SISTEMAS AVANZADOS DE MICROGENERACIÓN DE ENERGÍA

Transcripción

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2 Ponente / Txostengilea: José Ignacio San Martín Díaz Autores /Egileak: J.I. San Martín, I. Zamora, J.J. San Martín, I.J. Oleagordia, V. Aperribay Departamento de Ingeniería Eléctrica Junio 2009 Ingeniaritza Elektrikoa saila 2009ko ekaina

3 ÍNDICE MICRO-REDES ELÉCTRICAS TECNOLOGÍAS DE GENERACIÓN Y ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA TECNOLOGÍAS DE LAS PILAS DE COMBUSTIBLE APLICACIONES DE LAS PILAS DE COMBUSTIBLE CONCLUSIONES

4 NUEVA CONCEPCIÓN DE LA INDUSTRIA ELÉCTRICA AUTOGENERACIÓN CAMBIOS TECNOLÓGICOS GENERACIÓN TRANSMISIÓN DISTRIBUCIÓN CONSUMO DISTRIBUCIÓN GENERACIÓN DISTRIBUIDA (GD) F L U J O E N E R G Í A Rápido desarrollo de la microgeneración. Recuperación del calor residual. Reducción en las pérdidas de transmisión de la red eléctrica. Calidad de suministro eléctrico. Cumplimiento del Protocolo de Kioto.

5 MICRO-REDES ELÉCTRICAS Micro-red Eléctrica: Grupo de microfuentes y cargas, operando como un único sistema, suministrando energía eléctrica y térmica, con funcionamiento autónomo o interconectado a la red principal, estando ubicado en entornos próximos al punto de consumo. Objetivos Reducción de emisiones a la atmósfera, incrementando la penetración de energías renovables. Incremento de la eficiencia global de los sistemas. Reducción en las pérdidas de transmisión. Disminución en los costes de inversión en redes. Capacidad de disminución de picos de consumo. Posibilidad de venta en el mercado eléctrico. Mejora de la calidad de suministro eléctrico. Electrificación de zonas rurales sin acceso a la energía eléctrica.

6 PROTOTIPO DE MICRO-RED ELÉCTRICA MC MGCC AC DC LC MC DC AC LC MC PV LC Batería AC DC MC DMS M.T. B.T. LC MC MC AC DC AC DC Pila de combustible Volante de inercia CHP Microturbina

8 TECNOLOGÍAS EN MICROGENERACIÓN ELÉCTRICA MICROTURBINAS DE GAS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS MICROTURBINAS EÓLICAS PILAS DE COMBUSTIBLE

9 MICROTURBINA DE GAS DE EJE SIMPLE Esquema de funcionamiento Gases de escape CALDERA/ REFRIGERADOR REGENERADOR Eficiencia Termodinámica H 2 O H 2 O CALENTANDO / ENFRIANDO TURBO ALTERNADOR 2 CÁMARA DE COMBUSTION Combustible 3 1 r ( 1) t Eje G 1 FILTRO DE AIRE COMPRESOR TURBINA Eficiencia Global RECTIFICADOR BUS CC BATERÍA INVERSOR A B C N SALIDA V 50 Hz E g W e Q Q f hr

10 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS A B C PLANTA FOTOVOLTAICA DC - DC DC - AC P Máx Ga M NOCT 20 N PMáx,0 P T G 25 Máx a a N Número de módulos de paneles fotovoltaicos G a Radiación [W/m 2 ] M PMáx, 0 Potencia máxima del módulo (condiciones estándar) PMáx Coeficiente de variación de potencia con la temperatura del módulo [W/ºC] T a Temperatura ambiente [ºC] NOCT Temperatura de funcionamiento normal de la Planta Fotovoltaica [ºC]

11 MICROTURBINAS EÓLICAS Las normas de certificación de las microturbinas del Comité Electrotécnico Internacional IEC Pequeños aerogeneradores Superficie de captapción inferior a 40 m 2. Revisión. Superficie de captación hasta 200 m 2. Generador. Análisis de la tecnología Generador eléctrico. Conexión directa del rotor. Rango de 3 30 kw. Alternador de imanes permanentes (Bornay, Bergey,Westwind,Provent,LMW). Generadores de inducción (Energía Australiana 5kW, Wenus Inventus, Vergnet). AOC.

