11 rafael luque electrolisis
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Producción de hidrógeno por electrolisis de agua. Utilización de energías
renovables.
Producción de hidrógeno por electrolisis de agua. Utilización de energías
renovables.Rafael Luque Berruezo
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Ariema. Empresa independiente española nº 1en hidrógeno y pilas de combustible
Ariema. Empresa independiente española nº 1en hidrógeno y pilas de combustible
La ventana hacia una visión diferente de la energía
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� INTA- Huelva, 1990. Producción de H2 Solar.
� 2002: nace ARIEMA como Spin Off tecnológica del
INTA
� 2006: nace ARIEMA Enerxía S.L., con Sede en
Santiago de Compostela
� 2009: Participación en H2Nitidor
ARIEMA
�Departamentos:� I+D (propia y subcontratada)
� Consultoría. H2&FC, energía…
� Gestión Técnica (Plataformas Tecnológicas, Asociaciones, formación, difusión…)
� Pesca y Acuicultura.
� Equipos e Instalaciones (Pilas de combustible, compresores de hidrógeno, “llave en mano”…)
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Depto. de I+D
20 años de experiencia. Desde 1990 en proyectos INTA:� CITYCELL. Proyecto europeo de desarrollo del autobús de
hidrógeno IRISBUS para Madrid.
� FIRST. Proyecto europeo de energía solar con hidrógeno y pilas de combustible para telecomunicaciones
� FCTESTNET. Proyecto europeo para establecer una Red Europea de estandarización y ensayos de pilas de combustible
� FEBUSS. Proyecto europeo de desarrollo de pilas de combustible para autobuses, tranvías y aplicaciones estacionarias
� EIHP. Proyecto europeo para la normalización de vehículos de hidrógeno
� Otros proyectos INTA: Producción, purificación y almacenamiento de hidrógeno. Pilas de combustible alcalinas, de ácido fosfórico y PEM. Integración. Aplicaciones espaciales. Aplicaciones a submarinos
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Depto. de I+D
Desde 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 participó
como proveedor de “llave en mano” del Instituto Tecnológico de Canarias.� PSE Minieólica. ARIEMA participa subcontratada por el Centro Tecnológico
de la Pesca de Celeiro (Lugo) en la producción de hidrógeno eólico.� PSE SINTER. Proveedores de sistema de electrolisis y compresor.� ITHER (Aragón) proveedores de pila de combustible. � HYDROSOLAR 21 (Burgos) proveedores de pila de combustible.
Como socios:� PSE Peixe Verde (mejoras energéticas en barcos de pesca)� CENIT SPHERA (uso de H2 en barcos)� APACHE. Embarcación de limpieza de puertos propulsada con pila de
combustible de hidrógeno� PROFIT PILAGAS. Uso de pila MCFC con hidrógeno procedente de carbón.
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 español de hidrógeno
� Financiado por Min. Industria vía CDTI.
� Socios: Gas Natural, Acciona, ARIEMA, REPSOL-YPF…
� Presupuesto: 30 M€, subvención 15 M€
� ARIEMA: � Preparación� I+D propia: uso de H2&FC en barcos.
� I+D subcontratada para 2 socios
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APACHE
�Financiado por Xunta de Galicia
�propulsión con motor eléctrico, pila
PEM de 400 W, almacenamiento en
hidruros metálicos.
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PSE Minieólica
�Liderado por CIEMAT
�ARIEMA realiza:
� Una instalación de producción de hidrógeno por electrolisis, con convertidor y sistema de control.
� Un sistema de almacenamiento en hidruros metálicos
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Depto. Consultoría:
�Algunos CLIENTES:
� Acciona
� Boeing
� Ferrovial Agroman
� Gamesa
� Repsol-YPF
� Centro Nacional del Hidrógeno (Puertollano)
� INTERES (Min. de Industria)
� Junta de C. de Castilla-La Mancha
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RES2H2: Integración de renovables e hidrógeno
Cliente: Instituto Tecnológico de Canarias (ITC)Financia: 6º PM UE6 pilasPotencia total: 30 kW
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RES2H2
Instalación y puesta en marcha entre junio y octubre
de 2007
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� En el último año, ARIEMA ha realizado en España 5 instalaciones de producción de hidrógeno por electrolisis.
� Ejemplo: electrolizador 5kW + depósito + compresor 200 bar, para Centro Nacional del Hidrógeno.
La limitación para los coches a hidrógeno está en la disponibilidad de éste combustible
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� Un coche de hidrógeno, con pila de
combustible, es un coche eléctrico que
produce la electricidad a bordo,
logrando:
�Más autonomía (aprox. 2 o 3 veces+)
�Mínimo tiempo de recarga (minutos,
no horas)
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Hidrógeno en el transporte
�Hay más de 200 coches
�Más de 50 autobuses
�40 bicis y motos
�30 vehículos de uso industrial
�4 trenes
�18 barcos
�16 aviones
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Estaciones de servicio de Hidrógeno
�Una buena opción: electrolisis
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Hidrógeno electrolítico
�Inconvenientes:
� Precio muy dependiente de coste de electricidad
� Apenas hay mercado: Equipos aún costosos y mejorables por producción “artesanal”
�Ventajas:
� Alta pureza (muy bueno para pilas de comb.)
