disminuya, en relación con el tamaño del mercado y la capacidad de capital privado [5]. Las fuentes de energía distribuida (FED), que generalmente son fuentes pequeñas y que se encuentran ubicadas en el lugar donde el usuario le da uso a ésta energía (tanto eléctrica como térmica), han aparecido como una opción para cumplir con la necesidad creciente del consumidor por energía eléctrica con énfasis en la confiabilidad y calidad de energía. El portafolio de FGD incluye generadores, almacenamiento de energía, y para ciertas clases de sistemas, interfaces avanzadas de electrónica de potencia entre generadores y la fuente red comercial de potencia son necesarios [5]. Una variedad de tecnologías están siendo usadas en aplicaciones de GD con un variado grado de éxito. Algunas de estas tecnologías son: turbinas de viento, plantas hidráulicas a pequeña escala (micro), bioenergía (biomasas, biocombustibles, pirolisis), micro turbinas, arreglos fotovoltaicos, y celdas de combustible. [3]. Una de las diferencias más notorias entre la GD y la generación convencional (GC), es el hecho de que esta última está asociada con grandes de redes de transmisión que transportan la energía para ser distribuida a los diferentes centros de consumo [7]. Mientras que la GD, como ya se menciono, son fuentes pequeñas y que se encuentran ubicadas en el lugar donde el usuario le da uso a la energía, permitiendo reducir la utilización de redes de transporte de energía y las perdidas globales del sistema por kilo vatios hora consumidos efectivamente, ésta es la ventaja competitiva fundamental mas importante [7]. De entre las tecnologías mencionadas anteriormente resaltan particularmente las micro turbinas y las celdas de combustible, partiendo del hecho e que pueden operar con múltiples combustibles

12 5 con bajas emisiones de contaminante, alta eficiencia y alta confiabilidad [5]. Siendo las celdas de combustible una tecnología de generación, con rápido desarrollo, las mismas poseen características que las hacen favorables, como la baja emisión de contaminante, operación silenciosa y un limitado numero de partes movibles [5]. El principio básico de funcionamiento de la celda de combustible fue descubierto por el físico aficionado William Grove, en el año 184. Grove pudo producir energía eléctrica a través de cuatro celdas primitivas que utilizaban hidrógeno y oxígeno [4]. Grove presento dos modelos significativos de celdas de combustibles. El primer modelo consistía en zinc disuelto en ácido sulfúrico (H SO 4 ) y platino en ácido nítrico concentrado (HNO 3 ) separados por un recipiente poroso, éste modelo ha sido el prototipo para la celda de combustible de acido fosfórico (PAFC) [8]. El segundo modelo de celda es la predecesora de las celdas de combustibles modernas. Sus experimentos se basaron en la premisa de que enviando una corriente eléctrica a través del agua ésta se divide en oxigeno e hidrogeno. Luego Grove trató de revertir el proceso, es decir, combinar oxigeno e hidrogeno para producir electricidad y agua, ésta es la base de una celda de combustible simple [8]. Figura 1. Celda de Combustible de Grove [1]. Aunque éste era un descubrimiento importante, ésta tecnología permaneció inactiva durante ciento veinte años. Luego fue retomada de nuevo cuando la NASA demostró su potencial y sus aplicaciones en los años sesenta [4]. NASA considero que utilizar reactores nucleares representaba un riesgo muy alto y las baterías o paneles solares eran demasiado grandes, y decidió usar celdas de combustibles como fuentes de alimentación en los proyectos Apolo y Géminis, además ha financiado más de doscientos proyectos de investigación relacionados con ésta tecnología colocándola ahora a un nivel viable para el sector privado [8].

13 6 Figura. Celda de Combustible Utilizada en las Misiones Espaciales Apolo y Géminis [1]. Durante las últimas décadas la atención hacia la tecnología de las celdas de combustible ha aumentado debido a su alta eficacia y a que su proceso es sumamente limpio [4]. Produce energía en forma de electricidad y calor mientras se mantiene alimentada de combustible, generando como único residuo agua 100% pura [8]. La manera tradicional de aprovechar la energía potencia del los combustibles es quemándolos, obteniendo energía térmica que posteriormente es convertida en energía mecánica con una muy baja eficiencia. De esta forma trabajan los motores de combustión interna instalados en centrales térmicas, el paso intermedio a través de la energía térmica limita la eficiencia obteniendo valores menores al 30% [9], [10]. Una celda de combustible es un dispositivo electroquímico que oxida el combustible (sin combustión) para directamente convertir la energía química de la celda de combustible en energía eléctrica, por lo que su eficiencia toma valores de hasta 70% [6], [9], [10]. En otra palabras, la celda de combustible produce energía eléctrica cuando se alimenta al ánodo con un combustible gaseoso rico en hidrogeno, y se suministra al cátodo un oxidante (aire), e introduciendo un electrolito para permitir el intercambio de iones. De las reacciones electroquímicas que tienen lugar en los electrodos resulta una corriente eléctrica en el circuito externo. Ver Figura 3, [3]. Figura 3. Estructura de una Celda de Combustible [3], [6], [7].

