Integración de una pila de combustible tipo SOFC en una central de ciclo combinado

i deeeeedsfsdf Trabajo Fin de Grado Grado Ingeniería de las Tecnologías Industriales Autor: Blanca Membrillera Serrano Tutor: Manuel Felipe Rosa Iglesias Departamento de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2016 ii iii Trabajo Fin de Grado Grado Ingeniería de las Tecnologías Industriales Integración de una pila de combustible tipo SOFC en una central de ciclo combinado. Autor: Blanca Membrillera Serrano Tutor: Manuel Felipe Rosa Iglesias Departamento de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2016 iv v Trabajo Fin de Grado: Integración de una pila de combustible tipo SOFC en una central de ciclo combinado. Autor: Blanca Membrillera Serrano Tutor: Manuel Felipe Rosa Iglesias El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2016 vi vii “Sí, amigos míos, creo que algún día se empleará el agua como combustible, que el hidrógeno y el oxígeno de los que está formada, usados por separado o de forma conjunta, proporcionarán una fuente inagotable de luz y calor, de una intensidad de la que el carbón no es capaz […] El agua será el carbón del futuro” Julio Verne, “La isla misteriosa” (1874) viii ix AGRADECIMIENTOS Quisiera agradecer en primer lugar a mis padres por la comprensión y el apoyo mostrado cada día en estos duros años. También agradecer a mis hermanas que sin ellas nada de esto hubiera sido posible. Muchas gracias a mis amigos, a los que ya conocía, y a los que he conocido en estos años, pues todos ellos han aportado un poco para conseguir alcanzar esta meta. Sin olvidarme de mis compañeras de piso durante estos años, que no han parado de animarme en los peores momentos. Finalmente darle las gracias a mi tutor, Felipe, que siempre estuvo ahí para ayudarme y orientarme. xvi INDICE DE TABLAS Tabla 1: Comparativa de las características generales de las pilas de combustible. ________________ 14 Tabla 2: Clasificación de las pilas de combustible en función de su temperatura de operación. _______ 15 Tabla 3: Ventajas y desventajas de los distintos tipos de pila de combustible. _____________________ 20 Tabla 4: Comparación entre las pilas ITSOFC y las pilas SOFC. [6] _______________________________ 23 Tabla 5: Ventajas de configuración de eje simple frente a eje múltiple [2]. _______________________ 34 Tabla 6: Tabla de equivalencias del hidrógeno [1]. __________________________________________ 51 Tabla 7: Tabla de costes de la turbina (I). __________________________________________________ 55 Tabla 8: Tabla de costes de la turbina (II). _________________________________________________ 56 Tabla 9: Tabla de costes de la turbina (III). _________________________________________________ 56 Tabla 10: Tabla de costes de la turbina (IV). ________________________________________________ 56 Tabla 11: Tabla de costes de la turbina (V). ________________________________________________ 57 Tabla 12: Tabla de costes del sistema integrado (I). _________________________________________ 58 Tabla 13: Tabla de costes del sistema integrado (II). _________________________________________ 58 Tabla 14: Tabla de costes del sistema integrado (III). ________________________________________ 59 Tabla 15: Tabla de costes del sistema integrado (IV). ________________________________________ 59 Tabla 16: Tabla de costes del sistema integrado (V). _________________________________________ 60 Tabla 17: 5 kW APU SOFC System Per Unit Cost Summary. ____________________________________ 66 xvii INDICE AGRADECIMIENTOS _______________________________________________________ ix RESUMEN _______________________________________________________________ xi ABSTRACT ______________________________________________________________ xiii INDICE DE FIGURAS _______________________________________________________ xv INDICE DE TABLAS________________________________________________________ xvi INDICE ________________________________________________________________ xvii 1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVO _____________________________________________ 1 2 PILAS DE COMBUSTIBLE ________________________________________________ 2 2.1. Introducción a la tecnología del hidrógeno ______________________________ 2 2.2. Obtención de hidrógeno _____________________________________________ 3 2.2.1. A partir de combustibles fósiles ___________________________________ 3 2.2.2. A partir de la biomasa __________________________________________ 5 2.2.3. A partir del agua (Electrólisis) _____________________________________ 5 2.3. Almacenamiento y transporte del hidrógeno ____________________________ 7 2.3.1. ¿Qué es una hidrogenera? _______________________________________ 9 2.4. Descubrimiento de la pila de combustible ______________________________ 10 2.5. Funcionamiento y componentes de las pilas de combustible _______________ 11 2.6. Comportamiento real ______________________________________________ 13 2.6.1. Pérdidas por activación ________________________________________ 14 2.6.2. Pérdidas óhmicas _____________________________________________ 14 2.6.3. Pérdidas por concentración _____________________________________ 14 2.7. Tipología ________________________________________________________ 14 2.7.1. Pilas de combustible de baja temperatura _________________________ 15 2.7.2. Pilas de combustible de alta temperatura __________________________ 17 2.8. Ventajas y desventajas _____________________________________________ 18 2.8.1. Ventajas de la pila de combustible ________________________________ 18 2.8.2. Desventajas de la pila de combustible _____________________________ 19 2.8.3. Conclusión __________________________________________________ 19 3 PILAS SOFC __________________________________________________________ 22 3.1. Principio funcionamiento ___________________________________________ 23 3.2. Componentes y materiales__________________________________________ 25 3.2.1. Electrolito ___________________________________________________ 25 3.2.2. Ánodo ______________________________________________________ 25 3.2.3. Cátodo. _____________________________________________________ 26 3.2.4. Elementos interconectores. _____________________________________ 27 3.3. Diseño de las pilas SOFC ____________________________________________ 28 3.3.1. Configuración plana ___________________________________________ 28 3.3.2. Configuración tubular __________________________________________ 28 xviii 3.4. Aplicaciones de las pilas SOFC _______________________________________ 29 3.4.1. Transporte terrestre ___________________________________________ 29 3.4.2. Sistemas estacionarios. ________________________________________ 30 3.4.3. Sistemas portátiles. ___________________________________________ 31 4 CICLOS COMBINADOS _________________________________________________ 33 4.1. Funcionamiento de una central de ciclo combinado ______________________ 33 4.2. Equipos fundamentales ____________________________________________ 35 4.2.1. Turbina de gas. __________________________________________________ 36 4.2.2 Caldera recuperadora de calor. ____________________________________ 36 4.2.3 Turbina de vapor. _______________________________________________ 36 4.2.4 Generador. ____________________________________________________ 37 4.2.5 Sistemas auxiliares. _____________________________________________ 37 4.3. Ventajas y desventajas _____________________________________________ 37 4.4. Centrales de ciclos combinados en España _____________________________ 38 5 INTEGRACIÓN ENERGÉTICA DE LAS PILAS SOFC EN LOS CICLOS COMBINADOS ___ 40 5.1. Ventajas de la integración __________________________________________ 41 5.2. Modos de integración _____________________________________________ 42 5.2.1. Integración directa ____________________________________________ 42 5.2.2. Integración indirecta __________________________________________ 43 6 CASO PRÁCTICO ______________________________________________________ 46 6.1. Modelo turbina de gas _____________________________________________ 46 6.1.1. Descripción del ciclo simple ideal _________________________________ 48 6.1.2. Descripción del ciclo simple real _________________________________ 48 6.2. Modelo simplificado pila SOFC _______________________________________ 49 6.3. Modelo integrado de la pila de combustible y la turbina de gas _____________ 49 7 RESULTADOS ________________________________________________________ 51 7.1. Análisis energético ________________________________________________ 51 7.1.1 Obtención del hidrógeno _________________________________________ 51 7.1.2 Modelo simplificado de la turbina __________________________________ 51 7.1.3 Modelo simplificado de la integración _______________________________ 54 7.1.4 Resultados ____________________________________________________ 54 7.2. Análisis económico ________________________________________________ 55 7.2.1 Turbina de gas _________________________________________________ 55 7.2.2 Sistema integrado ______________________________________________ 57 8 CONCLUSIONES ______________________________________________________ 62 ANEXO _________________________________________________________________ 65 1 1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVO Las materias utilizadas como combustible por el hombre han ido evolucionando a lo largo de la historia. Desde el inicial uso de la madera, han sido utilizados el carbón, el petróleo y el gas natural. La evolución ha seguido un proceso lógico de utilizar materias ricas en carbono, hacia materias ricas en hidrógeno ya que el carbono es un elemento contaminante en el proceso de combustión, mientras que el hidrógeno es realmente el elemento que produce la combustión. En esa búsqueda de una energía menos contamínate y de mejor rendimiento, el hidrógeno va cobrando mayor importancia como fuente de energía eléctrica, mecánica o calorífica. Su uso cada vez más generalizado, va descubriendo métodos de producción de energía con un alto rendimiento y la eliminación o, al menos reducción, de las emisiones de monóxido de carbono (CO) y de dióxido de carbono (CO2). La inversión del proceso de hidrólisis del agua para la separación del oxígeno y del hidrógeno, basada en la mezcla de estos dos elementos, tiene como resultante agua y energía eléctrica. Este proceso realizado en una pila de combustible, nos demuestra que el hidrógeno aunque no es una fuente de energía primaria pues ésta es necesaria para su extracción, sí que es un elemento portador de energía. El principal inconveniente de las fuentes de energía renovables siempre ha sido su dificultad de almacenamiento cuando no exista demanda por parte de los consumidores. Este problema podría evitarse en el hidrógeno que es un elemento fácilmente almacenable en su estado gaseoso. Así parece que lo idóneo sería tener plantas de energía renovable en las cuales la parte excedente no solicitada por los consumidores, se utilizara para producir hidrógeno y almacenarlo. España al contar con una gran industria en el sector eólico podría llegar a tener una participación importante en el sector del hidrógeno. El presente trabajo se ceñirá al estudio de las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC), que se caracterizan por una temperatura de operación elevada (800-1000 ᵒC) y por su electrolito cerámico. La alta temperatura de operación dota al proceso de propiedades muy interesantes, aunque en principio se pudiera suponer una disminución de la eficiencia del proceso. Este tipo de pilas produce una reacción exotérmica generando una corriente de escape de gases con un alto contenido energético dando la posibilidad de utilizar esa fuente de energía en una turbina. El resultado final será un sistema híbrido o una planta de cogeneración, que puede llegar a alcanzar altos rendimientos (en torno al 80-90%) y con el que se puede obtener niveles importantes de potencia eliminando las emisiones, ya que el producto final del proceso será vapor de agua. 2 2 PILAS DE COMBUSTIBLE 2.1. Introducción a la tecnología del hidrógeno El incremento progresivo de la demanda energética y la dependencia de las reservas de los combustibles fósiles, hoy por hoy limitadas, hace necesario la búsqueda de nuevas tecnologías energéticas. Estas nuevas tecnologías deben tener obligatoriamente una serie de características para ser tenidas en cuenta: alto rendimiento, mínimas emisiones contaminantes y punto de producción y demanda lo más cercanos posible. Cumpliendo estas características, pero aún en fase de desarrollo, se encuentran las pilas de combustible. En primer lugar, se debe tener en cuenta que el hidrógeno es un vector energético completamente diferente a una fuente de energía. Una fuente de energía, es un fenómeno tanto químico como físico a partir del cual obtengo la energía primaria. Las principales fuentes actuales son: energías fósiles, energía nuclear y las energías renovables. En cambio, un vector energético transporta la energía obtenida por las fuentes hasta el lugar de utilización. Los vectores energéticos más usuales son la electricidad, el calor y el hidrógeno. En el caso de las pilas de combustible, el hidrógeno será el vector energético que a partir de una fuente de energía inicial proporcionará energía química y las pilas serán las encargadas de convertir dicha energía química en electricidad. El hidrógeno es el decimoquinto elemento más abundante en la tierra, su estado bajo condiciones normales es diatómico (H2). No se suele encontrar en estado libre, debido a su bajo peso que lo haría ascender rápidamente. Por eso, la mayor parte del hidrógeno VECTOR ENERGÉTICO CONVERSIÓN FUENTE DE ENERGÍA UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA ALMACENAMIENTO Figura 1: Obtención de la energía. [3] 3 que se encuentra en la tierra está formando compuestos químicos como el agua o en menor proporción compuestos químicos de mayor peso. 2.2. Obtención de hidrógeno La obtención del hidrógeno puro es un proceso muy versátil, debido a que puede obtenerse por medio de varias fuentes y varios mecanismos. En todos ellos es necesario separar el hidrógeno de los compuestos en los que se encuentre formando parte, principalmente del agua, los combustibles fósiles y la materia orgánica. 2.2.1. A partir de combustibles fósiles Más del 95% de la producción actual del hidrógeno proviene de los combustibles fósiles, ya que es el proceso más barato. El proceso de obtención de hidrógeno a partir del carbón es muy antiguo. Consiste básicamente en la combustión del carbón a alta temperatura en presencia de agua, generando CO y H2. C + H2O  CO + H2 Este proceso no soluciona el problema de la emisión de contaminantes, cuya solución pasa por el confinamiento de los gases contaminantes para evitar que se vayan a la atmósfera. Acción que no resulta fácil. Como se puede apreciar en el gráfico, el gas natural es actualmente la principal fuente de obtención del hidrógeno ya que su extracción es barata y sencilla. La obtención actual de hidrógeno a partir de combustibles fósiles no constituye una alternativa limpia al modelo energético actual, ya que la mayoría de los casos emite cantidades parecidas de CO2 aunque la combustión de hidrógeno es más limpia y eficiente que la combustión de gas natural y, por lo tanto, hace falta consumir menos cantidad de gas natural si éste se transforma a hidrógeno. Pero el coste energético de la producción del hidrógeno a partir de gas natural no siempre compensa estas ventajas. 48% 30% 18% 4% Gas natural Petróleo Carbón Electrólisis Figura 2: Fuentes actuales en la producción de hidrógeno. [3] 4 La composición del gas natural varía, pero normalmente más del 90% del gas natural es metano (CH4) y el resto una mezcla de nitrógeno (N2), dióxido de carbono (CO2), sulfuro de hidrógeno (H2S) y otros hidrocarburos y compuestos con azufre. La reacción para obtener hidrógeno consiste en separar en el metano, el carbono del hidrógeno. La producción de hidrógeno a partir del gas natural se realiza en varias etapas. En primer lugar, se elimina cualquier compuesto de azufre en el gas natural, ya que son los elementos más perjudiciales en el proceso. La segunda etapa consiste en hacer reaccionar el metano con agua a altas temperaturas en presencia de un catalizador, normalmente de níquel, para que conversión del metano se haga en el menor tiempo posible. CH4 + H2O  3H2 + CO A su vez, a partir del monóxido se puede obtener más hidrógeno mediante una segunda reacción, en la que la mezcla es enfriada y el monóxido de carbono reacciona también con agua para originar dióxido de carbono e hidrógeno en presencia de un catalizador de óxido de hierro (Fe2O3). Esta reacción se conoce con el nombre de reacción de desplazamiento de gas de agua. CO + H2O  H2 + CO2 Quedando la reacción global como: CH4 + 2H2O  4H2 + CO2 Figura 3: Esquema del proceso de obtención de hidrógeno por reformado con vapor. [12] La eficiencia del reformado de metano en términos de conversión de energía desde la fuente fósil hasta el hidrógeno es del 65-85% y el hidrógeno producido puede ser almacenado en tanques. 