� Producción fácil “in situ”
� Operación posible en régimen variable (bueno para renovables)
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La experiencia en España
Planta de producción de Hidrógeno con energía solar. INTA. Huelva, 1990
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� se parte de una solución acuosa de NaOH o de KOH, para que haya una alta conductividad iónica
�cátodo: 2 H2O + 2 e- --� 2 OH- + H2
�ánodo: 2 OH- --� H2O + 1/2 O2 + 2 e-
�global: H2O --� H2 + 1/2 O2
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Más rendimiento ���� electrodos más cerca
Celdas Nitidor
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Componentes celda Nitidor
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Más voltaje ���� celdas en serie
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Electrolizador Hydrogenics de 4 stacks
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Norsk Hydro Electrolysers
� Atmospheric ElectrolysersFor 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 25ºC
�∆G = n*F*E=2*96485*E
�E = 1,23 V a 25ºC
�En la práctica se trabaja a 1,8-2,2 V/celda
para vencer principalmente las pérdidas de
energía eléctrica correspondientes a la caída
óhmica en el electrolito y en los electrodos.
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�Una celda con eficiencia igual a 1 requeriría
3,245 Kwh de energía para producir 1 Nm3
de hidrógeno.
�Los electrolizadores industriales trabajan
entre 4.2 y 5 Kwh por Nm3 de hidrógeno
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
� Solución acuosa de KOH o NaOH.
� Con KOH, a igual concentración, 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 eléctrica 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 ánodo y cátodo, y mayor la
eficiencia energética
�cuanto mayor es la temperatura, más rápidamente
se degradarán los materiales del electrolizador, o
bien se tendrán que emplear materiales más caros
�el rango usual de temperaturas de operación 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 cátodo y de acero aleado con níquel para el
ánodo.
�Se han logrado importantes avances en cuanto a
electrocatálisis.
�La composición química y la geometría 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 diseño compacto, las elevadas
densidades de corriente y presiones de operación (hasta varios cientos de bares). La principal desventaja es la vida útil de la membrana.
� Los actuales electrolizadores PEM no son tan maduros como los electrolizadores alcalinos. Se espera que sus características mejoren (coste, capacidad, eficiencia y vida útil)
� Aplicaciones: menos de 2 kW.
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Equipos comerciales
� H2 NITIDOR (Tecnología 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 tecnologías de electrolizadores en desarrollo, que apuntan bien a aumentar la temperatura del proceso, o
bien a aumentar la presión de salida del hidrógeno.
� Los electrolizadores a alta presión ahorran energía para el proceso de compresión que usualmente es necesario después para almacenar el hidrógeno.
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�Datos reales de un equipo comercial
�Metkon alcalino de INTA – Huelva
�5 kW
�1,2 Nm3 H2
�50 V� (tecnología Casale, 20
años en uso)
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Utilización de energíasolar y eólica
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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 operación: en el punto de
intersección de sus curvas i-v, (que debe estar
cerca del pto. de máxima potencia del campo
PV)
�Riesgo de transitorios rápidos: necesario un
sistema de control rápido, que pueda detener la
producción e incluso accionar una purga de gas
inerte si es necesario
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con buffer de baterías
�permite alimentar al electrolizador en condiciones casi estacionarias
�y en las condiciones óptimas de intensidad y voltaje
� las baterías convencionales se adaptan bien a los transitorios
� inconveniente: mayor coste de inversión, y las pérdidas que se producen en las baterías.
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Acoplamiento con seguimiento del punto de
máxima potencia
�con regulador DC/DC con relación de
transformación variable: permite operar en las
condiciones óptimas de voltaje e intensidad, es
decir, en la Curva de Máxima Potencia del
campo fotovoltaico.
�MPPT: Maximum Power Point Tracker
�estos equipos también tienen unas pérdidas,
que son similares a las de un acoplamiento
directo bien diseñado
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con variación en el número de celdas
� un sistema de control varía el número de celdas del electrolizador en operación, en función de la potencia que entrega el campo de paneles (y por tanto en función de la radiación solar incidente).
� El efecto es variar la curva i-v del electrolizador, para aproximarse a la de máxima potencia del campo PV
� Problema: los transitorios que provoca en las celdas que pueden ser conectadas o desconectadas según la radiación
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Electrolisis eólica
�Aplicaciones:
� La Red eléctrica está saturada
� Problemas de evacuación
� Optimización de tarifa
� Otros…
�Mucho interés 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 combustión de
55 kW
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Isla de Utsira (Noruega)
240Tiempo de llenado del tanque (h)
2400Volumen tanques almacenamiento (Nm3)
200Presión almacenamiento H2 (bar)
48Potencia electrolizador (kW)
15Presión salida H2 (bar)
10Capacidad (Nm3/h)
4,1Consumo de energía (kWh/Nm3)
Norsk HydroFabricante electrolizador
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Sotavento (Galicia)
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Sotavento. Disposición equipos
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� CIDETEC / Escuela de Usurbil (San Sebastián)
� Producción solar de H2: electrolizador y
convertidor, con control integrado.
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¿Tiene futuro el hidrógeno?
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