INTEGRACIÓN DE PILAS DE COMBUSTIBLE EN SISTEMAS AUTÓNOMOS ALIMENTADOS CON FUENTES DE ENERGÍAS

RENOVABLES Autores: Olivia Alonso (ISOFOTON S.A.)(p), Alberto Vegas Serrano (ARIEMA), Fernando Isorna (INTA), Jochen Benz (Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE)

Las energías renovables y las emergentes tecnologías basadas en el hidrógeno como vector energético se constituyen como alternativas para paliar los aspectos negativos de un escenario energético en el que los recursos naturales como petróleo (productor del 40% de la energía consumida en Europa EU-30), gas o carbón, son fuertemente ligados a importaciones (60% de dependencia externa) y además altamente contaminantes; y en el que se produce una demanda creciente, unida a nuevas reglamentaciones (descentralización, normativas relativas a las emisiones de contaminantes) y necesidades.

Se trata éste (Renovables + H2) de un binomio interesante en numerosas aplicaciones: Desde la generación en grandes plantas de hidrógeno para su posterior utilización en aplicaciones estacionarias o de transportes, a sistemas conectados a la red eléctrica (en parques eólicos, por ejemplo, el almacenamiento de hidrógeno en horas punta de producción, para su posterior transformación, permite adaptar la generación a las necesidades y estado de la red; o en aplicaciones de electricidad distribuida, para aliviar una red en exceso solicitada), o, como se expone en este artículo, en sistemas autónomos aislados. En ellas, el hidrógeno se constituye como vector energético intermediario�entre generación y consumo, aportando todas las funcionalidades que de su capacidad de acumulación de energía puedan derivarse, eso sí, el hidrógeno hay que producirlo (no constituye en sí mismo una fuente de energía), y es en su producción y posterior utilización dónde puede quedar en entredicho el apellido “limpio” que se le otorga: En efecto, el hidrógeno puede ser producido a partir de combustibles fósiles (reformado del gas natural, oxidación del petróleo, en la pirolisis de carbón y otros...), a partir de procesos que son contaminantes: por ejemplo, en el reformado de 50Nm3/h de gas se obtendrían idealmente un 80% de H2 y un 20% de CO2 en relación molecular(junto con un 1% de CO, que obliga a incluir una etapa de decarbonación que puede implicar del orden de 3-6% del coste total de la instalación en el mantenimiento a lo largo de 10 años de la instalación); y, teniendo en cuenta la energía necesaria para la activación de la reacción, podríamos hablar de 100 Nm3/h de H2 y 50 Nm3/h de CO2. A este respecto, otro factor diferenciador es el posterior proceso de utilización del hidrógeno: hay que tener en cuenta que su quemado en turbinas híbridas (en las que se quema H2, y gas u otro combustible fósil) producen entre 270 y 310 gr/kWh de CO2. Es por esto que cabe resaltar que las energías renovables son la base para sistemas energéticos basados en el hidrógeno que sean, como preconizan la publicidad que se les da, ecológicamente limpios.

(1) SISTEMAS AUTONOMOS BASADOS EN ENERGIAS RENOVABLES

Generalidades Las energías renovables que son abordadas en este artículo son las basadas en energía solar (fotovoltaica) y la eólica. Estos recursos (solar y eólico) son ilimitados en el tiempo, y muy abundantes (se recibe del orden de 1kW/m2 de energía solar en la superficie terrestre); en España, por ejemplo, se reciben en promedio unos 4,65 kWh diarios por metro cuadrado de superficie, el 70 % de ésta es radiación directa. Algunos cálculos arrojan la cifra de 30

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m2 de superficie necesaria para satisfacer las necesidades energéticas de una persona vía energía solar (esta superficie es menos de la dedicada a la agricultura por habitante). (4) Sus aplicaciones van desde la conexión a red y venta de energía a la alimentación autónoma de sistemas aislados del tendido eléctrico. A éstos últimos va destinado este artículo.

Diseño de sistemas renovables autónomos: adecuación de la generación al consumo Los consumos de los sistemas autónomos que trabajan con energías renovables tienen una curva de la demanda que no se adapta en gran medida a la curva de generación: La intermitencia del recurso para la producción hace necesario el almacenamiento de la energía para su utilización cuando sea necesaria. Esto los diferencia enormemente de los sistemas de generación convencionales, en los que un estudio estadístico detallado del consumo lleva a producir más o menos energía para su inmediata utilización.