14 7 En una típica celda de combustible, los combustibles gaseosos son alimentados continuamente al compartimiento del ánodo (electrodo negativo) y un oxidante (el oxigeno del aire) es alimentado continuamente al compartimiento del cátodo (electrodo positivo); las reacciones electroquímicas ocurren en los electrodos para producir una corriente eléctrica [6], [7]. Una celda de combustible, posee componentes y características similares a las de una batería típica, no obstante se diferencia en varios aspectos. La batería es un dispositivo de almacenaje de energía. La energía máxima disponible es determinada por la cantidad de reactante químico almacenado dentro de la misma. La batería dejará de producir energía eléctrica cuando los reactantes químicos sean consumidos (es decir, descargados). En una batería secundaria, los reactantes son regenerados por la recarga, esto implica que la energía sea colocada de nuevo en la batería por intermedio de una fuente externa [7]. La celda de combustible, es un dispositivo de conversión de energía que teóricamente posee la capacidad de producir energía en tanta cantidad como combustible y oxidante sea suministrado a los electrodos. En la Figura 4, se muestra un diagrama simplificado que ilustra el funcionamiento de una celda de combustible. La degradación, la corrosión primaria o el mal funcionamiento de los componentes limitan la vida operativa de la celda de combustible [6]. Figura 4. Esquema Simple de una Celda de Combustible [7]. El funcionamiento de las celdas de combustible se basa en los principios básicos electroquímicos. La reacción de gas de hidrógeno (H ) y el gas de oxígeno (O ), para formar agua, es el principio del proceso representado en (1), [4]. H + O H O (1) El proceso ocurre de forma natural, y es causado por el hecho que las partículas cargadas emigran hacia regiones de baja energía electroquímica. Las partículas cargadas presentes en el hidrógeno se mueven hacia el oxígeno y se une entre si ya que las partículas del oxigeno tienen

15 8 baja energía electroquímica. El movimiento de estas partículas cargadas puede usarse para generar energía eléctrica, que es esencialmente el movimiento controlado de electrones. Separando el hidrógeno y oxígeno por un electrolito (o membrana electrolítica) eso dirige los protones y aísla los electrones, un fenómeno interesante y útil ocurre; los protones de los átomos de hidrógeno se mueven a través de la membrana pero los electrones no pueden. Estos electrones buscan recombinarse del otro lado de la membrana para lograr un estado más estable. Cuando un circuito eléctrico se introduce conectando ambos lados, los electrones viajan a través de él. Este movimiento de electrones a través de este circuito eléctrico externo se controla para generar la energía eléctrica. En éste proceso electroquímico, un lado de la membrana es llamado ánodo y el otro es llamado cátodo. La reacción total que ocurre está dividida en dos pequeñas reacciones, una reacción de oxidación y una reacción reducción. La reacción de oxidación parte de la disociación de átomos de hidrogeno en los protones y electrones y tiene lugar en el lado del ánodo, representado en (). Después de la disociación, los protones libres atraviesan el electrolito, y los electrones mueven a través del circuito externo que conecta el ánodo y el cátodo [4]. H 4H + + 4e () Al mismo tiempo, una reacción de reducción ocurre en el lado del cátodo, representado en (3). Donde se suministra el oxígeno que se necesita para ésta reacción [4]. O + 4H + + 4e H O (3) Los átomos de oxígenos se disocian y se unen con los protones que pasan por la membrana (electrolito) y los electrones que vienen del circuito externo formado agua. El proceso entero representado en Figura 5, ocurre de forma natural, pero las reacciones ocurren mientras el poder de la celda de combustible es lentamente controlado. Para facilitar una reacción más rápida, se usa un catalizador [4]. Carga Electrica Electrón H H O Protón Calor Electrolito O Figura 5. Funcionamiento Básico de una Celda de Combustible [4].

