ALMACENAMIENTO ENERGÉTICO

ALMACENAMIENTO ENERGÉTICO
MÓNICA SÁNCHEZ
CENTRO NACIONAL DEL
HIDRÓGENO (CNH2)
Desarrollo de sistemas de producción de hidrógeno
energético por generación alcalina: proyecto DESPHEGA
El proyecto DESPHEGA trabaja en el desarrollo de electrolizadores de tecnología alcalina de
alta potencia y alta eficiencia, para la producción de hidrógeno a partir de fuentes de energía
renovables, y en particular de la energía eólica, con capacidad de operación en condiciones
variables de potencia y sin perjuicio del rendimiento, vida útil, y pureza de los gases producidos.
L
as energías renovables y la eólica en
particular son una de las principales
alternativas para afrontar muchos
de los desafíos que se plantean a futuro
como mitigar el cambio climático mediante la reducción de emisiones de gases de
efecto invernadero, reducción de la fuerte
dependencia energética con otros países y
el desarrollo de tejido industrial nacional.
La energía eólica tiene cada vez más relevancia dentro de los sistemas eléctricos,
en especial en los casos de algunos países
europeos donde su impacto dentro de la
red cada vez es más considerable.
En concreto, España tiene un gran potencial para las energías renovables debido
a su situación geográfica privilegiada respecto a otros países de la Unión Europea
y a un avanzado desarrollo de estas tecnologías especialmente en el sector de la
energía solar y eólica. En los últimos años,
la evolución de las energías renovables ha
sido ascendente, duplicando su producción hasta representar más del 30% de la
producción energética nacional.
Sin embargo, hay que tener en cuenta
que actualmente, el sistema energético
español no está diseñado para la entrada
masiva de estas fuentes de energía, ya que
el aumento en el uso de energías renovables trae ventajas pero también ciertas
complicaciones. Entre ellas, la propiedad
aleatoria en la generación de energía, que
dificulta su ajuste, requiriendo el empleo
de sistemas de almacenamiento energéticos potentes y flexibles, de manera que se
hace cada vez más necesario el desarrollo
de nuevas tecnologías que garanticen el
suministro y aumenten la fiabilidad.
La producción de hidrógeno mediante
electrolisis a partir de energías renovables
se presenta como una tecnología cada vez
26
Sistema electrolisis alcalina 50 kW.
más prometedora, capaz de facilitar esta integración con las energías renovables y de
resolver así el problema de la intermitencia
y variabilidad de estas, ofreciendo la posibilidad de almacenar y transportar la energía.
En términos generales, un electrolizador
consiste en una serie de celdas electroquímicas (stack de electrolisis) donde se lleva
a cabo la reacción electrolítica, mediante la
aplicación de una corriente continua, que
provoca la ruptura de la molécula del agua
con la consiguiente generación de oxígeno e hidrógeno gaseosos en los correspondientes electrodos de la celda.
Aunque los sistemas de electrolisis alcalinos son una tecnología bien conocida en
el sector industrial y es utilizada en grandes instalaciones de fertilizantes o en industrias petroquímicas para la producción
de hidrógeno con fines químicos, la utilización de dicha tecnología en aplicaciones
renovables requiere un desarrollo tecnológico que permita que los electrolizadores
normalmente diseñados para trabajar en
regímenes de potencia continuos, puedan
operar de forma eficiente, económica y
segura en entornos de potencia variable,
propios de fuentes de energía renovables
y en el orden de megavatios, complementando a grandes parques eólicos o plantas
de generación fotovoltaica de este orden
de magnitud.
Actualmente, no existen electrolizadores
comerciales que estén específicamente diseñados y optimizados para su funcionamiento acoplado a energías renovables y
si nos centramos en el mercado español,
no existe ningún proveedor de electrolisis
alcalina, ni un tejido industrial desarrollado
en torno a esta tecnología.
Atendiendo a esta situación, parece obvia la necesidad, a nivel nacional, de desarrollo de electrolizadores de tecnología
alcalina de alta potencia y alta eficiencia,
para la producción de hidrógeno a partir
de fuentes de energía renovables, y en
particular de la energía eólica, con capacidad de operación en condiciones variables
de potencia y sin perjuicio del rendimiento,
vida útil, y pureza de los gases producidos.
Éste es el objetivo del proyecto DESPHEGA: avanzar en el desarrollo de una tecnología clave en el ámbito del hidrógeno de
forma que se pueda iniciar su comercialización en el mercado, ayudando a posicionar a la industria española en un escenaenergética
international
· Nº 136 · OCT13
almacenamiento energético
rio energético basado en el hidrógeno. La
iniciativa está liderada por la empresa Acciona Energía junto con Ingeteam Power
Technology, la Fundación de Hidrógeno de
Aragón y el Centro Nacional del Hidrógeno y financiada por el Ministerio de Economía y Competitividad en su convocatoria
INNPACTO 2010.
