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INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS Division Energías Alternas Cuernavaca, Mor. MEXICO INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS SISTEMAS.

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2 INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS Division Energías Alternas Cuernavaca, Mor. MEXICO INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS SISTEMAS HÍBRIDOS CON CELDAS DE COMBUSTIBLE Ulises Cano Castillo Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible.

3 INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS 1.- ¿Qué es una Celda de Combustible? Generador de energía eléctrica 2.- ¿Cómo opera? Convierte energía química en eléctrica sin combustión 3.- ¿Qué características generales tiene? Operación continua, muy eficiente, limpia, silenciosa combustible aire agua calor H+H+ OH -

4 INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS Principio de Operación combustible aire agua calor H+H+ OH - conductor iónico ánodo cátodo e-e- e-e- o - H2H2H2H2 O2O2O2O2 H2OH2O Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible G. de Energás No Convencionales, Cuernavaca, Mor. MEXICO

5 INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS Máquinas de Combustión interna Energía Química E. Calorífica E. Mecánica E. Eléctrica ciclo de Carnot ( 30%) Celdas de Combustible Energía QuímicaE. Eléctrica G ( 83%), NO hay combustión...eficiencia

6 INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS CAPACIDADES Y ESTADO DE DESARROLLO Potencia Tipo de Aplicación EjemplosTecnología Observaciones < 1kW básica estacionaria y portátil iluminación, refrigeración, bombeo, radio comunicación, telefonía celular, PEMCampo de acción viable 1kW – 10kWestacionaria uso residencial, estaciones de trabajo y PC´s, UPS, equipo digital PEM / SOFC Campo de acción viable, principalmente usando tecnología PEM 10kW – 250kW estacionaria (generación distribuida) y transporte Pequeñas comunidades Comercial como oficinas, bancos y hospitales Autos y autobuses PAFC / PEM / SOFC Campo de acción viable mediante proyectos demostrativos 250kW – 1MW estacionaria (generación distribuida) residencial, comercial, industrial SOFC / MCFC Tecnología menos desarrolladas > 1MW estacionaria - gen. dist. y centralizada Cualquier uso SOFC / MCFC Tecnología menos desarrolladas

7 INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS Costos US $3,000/kW $1,500/kW $1,000/kW

8 INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS HIDRÓGENO Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible G. de Energás No Convencionales, Cuernavaca, Mor. MEXICO Propiedades H2H2 CH 4 C3H8C3H8 Bajo valor calorífico (kJ/kg) 119,97250,02046,350 Alto valor calorífico (kJ/kg) 141,89055,53050,410 Densidad (kg /m 3 ) Temperatura de ignición en aire (°C) Límites de ignición en aire (vol-%) Máxima velocidad de flama (cm/s)

9 INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS Tamaño de instalación (millones Nm 3 /d ) Referencia Inversión de capital (USD/GJ) Precio del hidrógeno (USD/GJ) Grandes instalaciones (gas natural) [10] [13] Pequeñas instalaciones (gas natural) [12] Electrólisis Fotovoltaico (2000) (2010) [5] Electrólisis Eólica (2000) (2010) [5] COSTOS DE PRODUCCIÓN Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible G. de Energás No Convencionales, Cuernavaca, Mor. MEXICO

10 INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS ELECTRÓLISIS H2H2H2H2 O2O2O2O2 H2OH2O + Almacenamiento para periodos largos = económico E. renovables

11 INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible G. de Energás No Convencionales, Cuernavaca, Mor. MEXICO COSTOS DE ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO Sistema de almacenamiento/ tamaño (GJ) Costos de almacenamiento (USD/GJ) Gas comprimido Periodo corto de almacenamiento (1-3 días) 1 31 Periodo largo de almacenamiento (30 días) 3, Hidrógeno líquido Periodo corto de almacenamiento (1-3 días) 131 Periodo largo de almacenamiento (30 días) 3, Hidruros metálicos Periodo corto de almacenamiento (1-3 días) 131 a 130,600 Periodo largo de almacenamiento (30 días) 3,900 a 3.9 millones 2.89 a

12 INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS Característica de sistemas de almacén vía hidruros Descripción Seguridad El hidrógeno se almacena como un metal sólido a baja presión Compacta Más eficiente en términos del volumen que gas comprimido ó líquido Alta pureza Purifica el hidrógeno a niveles tipo cromatografía de gases y otras aplicaciones ultrapuras Portabilidad Ideal para aplicaciones remotas Vida útil El hidrógeno puede ser cargado y descargado más de 100,000 veces CARACTERÍSTICAS GENERALES DE HIDRUROS Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible G. de Energás No Convencionales, Cuernavaca, Mor. MEXICO

13 INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS Capacidad de almacenamiento de hidrógeno Densidad de energía Medio de almacenamiento % en peso kg/lMJ/kgMJ/L Hidruros metálicos MgH 2 MgH 2 NiH 4 FeTiH 2 LaNi 2 H Hidrógeno líquido Gas comprimido 1470 psi 2000 psi 6000 psi DENSIDAD ENERGÉTICA Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible G. de Energás No Convencionales, Cuernavaca, Mor. MEXICO

14 INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS H 2 Sistema FV electrolizador acondicionamiento celda de combustible hidrógeno aire CONCEPTO SOLAR-HIDRÓGENO-PEM

15 INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS Celda MCFC, a gas de un relleno sanitario...otras fuentes renovables

16 INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible G. de Energás No Convencionales, Cuernavaca, Mor. MEXICO Almacenamiento de energía en sistemas híbridos Baterías plomo-ácido Bajo costo de inversión Profundidades de descarga variable Reguladores de voltaje Recargables Alto costo en su ciclo de vida Disposición Hidrógeno Reducir costos del ciclo de vida (20-40%) Reduce impactos ambientales Estrategías p/almacén de energía plazos mayores

17 INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible G. de Energás No Convencionales, Cuernavaca, Mor. MEXICO INTEGRACIÓN DEL SISTEMA intermitencia

18 INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS CaracterísticaEspecificación Volumen Almacenado2,550 litros Presión de descarga30 psig en aire ambiental 250 psig en agua caliente Velocidad de flujo máxima 28 l/min (1 ft 3 /min) Tiempo de recarga4 h en aire ambiental 45 min en agua a 20C Material del contenedor Acero inoxidable (cuerpo y válvula) dimensiones61cmx30.5cmx7.6cm peso36 kg sobrepresiónVálvula de escape y Disco de rapto SIST. DE ALMACEN. ESPECIFICACIONES Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible G. de Energás No Convencionales, Cuernavaca, Mor. MEXICO 1.5 hrs 1m3 = 1.6kW 6.12 kWh 0.014m3

19 INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS potencia Curva caracteristica de una celda de combustible

20 INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible G. de Energás No Convencionales, Cuernavaca, Mor. MEXICO RETOS Y MOTIVACIONES Ganar experiencia operativa Evaluar costos ciclos de vida Reducir costos de capital Desarrollo de electrolizadores para CD Sistemas de Control Fuentes renovables + tecnologías avanzadas (almacenamiento) Aumento en confiabilidad Reducción en consumo de combustible altos costos por transporte de combustible Fuentes renovables disponibles Sistemas totalmente renovables


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