ES1327208U - Sistema de respaldo energetico mediante hidrogeno renovable - Google Patents

Abstract

Un sistema de respaldo energético mediante hidrógeno renovable, caracterizado por que comprende: un sistema de generación de energía renovable (2); un módulo de baterías (3) que comprende una pluralidad de baterías (4) para el almacenamiento de energía eléctrica (5) procedente del sistema de generación de energía renovable (2); un electrolizador (6) para producción de hidrógeno y oxígeno a partir de energía eléctrica (5) procedente del sistema de generación de energía renovable (2); un depósito de hidrógeno (7) para el almacenamiento del hidrógeno procedente del electrolizador (6); una caldera de hidrógeno (8) para, utilizando hidrógeno procedente del depósito de hidrógeno, el suministro de agua caliente (9) a un sistema de calefacción o de agua caliente sanitaria de una instalación (10); un módulo de pilas de combustible (11) que comprende una pluralidad de pilas de combustible (12) para la generación de una corriente eléctrica (13) a partir de la reacción de oxígeno del aire con hidrógeno proveniente del depósito de hidrógeno (7); un depósito de agua (15) para el almacenamiento del agua producida en el módulo de pilas de combustible (11) y el suministro del agua almacenada al electrolizador (6); y un módulo inversor (16) que comprende una pluralidad de inversores (17) para el suministro de una corriente alterna (18) a la instalación (10) a partir de la corriente eléctrica (13, 14) procedente del módulo de pilas de combustible (11) o del módulo de baterías (3).

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0004] SISTEMA DE RESPALDO ENERGÉTICO MEDIANTE HIDRÓGENO RENOVABLE

[0006] Campo de la invención

[0008] La presente invención se engloba en el campo de los sistemas de respaldo energético de una instalación.

[0010] Antecedentes de la invención

[0012] Los sistemas tradicionales de respaldo energético incluyen, entre otros, generadores diésel o de combustibles fósiles y sistemas de almacenamiento energético basados en baterías eléctricas para garantizar el suministro en cortes eléctricos.

[0014] Estos sistemas implementan procesos que no integran almacenamiento y generación en un sistema renovable y flexible.

[0016] La presente invención propone un sistema de respaldo energético basado en hidrógeno que resuelve este problema.

[0018] Descripción de la invención

[0020] La invención se refiere a un sistema de respaldo energético que incluye un sistema de generación de energía renovable, un electrolizador encargado de entregar oxígeno e hidrógeno a partir de la electrólisis del agua, un depósito de hidrógeno para almacenar el hidrógeno producido a baja presión, una serie de pilas de combustible para producción de energía eléctrica y de agua (producida por la reacción del hidrógeno con el oxígeno del aire, y que es utilizada por el electrolizador), una caldera de hidrógeno capaz de operar con una corriente compuesta 100% por hidrógeno para la producción de calor, y una serie de baterías e inversores para el suministro de la energía eléctrica a las instalaciones del hospital.

[0022] En una realización, el sistema de respaldo energético dispone de un electrolizador PEM (Membrana de Intercambio Protónico) de 115 kW, aprovechando tanto la corriente de salida de H<2>como la de O<2>, entregando ambos gases con un punto de rocío que permita su uso en las aplicaciones requeridas. Ambos gases se almacenan en depósitos a presión, a 30 bar en el caso del hidrógeno y a 20 bar en el caso del oxígeno. En el caso del oxígeno, se puede emplear como gas medicinal (en entorno sanitario), como reactivo (en entorno industrial) o como elemento de descontaminación (en entorno de ciclo de agua).

[0024] El hidrógeno puede emplearse en una caldera 100% H<2>dotada de un quemador de 60 kW de potencia útil o bien re-electrificarse en pila de combustible. Para ello, se dispone de una serie de pilas de combustible tipo PEM (pila de Membrana de Intercambio de Protones) que incluyen un sistema de refrigeración, y en las cuales se recupera el calor de refrigeración para su uso en la instalación, así como el agua producida en la reacción del hidrógeno con el oxígeno.

[0026] El sistema de respaldo energético desarrollado presenta varios aspectos innovadores:

[0028] - El uso de hidrógeno verde como principal elemento de almacenamiento de energía. El uso de depósitos de capacidad entre 50 y 57 kg se traduce en una capacidad de entre 1.666,5 kWh y 1.900 kWh de energía almacenada.

[0030] - Integración de un electrolizador de hidrógeno verde de al menos 100 kW para producir hidrógeno a partir de fuentes renovables in situ. De esta forma, se reduce la huella de carbono de la instalación, sustituyendo combustibles fósiles por hidrógeno verde producido in situ.

