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INSTITUTO DEINVESTIGACIONESELECTRICAS

Division Energías AlternasCuernavaca, Mor. MEXICO

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INSTITUTO DEINVESTIGACIONESELECTRICAS

SISTEMAS HÍBRIDOS CON CELDAS DE SISTEMAS HÍBRIDOS CON CELDAS DE COMBUSTIBLECOMBUSTIBLE

Ulises Cano Castillo

Programa de Hidrógeno y Celdas de Combustible.

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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

aguacalor

H+ OH-

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Principio de Operación

combustible

aire

aguacalor

H+ OH-

conductoriónico

ánodo cátodo

e- e-

o-

HH22

OO22

H2O

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Máquinas de Combustión interna

Energía Química E. Calorífica E. Mecánica E. Eléctrica

ciclo de Carnot ( 30%)

Celdas de Combustible

Energía Química E. EléctricaG ( 83%), NO hay combustión

...eficiencia

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CAPACIDADES Y ESTADO DE DESARROLLO

Potencia Tipo de Aplicación

Ejemplos Tecnología Observaciones

< 1kW

básica estacionaria

yportátil

iluminación,refrigeración,bombeo,radio comunicación,telefonía celular,

PEMCampo de acción

viable

1kW – 10kW estacionaria

uso residencial,estaciones de trabajo y PC´s,UPS, equipo digital

PEM / SOFCCampo de acción

viable, principalmente usando tecnología PEM

10kW – 250kW

estacionaria (generación distribuida) y transporte

Pequeñas comunidadesComercial como oficinas, bancos yhospitalesAutos y autobuses

PAFC / PEM/ SOFC

Campo de acción viable mediante

proyectos demostrativos

250kW – 1MWestacionaria (generación distribuida)

residencial,comercial,industrial

SOFC / MCFC

Tecnología menos desarrolladas

> 1MWestacionaria - gen. dist. y centralizada

Cualquier usoSOFC / MCFC

Tecnología menos desarrolladas

INSTITUTO DEINVESTIGACIONESELECTRICAS Costos

US $3,000/kW

$1,500/kW

$1,000/kW

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INSTITUTO DEINVESTIGACIONESELECTRICAS HIDRÓGENOHIDRÓGENO

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Propiedades H2 CH4C3H8

Bajo valor calorífico

(kJ/kg)

119,972

50,020

46,350

Alto valor calorífico (kJ/kg)

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

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Tamaño de instalación

(millones Nm3/d)

 Referencia

Inversión de capital

(USD/GJ)

Precio del hidrógeno(USD/GJ)

Grandes instalaciones(gas natural)

2.86.75

 [10][13]

2.9530.97

20.624.5

Pequeñas instalaciones(gas natural)

0.096

 [12]

31.88 

28.7

ElectrólisisFotovoltaico0.195 (2000)0.209 (2010)

 [5][5]

485.8242

41.824.8

ElectrólisisEólica

0.247 (2000)0.279 (2010)

 [5][5]

158.692.5

20.211.0

COSTOS DE PRODUCCIÓNCOSTOS DE PRODUCCIÓN

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INSTITUTO DEINVESTIGACIONESELECTRICAS ELECTRÓLISISELECTRÓLISIS

HH22OO22H2O ++

Almacenamiento para periodos largos = económico E. renovablesAlmacenamiento para periodos largos = económico E. renovables

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COSTOS DE ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENOCOSTOS 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 líquidoPeriodo corto de almacenamiento

