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Produccin de hidrgeno por electrolisis de agua. Utilizacin de energas
renovables.
Produccin de hidrgeno por electrolisis de agua. Utilizacin de energas
renovables.Rafael Luque Berruezo
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Ariema. Empresa independiente espaola n 1en hidrgeno y pilas de combustible
Ariema. Empresa independiente espaola n 1en hidrgeno y pilas de combustible
La ventana hacia una visin diferente de la energa
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INTA- Huelva, 1990. Produccin de H2 Solar. 2002: nace ARIEMA como Spin Off tecnolgica del
INTA 2006: nace ARIEMA Enerxa S.L., con Sede en
Santiago de Compostela 2009: Participacin en H2Nitidor
ARIEMA
Departamentos: I+D (propia y subcontratada) Consultora. H2&FC, energa Gestin Tcnica (Plataformas Tecnolgicas,
Asociaciones, formacin, difusin) Pesca y Acuicultura. Equipos e Instalaciones (Pilas de combustible,
compresores de hidrgeno, llave en mano)
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Depto. de I+D20 aos de experiencia. Desde 1990 en proyectos INTA: CITYCELL. Proyecto europeo de desarrollo del autobs de
hidrgeno IRISBUS para Madrid. FIRST. Proyecto europeo de energa solar con hidrgeno y
pilas de combustible para telecomunicaciones FCTESTNET. Proyecto europeo para establecer una Red
Europea de estandarizacin y ensayos de pilas de combustible
FEBUSS. Proyecto europeo de desarrollo de pilas de combustible para autobuses, tranvas y aplicaciones estacionarias
EIHP. Proyecto europeo para la normalizacin de vehculos de hidrgeno
Otros proyectos INTA: Produccin, purificacin y almacenamiento de hidrgeno. Pilas de combustible alcalinas, de cido fosfrico y PEM. Integracin. Aplicaciones espaciales. Aplicaciones a submarinos
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Depto. de I+DDesde 2002, como ARIEMA:
Como subcontratados y proveedores: HYRREG (Hydrogen Interreg) Proyecto europeo. ARIEMA participa
subcontratada por la Junta de Comunidades de Castilla La Mancha. Res2H2 (Renewable to Hydrogen). Proyecto europeo. ARIEMA particip
como proveedor de llave en mano del Instituto Tecnolgico de Canarias. PSE Minielica. ARIEMA participa subcontratada por el Centro Tecnolgico
de la Pesca de Celeiro (Lugo) en la produccin de hidrgeno elico. PSE SINTER. Proveedores de sistema de electrolisis y compresor. ITHER (Aragn) proveedores de pila de combustible. HYDROSOLAR 21 (Burgos) proveedores de pila de combustible.
Como socios: PSE Peixe Verde (mejoras energticas en barcos de pesca) CENIT SPHERA (uso de H2 en barcos) APACHE. Embarcacin de limpieza de puertos propulsada con pila de
combustible de hidrgeno PROFIT PILAGAS. Uso de pila MCFC con hidrgeno procedente de carbn.
Socios: Elcogas, Ariema, Navantia e IDAE.
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Peixe Verde: Lanchas a GLP Lanchas a GLP.
Colaboran: Xunta, CETPEC, Repsol
y ARIEMA
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Proyecto CENIT SPHERA
El mayor proyecto espaol de hidrgeno Financiado por Min. Industria va CDTI. Socios: Gas Natural, Acciona, ARIEMA, REPSOL-
YPF Presupuesto: 30 M, subvencin 15 M ARIEMA:
Preparacin I+D propia: uso de H2&FC en barcos. I+D subcontratada para 2 socios
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APACHE
Financiado por Xunta de Galiciapropulsin con motor elctrico, pila
PEM de 400 W, almacenamiento en hidruros metlicos.
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PSE Minielica
Liderado por CIEMAT
ARIEMA realiza: Una instalacin de produccin de hidrgeno por
electrolisis, con convertidor y sistema de control. Un sistema de almacenamiento en hidruros
metlicos
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Depto. Consultora:Algunos CLIENTES:
Acciona Boeing Ferrovial Agroman Gamesa Repsol-YPF Centro Nacional del Hidrgeno (Puertollano) INTERES (Min. de Industria) Junta de C. de Castilla-La Mancha
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RES2H2: Integracin de renovables e hidrgeno
Cliente: Instituto Tecnolgico de Canarias (ITC)Financia: 6 PM UE6 pilasPotencia total: 30 kW
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RES2H2
Instalacin y puesta en marcha entre junio y octubre
de 2007
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En el ltimo ao, ARIEMA ha realizado en Espaa 5 instalaciones de produccin de hidrgeno por electrolisis.