Un sistema de acumulación (baterías generalmente) es el encargado de almacenar esa energía producida para su posterior uso.

En el diseño del sistema de generación, se realizan pues balances energéticos diarios, basados en un estudio de la energía necesaria diaria y en una estimación de la energía producida, gracias a datos estadísticos de recursos naturales: radiación solar y velocidad y frecuencia de vientos. Se dota a la batería de la capacidad suficiente no sólo para asumir el acople diario de generación y consumo, sino para dotar al sistema de una adecuada autonomía, de modo que éste sea operativo en caso de períodos de poco recurso eólico o solar.

En sistemas fotovoltaicos, el método más utilizado para realizar este diseño es el denominado “del mes peor”. En él, se calcula el sistema en las condiciones más constrictivas: en las que la relación energía producida-energía consumida es menor. Esto suele coincidir con períodos de invierno, en los que la radiación es menor. De este modo se asegura el abastecimiento todo el año.

Debido a las diferencias de recurso entre estaciones, generalmente los sistemas se encontrarán pues sobredimensionados en verano y más ajustados en invierno.

La combinación de energía solar y eólica suele ser interesante desde este punto de vista, puesto que generalmente se trata de recursos con cierta complementariedad. Si bien es cierto que, para rentabilizar las inversiones necesarias para un sistema eólico, se requieren emplazamientos con velocidades de viento elevadas, y generalmente estos lugares están alejados del sistema a ser alimentado (sistema de telecomunicaciones, o vivienda, pozo...), con lo cual no siempre se dispone de un recurso eólico adecuado allí donde se necesita electricidad.

Las siguiente gráfica pretende ilustrar con un ejemplo esta problemática: se trata de una simulación de un hipotético sistema instalado en Toledo en el que el consumo estimado es abastecido por un generador fotovoltaico de 2.5 kW y un aerogenerador de 600 W de potencia. Las variaciones estacionales de recurso que dan lugar a la diferencia de generación se ven a la derecha. En estas gráficas vemos que, para abastecer el consumo en todo momento, estamos, en media anual, dando un 80% más de energía al sistema de la que éste necesitaría (esta energía se pierde, puesto que el sistema de regulación abriría el paso de generación a batería); llegando incluso a producir en ciertos meses hasta un 240% de la energía necesaria. Naturalmente se trata de una simulación con datos medios mensuales, con lo que no se trata de una descripción de lo que pasaría cada día de ese mes.�

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Consumo diario medio mensual

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Comportamiento energético del sistema

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Mes

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Wh

Eólica

Solar

Total

Consumo

Grupoelectrógeno

�EVALUACIÓN ENERGÉTICA DE SISTEMAS HÍBRIDOS

LOCALIZACIÓN DE LANSTALACIÓN: TOLEDOConsumo: AC diario medio kWh: 76.8

Generación: DC equivalente kWh: 95.42 Batería 0.9Inversor 0.97

Tamaño de la Generación Eólica, kW: 0.6 Cableado 0.98Tamaño de la Generación Fotovoltaica, kW: 2.5 Dispersión, sucieda 0.96

Potencia unitaria por aerogenerador 0.6 Energía Disipada 1.00Aerogenerador seleccionado INCLIN 600 Margen de Seguridad 0.98

Total: 0.805

1.0 kW Wind 1 kW PV Eólica Fotovoltaica Grupo electrógeno Consumo Total ConsumoEnergía Diaria Energía Diaria Energía Diaria Energía Diaria Energía Diaria Medio generación diaria Cubierto renovables

Mes Salida, kWh Salida, kWh Salida, kWh Salida, kWh Salida, kWh Diario Salida, kWh %ENE 3.1 3.9 1.45 7.8 0.0 7.92 9.25 117%FEB 3.2 4.8 1.58 9.6 0.0 7.48 11.18 149%MAR 3.3 5.4 1.67 10.8 0.0 5.61 12.51 223%ABR 3.4 5.0 1.84 10.1 0.0 5.42 11.91 220%MAY 3.2 5.4 1.59 10.8 0.0 5.58 12.35 221%JUN 3.1 6.1 1.48 12.2 0.0 5.72 13.71 240%JUL 3.2 6.4 1.61 12.8 0.0 6.05 14.45 239%AGO 3.2 5.8 1.62 11.7 0.0 6.82 13.29 195%SEP 2.8 4.7 1.20 9.4 0.0 6.68 10.60 159%OCT 2.8 3.5 1.19 7.0 0.0 5.67 8.22 145%NOV 2.8 2.7 1.17 5.4 0.1 6.64 6.64 99%DIC 3.0 4.7 1.39 9.4 0.0 7.19 10.84 151%