5 2.2.2. A partir de la biomasa Hay otros procesos más sostenibles para la producción de hidrógeno como son los de gasificación en ellos se emplea biomasa para producir hidrógeno. Este proceso tiene la ventaja de ser neutro en emisiones de contaminantes, no requiere acondicionamiento pero el principal y gran inconveniente es la baja obtención de cantidades de hidrógeno. La biomasa comprende al conjunto de material biológico vivo o muerto de manera reciente. La biomasa no incluye a los combustibles fósiles ya que, pese a su origen casi exclusivamente biológico, ha permanecido un largo periodo de tiempo fuera del ciclo de carbono. Típicamente será madera, paja o similares, ya que contienen celulosa y lignina. El proceso Carbo-V de Choren Industries CmbH está muy extendido, consiste en la obtención de hidrógeno mediante una gasificación en dos etapas: gasificación directa de la biomasa y pirolisis. La pirolisis consiste en llevar la biomasa a una temperatura entre 400-600 ºC en ausencia de oxígeno, obteniéndose gases volátiles y una especie de carbón vegetal (char). En la gasificación se calienta a mayor temperatura la biomasa en presencia de aire y vapor de agua, el char es molido y soplado dentro del gasificador y se obtiene en este caso un gas compuesto por hidrógeno, metano y monóxido de carbono. Figura 4: Obtención de gas de síntesis a partir de biomasa. [8] La composición de los productos depende en gran medida del origen y naturaleza de la biomasa, pudiendo a alcanzar una conversión del 40% de hidrógeno. 2.2.3. A partir del agua (Electrólisis) Otra forma de producir hidrógeno es mediante la electrólisis del agua. En este caso el hidrógeno obtenido es de una mayor pureza en comparación con los métodos anteriores. Para este método se necesita una fuente de electricidad que hará que el agua presente en el proceso, se descomponga en hidrógeno y oxígeno. H2O  H2 + ½ O2 6 La electrólisis es un proceso electroquímico de oxidación-reducción, que consiste en hacer pasar corriente eléctrica por medio de dos electrodos (cátodo y ánodo). Al someter a la sustancia a la corriente eléctrica se obtiene el hidrógeno a través del ánodo y el oxígeno a través del cátodo, ambos en estado gaseoso. Figura 5: Esquema electrólisis del agua. [8] Una variante de este sistema para optimizar la obtención de hidrógeno se realiza mediante la reutilización del calor procedente de la energía de las centrales nucleares o solar concentrada. En ellos se puede utilizar el calor para realizar el proceso de electrólisis del agua a alta temperatura o para el desarrollo de ciclos termoquímicos que produzcan hidrógeno. La ventaja de los ciclos termoquímicos respecto a la electrólisis que se necesita una temperatura de operación menor. El método de obtención de hidrógeno que puede tener mayor relevancia en un futuro y con mayor sostenibilidad será seguramente aquel en el que estén presentes las fuentes de energía renovables y el proceso de electrólisis del agua. El principal inconveniente de las fuentes de energías renovables sigue siendo la imposibilidad de almacenaje del excedente producido y en la electrólisis del agua el elevado coste energético que se necesita para realizarlo. La unión de ambos procesos facilitaría el consumo del exceso de producción de electricidad generada por las energías renovables para ser empleado en la electrólisis del agua y generar hidrógeno que pude ser almacenado. Esto hace que el problema del excedente de energía producida, el elevado coste de la energía necesaria y las emisiones producidas desaparezcan. A pesar del bajo rendimiento de las energías renovables y que el proceso de electrólisis no es perfecto, este binomio puede ser fundamental en una fuente primaria de energía futura. 7 Figura 6: Esquema de un sistema integrado energía renovable-hidrógeno. [11] 2.3. Almacenamiento y transporte del hidrógeno Como el hidrógeno es un vector energético, debe ser transportado hasta el punto donde se quiere consumir. Una de las grandes ventajas del hidrógeno respecto a la electricidad, es que se puede almacenar y su producción no depende de la demanda como ocurre en la electricidad. El almacenamiento de cantidades grandes de hidrógeno, se suele realizar en tanques a alta presión o depósitos subterráneos. Pero para cantidades menores, el problema del almacenamiento y empleo está aún en desarrollo. El almacenamiento del hidrógeno puede ser realizado mediante medios convencionales como la compresión o licuefacción y así poder confinar una mayor cantidad de hidrógeno en un volumen determinado. Pero la energía empleada en comprimir el hidrógeno será energía perdida, que no se puede recuperar posteriormente en la combustión. La licuefacción consiste en almacenar el hidrógeno en estado líquido por lo que se necesitan temperaturas muy bajas (aproximadamente -250ºC). El rendimiento en los procesos de 14 2.6.1. Pérdidas por activación Este tipo de pérdidas se deben a la lentitud de las reacciones en los electrodos. Para que las reacciones electroquímicas comiencen, al igual en las reacciones químicas comunes, los reactivos deben superar la energía de activación. En realidad, en los electrodos no ocurre una sola reacción sino varias, cada una de ellas con su propia velocidad y energía de activación. Así, las pérdidas por activación son el resultado de las pérdidas debidas a cada una de estas reacciones sucesivas. 2.6.2. Pérdidas óhmicas Las pérdidas óhmicas se deben a la resistencia al flujo de iones en el electrolito y a la resistencia al flujo de electrones que viajan a través del electrodo. Los electrodos y el electrolito suelen ser materiales fundamentalmente óhmicos, es decir, materiales en los que predomina el comportamiento lineal de la tensión frente a la intensidad de corriente. 2.6.3. Pérdidas por concentración Cuando el transporte de masas ocurre a velocidad finita en el electrodo se limita la entrada de gas reactivo y la correcta evacuación de los productos, por ello, a menudo ocurre que el gas del interior se consume, diluyéndose en los productos. Como consecuencia, se crea un gradiente de concentración entre la superficie del electrodo y las entradas de suministro, que contribuye negativamente al potencial de salida. 2.7. Tipología SOFC MCFC PEMFC AFC PAFC Electrolito Componente cerámico duro y no poroso Sal de carbonato fundido Polímero sólido Disolución alcalina Ácido fosfórico Conductor iónico O2- CO32- H+ OH- H+ Temperatura operación 800-1000ºC 600-700ºC 50-100ºC 70-200ºC 150-200ºC Rango potencia 1 kW- 10 MW 50 kW- 10 MW 1 W- 100kW 500 W- 10 kW 10 kW- 1MW Eficiencia eléctrica 60-65% 50-60% 40-60% 60-70% 40-47% Tabla 1: Comparativa de las características generales de las pilas de combustible. 15 Las pilas de combustible se califican en función de su electrolito, ya que este determinará la reacción tiene lugar en los electrolitos y las temperaturas de trabajo. Diferenciaremos dos grandes grupos, dependiendo de su temperatura de operación: Pila de alta temperatura Pila de baja temperatura SOFC MCFC AFC PAFC PEMFC Tabla 2: Clasificación de las pilas de combustible en función de su temperatura de operación. 2.7.1. Pilas de combustible de baja temperatura Las pilas que operan a baja o media temperatura ofrecen propiedades de fácil y rápido arranque y enfriamiento, haciéndolas más apropiadas para aplicaciones móviles o de automoción. En cambio, requieren mayor pureza del combustible.  Alkaline Fuel Cell (AFC) Las pilas alcalinas utilizan una solución de hidróxido de potasio en agua como electrolito. Debido a las bajas temperaturas de operación, el CO puede desactivar el catalizador en concentraciones bajas y el CO2 reacciona con el electrolito. Por lo tanto deben funcionar con alta pureza de H2 y O2. Se suelen emplear para aplicaciones aeroespaciales y militares. Figura 12: Esquema de una pila de combustible AFC. [13] 16  Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) Las pilas de combustible que utilizan ácido fosfórico como electrolito. Se pueden alcanzar rendimientos mayores con flujos de combustible y oxidante presurizados, disminuyendo la vida útil del sistema. Se emplean normalmente en la generación de energía estacionaria, pero también en vehículos pesados, como autobuses urbanos.  Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) Las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones usan como electrolito un polímero sólido. Son capaces de una rápida respuesta a demandas de potencia variable, haciendo que su aplicación en la industria automovilística sea adecuada. Se puede usar metanol como combustible. (DMFC) Como emplea un combustible líquido, facilita la mayoría de los problemas relacionados con el transporte y suministro pero tiene una eficiencia inferior, debido a los problemas de la transición del ánodo al cátodo del combustible. Figura 13: Esquema de una pila de combustible PAFC. [13] Figura 14: Esquema de una pila de combustible PEMFC. [13] 17 2.7.2. Pilas de combustible de alta temperatura  Solid Oxid Fuel Cell (SOFC) Las pilas de óxido sólido emplean como electrolito un componente de cerámica duro y no poroso. Los gases a la salida de la pila se encuentran a alta temperatura, lo que permite el aprovechamiento del calor gracias al movimiento de una turbina externa de gas o vapor. El resultado es un sistema híbrido, o de cogeneración, que puede llegar a alcanzar una eficiencia energética en torno al 80-90%.  Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) Las pilas de carbonato fundido utilizan un electrolito compuesto de una mezcla de sales de carbonato fundidas dispersas en una matriz cerámica porosa. Usadas en instalaciones de producción de energía medianas o de gran tamaño, donde su alta eficiencia contribuye a ahorrar gran de cantidad de energía de la red. Su alta temperatura de operación permite que el combustible se convierta en hidrógeno dentro de la pila mediante un proceso denominado conversión interna, reduciendo costes. Figura 15: Esquema de una pila de combustible SOFC. [13] Figura 16: Esquema de una pila de combustible MCFC. [13] 18 2.8. Ventajas y desventajas 2.8.1. Ventajas de la pila de combustible La principal ventaja de la pila de combustible es su alta eficiencia para la producción eléctrica, además cabe destacar la amplia versatilidad en la elección del combustible, con mayor o menor pureza. Una pila de combustible no puede estar limitada por el ciclo de Carnot porque no es una máquina térmica, sino un dispositivo de conversión energía electroquímica. Además una pila de combustible tiene un rendimiento mayor debido a que la energía química se convierte directamente en energía eléctrica, lo que no ocurre en los sistemas convencionales. Figura 17: Conversión energética sistema convencional y pila de combustible. [3] En todas las transformaciones energéticas existen pérdidas ya que las conversiones ideales no ocurren. El rendimiento en una pila de combustible oscilará entre un 45-85% mientras que el rendimiento en un sistema convencional será aproximadamente 35%. El amplio rango de pilas de combustibles se debe a la posibilidad del aprovechamiento del calor sobrante. Una pila de combustible tiene un rendimiento máximo aproximado del 60% debido a las irreversibilidades y las pérdidas de energía, pero el rendimiento podrá alcanzar un 80-85% si el calor es reutilizado y combinado con un sistema de cogeneración. CALDERA (97%) Energía Térmica Energía Mecánica SISTEMA CONVENCIONAL TURBINA (38%) Energía Química Energía Eléctrica PILA DE COMBUSTIBLE ALTERNADOR (95%) 19 Las pilas de combustibles tienen un menor impacto ambiental que los sistemas convencionales, con menor emisión de gases nocivos y ruido. La baja emisión de ruidos permite que se puedan colocar en casi cualquier sitio, incluso en zonas urbanas residenciales al contrario que los generadores convencionales. Además las pilas están formadas por celdas por lo que pueden ser diseñadas o fabricadas para cualquier demanda energética y el funcionamiento puede ser continuo siempre y cuando la pila de combustible esté alimentada. La posibilidad de ser un complemento a las energías renovables, gracias a la posibilidad de almacenar la energía que no tienen las energías renovables. 2.8.2. Desventajas de la pila de combustible Este sistema no es perfecto y tiene algunos inconvenientes como el coste elevado de producción, especialmente debido a la poca demanda actual y al elevado coste de algunos materiales. La producción del hidrógeno es complicada, ya que no existen yacimientos de H2 y es necesario extraerlo de otras materias primas siendo necesario licuarlo, lo que supondrá un coste energético. Otro inconveniente es la dificultad de almacenar el hidrógeno y distribuirlo ya que es bastante costoso. Las altas temperaturas en algunos procesos provocan una baja vida útil. 2.8.3. Conclusión Como se puede apreciar las desventajas son menores que las ventajas, y las desventajas podrían resolverse en un futuro a través de la investigación o el desarrollo de nuevas tecnologías o materiales. 20 VENTAJAS DESVENTAJAS SOFC + Alto rendimiento en sistemas de cogeneración. + Resistentes a la corrosión y a la contaminación por CO. + Gran variedad de combustibles y catalizadores. - Arranque lento - Las altas temperaturas afectan a la duración y al coste de los materiales. MCFC + Resistentes a la contaminación por CO y CO2. + Construcción simple. + No necesitan reformador externo: debido a las altas temperaturas el combustible se convierte en hidrógeno dentro de la propia pila. - Arranque lento. - Corta duración debido a las altas temperaturas y el electrolito corrosivo que deterioran los componentes de la pila. - Baja tolerancia a sulfuros. AFC + Alto rendimiento y eficiencia. + Tensión baja de activación, permitiendo voltajes de activación altos. + Electrolito económico. - Sensibles a la contaminación por CO2. - Menor duración debido a su susceptibilidad a ese tipo de contaminación. PAFC + Menor sensibilidad a la contaminación por CO. + Alta tolerancia a las impurezas. - Gran peso, tamaño y precio alto. - Arranque lento - Coste alto del catalizador. PEMFC + Rapidez de arranque, debido a su baja temperatura de operación. + Variación rápida de potencia para cubrir la demanda necesaria. + Problemas mínimos de corrosión, aumentando su vida útil. + Poco peso y tamaño pequeño. - Realmente sensibles a la contaminación de CO. - Necesidad de utilizar un reactor para eliminar el CO del combustible. -Exigencia en la pureza del combustible. Tabla 3: Ventajas y desventajas de los distintos tipos de pila de combustible. 21 Fuentes bibliográficas: [1] Ecomotriz. Pila de combustible: tipos, usos y propiedades. 2011. Fecha de consulta: 26 de Agosto de 2016. http://www.ecomotriz.com/2011/11/pila-combustible-bateria- alcalina/ [2] Fuel Cell HandBook, Seventh Edition, EG&G Technical Services, Inc., 2004 [3] J. L. Piqué, El hidrógeno y nuestro futuro energético., Barcelona: Edicions de la Universitat Politècnica de Catalunya, 2010. [4] L. Merino y P. Mosquera, «Hidrógeno y pila de combustible,» Energías renovables para todos, 2012. [5] Pilas de combustible. Asociación Española de Pilas de Combustible. Fecha de consulta: 25 de Agosto de 2016. http://www.appice.es/app.php [6] Pilas de combustible. Energías renovables. Fecha de consulta: 1 de Septiembre de 2016. http://www.energiasrenovablesinfo.com/hidrogeno/pilas-combustibles-tipos/ [7] Pilas de combustible. Inmaculada Hidalgo García. Fecha de consulta: 1 de Septiembre de 2016. https://pilascombustible.wordpress.com/ [8] Propulsión alternativas de vehículos. Producción de gas de síntesis.Fecha de consulta: 23 de Septiembre de 2016. http://combustibles-alternativos.weebly.com/gas-de- siacutentesis.html [9] Romero Elu, L. El futuro de la energía: Hidrógeno y Pilas de combustible. Fecha de consulta: 26 de Septiembre de 2016. http://slideplayer.es/slide/3425412/ [10] Sánchez Bermúdez,Prof Anxo. (26 de enero de 2012). Pilas de combustible [Archivo de video]. Disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=I6EKAH0b69s [11] Sotavento. Sistema de generación y acumulación de energía en forma de hidrógeno.Fecha de consulta: 15 de Septiembre de 2016. http://www.sotaventogalicia.com/es/proyectos/sistema-de-producion-de-hidrogeno-con- eolica [12] Textos cientidicos. El hidrógeno (2010). Fecha de consulta: 23 de septiembre de 2016. http://www.textoscientificos.com/quimica/hidrogeno/produccion [13] Wiki2.Pilas de hidrógeno. Fecha de consulta: 15 de Septiembre de 2016. https://es.wiki2.org/wiki/Pila_de_combustible 22 3 PILAS SOFC El desarrollo de las pilas SOFC se remonta hasta finales del s. XIX cuando Nernst fue el primero en descubrir la zirconia (ZrO2) como un conductor de ion de oxígeno. Las pilas de óxidos sólidos, abreviadamente SOFC, fueron desarrolladas por Baur y Preis en los años 30. Las pilas SOFC sufrieron un desarrollo importante, en 1986 se construye el primer generador SOFC con una potencia de 5 kW. Las principales características de las pilas SOFC es la alta temperatura de operación (800-1000ºC) y su electrolito de óxido sólido no poroso. Este tipo de pilas operan con elementos sólidos y gaseosos, ya que tanto el electrolito como los electrodos adheridos (cátodo y ánodo) forman un sistema sólido mientras que las especies reaccionantes (combustible y oxígeno) están en estado gaseoso. Las altas temperaturas pueden originar problemas relacionados con los materiales que forman las celdas. Por lo que estos materiales deben ser escogidos de manera cuidadosa para que sean estables y compatibles químicamente, con relativa elevada resistencia a los choques térmicos. Pero estas altas temperaturas de operación tienen ventajas como:  Permiten suministrar altas densidades de potencia.  