Innovación y logros alcanzados
Desde el 2010 y durante los tres años de
vida que lleva el proyecto, todos los miembros del consorcio han trabajado de forma
conjunta y coordinada para alcanzar con
éxito los diferentes logros del proyecto,
investigando a través de toda la cadena
industrial de desarrollo de un electrolizador (materiales, arquitectura del stack y
balance de planta) con un doble objetivo:
la consolidación del diseño a escala real y
la industrialización de los procesos.
La primera de las líneas de trabajo se ha
centrado en el desarrollo de materiales y
componentes de celdas electrolíticas (electrodos, catalizadores y membranas), con el
objetivo de mejorar su eficiencia y aumentar su vida útil. Se ha dedicado especial
interés dentro del proyecto al estudio de
las membranas que separan los electrodos
de las celdas, ya que se consideran una
pieza clave en la electrolisis alcalina al tener una influencia determinante sobre el
rendimiento y eficiencia del proceso. Las
membranas deben presentar no solo una
alta resistencia a la corrosión en ambientes alcalinos y fuertemente oxidantes, sino
también permitir una buena transferencia
de cargas, evitando en todo momento el
‘crossover’ de especies entre el compartimiento anódico y el catódico, es decir la
difusión de hidrógeno en oxígeno y viceversa. Esto último, disminuye la pureza de
los gases generados y puede llegar a crear
concentraciones de mezclas gaseosas potencialmente explosivas. El desarrollo de
estas membranas específicas para electrolisis alcalina se inició en el proyecto CENIT
SPHERA y se ha continuado durante el Innpacto DESPHEGA, contando con la colaboración como entidad subcontratada de
la Universidad de Zaragoza. Como muestra de la relevancia de dichas mejoras hay
que decir que se ha presentado la solicitud
de la patente PCT/ES2011/070884.
En la segunda fase del proyecto, se ha
diseñado y optimizado la arquitectura del
energética
international
· Nº 136 · OCT13
A la izquierda, instalaciones del CNH2 desarrolladas en el proyecto DESPHEGA: banco de ensayos de caracterización de membranas. Derecha: banco de ensayos de stacks de electrolisis alcalina.
stack (apilamiento de celdas electroquímicas conectadas en serie) de electrolisis,
mejorando su fabricabilidad así como su
funcionalidad y rendimiento. Durante esta
fase se han desarrollado varios prototipos
que han sido sometidos a una completa
etapa de caracterización y validación del
funcionamiento. Dicha etapa se ha basado
en operar cada uno de los stacks un mínimo
de 500 horas en continuo tanto en condiciones nominales como en condiciones simuladas de perfiles de energías renovables.
Además, los sistemas han sido sometidos
a protocolos de ensayo de vida acelerada
basados principalmente en ciclos rápidos
de encendidos y apagados, permitiendo así
analizar los puntos críticos de degradación.
Fruto de este esfuerzo, se ha presentado la
solicitud de patente PCT/ES2011/070890.
Por último, como tercera línea de trabajo,
se ha llevado a cabo el estudio y optimización de los diferentes componentes claves
del balance de planta. Aunque el stack de
electrolisis se puede considerar el corazón
del sistema ya que en él se llevan a cabo las
reacciones electroquímicas, para conseguir
un funcionamiento adecuado es necesario
una serie de subsistemas que den soporte a
dicho stack. Entre ellos cabe destacar el trabajo realizado en el diseño de los depósitosseparadores, la gestión térmica del stack y
el sistema de purificación de hidrógeno,
que influyen directamente en la eficiencia y
seguridad del electrolizador.
En base a todo este trabajo, el proyecto ha
culminado con éxito la construcción de un
primer prototipo de sistema de electrolisis
alcalina de 50 kW nominales, y capaz de
alcanzar los 90 kW, el cual ha sido validado
satisfactoriamente y demostrado su funcionamiento frente a perfiles de cargas variables durante varios meses de operación.
El papel del CNH2
El Centro Nacional del Hidrógeno (CNH2)
como instalación cientifico-técnica singular
(ICTS) dedicada en exclusividad a la investigación y desarrollo de las tecnologías del hidrógeno y las pilas de combustible en España
ha tenido un papel clave dentro del proyecto
DESPHEGA, enfocado principalmente a la
experimentación y validación de los prototipos a diferente escala que han sido llevados
a cabo en el marco del proyecto.
Para llevar a cabo esta actividad ha sido
necesario desarrollar, por parte del CNH2,
una serie de instalaciones y bancos de
ensayo diseñados específicamente para
los objetivos del proyecto, asegurando en
todo momento la seguridad del ensayo y
la reproducibilidad de los resultados. (fotos
de las instalaciones)
En conclusión, el proyecto DESPHEGA
ha conseguido un desarrollo tecnológico
nacional muy importante hasta ahora, con
avances notables en diferentes actuaciones y desarrollos en una de las tecnologías
que se consideran claves para sector energético. Sin embargo, queda por delante
mucho camino por recorrer hasta alcanzar
las potencias y requerimientos exigidos por
el mercado de generación de electricidad
y hasta crear un mercado que lleve a un
uso cotidiano de estas tecnologías, lo que
implicará aumentar en próximos años los
medios y recursos dedicados a este fin 7
27