Media Año 3.1 4.7 1.48 9.8 0.0 6.40 11.25 180%

ENTRADAS

Eficiencias BOS (Balance del Sistema)

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Radiación media (kWh/m2día)

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Mes

Radiación media(kWh/m2día)

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Figura1: simulación de balance energético para sistema PV-eólico en Toledo – diferencias estacionales

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Estos resultados llevan en numerosas ocasiones a disponer de un grupo diesel auxiliar, que permita una disminución en el tamaño del generador y de la batería (el grupo se encarga de otorgar la fiabilidad al sistema en caso de largos períodos de bajo recurso solar y/o eólico). Estos grupos tienen asociado un fuerte coste de mantenimiento, que puede llegar a no hacerlos prácticos según la situación de la instalación, igualmente, producen contaminación medioambiental.

Es aquí donde la integración de un sistema basado en producción de hidrógeno y su posterior utilización para producción de energía cuando esta sea requerida, gracias a una pila a combustible, cobra un gran sentido.

(2) PILAS DE COMBUSTIBLE

Generalidades: Funcionamiento, Rendimiento y Perspectivas Una pila a combustible es un dispositivo que permite la conversión directa en energía eléctrica de una reacción química de oxidación-reducción. Por su principio de funcionamiento podría considerarse un “híbrido” entre batería y motor a combustión interna (siendo su energía resultante eléctrica, no mecánica).

Se diferencia de las baterías en que éstas tienen almacenado el combustible y comburente, mientras que una pila a combustible se alimenta de los reactivos (hidrógeno o metanol y aire u oxígeno) desde un depósito exterior. Se diferencia de un motor a combustión interna convencional en las temperaturas más bajas en que tiene lugar la reacción, en la no existencia de partes móviles y en su mayor rendimiento, y, sobre todo, en los productos no contaminantes que se desprenden de la reacción, en el caso de estar alimentados directamente en H2.

El funcionamiento básico de una pila a combustible se basa en un proceso inverso al de la electrólisis: hidrógeno y oxígeno se combinan para formar agua con producción de energía eléctrica y desprendimiento de calor.

Una pila a combustible está formada por un apilamiento de varias monoceldas, constituidas por varios elementos encapsulados: electrodos, electrolito entre ellos, etc. (ver Fig.1)

En una pila alimentada con H2 y O2, el hidrógeno (H2) penetra por el electrodo negativo (ánodo) y se disocia, en presencia del catalizador, en iones positivos H+ y electrones. El oxígeno (O2) procedente del aire o aire enriquecido, penetra por el electrodo opuesto (cátodo), y se disocia igualmente en presencia del catalizador en iones O2-. Los iones positivos del hidrógeno migran a través del electrolito en dirección al cátodo, dejando a los electrones libres en el ánodo. Si existe un circuito eléctrico externo entre el ánodo y el cátodo, los electrones lo recorrerán, produciendo corriente eléctrica. En el cátodo, los iones hidrógeno, el oxígeno y los electrones se recombinan formando moléculas de agua.

Por otra parte, además de esta energía eléctrica se produce un importante desprendimiento de energía térmica en forma de calor.

1241

�figura 2 : esquema básico de una pila a combustible (5)

Una celda de combustible produce una diferencia de potencial algo mayor que un voltio a circuito abierto, por lo que para producir tensiones más elevadas, se recurre a la disposición en serie de celdas formando un “stack” o “apilamiento”. A ese apilamiento de celdas debidamente implementado en una estructura que permita disipar el calor, que posibilite la circulación necesaria de los gases y que ofrezca los terminales positivo y negativo para la utilización de la energía eléctrica producida es a lo que se denomina “pila de combustible”. Un orden de magnitud de la densidad de corriente que puede obtenerse, por ejemplo en una pila a combustible tipo alcalina, es de 100-200 mW/cm2, y entre 200 y 350 mW/cm2 en una pila de membrana alimentada por H2 a presión (la tabla 1 muestra una descripción de los diferentes tipos de pilas de combustible en la actualidad).

