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Martes, 28 Abril 2020 15:35

Unidades de cogeneración alimentadas con hidrógeno

PRO21 Articulo 3 Foto 0Descriptivo de la primera unidad de cogeneración funcionando 100% con hidrogeno para un uso altamente eficiente y renovable de la energía eléctrica y térmica

 

 

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Resumen Ejecutivo
Para este proyecto, hemos unido una unidad de producción de energía útil de alta eficiencia y flexible, la cogeneración, con un combustible natural, como es el hidrogeno, obteniendo así una producción altamente eficiente de energía (térmica y eléctrica) respetuosa con el medio ambiente, descentralizada y flexible.
La unidad de cogeneración funcionando, 100% con hidrogeno, o 100% con CH4, según necesidades, permite por un lado compensar la variabilidad de producción de las energías estacionarias, y por el otro utilizar el gas de red que a su vez, puede tener un origen renovable.
Para entender su aplicación, en el siguiente esquema se puede observar la previsión de producción de energía solar y eólica en verde, frente el consumo en rojo, durante los años, 2010, 2020 y 2050, en Alemania, donde se ratifica que, en un escenario con un porcentaje de producción de un 80% de energías dependientes del clima, la producción eléctrica tendrá picos de producción y picos inversos de no producción que no se adaptan a la demanda:

 

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La unidad de cogeneración funcionando con hidrogeno forma parte de un proceso de almacenaje y reutilización de esa energía:
- Durante los picos positivos de producción la energía sobrante se almacena en forma de hidrógeno mediante un proceso de hidrolisis
- La cogeneración funcionando con hidrógeno puro, convierte este hidrogeno en electricidad y calor útil durante los picos negativos de producción.
De esta forma, mediante el autoconsumo o bien introduciendo la cogeneración de hidrogeno en una red de producción virtual de energía renovable, la energía generada para el sistema es estable y adaptada al consumo a unidad de hidrogeno, puede además funcionar con CH4, lo cual permite operar con el gas contenido en la red, que puede también a su vez, provenir de hidrógeno mediante carbonización.

Descripción del proyecto, la tecnología que utiliza, su ámbito de aplicación, funcionalidad y utilidad
Descripción del proyecto
Unidad de cogeneración funcionando con hidrogeno puro, que permite también la posibilidad de trabajar alternativamente con gas natural.
Tecnología base
La tecnología base de cogeneración es una unidad de producción eléctrica que utiliza todo el calor generado por el proceso de producción de electricidad para generar energía térmica de la siguiente forma:

 

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Ventajas técnicas CHP
- Utilización del calor del proceso de combustión (más del 90% de eficiencia total)
- Descentral y altamente flexible
- Sistema fiable (Seguridad de suministro)
El gas utilizado para la combustión puede ser
- Gas Natural y Biogas
- Biometano y Hidrógeno
El agenitor, motor propio de 2G, es un motor desarrollado con dos objetivos principales, la robustez y el rendimiento, es por este motivo que presenta una eficiencia eléctrica superior a la media del mercado, trabajando con diferentes tipos de gases, como es el biogás, biometano, gas natural y ahora también con hidrogeno.