[0032] - El uso de pilas de combustible de tipo PEM para la re-electrificación del hidrógeno producido para atender, combinado con un sistema de baterías, a la demanda eléctrica de manera que se reduzca la potencia demandada a la red o que se asegure el suministro en caso de fallo de la red (respaldo energético).

[0034] - La recuperación del agua producida en las pilas de combustible, la cual es habitualmente venteada junto con los gases de salida, reintroduciéndola en el ciclo del sistema al emplearla en el electrolizador para producir hidrógeno, reduciendo así el consumo hídrico del sistema.

[0036] - La recuperación del calor producido en las pilas de combustible para su aprovechamiento en las instalaciones del usuario.

[0038] - El enfoque modular del sistema de pilas de combustible e inversores, permitiendo operar las mismas de forma independiente, asegurando que, en caso de avería o fallo de una de ellas, siempre que no afecte a la seguridad del sistema completo, será posible mantener el funcionamiento de la solución a carga parcial.

[0039] - El almacenamiento del oxígeno producido en el electrolizador para su uso posterior, un subproducto que habitualmente se ventea a la atmósfera (en electrolizadores tipo PEM, debido a la baja presión de salida de este gas, no es habitual dar uso a este). El alcance de las actuaciones asociadas a esta innovación incluye el secado del gas producido y la instalación de un depósito donde se almacenará el oxígeno con un contenido en agua inferior al límite máximo marcado por la Real Farmacopea Española para el oxígeno medicinal a la presión de 20 bar. Por otro lado, el oxígeno de electrólisis se puede aprovechar para el tratamiento de agua.

[0041] - El uso de una caldera de combustión con un quemador preparado para el funcionamiento con una corriente con una composición 100% hidrógeno, para la generación de calor en las instalaciones del usuario, lo que permitirá reducir el consumo total de gas natural en dichas instalaciones para la generación de calor.

[0042] - Mayor autonomía energética y resiliencia de la instalación, al disponer de un sistema de respaldo híbrido con pilas de combustible y baterías que puede operar durante cortes de suministro eléctrico.

[0044] La invención implementa un enfoque modular en el sistema de electrólisis que permite la operación de agrupaciones de celdas de electrólisis (“stacks”) de forma paralela o, en caso de así requerirse, aislada, evitando interrumpir por completo la producción de hidrógeno ante averías en determinadas agrupaciones de celdas siempre que esto no suponga un riesgo para el resto de la instalación. Para aislar el “stack” no operativo se accionan unas válvulas manuales y se reconectan los cables de alimentación del resto de los “stacks” disponibles. Para las pilas de combustible también se adopta un sistema modular, en el que la potencia total de pilas de combustible se divide en varios equipos, lo que permite continuar produciendo energía eléctrica a carga parcial en caso de avería de alguno de los equipos, siempre que esto sea posible y no suponga un riesgo para el resto de la instalación.

[0046] Por otro lado, destaca como innovación la recuperación del calor de pilas de combustible tipo PEM debido a la moderada temperatura habitual de operación de estas, puesto que el sistema permite recuperar parte del calor de la reacción o las pérdidas de rendimiento asociadas.

[0048] Breve descripción de los dibujos

[0050] A continuación, se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.

[0052] La Figura 1 muestra esquemática una realización del sistema de respaldo energético de la presente invención.

[0054] La Figura 2 ilustra otra realización del sistema de respaldo energético.

[0056] La Figura 3 muestra los componentes del sistema de recuperación de calor del módulo de pilas de combustible.

[0058] Descripción detallada de la invención

[0060] LaFigura 1muestra de manera esquemática una realización de un sistema de respaldo energético 1 para generación, almacenamiento y aprovechamiento dual de energía eléctrica y térmica mediante hidrógeno renovable en una instalación.

[0062] El sistema de respaldo energético 1 comprende un sistema de generación de energía renovable 2 (e.g., mediante paneles solares o generador eólico). Un módulo de baterías 3, el cual comprende una pluralidad de baterías 4, se encarga de almacenar energía eléctrica 5 producida por el sistema de generación de energía renovable 2. Un electrolizador 6 también recibe energía eléctrica 5 generada por el sistema de generación de energía renovable 2 para la producción de hidrógeno y oxígeno. La energía eléctrica 5 generada por el sistema de generación de energía renovable 2 puede ser proporcionada simultáneamente, o alternadamente, al electrolizador 6 y al módulo de baterías 3.

