ES2967101T3 - Sistema de electrólisis para la descomposición de agua para formar hidrógeno y oxígeno, y un procedimiento para operar el sistema de electrólisis - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere a un sistema de electrólisis para descomponer agua en hidrógeno y oxígeno usando al menos dos módulos de electrólisis, comprendiendo cada módulo de electrólisis al menos dos celdas electrolíticas, una celda electrolítica que comprende un compartimiento anódico y un compartimiento catódico, estando separado el compartimiento anódico de el compartimento catódico mediante una membrana de intercambio de protones y un dispositivo de conmutación compatible con corriente continua dispuesto eléctricamente en paralelo con al menos un módulo de electrólisis. El sistema de electrólisis se opera mediante al menos dos módulos de electrólisis. Cuando la potencia eléctrica disponible disminuye, al menos un dispositivo de conmutación se cierra. Mediante el dispositivo de conmutación se puentea al menos un módulo de electrólisis. El número de módulos de electrólisis que se ponen en funcionamiento se reduce mediante el número de módulos de electrólisis puenteados. Cuando aumenta la potencia eléctrica disponible, se abre al menos un dispositivo de conmutación. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Sistema de electrólisis para la descomposición de agua para formar hidrógeno y oxígeno, y un procedimiento para operar el sistema de electrólisis
La presente invención hace referencia a un sistema de electrólisis para la descomposición de agua para formar hidrógeno y oxígeno, y a un procedimiento para operar el sistema de electrólisis.
Un electrolizador es un dispositivo que, con la ayuda de corriente eléctrica, provoca una transformación de las sustancias (electrólisis). En correspondencia con la pluralidad de distintas electrólisis también existe una pluralidad de electrolizadores, como por ejemplo un electrolizador para una electrólisis de hidrógeno.
Actualmente se considera el hecho de generar sustancias valiosas procedentes de fuentes de energía renovables en épocas de intenso sol y viento, por tanto, con una generación de energía solar o eólica superior a la media. Una sustancia valiosa en particular puede ser hidrógeno que se genera con electrolizadores de agua. Mediante el hidrógeno, por ejemplo, puede producirse el así llamado E-gas.
En este caso, un electrolizador (de electrólisis de hidrógeno), con la ayuda de la energía eléctrica, en particular de energía eólica o energía solar, genera primero hidrógeno. A continuación el hidrógeno, en un proceso de Sabatier, se utiliza junto con dióxido de carbono para producir metano. El metano, por ejemplo, puede suministrarse a una red de gas natural que ya se encuentra presente, posibilitando con ello un almacenamiento y un transporte de energía hacia el consumidor, reduciendo así la carga de una red eléctrica. De manera alternativa con respecto a ello, el hidrógeno generado por el electrolizador también puede reutilizarse de forma inmediata, por ejemplo para una célula de combustible. En un electrolizador para la electrólisis de hidrógeno, el agua se descompone en hidrógeno y oxígeno. En un electrolizador PEM, habitualmente del lado del ánodo se suministra agua destilada como educto, y en una membrana permeable a protones (del inglés: "Proton-Exchange-Membrane"; PEM, membrana de intercambio de protones) se disocia en hidrógeno y oxígeno. El agua se oxida en el ánodo, formando oxígeno. Los protones atraviesan la membrana permeable a protones. Del lado del cátodo se produce hidrógeno. Una unidad de electrólisis habitualmente comprende al menos cuatro módulos de electrólisis. Un módulo de electrólisis habitualmente comprende 50 células de electrólisis.
La energía que proviene de energías renovables no se encuentra disponible constantemente, en función de las condiciones climáticas. Los electrolizadores PEM, en el caso de una potencia eléctrica disponible más reducida para la electrólisis, pueden funcionar en carga parcial. De manera desventajosa, esto conduce a que baje la temperatura de funcionamiento del electrolizador PEM. Además, el funcionamiento de carga parcial de las células de electrólisis aumenta el envejecimiento de las células de electrólisis, lo cual, de manera desventajosa, tiene como consecuencia un mantenimiento más frecuente de las células de electrólisis. Debido al funcionamiento de carga parcial de las células de electrólisis, de manera desventajosa, también puede modificarse la composición de los gases de producto que provienen de la electrólisis. En las solicitudes WO 2018/066939, DE 198 53 458 A1 y EP 3489 393 A1se describen electrolizadores PEM con funcionamiento de carga parcial o con conmutación de diodos.