12 CLASIFICACIÓN DE PEQUEÑOS AEROGENERADORES

13 FUENTES DE ENERGÍA PRIMARIA

14 TECNOLOGÍAS DE ALMACENAMIENTO Hidrógeno Es el elemento más abundante de la naturaleza Almacena la mayor cantidad de energía por unidad de peso (12 x 10 4 kj/ kg 33,3 kwh/kg) GAS: a alta P ~ atm (recipientes de acero o aluminio reforzado con fibras de vidrio/carbono) LÍQUIDO: a T (-253 ºC). Proceso de licuación y su mantenimiento supone % del contenido energético del hidrógeno HIDRURO: metales y aleaciones permiten almacenar hidrógeno en un proceso reversible bajo la forma de hidruro metálico Avances del almacenamiento en nanoestructuras de carbono

15 VISIÓN DE LA U.E. RESPECTO DEL HIDRÓGENO H 2 H 2 CO 2

17 PILAS DE COMBUSTIBLE CONCEPTOS Producen energía eléctrica por transformación electroquímica de la energía potencial del combustible. Los combustibles pueden ser H 2, hidrocarburos simples y derivados tales como los alcoholes. Los combustibles puros eliminan los problemas asociados con la contaminación (S, NO, etc.). Las tecnologías de las células de combustible tienen alta eficiencia, bajas emisiones, carácter modular y funcionamiento silencioso. Posibilitan el uso de calor residual, incrementando notablemente la eficiencia global de los sistemas. Sistemas híbridos. Integración de las células de combustible con las microturbinas de gas. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO Reformado del Gas natural con vapor. Oxidación parcial de hidrocarburos. Oxidación parcial de carbón. Separación de carbón e hidrógeno a partir de los hidrocarburos. Procesos reformadores de pequeño tamaño y oxidación parcial. Energías renovables. Electrólisis.

18 PILAS DE COMBUSTIBLE Clasificación y Diagrama de Bloques ALTA TEMPERATURA - MCFC. Carbonato fundido - SOFC. Óxido solido. BAJA TEMPERATURA - AFC. Alcalina. - PEMFC. Membrana de intercambio protónico. - DMFC. Metanol directo. - PAFC. Ácido fosfórico. CO 2 CALOR RESIDUAL PARA COGENERACIÓN Y PRECALENTAMIENTO DEL COMBUSTIBLE Hidrógeno Gas natural Propano Metanol Etanol Gasolina Diesel PROCESADOR DE COMBUSTIBLE DEPURADOR DE GAS SISTEMA PILA DE COMBUSTIBLE ACONDICIONADOR DE POTENCIA CC/CC o CC/CA Agua CO > 0,5% Gas rico en hidrógeno Agua Corriente Continua

19 PILAS DE COMBUSTIBLE Resumen de Tecnologías COMBUSTIBLE ÁNODO CÁTODO ELECTROLITO AGENTE OXIDANTE Tiempo de arranque Temperatura SOFC 1000 ºC MCFC 650 ºC PAFC 200 ºC DMFC 80 ºC 110 PEMFC 50 ºC 80 ºC AFC 20 ºC 90 ºC H 2, CO H 2 O, CO 2 H 2, CO H 2, CO 2 H 2 H 2 CH 3 OH CO 2 H 2 H 2 H 2 O H 2 O O 2- Cerámico -2 CO 3 Carbonato fundido H + Ácido fosfórico H + Membrana Intercambio Protónico H + Membrana Intercambio Protónico OH _ Hidróxido de Potasio O 2 O 2 CO 2 O 2 O 2 O 2 O 2 H 2 O H 2 O H 2 O Carga constante Posibilidad seguimiento carga COMBUSTIBLE GASES DE REACCIÓN AGENTE OXIDANTE GASES DE REACCIÓN

20 PILAS DE COMBUSTIBLE Propiedades relevantes y Características

21 PILA DE COMBUSTIBLE PEMFC Corriente eléctrica e e Combustible sobrante e H + e Agua y calor residual Reacciones: H + ÁNODO 2 H 2 4H + + 4e - H 2 H + H 2 O O 2 CÁTODO O 2 + 4H + + 4e - 2 H 2 O Combustible H + Aire GLOBAL 2 H 2 + O 2 2 H 2 O ÁNODO ELECTROLITO CÁTODO Ventajas Inconvenientes Electrolito Temperatura Combustible Portadores de Carga Catalizador Agua como Producto Densidad de Potencia Eficiencia Eléctrica Eficiencia con Cogeneración Rango Típico de Potencia Aplicaciones Típicas Membrana Intercambio Protónico (Sólido) ºC H 2 Puro H + Pt,Ru Vapor 3 7 kw/m % % 1W 10 MW Estacionaria Transporte Portátil Espacial