Ejemplo: electrolizador 5kW + depsito + compresor 200 bar, para Centro Nacional del Hidrgeno.
La limitacin para los coches a hidrgeno est en la disponibilidad de ste combustible
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Un coche de hidrgeno, con pila de combustible, es un coche elctrico que produce la electricidad a bordo, logrando:
Ms autonoma (aprox. 2 o 3 veces+)Mnimo tiempo de recarga (minutos,
no horas)
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Hidrgeno en el transporte
Hay ms de 200 cochesMs de 50 autobuses40 bicis y motos30 vehculos de uso industrial4 trenes18 barcos16 aviones
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Estaciones de servicio de HidrgenoUna buena opcin: electrolisis
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Hidrgeno electroltico
Inconvenientes: Precio muy dependiente de coste de
electricidad Apenas hay mercado: Equipos an costosos
y mejorables por produccin artesanalVentajas:
Alta pureza (muy bueno para pilas de comb.) Produccin fcil in situ Operacin posible en rgimen variable
(bueno para renovables)
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La experiencia en Espaa
Planta de produccin de Hidrgeno con energa solar. INTA. Huelva, 1990
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se parte de una solucin acuosa de NaOH o de KOH, para que haya una alta conductividad inica
ctodo: 2 H2O + 2 e- -- 2 OH- + H2 nodo: 2 OH- -- H2O + 1/2 O2 + 2 e-global: H2O -- H2 + 1/2 O2
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Ms rendimiento electrodos ms cerca
Celdas Nitidor
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Componentes celda Nitidor
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Ms voltaje celdas en serie
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Electrolizador Hydrogenics de 4 stacks
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Norsk Hydro Electrolysers Atmospheric Electrolysers
For the conventional industrial markets whichrequire higher volumes of hydrogen theAtmospheric Electrolyser is normally used wherethe low energy consumption offers considerable operation savings.
High Pressure ElectrolysersFor applications requiring smaller volumes ofhydrogen production, the High PressureElectrolyser (HPE) is offered which supplies thehydrogen gas at 15 bar(g) direct from theelectrolyser thus alleviating the requirement ofcompressors.
Hydrogen Filling StationsNorsk Hydro Electrolysers offer hydrogen fillingstations based on hydrogen production fromeither electrolysers or alternative methods suchas reforming. These are complete solutions whichcover the initial hydrogen production through tothe vehicle filling dispensing unit.
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Equipo comercial alcalino H2NITIDOR
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Equipo comercial alcalino H2NITIDOR
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Equipo comercial alcalino H2NITIDOR
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Equipo comercial alcalino H2NITIDOR
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G = 56,7 kcal/mol a 25CG = n*F*E=2*96485*EE = 1,23 V a 25CEn la prctica se trabaja a 1,8-2,2 V/celda
para vencer principalmente las prdidas de energa elctrica correspondientes a la cada hmica en el electrolito y en los electrodos.
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Una celda con eficiencia igual a 1 requerira 3,245 Kwh de energa para producir 1 Nm3 de hidrgeno.
Los electrolizadores industriales trabajan entre 4.2 y 5 Kwh por Nm3 de hidrgeno producido.
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Los sobrevoltajes dependen fundamentalmente de la intensidad de corriente y de la temperatura, de la siguiente manera:
al aumentar la intensidad de corriente aumenta el sobrevoltaje
al aumentar la temperatura disminuye el sobrevoltaje
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Electrolizadores alcalinos. Electrolito
Solucin acuosa de KOH o NaOH. Con KOH, a igual concentracin, la conductividad es
mayor. es usual emplear del 25 al 30 de KOH (del 15 al 20% de
NaOH). Deseable alta pureza del agua, debiendo eliminarse
cloruros y los sulfatos, sobre todo cuando se utiliza Ni. Las especificaciones usuales de equipos comerciales son que el agua tenga una conductividad elctrica inferior a unos 1-5 microSiemens / cm
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Efecto de la temperatura
cuanto mayor es la temperatura, mayor es la conductividad del electrolito, menores los sobrepotenciales de nodo y ctodo, y mayor la eficiencia energtica
cuanto mayor es la temperatura, ms rpidamente se degradarn los materiales del electrolizador, o bien se tendrn que emplear materiales ms caros
el rango usual de temperaturas de operacin es de 70 a 80oC para el KOH y de 50 a 70oC para el NaOH.
