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

1.- ¿Qué es una Celda de Combustible? Generador de energía eléctrica aire H+ OH- agua calor 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

Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible Principio de Operación combustible aire agua calor H+ OH- conductor iónico ánodo cátodo e- O2 o -  H2 H2O Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible G. de Energás No Convencionales, Cuernavaca, Mor. MEXICO ucano@iie.org.mx

...eficiencia Máquinas de Combustión interna ciclo de Carnot ( 30%) Energía Química E. Calorífica E. Mecánica E. Eléctrica ciclo de Carnot ( 30%) Celdas de Combustible Energía Química E. Eléctrica G ( 83%), NO hay combustión

CAPACIDADES Y ESTADO DE DESARROLLO Potencia Tipo de Aplicación Ejemplos Tecnología Observaciones < 1kW básica estacionaria y portátil iluminación, refrigeración, bombeo, radio comunicación, telefonía celular, PEM Campo de acción viable 1kW – 10kW estacionaria 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

Costos US $3,000/kW $1,500/kW $1,000/kW

HIDRÓGENO Propiedades CH4 Bajo valor calorífico (kJ/kg) 119,972 50,020 INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS HIDRÓGENO Propiedades H2 CH4 C3H8 Bajo valor calorífico (kJ/kg) 119,972 50,020 46,350 Alto valor calorífico 141,890 55,530 50,410 Densidad (kg /m3) 0.0838 0.7175 2.011 Temperatura de ignición en aire (°C) 530 645 510 Límites de ignición en aire (vol-%) 4.1-72.5 5.1-13.5 2.5-9.3 Máxima velocidad de flama (cm/s) 346 43 47 Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible G. de Energás No Convencionales, Cuernavaca, Mor. MEXICO ucano@iie.org.mx

Grandes instalaciones Pequeñas instalaciones COSTOS DE PRODUCCIÓN Tamaño de instalación (millones Nm3/d)   Referencia Inversión de capital (USD/GJ) Precio del hidrógeno Grandes instalaciones (gas natural) 2.8 6.75 [10] [13] 2.95 30.97 20.6 24.5 Pequeñas instalaciones 0.096 [12] 31.88 28.7 Electrólisis Fotovoltaico 0.195 (2000) 0.209 (2010) [5] 485.8 242 41.8 24.8 Eólica 0.247 (2000) 0.279 (2010) 158.6 92.5 20.2 11.0 Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible G. de Energás No Convencionales, Cuernavaca, Mor. MEXICO ucano@iie.org.mx

ELECTRÓLISIS H2O O2 + H2 Almacenamiento para periodos largos = económico E. renovables

COSTOS DE ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS 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) 3,900 4.21 36.93 Hidrógeno líquido (1-3 días) 131 17.12 22.81 Hidruros metálicos (1-3 días) 131 a 130,600 (30 días) 3,900 a 3.9 millones 2.89 a 7.46 205.31 Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible G. de Energás No Convencionales, Cuernavaca, Mor. MEXICO ucano@iie.org.mx

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE HIDRUROS 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 Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible G. de Energás No Convencionales, Cuernavaca, Mor. MEXICO ucano@iie.org.mx

Capacidad de almacenamiento DENSIDAD ENERGÉTICA Capacidad de almacenamiento de hidrógeno Densidad de energía Medio de almacenamiento % en peso kg/l MJ/kg MJ/L Hidruros metálicos MgH2 MgH2NiH4 FeTiH2 LaNi2H7   7.60 3.16 1.75 1.37 0.101 0.081 0.096 0.089 9.9 4.5 2.5 1.9 14.3 11.5 13.6 12.6 Hidrógeno líquido 100 0.070 141.9 10.1 Gas comprimido 1470 psi 2000 psi 6000 psi 0.008 0.011 0.037 1.1 1.6 5.2 Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible G. de Energás No Convencionales, Cuernavaca, Mor. MEXICO ucano@iie.org.mx

H CONCEPTO SOLAR-HIDRÓGENO-PEM 2 electrolizador hidrógeno celda de Sistema FV H 2 electrolizador hidrógeno acondicionamiento celda de combustible aire

...otras fuentes renovables Celda MCFC, a gas de un relleno sanitario

Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS 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 Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible G. de Energás No Convencionales, Cuernavaca, Mor. MEXICO ucano@iie.org.mx

Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS INTEGRACIÓN DEL SISTEMA intermitencia Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible G. de Energás No Convencionales, Cuernavaca, Mor. MEXICO ucano@iie.org.mx

SIST. DE ALMACEN. ESPECIFICACIONES Característica Especificación Volumen Almacenado 2,550 litros Presión de descarga 30 psig en aire ambiental 250 psig en agua caliente Velocidad de flujo máxima 28 l/min (1 ft3/min) Tiempo de recarga 4 h en aire ambiental 45 min en agua a 20C Material del contenedor Acero inoxidable (cuerpo y válvula) dimensiones 61cmx30.5cmx7.6cm peso 36 kg sobrepresión Válvula de escape y Disco de rapto 1m3 = 1.6kW 1.5 hrs 6.12 kWh 0.014m3 Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible G. de Energás No Convencionales, Cuernavaca, Mor. MEXICO ucano@iie.org.mx

Curva caracteristica de una celda de combustible potencia

Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS 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 Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible G. de Energás No Convencionales, Cuernavaca, Mor. MEXICO ucano@iie.org.mx