Dificultades y características de la utilización del hidrogeno en el proceso de combustión
El hidrogeno, debido a sus características altamente auto detonantes, no es tan manejable como los combustibles que contienen CH4 como el gas natural o el biogás. Esto hace que para su utilización en un motor de combustión sea necesaria otra forma de mezcla aire-gas.
En los siguientes apartados se describen en primer lugar las características del hidrogeno y su funcionamiento como vector energético, seguidamente hay una comparativa entre distintos tipos de gas que pueden funcionar en cogeneración, destacando el comportamiento del hidrogeno y finalmente se describe la diferencia del proceso de mezcla aire-gas para la combustión de un gas convencional y para el hidrógeno.
Características del hidrogeno
Características físicas:
- No tóxico y no irritante
- Ambientalmente neutro, no peligroso para el agua.
- Inodoro
- Insípido
- Llama invisible, casi invisible
- Fugaz, más ligero que el aire
- Se escapa por las aberturas más pequeñas.
- Efecto de fragilidad en algunos materiales
- No corrosivo
- No radiactivo
- No cancerígeno
Características químicas:
- Temperatura de ebullición TS = -252.77 °C = 20.3 K.
- Temperatura de fusión TSch = - 258.6 °C = 14.4 K.
- Densidad a 20.3 K y 1013 mbar = 70.79 g/l
- Densidad de gas a 20.3 K y 1013 mbar = 1.34 g/l
- Densidad de gas a 273.15 K y 1013 mbar = 0.089 g/l
- El hidrógeno es 15 veces más ligero que el aire.
- Peso molecular = 2.016 g/mol
- Calor de evaporación = 445.4 kJ/kg
- Poder calorífico inferior: 119,97 MJ/kg = 33,33 kWh/kg = 10,78 MJ/Nm3 = 3,0 kWh/Nm3
- Poder calorífico superior: 141.80 MJ/kg = 39.41 kWh/kg = 12.75 MJ/Nm3 = 3.5 kWh/Nm3
- Límites de ignición en el aire: inferior 4,0 - 4,1 Vol%; superior 75.0 - 79.2% por volumen
- Temperatura de autoignición: 560 °C
- Energía mínima de ignición en el aire: E = 0.02 mJ
- máx. Velocidad de llama: 346 cm/s
- Es el elemento más común en el espacio, representa más del 90% de todos los átomos, alrededor de ¾ de la masa total
- El agua contiene 11,2% en peso de hidrógeno.
- 1/6000 átomos son “hidrógeno pesado” = deuterio = D = adicionalmente 1 neutrón en el núcleo atómico
- 1/mil millones de átomos son “exceso de hidrógeno” = tritio = T = adicionalmente 2 neutrones en el núcleo
A partir de las propiedades físicas y químicas del hidrógeno se deduce que su almacenamiento, con un uso adecuado y siguiendo las medidas de seguridad pertinentes, no tiene mayor riesgo que para el almacenamiento de fuentes de energía convencionales.
Ecuación de reacción para la combustión (oxidación) de hidrógeno:
H2 + 0.5 O2 u H2O + energía
La cantidad de energía liberada es: 289.5 kJ/mol = 0.08 kWh/mol = 40.2 kWh/kg H2
Si el hidrógeno entra en contacto con el oxígeno atmosférico y se suministra la energía de ignición requerida, ambos se queman juntos para formar agua. En este caso, hasta el 90% de la energía que anteriormente se debía aplicar para dividir el agua, se libera nuevamente. Tras la combustión, aparte del agua en forma de vapor de agua, la reacción con nitrógeno atmosférico forma una cantidad muy pequeña de óxido de nitrógeno. No produce hidrocarburos, ni óxidos de azufre, ni monóxido de carbono, ni siquiera dióxido de carbono (CO2), que se libera durante la combustión de combustibles fósiles responsables del efecto invernadero.
Comparativa entre diferentes tipos de gas
Comenzaremos con la comparación de las diferentes características del gas, gas natural e hidrógeno.
En la siguiente imagen se pueden ver los valores del número de metano y el valor calorífico:

 

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El número de metano informa sobre la capacidad de auto-detonación del gas: cuanto mayor es el número, menor es la capacidad de auto-detonación.
Por lo tanto, se observa que el biogás tiene la menor capacidad de detonación, mientras que el hidrógeno es altamente sensible, de forma que, para controlar el encendido, trabajaremos con una mezcla muy pobre.
El poder calorífico del hidrógeno también es menor que el gas natural o el biogás.
El objetivo es lograr una alta relación de compresión para aumentar también la eficiencia.
Para lograrlo, trabajamos con la geometría de pistón especial desarrollada para el agenitor, que permite adaptar la rela-ción de compresión a cada tipo de gas.
En la siguiente grafica comparamos diferentes tipos de gas según el rango de lambda en el que pueden trabajar y según la temperatura de auto detonación:

 

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Como consecuencia del número de metano, el valor lambda con el que podemos trabajar en cada tipo de gas es diferente.
Para aquellos que no conocen el parámetro lambda, muestra la mezcla gas-aire, cuanto mayor es el valor lambda, mayor es la cantidad de aire en la mezcla.
Por lo tanto, con 100% de CH4 el valor de lambda está entre 1.95 y 0,59, lo que significa que para valores lambda inferiores a 0,59 o superiores a 1,95 no hay posibilidad de ignición.
Para el hidrógeno este rango es más alto. Los motores 2G trabajan con un valor cercano a 3, donde las emisiones son muy bajas, la eficiencia más alta y la auto detonación también es baja.
Características del hidrogeno
Comparativa entre un mezclador convencional y uno de hidrogeno.
Mezclador convencional: formación de mezcla externa antes de la compresión en el turbocompresor mediante un mezclador de gas Venturi ajustable.

 

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El gas se mezcla con el aire en el mezclador, la mezcla es llevada mediante el turbocompresor y a través de la válvula mariposa dentro de la cámara de combustión donde, mediante la chispa de la bugía se dará el proceso del ciclo Otto.
Para que este proceso se realice de forma adecuada, el gas debe detonar solamente en la cámara de combustión y no antes.
En el caso del gas hidrogeno, hemos visto en el apartado anterior que el rango de proporción aire-gas que permite la ignición es muy ancho, por lo tanto, si lo mezclamos antes de entrar en la cámara de combustión tendremos un alto grado de auto detonación y por tanto muy poca eficiencia.
Mezcla con alto contenido en Hidrogeno: Formación de mezcla externa justo antes de la cámara de combustión.
En las siguientes imágenes se puede apreciar el sistema instalado en el motor de hidrógeno:
Debido a que el hidrogeno tiene una capacidad de detonación muy alta, la mezcla se realizará dentro de la cámara de combustión, por lo que el gas se inyectará a través de la válvula de inyección Hoebiger, mientras que el aire se comprimirá con el turbocompresor.
El proceso tiene que ser muy preciso, por lo tanto, las válvulas de inyección estarán electrónicamente correlacionadas con las válvulas de la culata.

 

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¿Qué le pedimos a una unidad de cogeneración que trabaje con H2 para que podamos controlar la producción de electricidad?
- Queremos que se adapte rápidamente al consumidor, por lo que debe ser capaz de arrancar, detenerse y trabajar a carga parcial.
- Queremos que sea capaz de trabajar en modo isla y lograr la carga de carga máxima posible en el mínimo tiempo
- Queremos cumplir con la legislación Alemana para el equilibrio del sistema eléctrico, esto significa que el motor debe alcanzar la carga completa en un máximo de 5 minutos, y como se puede ver en el siguiente gráfico, los motores 2G lo cumplen:

 

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Donde:
Sollwert BHKW1: Valor objetivo de la unidad de cogeneración (CHP)
Istleistung BHKW1: Valor real de producción de potencia del CHP
Todas estas necesidades características para una producción de energía controlada son satisfechas por las unidades de cogeneración 2G.
Tipos de unidades de cogeneración disponibles y sus características técnicas:
Unidades de cogeneración alimentadas 100% con hidrógeno a carga completa:
- Queremos que sea capaz de trabajar en modo isla y lograr la carga de carga máxima posible en el mínimo tiempo
- Queremos cumplir con la legislación Alemana para el equilibrio del sistema eléctrico, esto significa que el motor debe alcanzar la carga completa en un máximo de 5 minutos, y como se puede ver en el siguiente gráfico, los motores 2G lo cumplen:

 

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Ámbito de aplicación, funcionalidad y utilidad
Las unidades de cogeneración funcionando con hidrogeno pueden utilizarse en cualquier producción de energía eléctrica y térmica que tenga la posibilidad de generar hidrogeno:
- Plantas solares.
- Plantas fotovoltaicas.
- Extracción de hidrógeno de gases.
Como se mostrará en el esquema siguiente, presenta diferentes posibilidades.
La producción eléctrica y térmica tiene la misma utilidad que en una unidad de cogeneración:
- Vertido a red.
- Autoconsumo.
- Producción de agua caliente: Redes de calor, district heating.
- Producción de vapor.
- Producción de frío.

 

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Explicación detallada del aspecto innovador y del valor añadido que aporta el proyecto
El aspecto innovador se encuentra en el hecho que es la primera unidad de cogeneración que funciona 100% con hidrógeno de forma estable, adaptada a la red y con una eficiencia eléctrica entorno al 40%.
El hidrógeno es un vector energético renovable que entrega su energía al entorno en contacto con el oxígeno formando agua, de forma que, si el oxígeno es puro, las emisiones son nulas.
Estamos uniendo una unidad de producción de energía útil de alta eficiencia y flexible, la cogeneración, con un combustible renovable, como es el hidrógeno, obteniendo así una producción altamente eficiente de energía (térmica y eléctrica) renovable y flexible.
En el apartado 1 y en el apartado 5.6, se describen aplicaciones concretas de la unidad alimentada con hidrógeno, sobre todo en combinación con energías renovables que no tienen intrínseca la flexibilidad de producción para adaptarse a la demanda.
Como parte de la transición energética, las unidades de cogeneración de 2G están diseñadas para formar parte sistemas de energía conectados a la red de manera inteligente, las llamadas redes de energía virtuales, que son cada vez más importantes debido a su descentralización, capacidad de control y disponibilidad panificable.

 

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La cogeneración alimentada con hidrógeno da a las redes virtuales un valor añadido cerrando la cadena de producción.
La flexibilidad, juntamente con el cuidado del medioambiente, es una de las características más importantes en un sistema de producción energética, es por este motivo que 2G trabaja continuamente para ofrecer productos que ayuden a un mundo más sostenible.

Caso práctico
Para comprender mejor su valor añadido, exponemos a continuación un caso práctico:
Heek ( Alemania), 27.06.2019 - Con el apoyo del Ministerio de Asuntos Económicos, Desarrollo y Energía del Estado de Ba-viera (StMWi), Haßfurt GmbH ha instalado una planta de cogeneración (H2-CHP) altamente innovadora para complementar la planta existente de Power-to-Gas (PtG) en Haßfurt. El agenitor 406 SG CHP de 2G Energy con una potencia eléctrica de 140 kW se puso en funcionamiento el 21.6.2019. Los socios del proyecto son Stadtwerk Haßfurt GmbH, 2G Energy AG de Heek y el Instituto de Tecnología Energética (IfE) de la Ostbayerische Technische Hochschule AmbergWeiden.
A diferencia de la práctica habitual de agregar hidrógeno a la red de gas natural carbonizando el Hidrogeno y utilizándolo a través de plantas de cogeneración convencionales, la nueva planta de cogeneración permite la operación con hidrógeno puro sin componentes de combustibles fósiles. Es la primera vez en la localidad que se implementa una cadena de almacenamiento de electricidad renovable a base de hidrógeno y libre de CO2. La cadena de almacenamiento va desde la generación de electricidad a partir de la energía eólica, a través de la conversión a hidrógeno por medio de la electrólisis y el almacenamiento en tanques de presión, para la utilización final en una unidad de cogeneración. El almacenamiento de hidrógeno permite el funcionamiento continuo de la unidad de cogeneración durante aproximadamente 12 horas y, por lo tanto, aumenta considerablemente la flexibilidad de todo el sistema.
Norbert Zösch, Director Gerente de Stadtwerk Haßfurt GmbH, evalúa la implementación de la cadena de almacenamiento como una contribución importante para equilibrar la generación y la demanda: “Dado que tanto la planta PtG (Power To Gas) como el H2 CHP son altamente flexibles, el sistema completo compuesto por Electrolizador -Almacenamiento - H2 CHP, permite compensar tanto los excedentes como los déficits de generación de electricidad renovable, equilibrando la producción a nivel local o a nivel superior de producción energética en la red de distribución.
2G Energy AG ha suministrado el agenitor 406 SG CHP con una potencia eléctrica de 140 kW en funcionamiento con hidrógeno puro como una solución llave en mano en contenedor. Frank Grewe, gerente de desarrollo de 2G Energy AG, espera una demanda creciente del H2 CHP: “Después de la primera instalación de una cogeneración de H2 en 2012 en el aeropuerto BER de Berlín, estamos dando el siguiente paso en Haßfurt con la serie agenitor estándar, que se ha adaptado de manera rentable para el uso con hidrógeno puro, con una mezcla de hidrógeno / gas natural o con gas natural. La operación segura y flexible de las unidades PtoG con cogeneración es una piedra angular importante para el trabajo de desarrollo en 2G “
La planta de H2 CHP en Haßfurt tiene una segunda conexión de gas para cambiar a operación de gas natural, en cuyo caso la potencia eléctrica nominal es de 200 kW. Grewe ve potencial de desarrollo para el rendimiento del funcionamiento con hidrogeno H2-CHP en comparación con la operación en gas natural: “Es posible un aumento significativo en la potencia nominal en la operación con hidrógeno. Actualmente, sin embargo, los trabajos de desarrollo para augmentar la disponibilidad tienen prioridad sobre la eficiencia”
El proyecto está acompañado científica y técnicamente por el Instituto de Tecnología Energética. Los investigadores esperan, por un lado, que el proyecto permita obtener conocimientos prácticos y experiencia a largo plazo en la operación a hidrógeno de las plantas de cogeneración, y por otro lado, el módulo en el consorcio también sirve, como plataforma de investigación para futuros desarrollos de la tecnología H2-CHP y, por lo tanto, está equipado con puntos de acceso especiales para tecnologías de medición.
Leyenda: La planta de cogeneración a hidrógeno de 2G, agenitor 406 SG, se utiliza para la reconversión del hidrógeno, que se obtiene de la energía eólica utilizando un electrolizador como parte del concepto PtG de la compañía municipal de electricidad Haßfurt. La solución llave en mano en contenedor tiene una potencia eléctrica de 140 kW.
Fuente: Instituto de Tecnología Energética (IfE) de la Ostbayerische Technische Hochschule AmbergWeiden.

 

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