16 9 Appleby y Foulkes han notado que teóricamente, una sustancia con propiedades de oxidación química puede ser suplida continuamente (como un fluido) quemada galvánicamente como el combustible del ánodo. Similarmente, el oxidante puede ser algún fluido que puede ser reducido a una razón suficiente. El hidrogeno es el combustible más seleccionado para la mayoría de las aplicaciones, debido a su alta capacidad de reacción cuando se emplean los catalizadores adecuados, y su alta densidad de energía cuando es almacenado criogénicamente para aplicaciones de ambientes encerrados como el espacio [7]. De la misma manera se tiene que el oxidante más común es el oxigeno gaseoso, el cual es encuentra fácil y económicamente disponible en el aire para aplicaciones terrestres, y puede ser almacenado con fácilmente en ambientes cerrados. Una interfaz trifásica es establecida entre los reactantes, electrolito y catalizador en la zona porosa del electrodo. La naturaleza de esta interfaz juega un papel crítico en el rendimiento electromecánico de la celda de combustible, particularmente en aquellas celdas de combustible con electrolitos líquidos. En tales celdas de combustible el gas reactante se difunde a lo largo de una película delgada de electrolito que humedece porciones del electrodo poroso y reacciona electro químicamente en sus respectivas superficies. Si el electrodo poroso contiene un valor excesivo de electrolito, el mismo puede inundarse y restringir el transporte de especies gaseosas en la fase electrolito para los sitios de reacción [6]. Las superficie de los electrodos debe ser porosa para que pueda cumplir con las siguientes funciones: 1) proporcionar una superficie donde las reacciones de ionización gas/liquido o las reacciones desionización puedan tener lugar, ) dirigir los iones dentro o fuera de la interfaz trifásica una vez que ellos se han formado (así un electrodo debe hacerse de materiales que tengan buena conductancia eléctrica), y 3) para proporcionar una barrera física que separe la fase gaseosa del electrolito [6], [7]. El tipo y las propiedades químicas del electrolito utilizado en las celdas de combustible determinan sus características de operación, como por ejemplo su temperatura de funcionamiento [4]. La efectividad de este proceso es fuertemente dependiente del electrolito para crear la reactividad química necesaria para el transporte de iones [3]. Para incrementar la rata de reacción, el material del electrodo debe ser un catalizador también conductivo. La función catalizadora de los electrodos es muy importante en las celdas de combustible de bajas temperaturas y menos en las celdas de combustible de altas temperaturas, debido a que la tasa de ionización de la reacción incrementa con la temperatura. Además la superficie porosa deben ser permeables entre el electrolito y los gases, pero no tal que los medios de comunicación pueden inundarse fácilmente por el electrolito o pueden secarse por los gases de una manera unilateral [6].

17 10 Los diferentes tipos de celdas de combustible están generalmente separados según su electrolito. Estos tienen temperaturas de funcionamiento diferentes, materiales, y una interacción ligeramente diferente, pero el funcionamiento básico sigue siendo el mismo en todas ellas. Debido a las diferencias en algunas de las características de operación, los diferentes tipos de celdas de combustible están diseñadas para aplicaciones diferentes. La clasificación es de las celdas de combustible según el electrolito que emplea es la siguiente [4]: Celdas de Combustible Alcalinas (AFC). Celdas de Combustible de Metanol Directo (DMFC). Celdas de Combustible de Carbonato Fundido (MCFC). Celdas de Combustible de Ácido Fosfórico (PAFC). Celdas de Combustible de Oxido Sólido (SOFC). Celda de Combustible de Membrana de Intercambio de Protón (PEMFC). Celda de Combustible Alcalinas (AFC: Alkaline Fuel Cells) Emplea una solución líquida de hidróxido de potasio (KOH) como electrolito, su temperatura de operación se encuentra alrededor de C [11]. El electrolito se contiene en una matriz de manera que el hidrógeno puede pasar, pero impidiendo el paso de los electrones. Las ecuaciones (4, 5 y 6) representen la reacción del ánodo, la reacción del cátodo, y la reacción global de las AFC, respectivamente [4]. ( OH) H O + H + e (4) 1 O + H O + e ( OH) (5) 1 + O H O (6) H Esta celda de combustión esta limitada por la reacción del cátodo, ya que tarda más tiempo para reaccionar que la reacción del ánodo. Una de las desventajas que presentan éste tipo de celda de combustible es que son muy sensibles al anhídrido carbónico, debido a esto no pueden ser usadas en ambientes exteriores, requieren que se les proporcione el oxígeno que ellas necesitan [4]. Este tipo de celda de combustible está siendo usada desde hace ya bastantes años por la NASA. Se obtiene con ellas una eficiencia del 70%. Hasta hace poco tiempo eran demasiado costosas para aplicaciones comerciales, pero muchas compañías están examinando diversas vías para reducir costos y mejorar su flexibilidad de operación [8].

18 11 Figura 6. Esquema de una Celda de Combustible AFC. Celdas de Combustible de Metanol Directo (DMFC: Direct Metanol Fuel Cells). Las DMFC son un hibrido de las PEMFC, las DMFC todavía usan la misma membrana del polímero que son usadas en las PEMFC, la diferencia está en que las DMFC usan metanol líquido como combustible en lugar del hidrógeno reformado. El catalizador del ánodo obtiene el hidrógeno directamente del metanol líquido. La tecnología de las DMFC es relativamente nueva comparada con los otros tipos de celdas de combustible [4]. Se esperan eficiencias del 40% y operan a unas temperaturas entre ºC. A mayor temperatura se consigue mayor eficiencia [8]. Figura 7. Esquema de una Celda de Combustible DMFC. Celdas de Combustible de Carbonato Fundido (MCFC: Molten Carbonate Fuel Cells). Las MCFC operan a C. Normalmente utilizan una combinación de carbonatos alcalinos retenido en una matriz de cerámica, como electrolito. A altas temperatura de