Aplicaciones inmediatas de estos equipos, además de en transporte (cuyos ejemplos más reseñables están ampliamente difundidos: proyectos como el CUTE de EVOBUS o el CITYCELL de IRISBUS, que han dotado de una flota de autobuses con pilas, alimentados por hidrogeneras, a varias ciudades europeas, o prototipos de coche unifamiliar exhibidos en ferias por diferentes fabricantes de vehículos) son las centrales eléctricas medianas para producción descentralizada, tanto en el medio urbano (ej. Hospital en el sur de París alimentado con una pila PAFC) como en el rural, allí donde sea difícil la realización de grandes centrales o líneas de transporte eléctrico, y favorecidas por la actual reglamentación de descentralización y privatización de la distribución, que obligará a las compañías a instalar centros de producción cercanos a los puntos de consumo, entrando en concurrencia directa con sistemas a turbinas de gas, etc. Y, desde luego, otra aplicación importante es la que nos ocupa: constituirse como sistema auxiliar y complementario para ciertas instalaciones basadas en energías renovables.

Se trata de una tecnología cuyas principales ventajas son: • alto rendimiento frente a sistemas convencionales de reconversión de energía

(turbinas a gas, motores a gas o diesel), pudiendo llegar a duplicarse el rendimiento para sistemas de poca potencia

• baja emisión de ruidos, haciéndolas muy adecuadas para el medio urbano

1242

• limpieza, no emisión de contaminante • bajo mantenimiento requerido del sistema (una visita trimestral o anual rutinaria

de carácter preventivo; y sustitución del stack a los 5-10 años). El coste estimado de O&M es de 1 a 2 �/kWh producido (2)

Pero: • Alto coste actual: aprox. 2000-3000 �/kW para las pilas de combustible a baja

temperatura, que debe disminuir grandemente para llegar a una tecnología industrialmente competitiva. Esto pasa por una mejora de la tecnología que permita abaratar costes de: a) membranas: (actualmente entre 300 y 450 �/m2, siendo necesarios aproximadamente unos 5 a 10 cm2/W) su coste debería disminuir fuertemente (20�/m2) gracias a una optimización de la fabricación de éstas; b) catalizadores: (con una concentración en Pt de aprox. 0.6-1 mg / cm2, cuyo coste oscila en torno a los 15 �/g) una reducción del coste asociado a éstos pasaría por una disminución de su concentración en los electrodos, o bien por su sustitución por otros materiales (carburos de Tungsteno son ensayados para el ánodo y cianinas metálicas para el cátodo); c) placas de interconexión: (generalmente en grafito no poroso, de coste elevado y normalmente no citado) a ser sustituidas por moldes más adaptados a la fabricación en serie (1).

• Se prevé que los costes de pilas de combustible a baja temperatura que se vean disminuidos hasta un tercio de los actuales en los próximos 10 años (asumiendo inversiones importantes y éxito en las aplicaciones estacionarias prototipo), lo que se acercaría a valores razonables de entrada en mercado (2).

• Necesidad de una alta pureza en el hidrógeno que alimenta la pila, debido a un envenenamiento de los electrodos. En el caso que abordamos, el del hidrógeno producido por electrolisis de agua gracias a energías renovables, esto no es un problema, puesto que se obtiene H2 puro, mediante un proceso además exento de emisiones contaminantes.

• Se trata pues, de una tecnología que debe continuar su desarrollo y mejora para llegar a alcanzar los costes de penetración y de mantenimiento en el mercado, y un alargamiento de vida y satisfacción final.

• A continuación se exponen las tecnologías de pilas de combustibles existentes actualmente, sus parámetros operacionales y sus aplicaciones: � ��� ��� � � ��� � �� ��� � � � ��� � � ��� �

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Tabla 1 : tipos de tecnologías y características principales de pilas de combustible

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PEM FC Las pilas que mejor se adaptan a los requerimientos de un sistema alimentado básicamente por energías renovables son las pilas a polímero sólido o de membrana. Esto se debe a su gran densidad de energía producida, así como a que operan a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente, permitiendo el funcionamiento en arranque-parada.

Son alimentadas directamente con hidrógeno (también lo pueden ser con metanol).

A continuación se expone su principio de funcionamiento, que no difiere del general para una pila genérica, y una imagen de su acabado final. Estas pilas son muy compactas.