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Electrodos
Los electrodos utilizados pueden ser de hierro para el ctodo y de acero aleado con nquel para el nodo.
Se han logrado importantes avances en cuanto a electrocatlisis.
La composicin qumica y la geometra de los electrodos (trabajando con mayores densidades de corriente y menores superficies de electrodo) mejora sustancialmente el rendimiento global de un electrolizador.
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Electrolizadores PEM
Sus mayores ventajas son la seguridad (ausencia de electrolito KOH), el diseo compacto, las elevadas densidades de corriente y presiones de operacin (hasta varios cientos de bares). La principal desventaja es la vida til de la membrana.
Los actuales electrolizadores PEM no son tan maduros como los electrolizadores alcalinos. Se espera que sus caractersticas mejoren (coste, capacidad, eficiencia y vida til)
Aplicaciones: menos de 2 kW.
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Equipos comerciales
H2 NITIDOR (Tecnologa Casale Chemicals) Hydrogenics ErreDue GHW Giovanola Freres Hydrogen Systems Linde Norks Hydro PIEL Proton Energy Systems Teledyne Energy Systems
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Electrolizadores avanzados Existen nuevas tecnologas de electrolizadores en desarrollo,
que apuntan bien a aumentar la temperatura del proceso, o bien a aumentar la presin de salida del hidrgeno.
Los electrolizadores a alta presin ahorran energa para el proceso de compresin que usualmente es necesario despus para almacenar el hidrgeno.
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Datos reales de un equipo comercial
Metkon alcalino de INTA Huelva
5 kW1,2 Nm3 H250 V (tecnologa Casale, 20
aos en uso)
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Utilizacin de energasolar y elica
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Planta INTA - Huelva
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solar fotovoltaica
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Curva i-v electrolizador
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Acoplamiento PV electrolizador directo
Condiciones de operacin: en el punto de interseccin de sus curvas i-v, (que debe estar cerca del pto. de mxima potencia del campo PV)
Riesgo de transitorios rpidos: necesario un sistema de control rpido, que pueda detener la produccin e incluso accionar una purga de gas inerte si es necesario
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con buffer de bateraspermite alimentar al electrolizador en
condiciones casi estacionarias y en las condiciones ptimas de intensidad y
voltaje las bateras convencionales se adaptan bien a
los transitorios inconveniente: mayor coste de inversin, y las
prdidas que se producen en las bateras.
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Acoplamiento con seguimiento del punto de mxima potencia
con regulador DC/DC con relacin de transformacin variable: permite operar en las condiciones ptimas de voltaje e intensidad, es decir, en la Curva de Mxima Potencia del campo fotovoltaico.
MPPT: Maximum Power Point Trackerestos equipos tambin tienen unas prdidas,
que son similares a las de un acoplamiento directo bien diseado
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con variacin en el nmero de celdas un sistema de control vara el nmero de celdas del
electrolizador en operacin, en funcin de la potencia que entrega el campo de paneles (y por tanto en funcin de la radiacin solar incidente).
El efecto es variar la curva i-v del electrolizador, para aproximarse a la de mxima potencia del campo PV
Problema: los transitorios que provoca en las celdas que pueden ser conectadas o desconectadas segn la radiacin
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Electrolisis elicaAplicaciones:
La Red elctrica est saturada Problemas de evacuacin Optimizacin de tarifa Otros
Mucho inters en empresas
Retos: acoplamiento de aerogenerador y electrolizador, almacenamiento, equipos de MW
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Proyecto RES2H2
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Isla de Utsira (Noruega)
PPiillaa
Pila PEM de 10 kW
Motor de combustin de
55 kW
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Isla de Utsira (Noruega)
240Tiempo de llenado del tanque (h)
2400Volumen tanques almacenamiento (Nm3)
200Presin almacenamiento H2 (bar)48Potencia electrolizador (kW)15Presin salida H2 (bar)10Capacidad (Nm3/h)4,1Consumo de energa (kWh/Nm3)
Norsk HydroFabricante electrolizador
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Sotavento (Galicia)
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Sotavento. Disposicin equipos
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CIDETEC / Escuela de Usurbil (San Sebastin) Produccin solar de H2: electrolizador y
convertidor, con control integrado.
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Tiene futuro el hidrgeno?
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Nos veremos