[0064] El hidrógeno producido en el electrolizador 6 se almacena en un depósito de hidrógeno 7. Una caldera de hidrógeno 8 emplea dicho hidrógeno almacenado en el depósito de hidrógeno 7 para proporcionar agua caliente 9 a un sistema de calefacción o de agua caliente sanitaria de una instalación 10. La instalación puede estar formada, por ejemplo, por un edificio o un conjunto de edificios (e.g., un hospital). El hidrógeno almacenado en el depósito de hidrógeno 7 es además empleado por un módulo de pilas de combustible 11, el cual comprende una pluralidad de pilas de combustible 12, para generar una corriente eléctrica 13 a partir de la reacción de oxígeno del aire con dicho hidrógeno.

[0066] El agua producida como subproducto de la reacción en el módulo de pilas de combustible 11 se almacena en un depósito de agua 15. El electrolizador 6 recibe el agua necesaria para la electrólisis de dicho depósito de agua 15 y de la red de suministro de agua de la instalación.

[0068] Un módulo inversor 16, que comprende una pluralidad de inversores 17, se encarga de suministrar corriente alterna 18 a la instalación 10 (para alimentar el sistema de iluminación, los dispositivos y las máquinas de la instalación) a partir de la corriente eléctrica 13 proporcionada por el módulo de pilas de combustible 11, la corriente eléctrica 14 proporcionada por el módulo de baterías 3 o por ambos. Cuando la demanda de potencia requerida por la instalación 10 es inferior a la proporcionada por el módulo de pilas de combustible 11, la energía excedente puede proporcionarse (mediante la corriente eléctrica 19) al módulo de baterías 3 para recargar las baterías 4.

[0070] LaFigura 2ilustra los componentes del sistema de respaldo energético 1 de acuerdo a otra posible realización. En este ejemplo el electrolizador 6 está formado por una pluralidad de agrupaciones de celdas de electrólisis 20 (“stacks”) de la misma o diferente potencia (e.g, 4 stacks de 25 kW y 1 stack de 15 kW para un total de 115 kW). En una realización, el electrolizador 6 es un electrolizador PEM.

[0072] En esta realización el sistema de respaldo energético 1 comprende un sistema de secado de oxígeno 21 y un depósito de oxígeno 22 para almacenar el oxígeno producido en el electrolizador 6. El oxígeno proveniente de la electrólisis, almacenado en el depósito de oxígeno 22 a una determinada presión (e.g.20 bar), puede emplearse para el tratamiento de agua o para uso médico (e.g., en un hospital), entre otras aplicaciones.

[0074] El sistema de respaldo energético 1 ilustrado en la Figura 2 también comprende un sistema de purificación de hidrógeno 23 para eliminar, mediante un proceso DeOxo, el oxígeno en el hidrógeno producido en el electrolizador 6, y un sistema de secado de hidrógeno 24, previo al almacenamiento de hidrógeno en el depósito de hidrógeno 7, para eliminar las trazas de contaminantes indeseados para el funcionamiento de las pilas de combustible. El hidrógeno se almacena en el depósito de hidrógeno 7 a una determinada presión (e.g., 30 bar).

[0076] El sistema de respaldo energético 1 comprende al menos un separador de agua 25 para separar el agua producida en el módulo de pilas de combustible 11, y una unidad de tratamiento de agua 26 para suministrar agua pura al depósito de agua 15 mediante una o varias bombas de agua. En una realización, cada pila de combustible 12 tiene un depósito donde se deposita el agua recuperada por el ciclón de separación de agua, estando todos los depósitos conectados de manera que una única tubería de salida ingresa en la bomba de recuperación de agua, que la inyecta en el electrolizador 6. Tras la conexión de entrada de agua, el electrolizador 6 integra la unidad de tratamiento de agua 26, el depósito de agua 15 (depósito principal de almacenamiento de agua tratada) y bombas para alimentación de las agrupaciones de celdas de electrólisis 20.

[0078] En la realización mostrada en la Figura 2 el módulo de pilas de combustible 11 emplea un primer conjunto 27 de pilas de combustible de la misma potencia y un segundo conjunto 28 de pilas de combustible de diferente tipo y/o potencia. Por ejemplo, el primer conjunto 27 puede incluir cuatro pilas tipo PEM de 53 kW, depósitos de recuperación de agua, vasos de expansión, ciclones de separación de agua, intercambiadores de calor de placas y válvulas de regulación de temperatura pilotadas. El sistema de respaldo energético 1 puede incluir un sistema de refrigeración (e.g. mediante una bomba de agua) para refrigerar las pilas de combustible 12, y una válvula de equilibrado de caudal entre colector de impulsión y retorno del sistema de refrigeración para asegurar el correcto funcionamiento de la bomba de recirculación de agua de refrigeración ante caudales de operación reducidos. En una realización, el segundo conjunto 28 incluye una pila tipo PEM (empleando como GDLs y PTLs la tecnología descrita en el documento ES2858273-A1) de 10 kW, convertidor DC/DC, inversor, batería de 6,5 kWh y sistema de refrigeración por aire.