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Figura 3 : Pila a combustible de membrana PEM(2), principio de funcionamiento e imagen

(3) INTEGRACIÓN DE PILAS DE COMBUSTIBLE EN SISTEMAS AUTÓNOMOS BASADOS EN ENERGIAS RENOVABLES

La principal razón pues para la integración de una pila a combustible en sistemas autónomos es la de proveer al sistema de una alta fiabilidad, y la de optimizar costes, reduciendo el tamaño de generador y batería.

Pueden abordarse varios tipos de esquemas de principio. Los dos esquemas básicos de principio, que han sido los considerados en el proyecto FIRST (Fuel cell Innovative Remote Systems for Telecom), más adelante descrito, son:

A) Sistema en el que la Pila a Combustible se alimenta del hidrógeno almacenado en depósitos que son rellenados cada cierto tiempo. El principio de funcionamiento es paralelo al de un sistema con grupo�uxiliar diesel de apoyo, alimentado por un tanque de combustible que se rellena cada cierto tiempo.

1244

B) Sistema que incorpora, además, un electrolizador, que es el encargado de producir el hidrógeno que se almacenará en los depósitos durante los periodos de máxima radiación, y que será utilizado posteriormente en la pila cuando la radiación/viento no sea suficiente para que el sistema renovables asuma la carga de batería y el abastecimiento al consumo.

En este caso, el proceso de producción de hidrógeno consume parte de la energía producida, pero ésta no hubiera sido aprovechada, y además conseguimos un sistema que no necesita un desplazamiento de logística y técnicos operadores para el rellenado de los depósitos de hidrógeno, con lo que se disminuyen los costes de operación.

Diseño y esquema de principio El diseño de este tipo de sistemas está basado en una optimización de costes a lo largo de la vida del proyecto. Para ello se puede implementar un software en el que:

• se recogen una serie de datos de entrada: o datos de consumo: potencia, consumo diario, tensión del sistema a ser

alimentado o datos de recurso renovables: radiación (inclinación y orientación de

paneles) velocidades y frecuencias de viento en el lugar donde el sistema energético vaya a ser instalado

o condiciones de contorno: � 100% de fiabilidad o abastecimiento a la carga en todo momento � Volúmenes máximos en depósitos de almacenamiento � Potencia de la Pila ajustada a la potencia de consumo (teniendo

en cuenta eficiencia de convertidores) � ...

• se calculan los rangos de tamaños para los diferentes componentes que constituyen el sistema, y los costes asociados a éstos (�/W)

• se estiman los costes de instalación, reparación y mantenimiento; así como de combustible (hidrógeno, diesel si ha lugar), previendo posibles escenarios en los que estos precios se modifiquen

Una vez recogidos estos datos, se utiliza un algoritmo de optimización para obtener los tamaños óptimos de los equipos que constituyen el sistema energético. En la descripción del proyecto FIRST se exponen, a título ilustrativo, varios resultados e interpretación de la simulación que se realizó.

EJEMPLO DE APLICACIÓN: FIRST PROJECT Este proyecto, iniciado en el 2000 y englobado dentro del V Programa Marco (EU Contract: ERK5-CT-1999-00018), tiene como misión analizar la fiabilidad y eficiencia de la introducción del hidrógeno y pilas de combustible en sistemas remotos para telecomunicaciones, así como el desarrollo de estos sistemas de generación. Los objetivos inmediatos son analizar la disminución de costes del sistema de generación, y el funcionamiento en campo de éste. El consorcio de empresas que lo lideran está formado por: (1) INTA (2) AIR LIQUIDE (3) Fraunhofer-Gesellschaft zur Foerderung der angewandten Forschung e.V. (Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE) (4) Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) (5) Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) (6) NUVERA Fuel Cells Europe S.r.l. (NUVERA) (7) Würth Eleektronik GmbH&Co.KG

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(WÜRTH) (8) Instalciones Abengoa, INABENSA S.A (9) CHLORIDE BOAR S.A. (10) ISOFOTON S.A. (11) GREENCELL El proyecto consiste en el diseño, instalación y análisis de resultados de dos tipologías de sistemas (Showcase 1 y Showcase 2), conforme a los esquemas de principio (A y B) descritos.�

� �Figuras 4 y 5: esquemas de bloques de los dos Showcases del proyecto FIRST

DISEÑO Y ESTIMACIÓN DE RESULTADOS EN AMBOS SHOWCASES: En ambos esquemas el equipo de telecomunicaciones a alimentar tiene una potencia de 150 W y un consumo estimado en 3.6 kWh/día.