19 1 funcionamiento los carbonatos alcalinos forman una sal fundida muy conductiva, con iones del carbonato que proporcionan la conducción iónica. Las altas temperaturas de operación son adecuadas para promover las reacciones, los catalizadores de metales nobles no son requeridos [4], [6], [11]. Las ecuaciones (7, 8, 9) representen la reacción del ánodo, la reacción del cátodo, y la reacción global de las MCFC, respectivamente [4]: H + CO H O + CO + e (7) 3 1 O + CO + e CO 3 (8) 1 H + O + CO HO + CO (9) Las MCFC requieren de dióxido de carbono (CO ) en el cátodo para un funcionamiento eficaz. La principal desventaja de las MCFC es que el electrolito que emplean es muy corrosivo afectando la vida operativa de las mismas [4], [6]. Figura 8. Esquema de una Celda de Combustible MCFC. Debido a las temperaturas de operación la única aplicación económica que tienen estas celdas de combustible es la generación de potencia de gran tamaño, hasta ahora se han probado celdas de 50kW a MW [4]. Celdas de Combustible de Ácido Fosfórico (PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cells). Utilizan un ácido fosfórico líquido como electrolito, el ácido se contiene en una matriz del Teflón que mantiene el ácido en su lugar durante las reacciones. La temperatura de funcionamiento están entre C, no puede ser demasiado alta debido a que el ácido fosfórico comienza a descomponerse a aproximadamente 10 C [4]. La alta temperatura de funcionamiento es para disolver el agua que se produce a bajas temperaturas en el electrolito. El catalizador empleado es

20 13 platino, son tolerantes al CO. Las ecuaciones (10), (11) y (1) representan la reacción del ánodo, la reacción del cátodo, y la reacción global de PAFC, respectivamente [4], [11]: H + CO H O + CO + e (10) 3 1 O + CO + e CO 3 (11) 1 H + O + CO H O + CO (1) Figura 9. Esquema de una Celda de Combustible PAFC. Una de las ventajas que poseen las PAFC es que son muy tolerantes a las impurezas presentes en los combustibles de hidrocarburos reformados. Esta característica es una de las razones por que las PAFC son tomadas en cuenta en el desarrollo de aplicaciones. La capacidad de usar combustibles con impurezas, hacen que las PAFC sean más económicas porque reduce los costo del reformador de combustible [4]. Celdas de Combustible de Oxido Sólido (SOFC: Solid Oxide Fuel Cells). Estas celdas de combustible son de alta temperatura, operan en un rango de C. Ellas utilizan un electrolito sólido, oxido de metal no poroso los portadores de carga son los iones de oxigeno. Las SOFC pueden usar anhídrido carbónico o hidrógeno como combustible directo. Debido a las altas temperaturas de funcionamiento la reacción se logra sin necesidad de utilizar catalizadores de alto costo. Las ecuaciones (13, 14, 15) represente la reacción del ánodo, el la reacción del cátodo, y la reacción global de SOFC, respectivamente [4], [11]: H + O H O + e (13) 1 O + e O (14)

21 O H O (15) H Figura 10. Estructura de una Celda de Combustible SOFC. Otra ventaja que caracteriza las SOFC es el hecho que a altas temperaturas pueden alimentase con otros tipos de combustibles. Lo que les permite prescindir de un reformador de combustible, reduciendo sus costos operativos. A altas temperaturas puede ser usadas en cogeneración de electricidad o calor. Al mismo tiempo que aumenta su eficiencia [4]. Las altas temperatura trae desventajas y limitaciones simultáneamente a las aplicaciones de las SOFC, la única aplicación que pueden tener en este momento es la generación de potencia [4]. Celda de Combustible de Membrana de Intercambio de Protón (PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell). Este tipo de celda de combustible ha ganado mucha atención en los últimos años; emplea un polímero sólido como el electrolito, es hecho de una membrana de Teflón, material que es un excelente conductor de protones y un aislador de electrones [4]. Su temperatura de operación oscila alrededor de C. Sin embargo debido a estas bajas temperatura de funcionamiento, emplean catalizadores (principalmente platino) para aumentar la proporción de reacción [4], [11]. Las ecuaciones (4, 5, 6) represente la reacción del ánodo, la reacción del cátodo, y la reacción global para el PEMFC, respectivamente [4]: H H + + e (16) 1 + O + H + e H O (17) 1 + O H O (18) H