La cinética de las reacciones es muy alta además de que son reacciones muy exotérmicas, lo que permiten su aprovechamiento para cogeneración.  Al tener los electrolitos una velocidad de reacción alta, permite el uso de metales no preciosos como catalizador, reduciendo el coste del equipo.  Permiten un reformado interno, de forma que no será necesario el pre tratamiento del reformado fuera de la propia pila.  Se produce un aumento de la tolerancia a los contaminantes generados en el proceso de reformado, incluso es posible utilizar monóxido de carbono (CO) o gas natural directamente como combustible. Esto es posible gracias, a las temperaturas de operación, ya que estos tipos de compuestos en otras pilas que operan a menor temperatura son muy dañinos para el catalizador. Aunque estas altas temperaturas también poseen ciertas desventajas como:  Problemas en el diseño de materiales.  Restricciones de estabilidad química, conductividad y compatibilidad electroquímica. 23 Esto ha provocado que se desarrollen pilas con las mismas características pero con una temperatura de operación algo menor. Es decir, no vamos a operar a 1000 ºC sino que intentaremos operar a unos 600ºC. Este tipo de pilas se denominarán Pilas de Óxido Sólido de Temperatura Intermedia (IT SOFC). VENTAJAS INCONVENIENTES SOFC - Permite CO como combustible. - No existen problemas por CO2 en el cátodo. - Calor utilizable para calentar gases. - Problemas de calentamiento - Dificultad de fabricación de materiales ITSOFC - Componentes cerámicos en electrodos/electrolitos - Uso de compuestos sólidos (no corrosión) - Uso de acero inoxidable - Descenso del coste de materiales. - Descenso de la conductividad del ion óxido y por lo tanto del comportamiento de la pila Tabla 4: Comparación entre las pilas ITSOFC y las pilas SOFC. [6] 3.1. Principio funcionamiento Las condiciones de operación son importantes en el comportamiento de la pila, ya que un aumento de la presión mejorará el comportamiento de la pila, en cambio un aumento pequeño de la temperatura para una determinada pila reducirá el voltaje y el comportamiento también por temas de difusividad. La difusividad térmica es una propiedad específica de cada material que caracteriza la conducción del calor Como ya se ha comentado anteriormente, se produce el mecanismo electroquímico de reducción-oxidación (redox). Por un lado se produce el proceso de oxidación del combustible liberando electrones que circulan por el circuito externo generando la corriente eléctrica. Y por otro lado, simultáneamente se produce en el cátodo la reducción de oxígeno formando iones de oxígeno. Estos iones pueden viajar a través del electrolito de óxido sólido hasta el ánodo donde se combinan con los protones generando agua. En este tipo de pilas se suele emplear como combustible hidrógeno (H2) o hidrocarburos ligeros. Cuando se emplea hidrógeno, se genera agua en la interfase ánodo-electrolito. En cambio sí se emplean hidrocarburos, se produce agua y dióxido de carbono (CO2) como productos finales. 30 Figura 21: Prototipo del automóvil de Delphi. [5] 3.4.2. Sistemas estacionarios. Para estas aplicaciones, este tipo de pilas son ideales, debido a que se necesitan altas temperaturas de calentamiento. En general, se observa que las pilas de combustible compiten bastante bien con las tecnologías de máquina Diésel y turbina a gas para aplicaciones comerciales a gran escala y con turbinas a gas para aplicaciones industriales. Las pilas que operan a alta temperatura son cada vez más utilizadas, ya que tienen la ventaja que pueden tolerar ciertos gases contaminantes, además tienen la posibilidad de aprovechar el calor emitido mediante turbinas. Para este tipo de pilas los sistemas de turbinas de ciclo combinado de gas o vapor, la eficiencia eléctrica puede llegar a alcanzar valores entorno al 80%. Figura 22: Desarrollo de la potencia total para los diferentes tipos de pila. [1] 31 Las pilas de combustible de óxido solido se utilizan principalmente para sistemas estacionarios y son cada vez más utilizados. Permitiendo la construcción, entre otros, de sistemas de cogeneración para proveer de electricidad fábricas o aparatos fijos. Las centrales eléctricas pueden llegar a alcanzar potencias de MW, como las desarrolladas por Siemens Westinghouse. 3.4.3. Sistemas portátiles. Las pilas del tipo SOFC han mostrado cierto interés para ciertas aplicaciones móviles como pueden ser los sensores de hidrógeno. Para la implantación de dispositivos portátiles empleando pilas de combustible se requiere aún de mayores progresos particularmente en el almacenaje del combustible, reducción de costos y una mayor demostración de estos sistemas. 32 Fuentes bibliográficas: [1] «4th Energy Wave Fuel Cell and Hydrogen Annual Review,» 2016 [2] «Handbook of Fuel Cells - Fundamentals, Technology and Applicationes.,» de Volumen 1: Fundamentals and Survey of Systems, 2003, pp. 335-353. [3] J. Marrero Jerez, «"Síntesis y caracterización de materiales basados en ceria",» Universidad de La Laguna (Tenerife)., Trabajo Fin de Grado. 2015. [4] J. Sarrassat, "Efecto de la temperatura en los electrolitos de YSZ obtenidos por proyección térmica para las pilas de combustible de óxido solido", Universidad Politécnica de Barcelona, Trabajo Fin de Carrera, 2015. [5] O. Cruz Reina y D. Jiménez Ferreiro, "Efecto de los tratamientos térmicos en la circona utilizada como electrolito en las pilas de combustible de óxido sólido", Universidad Politécnica de Barcelona, Trabajo Fin de Carrera, 2010 [6] PoliMedia UPV, «Universitat Politècnica de València (UPV),» Disponible en: https://www.upv.es/. 33 4 CICLOS COMBINADOS Una central de ciclo combinado es una planta que produce energía eléctrica con un generador accionado por una turbina de combustión, que utiliza como combustible generalmente gas natural. Los gases de escape de la combustión son aprovechados para calentar agua en una caldera de recuperación que produce vapor aprovechable para accionar la segunda turbina. Esta segunda turbina, de vapor, puede accionar el mismo generador que la de gas u otro distinto. 4.1. Funcionamiento de una central de ciclo combinado En primer lugar, el aire que actúa como gas comburente, entra en el compresor donde aumenta su presión y temperatura. A continuación, el combustible se quema en la cámara de combustión a presión constante. Los gases entran a la turbina a altas temperaturas donde se expanden hasta la presión atmosférica y su energía calorífica se transforma en energía mecánica, transmitiéndolo al eje. Por último, los gases de escape son expulsados y son llevados a una caldera de recuperación para producir vapor, a partir de este momento tendremos un ciclo agua-vapor convencional. A la salida de la turbina el vapor se condensa, transformándolo nuevamente en agua y vuelve nuevamente a la caldera para comenzar un nuevo ciclo de producción de vapor. Actualmente la tendencia es acoplar la turbina de gas y la turbina de vapor a un mismo eje, de manera que accionan de forma conjunta un mismo generador eléctrico. Figura 23: Central de ciclo combinado de eje simple [4]. 34 Pero también pueden construirse plantas de eje múltiple, en las que turbina de gas y de vapor no están unidas por el mismo eje, y cada una acciona un generador distinto. En este caso se necesitará dos generadores. El esquema de funcionamiento es el siguiente: Figura 24: Central de ciclo combinado de eje múltiple [4]. Ambas configuraciones tienen sus ventajas: VENTAJAS DE CONFIGURACION DE EJE SIMPLE VENTAJAS DE CONFIGURACION DE EJE MULTIPLE - Menor coste de obra e inversión. - Menor espacio requerido. - El generador proporciona un mayor equilibrio a todo el conjunto. - Menor coste de ingeniería ya que suelen estar prediseñadas. - Posibilidad de funcionamiento con sólo la turbina de gas. - Mayor disponibilidad de la turbina de gas, al poder operar en caso de avería la turbina de vapor. - Admite condensador. - Puede suministrar energía eléctrica con dos tensiones. Tabla 5: Ventajas de configuración de eje simple frente a eje múltiple [2]. Por último, también es habitual la combinación 2x1 cuya composición consiste en dos turbinas de gas y cada una de ellas con su correspondiente caldera de recuperación, y una sola turbina de vapor, que recibe el vapor de ambas calderas. En este caso cada turbina tiene su propio generador (tres en total) 35 4.2. Equipos fundamentales Simplificaremos una central de ciclo combinado como una caja negra donde tendrá una serie de corrientes de entrada y otra de corrientes de salida. Las corrientes se podrán diferenciar entre principales y auxiliares, las principales serán aquellas que intervienen sobre el proceso. En las corrientes de entrada podemos distinguir: - Como corrientes de entrada principales tenemos:  Propano/Butano, combustible usado habitualmente durante los arranques por su gran poder calorífico.  Gas natural, combustible usado en la turbina de gas.  Aire, proporciona el oxígeno necesario para la combustión. Figura 25: Diagrama de bloques de entradas y salidas de la planta de ciclo combinado [4]. Electricidad Calor Gases de escape Aguas residuales Emisiones gaseosas CICLO COMBINADO Propano/ Butano Gas natural Aire Aceite Agua Aire comprimido Electricidad Productos químicos Residuos sólidos 36 - Como corrientes de entradas auxiliares tenemos:  Agua, usada tanto para la refrigeración como para la caldera.  Productos químicos, para el tratamiento de aguas.  Electricidad, usada para los periodos de arranque y para la alimentación de equipos auxiliares.  Aire comprimido, usado en instrumentación.  Aceite, empleado para lubricar y refrigerar equipos. En las corrientes de salida podemos distinguir: - Como corrientes de salida principales tenemos:  Electricidad, cuya producción es el objetivo de la central.  Calor, generado en el proceso térmico.  Gases de escape y vapores. - Como corrientes de salidas auxiliares tenemos:  Aguas residuales.  Emisiones gaseosas.  Residuos sólidos. Después de determinar las diferentes corrientes, pasamos a ver ahora los distintos equipos de la central. 4.2.1. Turbina de gas. En donde se realiza la combustión del gas en presencia de aire. Los gases generados en la combustión realizada a alta temperatura pasan a gran velocidad a través de la turbina, haciendo girarla y generando una energía mecánica en el eje de la turbina. Los gases de escape calientes son aprovechados en la caldera recuperadora de calor. 4.2.2 Caldera recuperadora de calor. La entrada principal en este equipo serán los gases calientes procedentes de la turbina de gas. En la caldera se aprovecha el calor contenido en los gases para producir vapor. Normalmente, suele haber distintos niveles de presión en la caldera. El vapor se suele clasificar atendiendo a su presión: vapor de alta presión (≈ 120 bares), vapor de media presión (≈ 25 bares) y vapor de alta presión (≈ 4 bares). El vapor producido se envía a los diferentes cuerpos de la turbina de vapor. 4.2.3 Turbina de vapor. Esta turbina recibe el vapor generado a diferentes presiones en la caldera de recuperación. Suele estar dividida en etapas: turbina de alta presión, turbina de media y turbina de baja. En cada una de ellas el vapor recibido se encuentra en unas condiciones. Con esta división se consigue un mayor aprovechamiento del vapor y evita problemas provocados por la condensación en las últimas etapas de la turbina. 37 4.2.4 Generador. El generador es el encargado de transformar la energía mecánica de rotación transmitida al eje por las turbinas en energía eléctrica. Esta transmisión de energía mecánica, procedente de las turbinas de gas y vapor se puede realizar en uno o varios ejes de potencia. 4.2.5 Sistemas auxiliares. Como los sistemas de refrigeración, ya que parte de la energía térmica no es aprovechada y tiene que liberar parte de calor antes de ser evacuada al medio ambiente. Otros sistemas como los de tratamientos de agua, de control y el sistema de alimentación de combustible. 4.3. Ventajas y desventajas Las principales ventajas de una central de ciclo combinado son: - Flexibilidad, ya que la central puede operar a plena carga o carga parcial (hasta un mínimo del 45% aproximadamente). - El ciclo combinado proporciona mayor eficiencia por un margen más amplio de potencias. - Sus emisiones son menores que las centrales convencionales. - Los costes de inversión son bajos y tienen menor superficie por MW instalado que las centrales convencionales. - Ahorro energético en forma de combustible - Bajo consumo de agua de refrigeración. En el caso de una central de ciclo combinado, no todo son ventajas ya que emite una serie de gases a la atmósfera que aunque estén vigilados según cada norma del país provoca ciertos impactos. Cada vez se va tomando más conciencia del impacto medio ambiental que provoca una actividad y aunque en algunos países todavía no sea obligatorio, en la mayoría si lo es. Un Estudio de Impacto Ambiental se define como “el conjunto de estudios y sistemas técnicos que permiten estimar los efectos que la ejecución de un determinado plan, programa, proyecto, obra o actividad causa sobre el medio ambiente”. En una central se generan también líquidos que provienen del circuito de refrigeración y de los distintos procesos que se llevan a cabo. También otros residuos tóxicos y peligrosos como pueden ser: aceites usados o envases de productos químicos El ruido es un aspecto medioambiental cuya importancia ha ido aumentando en los últimos años. Es difícil definir el ruido con precisión. 38 4.4. Centrales de ciclos combinados en España El último informe elaborado por la CNMC sobre la planificación de la red de transporte eléctrico 2015-2020, el regulador propone cerrar plantas de ciclo combinado no solo por exceso de potencia que existe en España, sino porque muchas de ellas no han funcionado al 10% de su capacidad en todo 2014 y serán innecesarias ante la previsión de un escaso crecimiento de la demanda. Red Eléctrica publicó un informe donde confirmaba este hecho “sobran unos 6000 MW de potencia instalada en España” en este informe proponía dos opciones el cierre de diez ciclos combinados o su hibernación. Otro motivo de ir cerrando este tipo de centrales es el alto nivel de ruido que genera este tipo de instalaciones. Figura 26: Generación neta de energía eléctrica peninsular [1]. Como se puede apreciar desde 2002 hasta 2011 se instalaron 67 ciclos, que albergan una capacidad de producción igual a 25,35 GW. Pero esta generación de energía ha caído en torno a un 72% en los últimos años. 39 Fuentes bibliográficas: [1] Cambio climático, energía. S.Sánchez Rabat. Fecha de consulta: 15 de Noviembre de 2016. http://cambioclimaticoenergia.blogspot.com.es/2013/01/produccion-y- consumo-de-energia.html [2] Centrales Térmicas de Ciclo Combinado. Disponible en: http://www.cicloscombinados.com/ [3] El periódico de la energía. Eléctricas. Fecha de consulta: 15 de Noviembre de 2016. http://elperiodicodelaenergia.com/ciclos-combinados-en-espana-o-como-desperdiciar- 13-100-millones/ [4] García Garrido, Santiago. Operación y mantenimiento de centrales de ciclo combinado. Ediciones Díaz de Santos. 2012. 