En ambos casos, la pila a combustible opera en periodos prolongados de baja radiación, cuando la batería está descargada.

En el showcase 1), en el que bombonas de H2 son reemplazadas periódicamente, la pila aporta la necesaria fiabilidad en el abastecimiento de energía, ligada a un rellenado de estos depósitos. La ventaja de este sistema frente a uno que empleara un grupo diesel convencional es el menor mantenimiento requerido.

En un software (TALCO: Technical and Least Cost Optimization) que efectúa un cálculo de optimización con un algoritmo basado en un principio genético, se introducen los datos de entrada (condiciones de contorno, costes y potencias asociadas a los diferentes elementos constitutivos del sistema), y se analizan los resultados y la sensibilidad de parámetros como el coste de la pila o de Wp fotovoltaico instalado o el tamaño de la batería.

Ha sido necesario establecer algunas premisas especiales (tales como una autonomía mínima del sistema; o, debido a la dificultad de establecer un ratio realista en el coste de la pila a combustible, establecer la premisa de un coste mínimo en todo caso para ésta y no dotar al resultado de sensibilidad a su tamaño y coste -en este caso se ha puesto a disposición del proyecto una pila ya existente y utilizada en Nuvera-). Parámetros que se han demostrado cruciales en el análisis final de costes son por ejemplo, el coste del hidrógeno con el que se rellenan las bombonas (veremos un ejemplo a continuación), o también la asunción de consumo durante el día o durante la noche (que puede llevar a diferencias en el ahorro de entre un 3 y 5%).

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Veamos algunos resultados de simulaciones realizadas para una latitud correspondiente a Madrid y a Freiburg, con el generador orientado e inclinado óptimamente, para el caso de sistema, con pila, que alimente carga nocturna y el correspondiente sistema sin pila; así como el caso en el que se produjera un descenso del precio del H2 para Madrid:�

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Tabla 2: resultados de simulación para Showcase 1 y diferentes escenarios (7)

Podemos concluir de aquí que este sistema resulta mucho más interesante en latitudes con mayor diferenciación estacional y peores condiciones climáticas para la instalación de fotovoltaica (40% de ahorro inicial en Freiburg frente al 12% en Madrid). Y que, en caso de una disminución del coste de H2 en un 50% se duplica el ahorro calculado con el coste actual (pasaríamos de un 12 a un 25 %). Igualmente, un abaratamiento del sistema de almacenamiento de hidrógeno y la utilización de electrónica estándar (el DC/DC, notablemente) mejoraría estos resultados.

En el showcase 2), un electrolizador produce durante los periodos más soleados una acumulación de hidrógeno en tanques a base de hidruros metálicos de hidrógeno que será consumido por la pila a combustible en periodos de baja radiación, permiten ser instalados allí donde el acceso de actividades de mantenimiento es difícil y la red eléctrica está lejos. Se trata de un sistema en el que se aumenta la fiabilidad de la alimentación de la carga, y en el que el mantenimiento se reduce significativamente.

En este caso, las especificaciones de la pila fueron las mismas: asumir la potencia de consumo (un nº mínimo de 29 células de 25-70 cm2 fue requerido, para obtener tensiones adecuadas de funcionamiento; se tomaron finalmente 36 células, a 16 A). Se presentó el problema de que, al igual que la pila, el electrolizador requerido y los depósitos de hidruros metálicos no eran equipos comerciales en el mercado, se determinó fijar un tamaño para ambos:

- 30 celdas en el electrolizador, para obtener las temperaturas y presiones necesarias (30 bar, requeridos para el relleno de los depósitos de hidrógeno);

- y 70 Nm3 para el depósito, teniendo en cuenta que, al fabricar éstos artesanalmente con productos importados en muchas ocasiones, su coste resultaba el triple que el de las baterías de plomo ácido, siendo además su eficiencia energética tres veces inferior. Con lo que: a) se decidió ajustar el volumen de los depósitos a las limitaciones financieras del proyecto para este aspecto y b) considerar su coste, para simulación, igual al precio requerido para que este sistema fuera competitivo.

1247

El tamaño del generador fotovoltaico se vería reducido con un aumento en el volumen de acumulación (aproximadamente en un 15% cada vez que doblamos la capacidad) puesto que habría una cantidad mayor de hidrógeno para proveer la energía necesaria en invierno.