22 15 Una característica que las resalta es su larga vida útil, en los últimos años han sido probadas en laboratorios bajo condiciones de largos periodos continuos de funcionamiento, lo que las han atractivas para muchas aplicaciones diferentes [4]. Figura 11. Estructura de una Celda de Combustible PEMFC. Tabla 1. Diferencias entre los Tipos de Celda de Combustible [9]. Tipo y Siglas en Ingles Poliméricas (PEMFC) Electrolito Temperatura Combustible Aplicación Ventajas Desventajas Nafion ºC H -Transporte -Equipos -Portátiles -Electricidad Baja temperatura, Arranque Rápido, Electrolito Sólido (Reduce corrosión, fugas, etc.). La baja temp. requiere catalizadores costosos (Pt) y H puro. Alcalinas (AFC) KOH (Aq.) ºC H -Militares -Especiales Mejores prestaciones de corriente debido a su rápida reacción catódica. Requiere eliminar el CO de aire y combustible De Acido Fosfórico (PAFC) H 3PO ºC H -Electricidad Eficiencia de hasta un 85% (con cogeneración calor y electricidad). Posibilidad de usar H impuro como combustible. Catalizadores de Platino. Corriente y Potencia bajas. Peso y tamaño elevados. De Carbonatos Fundidos (MCFC) Carbonato Li, Na, K ºC H -Electricidad Ventajas diversas de las altas temperaturas. Altas temperaturas aumentan la corrección y ruptura de componentes. De Oxido Sólido (SOFC) Conversión Directa de Metanol (DMFC) (Zr, Y)O ºC H -Electricidad Nafion ºC C H 3OH -Transporte -Equipos -Pórtateles -Electricidad Ventajas diversas de las altas temperaturas. El electrolito sólido reduce corrección, fugas, etc. Combustible líquido, más cercano a la tecnología actual, más las ventajas de las PEM. Altas temperaturas facilitan la ruptura de componentes (sellos).

23 16 La Tabla 1 muestra la clasificación de los diferentes tipos de celdas de combustibles, clasificadas de acuerdo con el tipo de electrolito empleado y su temperatura de trabajo, y las diversas aplicaciones que tienen cada una de ellas según sus características [9]. Una planta para generación de potencia a través de celdas de combustible posee las siguientes tres partes fundamentales [3], [5]: Procesador de Combustible: Se encarga de tomar los combustibles (gas natural, otros hidrocarburos gaseosos, metanol, nafta o carbón) los limpia y los convierte en una gas rico en hidrogeno y bases remanentes. Sección de Potencia: Se encarga de generar la electricidad en forma de una corriente directa (DC) a través de celdas individuales contenidas dentro de un conjunto o snack. Para cumplir con una determinada potencia se pueden agrupar varias celdas o stacks. Acondicionar de Potencia: Se encarga de convertir la potencia DC producida a una potencia de corriente alterna (AC), incluye control de potencia de salida, voltaje y frecuencia. Figura 1. Planta de Celda de Combustible [7]. La Figura 1, muestra un sistema de generación por celdas de combustibles general, los combustibles (gas natural, otros hidrocarburos gaseosos, metanol, nafta o carbón) disponibles requieren ser procesados para poder alimentar a la celda de combustible con un gas rico en hidrogeno [13]. La electricidad DC es generada en las celdas de combustible individuales combinadas en bloques, la cantidad de celdas o bloques depende de la aplicación específica [7]. Por ultimo, el acondicionador de potencia convierte la energía DC en energía AC para uso de los consumidores [7]. Las temperaturas de operación de las diferentes celdas de combustible producen una variación significativa en la configuración de las planta de energía, con respecto al procesador de combustible [13]. Mientras más se desarrolla la tecnología de las celdas de combustión, más se identifica el hidrógeno como combustible de alimentación de las mismas, y más hidrocarburos son estudiados