(1-3 días) 131Periodo largo de almacenamiento

(30 días) 3,900

17.12 

22.81

Hidruros metálicosPeriodo corto de almacenamiento

(1-3 días) 131 a 130,600Periodo largo de almacenamiento

(30 días) 3,900 a 3.9 millones

2.89 a 7.46 

205.31

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Característica de sistemas de almacén

vía hidrurosDescripción

SeguridadEl hidrógeno se almacena como un metal sólido a

baja presión 

CompactaMás eficiente en términos

del volumen que gas comprimido ó líquido

Alta purezaPurifica el hidrógeno a

niveles tipo cromatografía de gases y otras

aplicaciones ultrapurasPortabilidad Ideal para aplicaciones

remotas 

Vida útilEl hidrógeno puede ser

cargado y descargado más de 100,000 veces

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE HIDRUROSCARACTERÍSTICAS GENERALES DE HIDRUROS

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Capacidad de almacenamientode hidrógeno

Densidad de energía

Medio dealmacenamiento

%en peso

kg/l MJ/kg MJ/L

Hidruros metálicos

MgH2

MgH2NiH4

FeTiH2

LaNi2H7

 7.603.161.751.37

 0.1010.0810.0960.089

 9.94.52.51.9

 14.311.513.612.6

Hidrógeno líquido

100 0.070 141.9 10.1

Gas comprimido1470 psi2000 psi6000 psi

100100100

0.0080.0110.037

141.9141.9141.9

1.11.65.2

DENSIDAD ENERGÉTICADENSIDAD ENERGÉTICA

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H2

Sistema FVSistema FV

electrolizadorelectrolizador

acondicionamientoacondicionamientocelda decelda decombustiblecombustible

hidrógenohidrógeno

aireaire

CONCEPTO SOLAR-HIDRÓGENO-PEMCONCEPTO SOLAR-HIDRÓGENO-PEM

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Celda MCFC, a gas de un relleno sanitario

...otras fuentes renovables

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Almacenamiento de energía en sistemas híbridosAlmacenamiento de energía en sistemas híbridos

Baterías plomo-ácidoBaterías plomo-ácido

Bajo costo de inversiónBajo costo de inversiónProfundidades de descarga variableProfundidades de descarga variableReguladores de voltajeReguladores de voltajeRecargablesRecargables

Alto costo en su ciclo de vidaAlto costo en su ciclo de vidaDisposiciónDisposición

HidrógenoHidrógeno

Reducir costos del ciclo de vida (20-40%)Reducir costos del ciclo de vida (20-40%)Reduce impactos ambientalesReduce impactos ambientalesEstrategías p/almacén de energía plazos mayoresEstrategías p/almacén de energía plazos mayores

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INTEGRACIÓN DEL SISTEMAINTEGRACIÓN DEL SISTEMA

intermitencia

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Característica Especificación

Volumen Almacenado

2,550 litros

Presión de descarga

30 psig en aire ambiental

250 psig en agua calienteVelocidad de flujo

máxima28 l/min (1 ft3/min)

Tiempo de recarga 4 h en aire ambiental45 min en agua a

20CMaterial del contenedor

Acero inoxidable (cuerpo y válvula)

dimensiones 61cmx30.5cmx7.6cm

peso 36 kg

sobrepresión Válvula de escape yDisco de rapto

SIST. DE ALMACEN. ESPECIFICACIONESSIST. DE ALMACEN. ESPECIFICACIONES

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1.5 hrs

1m3 = 1.6kW

6.12 kWh

0.014m3

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potencia

Curva caracteristica de una celda de combustible

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RETOS Y MOTIVACIONESRETOS Y MOTIVACIONES

Ganar experiencia operativaGanar experiencia operativaEvaluar costos ciclos de vidaEvaluar costos ciclos de vidaReducir costos de capitalReducir costos de capitalDesarrollo de electrolizadores para CDDesarrollo de electrolizadores para CDSistemas de ControlSistemas de Control

Fuentes renovables + tecnologías avanzadas (almacenamiento)Fuentes renovables + tecnologías avanzadas (almacenamiento)Aumento en confiabilidadAumento en confiabilidadReducción en consumo de combustibleReducción en consumo de combustiblealtos costos por transporte de combustiblealtos costos por transporte de combustibleFuentes renovables disponiblesFuentes renovables disponiblesSistemas totalmente renovablesSistemas totalmente renovables