46 6 CASO PRÁCTICO 6.1. Modelo turbina de gas Una turbina de gas es una máquina térmica generadora que transforma la energía química contenida en un combustible en energía mecánica, esta será transmitida a un eje el cual contará con un generador para transforma esta energía mecánica en electricidad. Tiene un amplio rango de potencia ya que puede variar desde 5 kW hasta 500 MW. Sus principales ventajas son su bajo peso y volumen en relación a su potencia y la flexibilidad de operación, esto hace que sean máquinas cuyo uso para determinadas aplicaciones como la generación de electricidad o la propulsión de buques y barcos estén en pleno crecimiento. Al ser una máquina rotativa presenta una clara ventaja frente a los motores alternativos por la ausencia de movimientos alternativos y de rozamientos por superficies sólidas como las que se dan entre pistón y camisa, lo que se traduce en menores pérdidas de equilibrado y menores consumo de aceites lubricantes que además no están en contacto con superficies calientes ni con productos de combustión. Comparadas con las turbinas de vapor, las turbinas de gas apenas tienen necesidad de refrigeración facilitando en gran medida su instalación además tiene baja inercia térmica permitiendo alcanzar su plena potencia en periodos muy cortos permitiendo que sean ideales para aplicaciones donde es necesario una rápida variación de carga. La simplicidad en este tipo de máquinas frente a las turbinas de gas o los motores alternativos otorga a las turbinas de gas dos ventajas adicionales, un mantenimiento sencillo y una alta fiabilidad debido a la disminución de la cantidad de lubricante, la continuidad del proceso de combustión y la ausencia de movimientos alternativos. Una instalación de generación eléctrica basada en una turbina de gas puede alcanzar unos valores de disponibilidad superiores al 95% y valores de fiabilidad entorno al 99% si la instalación está bien diseñada, bien construida y con un adecuado mantenimiento. Hay que destacar dos desventajas, su alta velocidad de rotación y su bajo rendimiento entorno al 30-40%. Se entiende como una turbina de gas al conjunto compuesta por: Figura 31: Esquema de una turbina de gas. [3] 47 - Compresor, absorbe el aire atmosférico y gracias a un cierto trabajo proporcionado por el eje eleva la presión al fluido de trabajo. - Cámara de combustión, eleva la temperatura del fluido. - Turbina, o elemento expansor que convierte la energía en forma de calor en trabajo que cede a un generador para producir electricidad. - Otros elementos como: escape, rotor, carcasa, rodamientos o sistemas auxiliares. Figura 32: Modelo de una turbina de gas (Ciclo de Brayton) Gracias a la gran elevación tanto de la temperatura como de la presión provocada en la turbina de gas, se acumulará mucha energía potencial que se podrá transformar en otros tipos de energía. La primera transformación la realizarán las toberas en energía cinética, esta energía cinética será trasladada a los álabes y estos la trasladarán al rotor produciendo la energía rotativa que es el objetivo de las turbinas de gas. Sus aplicaciones son muy variadas: la aviación tanto militar como comercial que les permite tener una temperatura de admisión más elevada consiguiendo así mayores velocidades, transporte tanto en barcos como trenes ya que permite realizar diseños que alcanzan altas velocidades y la generación de energía. 48 6.1.1. Descripción del ciclo simple ideal El ciclo termodinámico descrito por el fluido se presenta en el diagrama temperatura entropía, el cual presenta los siguientes procesos: Figura 33: Ciclo termodinámico teórico de las turbinas de gas. [3] 6.1.2. Descripción del ciclo simple real En toda máquina térmica el rendimiento y la potencial del ciclo real siempre son algo inferiores a los del ciclo teórico por varias razones: 1. La compresión y la expansión no se suelen realizar de forma isentrópica. 2. Se producen pérdidas de presión en todo el sistema. 3. El proceso de combustión no es completo debido a la presencia de inquemados., por lo cual toda la energía química contenida en el combustible no es liberada. 4. Existen pérdidas por radiación y convección a través de todo el cuerpo de la máquina. 5. Existen pérdidas de energía cinética a través de los gases de escape. Figura 34: Ciclo termodinámico real de las turbinas de gas. [3] - Una compresión isentrópica en el compresor (1-2s) - Calentamiento a presión constante en la cámara de combustión (2s-3) - Expansión isentrópica en la turbina (3- 4s) - Enfriamiento isobárico (4s-1) que se produce en la atmósfera. 49 6.2. Modelo simplificado pila SOFC La pila SOFC la modelaremos de forma que el 60% de la energía producida sea energía eléctrica y el 30% energía térmica. 6.3. Modelo integrado de la pila de combustible y la turbina de gas Haremos la simplificación del sistema integrado de la pila de combustible con una turbina de gas de la siguiente forma. ENERGÍA TÉRMICA 30% PILA SOFC 60% ENERGÍA ELÉCTRICA ENERGÍA TÉRMICA 30% PILA SOFC 60% ENERGÍA ELÉCTRICA ENERGÍA ELECTRICA TURBINA DE GAS Figura 35: Modelo simplificado de la pila SOFC. Figura 36: Modelo integrado de la pila de combustible y la turbina de gas. 50 Fuentes bibliográficas: [1] Escuela de Ingeniería de Antioquia. Turbinas de gas. 2016. Fecha de consulta: 28 de Septiembre de 2016. http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/maquinashidraulicas/turbinas_gas/index .html [2] R. Tecnología. Turbinas de gas. 2014. Fecha de consulta: 28 de Septiembre de 2016. http://www.turbinasdegas.com/ [3] R. L. Leyte y M. Toledo Velázquez, Termodinámica de las turbinas de gas., México: Alfaomega, 2004. [4] S. García, El funcionamiento de una turbina de gas, paso a paso [Archivo de video], 2014, Disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=rC1efGWBrcQ 51 7 RESULTADOS 7.1. Análisis energético 7.1.1 Obtención del hidrógeno Vamos a obtener el hidrógeno a partir del gas natural. Como anteriormente se vio, el gas natural contiene aproximadamente un 90% de metano y la obtención de hidrógeno a partir del metano se realiza en dos etapas. En primer lugar, se hace reaccionar el metano con agua a altas temperaturas y a continuación, a partir del monóxido se obtiene más hidrógeno mediante una segunda reacción. Quedando la reacción global como: CH4 + 2H2O  4H2 + CO2 En definitiva, cada mol de metano (16 g CH4) producirá cuatro moles de hidrógeno (8 g H2). 0.9 𝑘𝑔 𝐶𝐻4 1 𝑘𝑔 𝐺𝐴𝑆 𝑁𝐴𝑇𝑈𝑅𝐴𝐿∗8 𝑘𝑔 𝐻2 16 𝑘𝑔 𝐶𝐻4=0.45 𝑘𝑔 𝐻2 𝑘𝑔 𝐺𝐴𝑆 𝑁𝐴𝑇𝑈𝑅𝐴𝐿 La asociación española del hidrógeno establece los siguientes valores: Masa H2 (kg) H2 gas (Nm3) Energía (kWh) 1 0.0899 0.03 11.12 1 0.333 33.33 3.00 1 Tabla 6: Tabla de equivalencias del hidrógeno [1]. 7.1.2 Modelo simplificado de la turbina TURBINA DE GAS GAS NATURAL ELECTRICIDAD Figura 37: Modelo esquemático de la turbina de gas. 52 Vamos a analizar el comportamiento de una turbina de gas, para conocer el rendimiento y el consumo. Para ellos, realizaremos una serie de hipótesis como: - Las condiciones ambientales serán 20ºC y una presión 1 bar. - La temperatura de entrada a la turbina de 960 ºC. - Las pérdidas de presión de remanso serán de 0.1 bar en el regenerador y de un 3% en la cámara de combustión. - El rendimiento interno del compresor será 82%, el de la turbina 91% y el de la cámara de combustión de 95%. - El rendimiento mecánico global del eje será 98%. - El fluido se comporta como un gas perfecto con 𝛾=1,4 y Cp = 1,005 kJ/Kg K para el aire y los gases de combustión con 𝛾=1,33 y Cp = 1,147 kJ/Kg K - La turbina funciona según un ciclo regenerativo. Figura 38: Ciclo termodinámico de un ciclo regenerativo. En primer lugar analizaremos el compresor. El rendimiento del compresor se puede expresar como el trabajo realizado de manera ideal entre el trabajo real realizado. 𝜂𝑐=ℎ02𝑠−ℎ01 𝑊𝑐= ℎ02𝑠−ℎ01 ℎ02−ℎ01 𝑇02=𝑇01+𝑇02𝑠−𝑇01 𝜂𝑐=𝑇01+𝑇01 𝜂𝑐 [𝜌𝑐𝛾−1 𝛾−1] Por lo que, el trabajo del compresor se expresará de la siguiente forma: 𝑊𝑐=ℎ02−ℎ01=𝐶𝑝(𝑇02−𝑇01) 53 En segundo lugar, analizaremos la turbina donde el rendimiento se puede expresar como: 𝜂𝑇=ℎ03−ℎ04 ℎ03−ℎ04𝑠 𝑇04=𝑇03−𝜂𝑇∗𝑇03∗[ 1 − 𝑇04𝑠 𝑇03 ] =𝑇03 [ 1 − 𝜂𝑇[ 1 − ( 1 𝜌𝑐)𝛾−1 𝛾]] 𝑊𝑇=ℎ03−ℎ04=𝐶𝑝(𝑇03−𝑇04) Obteniendo los valores: 𝑇02=532.1 𝐾 𝑊𝑐=240.2 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝑇04=854.4 𝐾 𝑊𝑇=429.8 𝑘𝐽/𝑘𝑔 Finalmente analizaremos la cámara de combustión. 𝜂𝐶𝐶=(1+𝐹)∗ℎ03−ℎ02 ′ ℎ03−ℎ04𝑠 𝐹=𝐶𝑝𝑔∗𝑇03−𝐶𝑝𝑎∗𝑇02 ′ 𝜂𝐶𝐶∗𝐻𝑝−𝐶𝑝𝑔∗𝑇03 Para calcular la temperatura del aire a la salida del regenerador (𝑇02 ′), la cual la podemos obtener mediante el rendimiento del intercambiador. 𝑇02 ′=𝑇02+𝑅∗(𝑇04− 𝑇02) Con el dosado obtenemos el trabajo específico y de la potencia en el eje se obtiene finalmente los gastos másicos de combustible y aire. 𝑊𝑛=(1+𝐹)∗𝑊𝑇−𝑊𝐶 𝑚𝑎=𝑊𝑒 𝜂𝑚∗𝑊𝑛 𝑚𝑓=𝐹∗𝑚𝑎 Finalmente el rendimiento global de la planta se obtendrá: 𝜂𝐺=𝑊𝑒 𝑚𝑓∗𝐻𝑝=0.2921 𝑇02 ′=806.1 𝐾 F = 0.01398 𝑚𝑎=260.6 𝑘𝑔/𝑠 𝑚𝑓=3.642 𝑘𝑔/𝑠 54 7.1.3 Modelo simplificado de la integración 7.1.4 Resultados Para una central en la que queremos producir una potencia de 50 MW obtendremos los siguientes resultados: Figura 40: Comparación del gasto másico entre ambos sistemas. 3,462 1,464 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 TURBINA DE GAS SISTEMA INTEGRADO Gasto Másico de Gas Natural (kg/s) GAS NATURAL ENERGÍA TÉRMICA 30% PILA SOFC 60% ENERGÍA ELÉCTRICA (DC) TURBINA DE GAS ELECTRICIDAD INVERSOR (90%) ELECTRICIDAD Figura 39: Modelo esquemático de la integración. 55 Figura 41: Comparación del rendimiento entre ambos sistemas. 