23 TECNOLOGÍAS DE LAS PILAS DE COMBUSTIBLE Y APLICACIONES COMBUSTIBLE APLICACIÓN

24 TECNOLOGÍA SOFC

25 DATOS DE OPERACIÓN (21-Enero-2008) Horas de funcionamiento en el Proyecto EOS: Energía producida hasta la fecha en el Proyecto EOS: MWh DC Tensión: 248 V DC ; Intensidad: 502 A DC ; Potencia: 124,5 kw DC Temperatura del stack: 955 ºC ; Potencia generada: 115 kw AC Generación de calor: Agua caliente a 80 ºC, Potencia 55 kwt Trigeneración: Agua fría a 7 ºC en el refrigerador por absorción Fiabilidad muy alta: 99% Fácil mantenimiento (sustitución de filtros de aire y reactivos de desulfurización)

26 SISTEMA DE COGENERACIÓN CON PEMFC EDIFICIO ZONA RESIDENCIAL RED DE SUMINISTRO ELÉCTRICO 3300 VAC CARGAS INTERCONEXIÓN TRANSFORMADOR PEMFC 400 VAC Agua Gas Natural REFORMADOR INVERSOR STACK PILA DE COMBUSTIBLE INTERCAMBIADOR DE CALOR TORRE DE ENFRIAMIENTO Agua caliente AIRE ACONDICIONADO Enfriamiento del agua REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN Agua fría

27 CONCEPTOS BÁSICOS DE TRIGENERACIÓN TRIGENERACIÓN Producción simultánea de Electricidad, Calor y Frío, a partir de la energía primaria de un combustible CALOR RESIDUAL NO APROVECHABLE La producción de frío, permite aumentar las horas de operación en el sector terciario y residencial AGUA CALIENTE ENFRIADORA DE ABSORCIÓN REFRIGERACIÓN GAS NATURAL EQUIPO DE COGENERACIÓN CALOR RECUPERADO AGUA CALIENTE GUA CALIENTE PARA CALEFACCIÓN PARA CALEFACCIÓN EDIFICIO AGUA CALIENTE AGUA CALIENTE SANITARIA SANITARIA ELECT ELECT RED ELÉCTRICA

28 TRIGENERACIÓN CON MCFC Gas Natural MÓDULO DE SUMINISTRO Aire Hidrógeno PILA DE COMBUSTIBLE (Módulo a elevada T ra ) Corriente Continua CABINAS ELÉCTRICAS Corriente Alterna Calor Calor TRIGENERACIÓN Frío

29 INSTALACIONES OBJETO DE ESTUDIO CON PILAS DE COMBUSTIBLE RWE Alemania Clínica Otto-von-Guericke Alemania DeTelmmobilien Alemania Clínica Rhön Alemania Mercedes Benz USA LADWP USA Michelín Alemania IZAR España

30 1000 ºC SISTEMA HÍBRIDO SOFC MICROTURBINA DE GAS CÁMARA COMBUSTIÓN OR 887ºC 69x10-3 kg/s CH 4 Comb. Compl ºC Gases de escape COMPRESOR 406 ºC 15,5 kw TURBINA CALENTAR / ENFRIAR H 2 O H 2 O RECUPERADOR 807 ºC SOFC CÁTODO ÁNODO 1000 ºC 837 ºC T ra entrada turbina: ºC T ra pila de combustible: ºC Relación de presión: 4,0 Eficiencia del recuperador : 95% Eficiencia de generación: 66,5% 225 ºC DC AC 23,6 kw 15,4 kw 1000 ºC CÁMARA COMBUSTIÓN 6,4 kw 1000 ºC REFORMADOR 887ºC CH 4 Comb. Compl ºC 9,69x10-3 kg/s COMPRESOR 8,2 kw 15,5 kw COMPRESOR TURBINA FILTRO 15 ºC Aire 0,0384 kg/s T ra entrada turbina: ºC T ra pila de combustible: ºC Relación de presión: 4,0

