Definición de criterios de diseño de instalaciones de almacenamiento de hidrógeno producido con energías renovables
- Autores: Eduardo López González
- Directores de la Tesis: Manuel Felipe Rosa Iglesias (codir. tes.), Manuel Antonio Silva Pérez (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2013
- Idioma: español
- Número de páginas: 265
- Tribunal Calificador de la Tesis: José Julio Guerra Macho (presid.), José Luís Molina Félix (secret.), Alfredo Iranzo (voc.), Pilar García Escribano (voc.), Juan Pedro Bolívar Raya (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Idus
- Resumen
Entre las diversas tecnologías susceptibles de ser usadas para almacenar energía eléctrica de origen renovable a gran escala, una de las posibles opciones que se analizan es la de utilizar hidrógeno como un vector energético. En la presente Tesis se considera el caso típico de instalaciones de almacenamiento de energía eléctrica de origen renovable en forma de hidrógeno, basado en sistemas de electrolisis, conectados a la fuente de energía eléctrica de origen renovable, y responsables de producir hidrógeno y oxígeno a partir de la descomposición de agua. El hidrógeno se almacena de acuerdo con los requerimientos de la instalación, y es posteriormente utilizado en pilas de combustibles estacionarias para la producción de energía eléctrica.
Para el almacenamiento de hidrógeno a gran escala existen a día de hoy soluciones y opciones que son aplicadas por la industria química, principal consumidor de este gas en la actualidad como materia prima en sus procesos. En aplicaciones a media y pequeña escala, como las que se plantean a día de hoy en proyectos de demostración del uso de hidrógeno como vector energético de energía eléctrica de origen renovable, los desafíos que se plantean a la hora de seleccionar, diseñar y construir el sistema de almacenamiento de hidrógeno son diferentes.
A diferencia del almacenamiento de hidrógeno en aplicaciones móviles, como vehículos, los sistemas de almacenamiento de hidrógeno en aplicaciones estacionarias, en particular las dedicadas al almacenamiento de energía eléctrica de origen renovable, carecen de una metodología y una aproximación sistemática de uso general. Esta metodología debería contemplar los diferentes aspectos que deben ser tenidos en cuenta a la hora de la selección de los métodos de almacenamiento, el diseño, la construcción y la operación de este tipo de instalaciones, así como los criterios a seguir para fijar objetivos cuantificados en términos de capacidad, densidad energética global, vida útil, número de ciclos de carga/descarga, etc. En cuanto a seguridad, la metodología de diseño y construcción de instalaciones se basa fundamentalmente en el cumplimiento de la legislación y las normas existentes para instalaciones industriales de hidrógeno.
La presente Tesis Doctoral trata de paliar esta carencia, identificando y ofreciendo información básica sobre los principales criterios y factores a tener en consideración en la selección, diseño, construcción y operación de instalaciones de estas características. Como primer paso en este objetivo, se propone una primera clasificación de parámetros que deben ser tenidos en consideración a la hora de diseñar el sistema de almacenamiento de hidrógeno. Estos parámetros de diseño se dividen a priori en las siguientes categorías:
¿ Seguridad en la construcción y operación de la instalación (criterios de seguridad).
¿ Emplazamiento y uso final de la instalación (criterios de emplazamiento y uso).
¿ Operación y mantenimiento de la instalación (criterios operacionales).
¿ Prestaciones energéticas y exergéticas de la instalación (criterios energéticos y exergéticos).
¿ Coste de la instalación, considerando tanto los costes de inversión, como los costes de operación, mantenimiento y sustitución y, si los hubiere, los costes de retirada y reciclado (criterios económicos).
Para los sistemas estacionarios de almacenamiento de hidrógeno se establecen una serie de parámetros, organizados según las anteriores categorías, cuyos valores serían fijados en la fase de diseño del proyecto, a partir de experiencias previas y del estado del arte de las tecnologías y equipos susceptibles de ser utilizados en el proyecto. En último extremo, garantizar la seguridad en condiciones de uso normal, y un riesgo aceptable en condiciones anormales será un factor determinante en el diseño y selección. La aplicación de los anteriores criterios, teniendo siempre en cuenta los requerimientos finales de uso del hidrógeno, permitirían, por un lado, realizar una adecuada selección de componentes y un diseño conforme al uso final, y por otro operar la instalaciones en las mejores condiciones desde el punto de vista operacional, energético, exergético, económico y de seguridad.
Posteriormente, se ha planteado la aplicación de la metodología de diseño y evaluación de sistemas de almacenamiento de hidrógeno propuesta anteriormente a la instalación de almacenamiento de hidrógeno solar que el INTA posee en el Centro de Experimentación de El Arenosillo (Huelva). En consecuencia, los criterios específicos de diseño de la esta instalación de almacenamiento se han agrupado conforme a las categorías e identificadores anteriormente mencionados.
A partir de estos criterios de diseño, se ha optado por desarrollar un sistema combinado de almacenamiento en gas a presión y en hidruros metálicos, compartiendo ambos sistemas un depósito intermedio común, a baja presión, que actúa como regulador. Se ha realizado un análisis termodinámico (energético y exergético) de la instalación, así como un análisis de riesgos para revisar los criterios de seguridad considerados en su diseño, construcción y operación.