Premisas usadas además en el diseño del sistema fueron: consumo en emisión durante la noche (para asegurar suministro en las condiciones menos favorables a este respecto), asunción del 100% del consumo bajo cualquier circunstancia (100% fiabilidad).

El sistema finalmente instalado está compuesto finalmente por un generador FV de 1525 W, batería a 48V de 404 Ah, depósitos para 70 Nm3 de hidrógeno, electrolizador de 30 celdas en serie, pila a combustible de 36 celdas a 16 A.

Estos sistemas se hayan actualmente instalados en las instalaciones del INTA en Torrejón y del CIEMAT en Ciudad Universitaria, y hasta día de hoy, funcionan correctamente. Es necesario, sin embargo, esperar a estaciones con menos radiación para poder tomar datos acerca del funcionamiento en condiciones reales del conjunto con la pila de combustible operativa. El análisis de estos datos permitirá obtener conclusiones acerca de la fiabilidad de estos sistemas y que permitan la mejora de sistemas futuros.

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Figura 6 Algunas fotos de los equipos instalados en el proyecto FIRST

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(4) OTROS SISTEMAS

En la actualidad ISOFOTON está acometiendo la constitución de un prototipo que sigue la filosofía del Showcase II, y cuyo objetivo es la consecución de un sistema replicable y que pueda ser instalado allí donde resulta rentable (sistemas autónomos de entre 0.5 a 500 kW, y alejados de la red eléctrica)

El sistema estaría constituido por los siguientes elementos: • Generador fotovoltaico (de unos 10 kW) y • Generador eólico (4-6 kW) • Baterías-tampón que permiten estabilizar el bus de continua • Conjunto electrolizador – depósito de H2 – pila de combustible (de 1.5 – 2 kW) • Inversor de alimentación de consumo • Control (EMS –Energy Management System) y accesorios para regulación

Su principio de funcionamiento estaría basado en una alimentación de la carga a partir de energías renovables y a partir de la pila a combustible cuando la generación eólica y fotovoltaica no sea capaz de abastecer la energía necesaria.

Igualmente, cuando la energía producida supere la requerida para consumo, el EMS permitiría que ésta fuera aprovechada para producir y almacenar hidrógeno que será consumido por la pila cuando ésta entre en funcionamiento, cerrando así el ciclo.

Un esquema de bloques básico de este sistema es el siguiente:

�Figura 7 Esquema de principio para prototipo híbrido FV-eólico con pila a combustible y electrolizador

Se pretende con dicho prototipo, alcanzar: • Un diseño que optimice balance energético y costes • La integración de tecnologías • La consecución de un sistema que pueda ser replicable y que aporte una solución

para sistemas remotos fiables o generación distribuida.

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AGRADECIMIENTOS. Muchas gracias a Oscar Perpiñán y Emiliano Perezagua por sus indicaciones, confianza y dedicación.

REFERENCIAS. (1) : Michel PRIGENT Les Piles à Combustible – État du développement et des recherches en cours à l’aube de l’an 2000 –, Institut Français du Petrole, Ed. ISBN (2) : CIRCE – GITEL (Grupo de Ingeniería de Transportes y Logística)Jornada « Hidrógeno y Pilas de Combustible : Estado de la Técnica y Posibilidades en Aragón - 2003” – (3): Antonio L. González García-Conde Hidrógeno Solar , Publicación del INTA I-223/463/90.015 (4): E. Lorenzo & Varios autores Coordinador Gerardo L. Araújo Electricidad Solar Fotovoltaica: Sistemas Fotovoltaicos Autónomos – Ed. Publicaciones E.T.S.I. de Telecomunicaciones ISBN 84-7402-149-9 (5) José Javier Brey Sánchez Las Pilas de combustible como Fuente de Energía Artículo (6) Tim Meyer, Alberto Vegas, Dirk Uwe Saber, Dirk Uwe Saber Integrated Design Approach for Hybrid Systems Abstract para la 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion Joint Conference (Mayo 11 - 18, 2003, Osaka) (7) Hans-Georg Puls, Dirk Uwe Sauer FhG-ISE System design and optimisation software package, Draft for FIRST-DEL-07a-WP05

CORRESPONDENCIA. Interesados dirigirse a Olivia Alonso García, Tél 91 414 78 34, o.alonso@isofoton.com

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