31 SISTEMA HÍBRIDO AEROGENERADOR - PEMFC AEROGENERADOR GENERADOR ASÍNCRONO DE INDUCCIÓN RECTIFICADOR DE TIRISTORES EN PUENTE DOBLEMENTE CONTROLADO INVERSOR PWM IGBT TRANSFORMADOR ACOPLADO DE DOS DEVANADOS CARGAS VARIABLES Viento con velocidad variable Salida mecánica Rotor Estator Salida trifásica Tensión cc Tensión ca GRID Condensadores corrección factor de potencia ELECTROLIZADOR Tensión ca H 2 INVERSOR PWM IGBT TANQUE H 2 Flujo H 2 Tensión cc SISTEMA PILA DE COMBUSTIBLE / SUPERCONDENSADOR Stack Pila de Combustible PEMFC Super condensador Tensión cc CONVERTIDOR cc /cc

32 PROYECTO FIRST REMOTE TELECOM EQUIPMENT PV ENERGY MANAGEMENT SYSTEM BATTERY HYDROGEN FUEL CELL REMOTE TELECOM EQUIPMENT PV ENERGY MANAGEMENT SYSTEM BATTERY ELECTROLIZER HYDROGEN FUEL CELL

33 APLICACIONES EN AUTOMOCIÓN (1)

34 APLICACIONES EN AUTOMOCIÓN (2) Tanques de Hidrógeno Unidad de Suministro de las Pilas de Combustible Pilas de Combustible Aire Acondicionado Transmisión Motor Eléctrico Componentes Auxiliares

35 APLICACIONES EN EL SECTOR NAVAL ELEMENTOS TELESCÓPICOS GENERADOR DIESEL SALA DE CONTROL MOTOR DE PROPULSIÓN TANQUES DE OXÍGENO SISTEMAS ELECTRÓNICOS ARMAMENTO ALMACENAJE DE HIDRÓGENO PLANTA DE PILA DE COMBUSTIBLE SISTEMAS OPERATIVOS BATERÍAS HABITACIÓNES DE LA TRIPULACIÓN

36 APLICACIONES EN EL SECTOR AEROESPACIAL

38 CONCLUSIONES (1) EMISIONES DE LAS DIFERENTES TECNOLOGÍAS CO2 (g/kwh) 1500 NOx (mg/kwh) SO2 (mg/kwh) 1000 Particulas (mg/kwh) Hidrocarburos (mg/kwh) PLANTA CON CARBÓN PLANTA CON PETRÓLEO PLANTA CON GAS PLANTA CON PILA DE COMBUSTIBLE

39 CONCLUSIONES (2) VENTAJAS, INCONVENIENTES Y APLICACIONES DE LAS PILAS DE COMBUSTIBLE PEMFC Ventajas: Baja temp. de operación, arranque rápido y alta densidad de potencia Desventajas: Catalizadores caros Aplicaciones: Transporte y portátiles DMFC Ventajas: Combustible líquido Desventajas: Materiales caros, duración limitada Aplicaciones: Portátiles y microenergías PAFC AFC Ventajas: Baja temp. de operación, y alta eficiencia Desventajas: Baja intensidad y densidad de potencia Aplicaciones: Generación distribuida Ventajas: Baja temp. de operación, y alta eficiencia Desventajas: Eliminación de impurezas costosa Aplicaciones: Militares y aeroespaciales SOFC Ventajas: Alta eficiencia, calor residual utilizable y catalizadores baratos Desventajas: Lenta puesta en marcha y problemas de corrosión Aplicaciones: Generación distribuida y unidades auxiliares de energía MCFC Ventajas: Alta eficiencia, calor residual utilizable Desventajas: Lenta puesta en marcha y problemas de corrosión Aplicaciones: Eléctricas COLECTOR ÁNODO 51% e e H 2 Capa Activa Capa ELECTROLITO Difusión 1% CARGA <1% H <1% <1% Capa Activa e CÁTODO O 2 e H 2 O Capa Difusión 48% Sistemas, según el tipo de tecnología (2006) COLECTOR PEMFC PAFC DMFC SOFC MCFC AFC

40 CONCLUSIONES (3) Las Pilas de Combustible son tecnologías de generación avanzadas que están adquiriendo un desarrollo notable en el campo de la Generación Distribuida. Entre sus ventajas destacamos: Alta eficiencia. Bajas emisiones. Flexibilidad de ubicación. Alta fiabilidad. Bajo mantenimiento. Amplia variedad de combustibles. No obstante, esta tecnología encuentra las siguientes barreras para su comercialización a gran escala: Coste elevado. Tecnologías en desarrollo. Exploración de nuevos mercados.

41 MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN