APLICACIONES ESTACIONARIAS DE LAS PILAS DE .estacionarias, fundamentalmente se emplean las cuatro

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  • Dcimo Segundo Encuentro Regional Ibero-americano del

    CIGR Foz do Iguaz-Pr, Brasil - 20 a 24 de mayo de 2007

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    APLICACIONES ESTACIONARIAS DE LAS PILAS DE COMBUSTIBLE

    Jos Ignacio San Martn Inmaculada Zamora Jos Javier San Martn

    Victor Aperribay Garikoitz Buigues

    Departamento de Ingeniera Elctrica

    Universidad del Pas Vasco (UPV/EHU)

    RESUMEN Las aplicaciones de Generacin Distribuida se basan en instalaciones modulares diseadas segn las necesidades de energa, ubicadas cerca del punto de consumo. Dentro de este contexto, las Pilas de Combustible para generacin de energa elctrica pueden funcionar conectadas a la red, como aplicaciones distribuidas o como sistemas auxiliares, para garantizar la calidad del suministro elctrico. Tambin pueden funcionar de forma aislada, para aplicaciones no conectadas a la red de distribucin, en reas donde no es posible, o no resulta rentable, la instalacin de tendidos elctricos. Por otra parte, el calor producido durante su operacin, puede ser utilizado para disponer de agua caliente o calefaccin. Las tecnologas de las Pilas de Combustible utilizadas en las aplicaciones estacionarias dependen del tamao de la aplicacin. Se distinguen dos reas: estacionarias de grandes dimensiones y estacionarias de pequeas dimensiones. En relacin con las aplicaciones estacionarias de grandes dimensiones, la tecnologa PAFC sigue ocupando en la actualidad una buena posicin, mientras que la tecnologa MCFC, ha cedido terreno. Simultneamente, se han conseguido avances notables con las tecnologas PEMFC y SOFC. Estas dos ltimas tecnologas tambin son las que destacan en aplicaciones estacionarias de reducidas dimensiones, utilizndose ambas tecnologas como dispositivos activos en el diseo de micro-redes elctricas aisladas o interconectadas. En este contexto, esta comunicacin presenta una revisin de las distintas aplicaciones que actualmente se formulan con las modalidades de Pilas de Combustible ms utilizadas en generacin estacionaria y los datos ms relevantes de las mismas. PALABRAS-CLAVE Pilas de Combustible, Generacin Distribuida, Trigeneracin, Micro-redes elctricas, Eficiencias, Hidrgeno.

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    1. INTRODUCCIN Las pilas de combustible, junto con plantas fotovoltaicas, pequeos aerogeneradores, microturbinas de gas y dispositivos perifricos de almacenamiento de energa, se encuadran en el grupo de tecnologas emergentes que se contemplan para la configuracin de las futuras micro-redes elctricas [1-2]. Esta modalidad de generacin distribuida, pretende satisfacer las necesidades de energa elctrica y trmica de las aplicaciones estacionarias, a todos los niveles, incluyendo la residencial, comercial e industrial. En este contexto, se puede advertir que la G.D. se puede agrupar y organizar, de una forma ms eficaz, constituyendo pequeas micro-redes. Desde el punto de vista de la red de distribucin, la ventaja principal de una micro-red es que pueda ser considerada como una entidad controlada del sistema elctrico, la cual puede ser operada como una simple carga agregada. En este escenario, una de las tecnologas que destacan por su elevada eficiencia y bajas emisiones son las pilas de combustible. Estos dispositivos transforman, de forma continua, la energa qumica de un combustible y un oxidante directamente en energa elctrica, trmica y agua, no estando condicionadas por el ciclo de Carnot. La pila de combustible ms sencilla consiste, esencialmente, en dos electrodos separados por un electrolito. En dicha pila, las reacciones electroqumicas son exotrmicas, lo que permite la posibilidad de utilizacin de procesos de poligeneracin energtica. La produccin simultnea de energa elctrica en la pila y el aprovechamiento del calor generado, bien para obtener ms energa elctrica en una microturbina de gas, o para suplir las necesidades trmicas (calor y fro) de la instalacin donde est ubicada la pila, permite obtener una mayor eficiencia global (1).

    Totalo

    Q EQ

    (1)

    Donde Q es la energa utilizada en forma de calor, E, es la energa elctrica producida en la pila de combustible y Qo, la energa disponible en el combustible utilizado. Esta opcin es muy utilizada en aplicaciones estacionarias de las pilas de combustible en unidades de generacin de energa de potencia media y elevada. A los sistemas basados en la produccin combinada de energa elctrica y calorfica, se les puede incorporar la opcin de generacin de fro, mediante mquinas de absorcin de doble efecto, proceso que es conocido como Trigeneracin.

    2. TIPOS DE PILAS DE COMBUSTIBLE Estos dispositivos, pueden clasificarse en base a dos aspectos fundamentales: la temperatura de funcionamiento y el material del electrolito. En relacin con el primer aspecto, se consideran de baja temperatura las modalidades polimricas, alcalinas, de metanol directo y las de cido fosfrico; y de temperatura elevada, las de carbonatos fundidos y xidos slidos. Considerando las aplicaciones estacionarias, fundamentalmente se emplean las cuatro tecnologas cuyas caractersticas se indican en los siguientes subapartados, [3].

    2.1 Pilas de combustible de membrana polimrica (PEMFC) La pila bsica consiste en una membrana conductora de protones situada entre dos electrodos porosos, recubiertos con platino. El reverso de los electrodos, se recubre con un producto hidrofbico que permite la difusin del gas hasta la superficie del catalizador. Opera a una temperatura del orden de 80 C, lo cual permite que arranquen rpidamente, al necesitar menos tiempo de calentamiento. Presentan una densidad de potencia elevada y, adems, responden rpidamente a las variaciones en la demanda. Pueden operar,

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    adems de con hidrgeno puro, con hidrocarburos reformados, sin necesidad de eliminar el CO2. Si la PEMFC se alimenta con hidrgeno procedente de un reformador, como contiene pequeas cantidades de CO, es necesario utilizar PtRu en el nodo, para prevenir el envenenamiento con CO. El catalizador PtRu, tolera concentraciones de hasta 100 p.p.m. El principal inconveniente es la necesidad de operar en presencia de un catalizador de metales nobles. Por debajo de 150 C, las impurezas de monxido de carbono presentes en el hidrgeno, se adhieren al catalizador, e impiden que se produzca la adsorcin de hidrgeno. Estas pilas han logrado una vida til en el entorno de 50.000 horas y el mantenimiento es mnimo.

    2.2 Pilas de combustible de cido fosfrico (PAFC) En este tipo de pila, el electrolito utilizado es el cido fosfrico, H3PO4, concentrado (95-98%). Este electrolito no se ve afectado por el CO, CO2 y otras impurezas. Los electrodos de las PAFC estn constituidos por la capa cataltica, donde tiene lugar la reaccin y el sustrato del que depende sta. La capa cataltica dispone de un soporte estructural (carbono), en el que se dispersa un catalizador (platino) y de un material hidrofbico. Operan a temperaturas del orden de 150-200 C, y no necesitan como combustible hidrgeno tan puro. Las PAFC producen menos energa que otras pilas, a igualdad de peso y volumen, resultando ser ms costosas. Su tiempo de respuesta es superior a las PEMFC y necesitan mantenimiento para reponer prdidas del electrolito. Se han instalado un nmero elevado de unidades estacionarias para apoyar a la red elctrica y pueden proporcionar potencias del orden de 200 kW.

    2.3 Pilas de combustible de carbonatos fundidos (MCFC) Estas pilas utilizan como electrolito una solucin lquida de carbonato de litio o carbonato de potasio. El nodo est constituido por polvo de nquel sinterizado (poroso) al que se le suele aadir una pequea cantidad de cromo. El ctodo est constituido por xido de nquel con una pequea cantidad de litio. Operan a temperaturas del orden de 650 C, y pueden utilizar distintos combustible como el monxido de carbono, gas natural, propano, etc. Estas elevadas temperaturas incrementan la eficiencia y permiten la utilizacin de catalizadores ms econmicos. Sin embargo, requieren la utilizacin de materiales de propiedades superiores para hacer frente a la corrosin. Se puede conseguir una vida til de alrededor de 40.000 horas, si funciona a presin atmosfrica. Si se eleva la presin a 10 bar, la vida util se reduce hasta 5.000-10.000 horas.

    2.4 Pilas de combustible de xidos slidos (SOFC) La pieza central de esta pila es un electrolito constituido por un xido slido no poroso, como el xido de itrio, Y2O3, estabilizado con xido de zirconio, ZrO2. El nodo es de zirconio/nquel poroso y el ctodo es un mangato de lantano, dopado con magnesio. Estas pilas operan a temperaturas muy elevadas, en el entorno de 1.000 C, que permiten que no sea necesario utilizar metales nobles como catalizadores, reduciendo el coste. Estas pilas tambin pueden emplear como combustible monxido de carbono y metano. Presentan unas tensiones de 0,6 V por elemento y densidades cercanas a los 0,25 A/cm2. En relacin a su vida til, Westinghouse presenta un prototipo de SOFC que ha trabajado, sin interrupcin, durante ms de 69.000 horas, muy por encima del mnimo de 50.000 horas (alrededor de 6 aos), que se considera necesario para asegurar el xito comercial de un sistema de este tipo.

    2.5 Resumen de las tecnologas de las pila de combustible En la tabla 1, se indican aquellos aspectos ms destacados que afectan a las cuatro tecnologas de pilas de combustible comentadas.

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    Tabla 1. Aspectos relevantes de las pilas de combustible estacionarias

    3. PILAS DE COMBUSTIBLE EN GENERACIN DISTRIBUIDA: MICRO-REDE