24 17 como fuente de energía primaria. La complejidad del procesador de combustible depende directamente del tipo y composición del combustible primario. Para las celdas de combustible de baja temperatura como las PEMFC o las PAFC, el procesador de combustible es relativamente complejo, normalmente requiere de un desulfurizador, un refinador de vapor o un reactor de oxidación parcial, conversores de cambio y un sistema de limpieza de gas para eliminar el monóxido de carbono del fluido de gas que pasa al ánodo. En el caso de las celdas de combustible de altas temperaturas como las MCFC o las SOFC, el procesador de combustible es más simple, puede consistir de un desulfurizador y un precalentador del combustible que fluye hacia el compartimiento del ánodo. Combustibles más complejos pueden requerir de procesos de limpieza y reformado antes de ser utilizados, incluso por las celdas de alta temperatura [14]. Por consiguiente, los materiales de construcción, las técnicas de fabricación y los requerimientos del sistema difieren. Estas distinciones resultan en ventajas y desventajas individuales que gobiernan el potencial de las celdas de combustión para ser utilizadas en diferentes aplicaciones [6], [7]. Los diferentes tipos de celdas de combustible presentados poseen regimenes de operación significativamente diferentes, los mismos están definidos en gran parte por la temperatura de operación, el combustible de alimentación, empleo de equipos adicionales para llevar a cabo el proceso de producción de energía, materiales empleados para su construcción, estos factores crean diferencias entre ellas. En el caso de las celdas de combustible tipo PEMFC, AFC, PAFC, MCFC y SOFC, estas emplean procesadores de combustibles en el caso de no ser alimentadas con hidrogeno directamente, mientras que las celdas de combustible tipo DMFC no emplean procesadores de combustible ya que son alimentadas directamente con metanol. En teoría, cualquier sustancia que pueda ser químicamente oxidada por el ánodo de una celda de combustible puede ser usada como combustible, y cualquier sustancia que pueda ser reducida por el cátodo de una celda de combustible puede usarse como oxidante [6]. Sin embargo en la practica el hidrogeno es el mejor combustible para la mayoría de las aplicaciones. Las celdas de combustible de baja temperatura como las AFC, PEMFC y PAFC, electro-químicamente restringidas, están forzadas al uso de hidrogeno como combustible, mientras que las celdas de combustibles de alta temperatura como las MCFC y SOFC, además de hidrogeno pueden emplear como combustible monóxido de carbono y gas natural [11]. Con referente a las temperaturas de operación tenemos que la celdas de combustible de alta temperatura como las MCFC y SOFC, están más propensas a sufrir ruptura de sus componentes como consecuencia de los niveles de temperatura con que operan ( ºC). Las celdas de combustible de baja temperatura como las PEMFC, AFC, PAFC, MCFC y SOFC, no sufren estos problemas, nos obstante debido a los niveles de temperatura que manejan, están obligadas a usar catalizadores, comúnmente se emplean el platino [9].

25 18 Los sistemas de generación de energía por celdas de combustibles prometen proporcionar una infinidad de ventajas, cuando se comparan con los sistemas de generación de energía convencionales. Algunas de estas ventajas son la alta eficiencia en un amplio rango de condiciones de carga y un bajo impacto ambiental, estas ventajas combinadas con la reducción de costos que se proyectan para el futuro, hacen de las celdas de combustible una buena alternativa para una gran variedad de aplicaciones [14]. No obstante cabe destacar que las celdas de combustible en el caso especifico de generación de electricidad, poseen características y formas de operación muy diferentes a las generación de electricidad tradicional, éste es un hecho que no puede pasar inadvertido, existen numerosas investigaciones que corroboran esta realidad, entre las que se pueden nombrar: Modelo Dinámico para Celda de combustible: Aplicación en Generación Distribuida, investigación presentada por el profesor F. González-Longatt [3]; Comportamiento Dinámico de Plantas de Celdas de Combustible: Ambiente Distribuido, investigación presentada por los profesores F. González-Longatt, C. Peraza y C. Villanueva [5]. Algunas de estas diferencias son [9], [11], [13]: En las celdas de combustible un proceso electroquímico permite convertir la energía química del combustible directamente en energía eléctrica, sin mediar proceso alguno de combustión, permitiendo que las mismas alcancen valores de eficiencia de hasta 70%. En el caso de generación de energía a través de centrales térmicas, donde se emplean motores de combustión la eficiencia se ve reducida a valores de hasta 30%. Las estructura de las celdas de combustible cuenta con pocas piezas móviles, lo que las hace altamente confiables con un tiempo útil de operación que excede las horas. En los sistemas de generación de energía tradicionales emplean equipos generalmente constituidos por una gran calidad de piezas móviles (motores, turbinas, generadores, etc.), las piezas móviles generalmente con el tiempo van presentado desgaste (consecuencia del movimiento), limitando su tiempo útil de operación. Debido a que las celdas de combustible operan con hidrogeno y aire, el único desperdicio que generan en el proceso es agua y calor, lo que las hace ambientalmente amigables. El proceso de generación de energía de las celdas de combustible es relativamente silencioso, esto se debe esencialmente a la falta de piezas móviles en el proceso. Este hecho contrasta significativamente con los procesos de generación tradicional. La celdas de combustible producen un voltaje DC que varia constantemente, para lograr el acondicionamiento del mismo y satisfacer los requerimientos del punto de entrega se emplea la electrónica de potencia. El desempeño, la eficiencia y el costo del sistema de electrónica de potencia, son consideraciones importantes para a comercialización de las celdas de combustible.

