Tecnologías de producción de energía eléctrica en cogeneración (5ª PARTE)

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Células de combustible

Las células de combustible son una tecnología emergente para la generación de energía a pequeña escala con una eficiencia eléctrica alta y muy bajas emisiones. En células de combustible, el combustible es químicamente combinado con oxígeno para crear electricidad, con calor útil como subproducto. Debido a que no hay combustión, las células son silenciosas, no tienen partes móviles, y pueden alcanzar altas eficiencias eléctricas hasta dos veces mayor que los motores de combustión interna. Las células de combustible pueden dimensionarse para una gran variedad de aplicaciones – desde ordenadores portátiles (50 a 100 vatios) a vehículos (50 a  85 kW) a generación central de energía (0,2 a 2 MW).

El coste y la durabilidad son los principales desafíos en la comercialización de las células de combustible. Las células de combustible son actualmente más caras que los motores de combustión interna y tienen dificultades para mantener el rendimiento a lo largo de toda la vida útil de la carga servida. El tamaño, peso, gestión térmica, y gestión del agua de las células de combustible son también barreras.

Un sistema de energía eléctrica de célula de combustible tiene muchos componentes, pero su corazón es una pila de célula de combustible. La pila actualmente está hecha con células de combustible planas y delgadas apiladas juntas. El término “célula de combustible” a menudo se suele referir como pila completa, pero estrictamente hablando, se refiere solamente a las células individuales. Una célula simple produce una pequeña cantidad de electricidad, pero cientos de células pueden apilarse para producir una cantidad útil de electricidad.

Una célula de combustible de un electrolito y dos electrodos revestidos con un catalizador (un ánodo poroso y cátodo). Varios tipos diferentes de células de combustibles están actualmente bajo desarrollo – cada una clasificada primariamente por el tipo de electrodo que usa. El electrolito determina el tipo de reacciones químicas que tienen lugar en la célula, el rango de temperatura en el que opera la célula, y otros factores que afectan las aplicaciones para los que la célula es más conveniente, así como sus ventajas y limitaciones.

Las células de combustible requieren hidrógeno para su operación. Sin embargo, es generalmente impracticable usar hidrógeno directamente como fuente de combustible; en  vez de extraerlo de combustibles de hidrocarburos o biogás usando un reformador. Los reformadores producen y/o incrementan la concentración de hidrógeno y decrecen la concentración de tóxicos de especies de gases a la célula de combustible. En todos los tres tipos de reformadores (oxidación parcial, reformación autotérmica, y oxidación preferencial), las técnicas de procesado usan alguna energía contenida en el combustible para convertir los hidrocarburos a hidrógeno y CO. El proceso de reformado a menudo se realiza a una presión elevada que permite una huella del equipo más pequeña.

Cuatro tipos principales de células de combustible están en varias fases de desarrollo de aplicaciones estacionarias: célula de combustible de ácido fosfórico (PAFC), célula de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC), célula de combustible de carbonato fundido (MCFC), y célula de combustible de óxido sólido (SOC). Hasta la fecha, sólo el PAFC y el MCFC han operado en el biogás.

Producen corriente eléctrica y calor a partir de una reacción química entre hidrógeno y oxígeno en vez de combustión. Requieren un combustible gaseoso limpio o metanol con varias restricciones en contaminantes.

Las características técnicas de esta tecnología son las siguientes:

• Tamaño. Menos de 1 MW
•  Combustible. Biogás.
• Preparación de combustible. Azufre, CO y metano.
• Sensibilidad a la humedad del combustible. Si
• Eficiencia eléctrica (cálculo basado en el valor calorífico más alto (higher heating value o HHV) del combustible. 30 a 63 %
• Ratio arranque-parada. Amplio rango. Lenta respuesta (minutos).
• Cuestiones de operación. Baja durabilidad, bajo ruido.
• Experiencia de campo. Relativa.
• Estatus de comercialización. Comercialización limitada.
• Coste instalado (como sistema CHP). $ 3000 a $ 5000/kW
• Costes de operación y mantenimiento. Entre 0,01 y 0,04 $/kWh

Motores Stirling

Como los motores de combustión interna, el motor Stirling es un motor recíproco. Sin embargo, el motor Stirling es un motor calentado externamente, y así si el calor es

Operan con cualquier combustible y pueden producir electricidad usando un generador o impulsando las cargas directamente.

Como un motor de combustión externa, el combustible se quema de forma continua en el exterior de los cilindros del motor Stirling. Esto es distinto a un motor de combustión interna, donde el combustible es inyectado en los cilindros intermitentemente y luego explota. Así, la combustión externa permite un quemado más completo del combustible, que da como resultado menores emisiones. La combustión externa también proporciona el beneficio extra del ruido y vibración reducidos comparado con el motor de combustión interna.

Para completar el ciclo termodinámico, el motor Stirling debe ser refrigerado externamente. Esto puede llevarse a cabo por una variedad de medios:

·         Enfriamiento por convección forzada o libre.

·         Agua, glicol etileno, o una mezcla de ambos circulando a través de una camisa de refrigeración enfriando el extremo del motor. El refrigerante se mantiene frío por un intercambiador de calor similar a o idéntico a un radiador de un automóvil.

Las características técnicas de esta tecnología son las siguientes:

• Tamaño. Menos de 200 kW.
• Combustible. Biomasa o biogás.
• Preparación de combustible. Ninguna
• Sensibilidad a la humedad del combustible. No
• Eficiencia eléctrica (cálculo basado en el valor calorífico más alto (higher heating value o HHV) del combustible. Entre 5 y 45 %.
• Ratio arranque-parada.  Amplio rango, responde en menos de un minuto.
• Cuestiones de operación. Bajo ruido.
• Experiencia de campo. Limitada
• Estatus de comercialización. Introducción comercial.
• Coste instalado (como sistema CHP). Entre $ 1000 y $10000/kW
• Costes de operación y mantenimiento. Alrededor de 0,001 $/kWh

Bibliografía: Biomass Combined Heat and Power Catalog of Technologies. U.S. Environmental Protection Agency Combined Heat and Power Partnership.                                                                                                                                                                                                           

Palabras clave: phosphoric acid fuel cell (PAFC), proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), molten carbonate fuel cell (MCFC), and solid oxide fuel cell (SOFC)