[0080] En una realización, la caldera de hidrógeno 8 incluye un quemador de 60 kW, un intercambiador de calor y una bomba de recirculación. El módulo de baterías 3 de la Figura 2 incluye ocho conjuntos de baterías 3 (e.g. cuatro conjuntos de 18,44 KWh formado por cuatro baterías en el primer caso y cuatro conjuntos de 36,88 KWh formado por ocho baterías en el segundo caso), con sus respectivos sistemas de gestión de batería. El módulo inversor 16 se implementa, en una realización, en ocho inversores híbridos trifásicos 17 de 50 kW.

[0082] En armarios eléctricos se incluyen protecciones eléctricas frente a sobrecargas, cortocircuitos, contactos directos e indirectos (fusibles, interruptores magnetotérmicos, interruptores diferenciales), convertidores DC/DC para las pilas de combustible PEM y fuentes de alimentación de 400 VDC y de 24 VDC.

[0084] En una realización, donde la instalación 10 es un hospital, el oxígeno se produce a una presión de hasta 20 bar, pasando por una etapa de secado para adecuarlo a los requisitos de la Real Farmacopea Española (concentración mínima del 99,5%, con concentraciones máximas de 5 ppm de CO, 300 ppm de CO<2>y 67 ppm de H<2>O), quedando a disposición del hospital en el depósito de oxígeno 22 con capacidad para almacenar 203 kg de O<2>a 35ºC para que, tras llevar a cabo cuantas actuaciones resulten necesarias conforme a la normativa aplicable para poder introducirlo en la red interna del centro cumpliendo con las especificaciones y aspectos técnicos y de seguridad aplicables, puedan emplearlo como gas medicinal.

[0086] En el caso del hidrógeno, este es producido hasta una presión máxima de 30 bar, siendo sometido a un proceso DeOxo para retirar las posibles trazas de oxígeno en el mismo y posteriormente una etapa de secado, logrando así una calidad 5.0, adecuada para el uso en las pilas de combustible. Este gas se almacena en el depósito de hidrógeno 7 con capacidad para contener hasta 50 kg de H<2>a una temperatura de 35ºC. Tras su almacenamiento, el hidrógeno se emplea en la caldera de hidrógeno 8 para la producción de calor para el sistema de calefacción de la instalación, con una potencia del quemador de 60 kW, instalada en una sala de calderas de la instalación (e.g. un hospital).

[0088] Por otro lado, el hidrógeno puede re-electrificarse en las pilas de combustible 12. En una realización, las pilas de combustible incluyen cuatro pilas comerciales de 53 kW brutos cada una, de refrigeración líquida, de las cuales se recupera el calor asociado a la refrigeración para su uso en las instalaciones de la instalación, así como el agua producida en la reacción que tiene lugar en las mismas para su inyección en la alimentación al electrolizador 6, más un sistema adicional de pila de combustible de 10 kW que cuenta con GDLs de nuevo desarrollo.

[0090] El sistema está dotado de múltiples inversores. En el ejemplo de la Figura 2 se emplean ocho inversores, cada uno de ellos con su propio sistema de baterías, con una capacidad de 18,44 kWh o 36,88 kWh según el caso, resultando en una capacidad útil total de baterías de 221 kWh. Además, la pila de combustible 10 kW cuenta igualmente con un inversor adicional y una batería de 6,5 kWh.

[0092] La invención utiliza un enfoque modular, dada la multiplicidad de agrupaciones de celdas de electrólisis 20, pilas de combustible 12 e inversores 17, dotando al sistema de capacidad para continuar operando a carga parcial en caso de avería o mantenimiento, aislando el elemento afectado y evitando la pérdida total de funcionamiento del sistema ante un fallo que no afecte a todo el sistema o elementos críticos del mismo.

[0093] El sistema de respaldo energético 1 provee de energía a ciertos elementos críticos de la instalación 10 en caso de fallo de la red eléctrica. Esta función de respaldo energético puede desarrollarse gracias a las pilas de combustible y las baterías, siendo estas últimas los elementos que proporcionan potencia en primera instancia o ante picos rápidos y no sostenidos de demanda, mientras las pilas de combustible, con un arranque y dinámica más lenta, se ponen en marcha.