26 19 En base a esto se decide canalizar una investigación que caracterice el comportamiento eléctrico de una planta de celda de combustible como fuente de generación de electricidad, partiendo de las siguientes interrogantes: Cómo caracterizar el comportamiento eléctrico de una planta de celda de combustible como fuente de generación de electricidad? Cómo conceptualizar las celdas de combustibles, a través de una definición de su estructura típica y su clasificación? Cómo establecer los mecanismos electro-químicos de operación de las celdas de combustible y de todos los componentes adicionales de una planta de celda de combustible? Cómo identificar los modelos existentes para la simulación de plantas de celdas de combustible, tanto para régimen transitorio como estacionario? Cómo simular el comportamiento de los modelos de plantas de celda de combustible en régimen transitorio y estacionario? Cómo concluir respecto al desempeño transitorio y de régimen estacionario de cada una de las plantas de celda de combustible, mostrando los elementos más característicos de cada tipo según su comportamiento? 1.. OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL. Caracterizar el Comportamiento Eléctrico de una Planta de Celda de Combustible como Fuente de Generación de Electricidad OBJETIVOS ESPECÍFICOS. 1. Conceptualizar la celda de combustible, definiendo su estructura típica y su clasificación.. Establecer los mecanismos electro-químicos de operación de las celdas de combustible y de todos los componentes adicionales de una planta de celda de combustible (procesador de combustible, strack de celdas, acondicionador de potencia). 3. Identificar los modelos existentes para la simulación de plantas de celdas de combustible, tanto para régimen transitorio como estacionario. 4. Simular el comportamiento de los modelos de plantas de celda de combustible en régimen transitorio y estacionario.

27 0 5. Concluir respecto al desempeño transitorio y de régimen estacionario de cada una de las plantas de celda de combustible, mostrando los elementos más característicos de cada tipo según su comportamiento JUSTIFICACIÓN. Se espera que la GD juegue un papel importante en el futuro de los sistemas de generación de energía, la GD puede ayudar a reducir las perdidas de transmisión, mejorar de la calidad de energía a los usuarios finales y nivelar los picos de demanda. Las celdas de combustibles y las micro turbinas representan un recurso dominante en lo que respecta a GD [15]. Los plantas de energía por celdas de combustible que van desde algunos kilovatios para unidades de potencia portátiles, hasta megavatios instalados en plantas de energía estacionarias, están apareciendo como una alternativa de generación de energía eficiente que puede emplear una gran variedad de combustibles gaseosos y líquidos. Debido a la alta eficiencia, combinada con su flexibilidad para la generación de energía y las bajas emisiones de contaminantes al medio ambiente, las celdas de combustible son consideradas para muchas aplicaciones de generación de energía [13]. Estas afirmaciones están sustentadas por una gran cantidad de investigaciones llevadas cabo por investigadores particulares e instituciones privadas o gubernamentales, quizás la institución que más ha financiados investigaciones con respectos a las celdas de combustibles y su desempeño como fuente de generación de energía eléctrica es la NASA, consecuencia de la necesidad de desarrollar un sistema eficiente para generar la energía requerida para los proyectos espaciales Apolo y Géminis durante los años sesenta [8], no obstante la evolución de la tecnología de las celdas de combustible aun se encuentra en progreso, cada año son más los documentos (artículos, reportajes, trabajos de grado, tesis, etc.) presentados donde se comprueba el potencial de las celdas de combustibles en muchas aplicaciones de la vida diaria de los seres humanos. Muchos de estos documentos se pueden encontrar con facilidad en la Internet, su accesibilidad depende que tan novedosa resiente sea la información contenida en los mismos. Actualmente las investigaciones concernientes a celdas de combustible giran al rededor de seis tipos bien definidos como los son: las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC), las celdas de combustibles alcalinas (AFC), las celdas de combustible de oxido solidó (SOFC), las celdas de combustible de ácido fosfórico (PAFC), las celdas de combustible de carbonato fundido (MCFC) y las celdas de combustible de metanol directo (DMFC). Ellas han sido estudiada de forma especifica individualmente y de forma general en conjunto, es decir, en artículos concernientes a celdas de combustible de forma general, son mencionadas al hacer una clasificación de las mismas, mostrando las diferencia que presentan en cuanto a los componentes (materiales) de fabricación, las diferentes aplicaciones que se les están