7.2. Análisis económico Se supondrá una vida útil de 20 años tanto para la turbina de gas como para el sistema integrado con la pila de combustible y la potencia total generada será de 50 MW. 7.2.1 Turbina de gas Los gastos necesarios para obtener energía mediante una turbina de gas son los siguientes: GASTOS FIJOS GASTOS VARIABLES Turbina de Gas Instalación Combustible Mantenimiento Con los precios detallados en el Anexo se procederá a un estudio económico. Tabla 7: Tabla de costes de la turbina (I). 0,2921 0,7204 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 TURBINA DE GAS SISTEMA INTEGRADO Rendimiento AÑO 0 AÑO 1 AÑO 2 AÑO 3 Gastos Fijos 17.926.350,00 € - € - € - € Turbina de gas 17.926.350,00 € - € - € - € Variables - € 56.543.448,56 € 56.543.448,56 € 56.543.448,56 € Combustible - € 55.543.448,56 € 55.543.448,56 € 55.543.448,56 € Mantenimiento - € 1.000.000 € 1.000.000 € 1.000.000 € TOTAL GASTOS 17.926.350,00 € 56.543.448,56 € 56.543.448,56 € 56.543.448,56 € Amortización - € 896.317,50 € 896.317,50 € 896.317,50 € TOTAL 17.926.350,00 € 57.439.766,06 € 57.439.766,06 € 57.439.766,06 € 62 8 CONCLUSIONES El consumo de energía incrementa año tras año, debido al aumento de población y con ello las necesidades tecnológicas de cada individuo. Nuestro trabajo, ocio y bienestar en general, dependen del abastecimiento de energía. Este abastecimiento debe ser suficiente e ininterrumpido. Nos comportamos como si este abastecimiento fuera ilimitado, pero no es así. Las fuentes de energía tradicionales basadas en combustibles fósiles son limitadas. La sociedad tiene que esforzarse en buscar medidas más sostenibles, ya que hay un gran desfase entre la demanda que no para de crecer y la oferta, que va disminuyendo debido a que se van reduciendo las reservas. Esto provoca la búsqueda de fuentes de energía alternativas, el hidrógeno podría ser uno de los combustibles de futuro más prometedores, pero ahora mismo es bastante caro producirlo. La forma más barata de producir el hidrógeno actualmente es a partir del gas natural. Las demás formas de obtención tienen un precio mayor con un rendimiento no muy alto. La transición del uso de combustibles fósiles al uso del hidrógeno, no es fácil y necesita una planificación. Es una transición que se debería ir realizando de manera progresiva. Europa se ha propuesto cumplir lo siguientes objetivos: a corto plazo en donde será fundamental una intensa investigación, a medio plazo donde se tendrá que incentivar el uso de combustibles líquidos derivados de la biomasa y desarrollar procesos de producción de hidrógeno a partir de fuentes renovables y finalmente a largo plazo donde la demanda de electricidad seguirá aumentando y el hidrógeno la complementará. Figura 44: Propuesta esquemática de hoja de ruta europea para el hidrógeno y las pilas de combustible. 63 A pesar de que la eficiencia es del 50% en una celda de combustible de hidrógeno y puede parecer algo baja, esta es superior a otras formas de obtención de energía. Las celdas de combustible no son utilizadas por los diversos problemas que tiene tanto de almacenamiento como de transporte. Además de la alta tendencia a fugarse que tiene el hidrógeno. Estos inconvenientes podrían ser resueltos, con la investigación. Ya que si se emplearan nuevos materiales y nuevas técnicas de diseño, los costes iniciales reducirían y sería más rentable que los sistemas convencionales. El uso del hidrógeno podría eliminar con el tiempo las emisiones de gases que causan el efecto invernadero ya que las pilas de combustible generan electricidad de una manera eficiente y limpia. Otra cualidad de las pilas de combustible es que pueden ubicarse cerca del punto de uso final, permitiendo aprovechar el calor generado en el proceso. En este proyecto, hemos intentado estimar los precios de obtención de electricidad mediante una turbina de gas y con un sistema integrado de pilas SOFC que operan a alta temperatura con una turbina de gas. La turbina de gas en el sistema integrado tiene como función aprovechar los gases de salida para generar más electricidad. El rendimiento de este sistema es bastante alto, permitiendo reducir considerablemente el combustible consumido. Figura 45: Comparación del precio de electricidad con ambos sistemas. Como se puede apreciar en el gráfico, en el año 20 costaría menos producir energía con el sistema integrado que con la turbina de gas. Endesa estima que la vida útil de una central de ciclo combinado puede llegar a ser entre 40 o 50 años, por lo que al cabo de los años se irá abaratando la producción de energía del sistema integrado ya que el consumo de combustible es notablemente menor. 0,1393 0,1352 0,1339 0,1332 0,2036 0,1621 0,1483 0,1324 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 510 15 20 Años Precio electricidad (€/ kWh) TURBINA DE GAS SISTEMA INTEGRADO 64 Además de las ventajas económicas, el empleo del hidrógeno como fuente de energía tiene un impacto positivo desde el punto de vista medioambiental. A esta ventaja hay que añadir la reducción del impacto sonoro que cualquier planta de generación de energía tiene. Una buena alternativa sería, reacondicionar las plantas de ciclos combinados que en España están sin utilizar y acondicionarlas para que se usen como complemento de las pilas de hidrógeno. Ya que una de los principales inconvenientes de los ciclos combinados convencionales es el alto ruido que genera, imposibilitando la instalación de este tipo de plantas cerca de zonas urbanas pero las pilas de hidrógeno solucionarían este problema. 65 ANEXO Costes de la turbina de gas Equipo Unidades Coste GASTOS FIJOS Turbina de Gas 1 17,93 M€ GASTOS VARIABLES Combustible 3,64 kg/s 55,54 M€ Mantenimiento - 1 M€  Turbina de gas. La turbina Siemens- SGT 800 tiene un precio aproximado 19,5M USD.  Combustible. Según el BOE publicado el 9 de septiembre de 2016, el precio del gas natural será 48,3591 c€/kg. Con una energía total consumida de: 50 𝑀𝑊=50.000 𝑘𝐽 𝑠∗3600 𝑠 1 ℎ ∗24 ℎ 1 𝑑í𝑎∗365 𝑑í𝑎𝑠 1 𝑎ñ𝑜 ∗1 𝑘𝑊ℎ 3600 𝑘𝐽=4.38∗108𝑘𝑊ℎ 𝑎ñ𝑜  Mantenimiento. Según el informe World Energy Investment Outlook 2014 publicado por la Agencia Internacional de la Energía (IEA) estimó los valores de mantenimiento entorno a unos 20 €/kW. 66 Costes del sistema integrado Los gastos necesarios para obtener energía mediante un ciclo híbrido entre una pila de combustible y una turbina de gas son los siguientes: Equipo Unidades Coste GASTOS FIJOS Pilas SOFC 1000 158,1 M€ Turbina de gas 1 17,93 M€ Intercambiadores 2 9,58 m€ Inversor 1000 11,95 M€ Instalación. - 50 M€ GASTOS VARIABLES Combustible 1,46 kg/s 22,88 M€ Mantenimiento - 2,25 M€ Recambio Pilas 1000 79,05 M€  Pilas SOFC. Según el estudio “MANUFACTURING COST ANALYSIS OF 1 KW AND 5 KW SOLID OXIDE FUEL CELL (SOFC) FOR AUXILLIARY POWER APPLICATIONS” elaborado por U.S. Department of Energy (Columbus) Description 100 Units 1,000 Units 10,000 Units 50,000 Units Total stack manufacturing cost, with scrap 1,476 1,327 1,267 1,257 Annualized stack manufacturing capital cost 4,757 495 82 73 BOP 11,323 9,802 8,738 8,738 System assembly, test, and conditioning 481 456 454 454 Total system cost, pre-markup 18,037 12,08 10,541 10,522 System cost per net KW, pre-markup 3,608 2,416 2,108 2,104 Sales markup 50% 50% 50% 50% Total system cost, with markup 27,056 18,12 15,812 15,783 System cost per net KW, with markup 5,411 3,624 3,162 3,157 Tabla 17: 5 kW APU SOFC System Per Unit Cost Summary. Westinghouse presenta un prototipo de SOFC que ha trabajado, sin interrupción, durante más de 69.000 horas, (alrededor de 6 años), que se considera necesario para asegurar el éxito comercial de un sistema de este tipo. Por lo que supondremos que la vida útil de las pilas SOFC será de 6 años, y luego el precio será la mitad debido a que se reemplazarán solamente los cátodos y los ánodos. 67  Instalación y mantenimiento. Según el informe World Energy Investment Outlook 2014 publicado por la Agencia Internacional de la Energía (IEA) estimó los valores de mantenimiento de un ciclo combinado entorno a unos 45 €/kW y la instalación de este tipo de centrales se estima en un precio de 50 M€.  Intercambiadores de calor. Se necesitarán dos intercambiadores de calor para nuestra instalación. Escogeremos el CL 41928 ya que es el que se ajusta a nuestro caudal. Figura 46: Catálogo de intercambiadores.  Inversores. Se necesitarán inversores uno para cada pila SOFC, que escogeremos de acuerdo con la potencia suministrada. Figura 47: Catálogo de inversores.