[0095] En una realización, el sistema de respaldo energético 1 comprende una bomba de refrigeración encargada de refrigerar el módulo de pilas de combustible 11 y un intercambiador de calor para aprovechar el calor generado en la refrigeración del módulo de pilas de combustible 11 en el sistema de calefacción o de agua caliente sanitaria de la instalación.

[0097] LaFigura 3incluye una representación esquemática del sistema de recuperación de calor 30 del módulo de pilas de combustible 11, mostrando los elementos que permiten recuperar parte del calor de la reacción de las pilas de combustible 12. En este ejemplo, el sistema de recuperación de calor está aplicado al primer conjunto 27 de pilas de combustible de la Figura 2. El sistema de recuperación de calor 30 incluye un sistema de refrigeración que comprende una bomba de refrigeración 31 (i.e. bomba de recirculación de agua de refrigeración 32), un intercambiador de calor 33 con su correspondiente válvula de regulación de temperatura 34 por cada pila de combustible 12, y una válvula de equilibrado de caudal 35 entre el colector de impulsión 36 y el colector de retorno 37 del sistema de refrigeración para garantizar el correcto funcionamiento de la bomba de refrigeración 31 ante caudales de operación reducidos. El sistema de recuperación de calor 30 proporciona, a la salida del colector de retorno 37, agua caliente 9 al sistema de calefacción (o de agua caliente sanitaria) de la instalación 10.

Claims (8)

1. REIVINDICACIONES

1. Un sistema de respaldo energético mediante hidrógeno renovable, caracterizado por que comprende:

un sistema de generación de energía renovable (2);

un módulo de baterías (3) que comprende una pluralidad de baterías (4) para el almacenamiento de energía eléctrica (5) procedente del sistema de generación de energía renovable (2);

un electrolizador (6) para producción de hidrógeno y oxígeno a partir de energía eléctrica (5) procedente del sistema de generación de energía renovable (2);

un depósito de hidrógeno (7) para el almacenamiento del hidrógeno procedente del electrolizador (6);

una caldera de hidrógeno (8) para, utilizando hidrógeno procedente del depósito de hidrógeno, el suministro de agua caliente (9) a un sistema de calefacción o de agua caliente sanitaria de una instalación (10);

un módulo de pilas de combustible (11) que comprende una pluralidad de pilas de combustible (12) para la generación de una corriente eléctrica (13) a partir de la reacción de oxígeno del aire con hidrógeno proveniente del depósito de hidrógeno (7);

un depósito de agua (15) para el almacenamiento del agua producida en el módulo de pilas de combustible (11) y el suministro del agua almacenada al electrolizador (6); y

un módulo inversor (16) que comprende una pluralidad de inversores (17) para el suministro de una corriente alterna (18) a la instalación (10) a partir de la corriente eléctrica (13, 14) procedente del módulo de pilas de combustible (11) o del módulo de baterías (3).

2. El sistema de respaldo energético según la reivindicación 1, caracterizado por que comprende un sistema de secado de oxígeno (21) y un depósito de oxígeno (22) para el almacenamiento del oxígeno procedente del electrolizador (6).

3. El sistema de respaldo energético según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende un sistema de purificación de hidrógeno (23) para la eliminación del oxígeno en el hidrógeno procedente del electrolizador (6), y un sistema de secado de hidrógeno (24).

4. El sistema de respaldo energético según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende al menos un separador de agua (25) para la separación del

agua procedente del módulo de pilas de combustible (11), y una unidad de tratamiento de agua (26) para el suministro de agua pura al depósito de agua (15).

5. El sistema de respaldo energético según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende un sistema de recuperación de calor (30) que incluye una bomba de refrigeración (31) para la refrigeración de al menos una pila de combustible (12) del módulo de pilas de combustible (11), un intercambiador de calor (33) en cada pila de combustible (12), un colector de impulsión (36) y un colector de retorno (37) para el suministro de agua caliente (9) al sistema de calefacción o de agua caliente sanitaria de la instalación (10).

6. El sistema de respaldo energético según la reivindicación 5, caracterizado por que el sistema de recuperación de calor (30) comprende además una válvula de equilibrado de caudal (35) entre el colector de impulsión (36) y el colector de retorno (37).

7. El sistema de respaldo energético según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el electrolizador (6) es un electrolizador de Membrana de Intercambio Protónico, PEM.

8. El sistema de respaldo energético según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el módulo de pilas de combustible (11) incluye una pluralidad de pilas de combustible (12) tipo pila de Membrana de Intercambio de Protones, PEM.