En los ensayos de evaluación energética y exergética del sistema se determinaron los rendimientos energéticos y exergéticos de los componentes, del sistema global y de los diferentes modos de operación de la instalación, así como la determinación de la densidad de almacenamiento de energía gravimétrica y volumétrica de los componentes y de la instalación global, a efectos de comparación con otros sistemas de almacenamiento de energía eléctrica, como pueden ser los basados en baterías de plomo ácido e ion litio. Así, se tiene que la densidad gravimétrica de la instalación global es sólo ligeramente inferior a la tecnología más avanzada disponible a día de hoy de baterías de ion litio, y muy superior a la densidad gravimétrica de energía de las baterías de plomo ácido. En cuanto a la densidad volumétrica de energía, el valor de la instalación global es inferior al ofrecido por las baterías de ion litio, aunque similar al que ofrecen las baterías de plomo ácido húmedas. Se observa que los valores de densidad de energía de la instalación global pueden ajustarse mediante una adecuada distribución de la capacidad de almacenamiento de hidrógeno en los diferentes métodos contemplados (baja presión, hidruros metálicos y alta presión).
En cuanto al rendimiento energético anual por modo de operación, se tiene que el modo más eficiente de operación consiste en utilizar directamente en las pilas de combustible el hidrógeno almacenado a baja presión en el depósito pulmón (96% de rendimiento). La opción más ineficiente consiste en utilizar en las pilas de combustible hidrógeno almacenado a presión procedente del depósito de hidruros metálicos (43%).
Estos resultados son corroborados por el análisis exergético, del que resulta que el modo de operación más eficiente, desde el punto de vista de destrucción de exergía, consiste en utilizar en el laboratorio de ensayos de pilas de combustible el hidrógeno almacenado en el depósito intermedio a baja presión (con una destrucción específica de exergía de 0.44 MJ/kg de hidrógeno). Como segunda opción más eficiente aparece el uso de hidrógeno procedente del depósito de hidruros metálicos (destrucción específica de exergía de 25.15 MJ/kg de hidrógeno), por lo que puede considerarse esta opción, desde el punto de vista de eficiencia exergética, una interesante solución si no existen limitaciones en otros aspectos (espacio disponible, peso del sistema, necesidad de instalaciones auxiliares, requisitos de calidad del hidrógeno, etc.). El modo de operación más ineficiente, en términos de exergía, consiste en utilizar hidrógeno almacenado en alta presión en las pilas de combustible del laboratorio de ensayos, ya sea comprimido directamente desde el depósito pulmón (con una destrucción específica de exergía de 111.98 MJ/kg de hidrógeno) o desde el depósito de hidruros metálicos (136.42 MJ/kg de hidrógeno). En términos de rendimiento, el uso de hidrógeno procedente del depósito pulmón ofrece un rendimiento exergético del 99.7%, en tanto que la utilización de hidrógeno en el banco de pilas desde botellas a presión, vía hidruros metálicos, presenta el menor rendimiento exergético, con un 44%.
En cuanto a la verificación de los criterios de seguridad de la instalación, además del cumplimiento de la legislación vigente, se ha realizado un análisis de riesgos cualitativo de la instalación, consistente en un análisis de modos de fallo y efectos (FMEA) del sistema. Esta actuación se ha desarrollado con el objeto de detectar posibles eventos o sucesos que llevasen a situaciones de riesgo potencial, identificándose tanto estos eventos como los equipos críticos en la instalación. Posteriormente se ha analizado si los medios existentes en la instalación ofrecen suficientes garantías para reducir y mitigar los riesgos identificados, incorporando en su caso nuevas medidas de control de riesgos.
Tanto la propuesta de clasificación de parámetros de diseño como los resultados de la evaluación de la instalación experimental se detallan en las conclusiones de la Tesis, incluyendo además una serie de conclusiones de carácter general, entre las que cabe destacar:
¿ Existen diversas tecnologías susceptibles de ser usadas para almacenar energía eléctrica de origen renovable a gran escala, con diferentes grados de desarrollo y aplicabilidad. Una de las posibles opciones que se analizan es la de utilizar hidrógeno.
¿ Las soluciones que se utilizan a día de hoy para el almacenamiento de hidrógeno como vector energético se han adaptado de la industria química, en la que el hidrógeno se utiliza como materia prima.
¿ Los sistemas de almacenamiento de hidrógeno como vector energético en aplicaciones estacionarias carecen de una metodología sistemática de uso general que contemple los diferentes aspectos a tener en consideración en la selección de los métodos de almacenamiento, el diseño, la construcción y la definición de los modos de operación de este tipo de instalaciones, así como los criterios a seguir para fijar objetivos cuantificados e indicadores de las prestaciones de dicha instalación en términos de capacidad, densidad energética global, vida útil, número de ciclos de carga/descarga, etc.
¿ Esta carencia justifica la aportación de la presente Tesis Doctoral, mediante la identificación de los principales parámetros y factores de diseño que han de tenerse en cuenta en instalaciones de estas características, clasificándolos y agrupándolos en categorías de criterios de diseño.