28 1 dando en el mercado y fundamentalmente la manera como cada una de ellas procesa la energía eléctrica, ya que a pesar de trabajar bajo el mismo principio, cada una tiene características propias en su proceso. Sin embargo, cuando los estudios van más allá de lo general, para profundizar en su comportamiento ante un ambiente especifico, comienzan a ser analizadas de forma individual. En el caso especifico que compete a esta investigación, el comportamiento eléctrico de las celdas de combustible en un ambiente de generación de electricidad, se encontró que a la fecha existen un numero importe de investigaciones basadas en este hecho, donde se ha analizado el comportamiento de las mismas, a través de una simulación utilizando para ello algún software de programación [3], [5], [4], [6]. Esta investigación representa una integración de toda esa información contenida en artículos, proyectos, trabajos de investigación, etc., que refleja el comportamiento de los diferentes tipos de celdas de combustible como fuentes de generación de energía eléctrica, en un único documento, quien además se constituirá como una fuentes documental para posteriores investigaciones ALCANCES. La presente investigación tiene como objetivo la caracterización del comportamiento eléctrico de una planta de celda de combustible como fuente de generación de electricidad. Para lograr alcanzar este objetivo es fundamental identificar el comportamiento de cada uno de los tipos de celda de combustible (PEMFC, AFC, PAFC, MCFC, SOFC y DMFC) en ambientes de generación de electricidad, en conjunto con los componentes adicionales que conforman una planta de celda de combustible (procesadores de combustible, strack de combustible y acondicionadores de potencia), y obtener características generales del comportamiento eléctrico de las mismas. En la búsqueda estas característica es necesario hacer uso de una herramienta de programación que permita la modelación individual de cada uno de los tipos de celdas de combustible, a través de una simulación, debido a esto se empleara el programa Matlab para realizar dichas simulaciones, por medio de la herramienta SIMULINK disponible en este programa. Luego de haber realizado la simulación de sistema para cada tipo especifico de celda de combustible, se realizara un análisis de los resultados que permitirán establecer el comportamiento de las mismas. Existe un articulo elaborado por el profesor Francisco M. González-Longatt, titulado Modelo Dinámico para Celda de Combustible: Aplicación en Generación Distribuida, en este articulo se presenta un modelo simplificado para dinámica lenta de un sistema de celda de combustible de oxido sólido (SOFC), la implementación en SIMULINK de Matlab, permitió evaluar el comportamiento de este modelo, mostró que es razonable y adecuado para la simulación dinámica [3].

29 1.5. LIMITACIONES. El principio básico de funcionamiento de las celdas de combustible fue presentado por el físico aficionado William Grove en el 184, luego en 1959 el ingeniero Francis T. Bacón de mostró el uso practico de ésta tecnología con un sistema de cinco kilo vatios, sin embargo el verdadero interés por las celdas de combustible como fuente de energía llego a comienzo de los años 1960 con la NASA decidió utilizarlas en los vehículos espaciales [8]. El desarrollo de esta tecnología ha sido progresivo y lento, en la actualidad es considerada una tecnología en vías de desarrollo por lo que es objeto de muchas investigaciones actualmente. El hecho de que sea una tecnología en desarrollo es una ventaja que una forma indirecta se convierte en desventaja, ya que como se menciono anteriormente existen en la actualidad muchas investigaciones con respecto al tema, existen algunas restricciones que impiden el acceso a la información, en la Internet se pueden encontrar una gran variedad de artículos, tesis, trabajos de grado, trabajos de ascenso, entre otros, el acceso a todo éste tipo de documentos está sujeto a que tan reciente es su publicación, para el caso de documentos recientemente publicados acceder a ellos requiere invertir capital. Para el caso de publicaciones no tan recientes se requiere tener acceso a la Internet y realizar una búsqueda minuciosa en la red. En consideración con lo antes expuesto se puede notar que el obstáculo más importante que afrontará esta investigación, tiene que ver con el acceso a la información que deberá ser utilizada como referencia y sustentación de la misma.

30 3 CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO.1. ESTUDIOS PREVIOS. Aunque resulta relativamente reciente el interés en forma masiva de las fuentes alternas de generación, existe a la fecha un conjunto de investigaciones, proyectos, trabajos, artículos etc., que se consideran antecedentes válidos a la presente investigación, y que a continuación se relacionan. Por otra parte existe un trabajo que se han efectuado y que han sido trascendental al respecto y que es un buen estudio previo a esta investigación: F. González-Longatt. Tecnologías de Micro-Fuentes (Micro-Sources) disponible actualmente para la Generación Distribuida (GD). Trabajo de Ascenso a la categoría de agregado. Universidad Nacional Experimental Politécnica de Fuerza Armada. Maracay, Venezuela 004 [7]. Otros esfuerzos de investigación sobre celdas de combustible han sido llevados a cabo en el país entre los que se pueden mencionar: Francisco M. González-Longatt. Modelo Dinámico para Celda de Combustible: Aplicación en Generación Distribuida. 1er Congreso Iberoamericano de Estudiantes de Ingeniería Eléctrica (I CIBELEC 004) 3-7 Mayo 005. Mérida, Venezuela, 004 [3]. En este articulo se describe un modelo dinámico para una planta de celda de combustible de oxido sólido en operación aislada, en el se muestra la estructura y los factores a considerar en el momento de elaborar un modelo comparativo. F. González-Longatt, C. Peraza y C. Villanueva. Comportamiento Dinámico de Plantas de Celdas de Combustible: Ambiente Distribuido. Revista de Ingeniería de UC, Diciembre 004, Vol 11, N 3, Valencia, 005 [5]. Este articulo presenta un modelo simplificado para dinámica lenta de celda de combustible de oxido sólido, donde se evalúa el desempeño de seguimiento de carga. Se presenta una simulación que muestra la capacidad restringida de las plantas de celdas de combustible de suministrar un cambio de carga en forma de escalón localmente de manera inmediata.