Por tanto, el objeto de la presente invención consiste en proporcionar un sistema de electrólisis y un procedimiento para operar un sistema de electrólisis que pueda operarse en carga parcial, superando las desventajas antes mencionadas.
La invención se soluciona con un sistema de electrólisis según la reivindicación 1 y con un procedimiento según la reivindicación 8. El sistema de electrólisis según la invención para la descomposición de agua para formar hidrógeno y oxígeno comprende al menos dos módulos de electrólisis. Cada módulo de electrólisis comprende al menos dos células de electrólisis. Una célula de electrólisis comprende un espacio del ánodo y un espacio del cátodo, donde el espacio del ánodo está separado del espacio del cátodo mediante una membrana de intercambio de protones. Un dispositivo de conmutación apto para corriente continua está conectado de forma eléctricamente paralela con respecto a por lo menos un módulo de electrólisis.
El procedimiento según la invención para operar un sistema de electrólisis para la descomposición de agua para formar hidrógeno y oxígeno, comprende varias etapas. En primer lugar tiene lugar la puesta a disposición de al menos dos módulos de electrólisis, donde cada módulo de electrólisis comprende al menos dos células de electrólisis. Una célula de electrólisis comprende un espacio del ánodo y un espacio del cátodo. El espacio del ánodo está separado del espacio del cátodo mediante una membrana de intercambio de protones. Un dispositivo de conmutación apto para corriente continua está dispuesto de forma eléctricamente paralela con respecto a por lo menos un módulo de electrólisis. Al menos dos módulos de electrólisis son operados mediante corriente eléctrica. Al disminuir una potencia eléctrica disponible para la electrólisis se cierra al menos un dispositivo de conmutación. Al menos un módulo de electrólisis se puentea mediante al menos un dispositivo de conmutación. A continuación se opera el sistema de electrólisis, donde el número de módulos de electrólisis operado está reducido en el número de módulos de electrólisis puenteados. Al aumentar la potencia eléctrica disponible para la electrólisis se abre nuevamente al menos un dispositivo de conmutación.
De manera ventajosa, mediante el puenteo de al menos un módulo de electrólisis es posible operar el sistema de electrólisis en carga parcial, sin que módulos de electrólisis individuales funcionen en carga parcial. La densidad de corriente mediante los módulos de electrólisis restantes que son operados, se mantiene elevada, de manera que se impide un funcionamiento de esos módulos de electrólisis individuales en carga parcial, por tanto, en el caso de una densidad de corriente reducida. De manera ventajosa, con la ayuda de ese sistema de electrólisis se impide un envejecimiento prematuro de las células de electrólisis en los módulos de electrólisis individuales, debido al funcionamiento de carga parcial. Los módulos de electrólisis que continúan en funcionamiento, de manera ventajosa, impiden un enfriamiento de la totalidad del sistema de electrólisis. De manera ventajosa, también se mantiene constante la calidad de gas del producto, ya que un módulo de electrólisis individual puede funcionar con una densidad de corriente invariable y, con ello, con una tasa de generación de hidrógeno constante.
En una configuración ventajosa y en un perfeccionamiento de la invención, las células de electrólisis están conectadas eléctricamente en serie; también los módulos de electrólisis están conectados eléctricamente en serie. Los módulos de electrólisis pueden reunirse formando una pila. La potencia de una pila de esa clase, de manera ventajosa, puede adaptarse según la necesidad mediante la conexión consecutiva de los módulos de electrólisis. Una pila en particular comprende un sistema de electrólisis con una potencia en el rango de 1 a 50 MW.
En otra configuración ventajosa y en un perfeccionamiento de la invención, entre dos módulos de electrólisis está dispuesta una placa de presión. La placa de presión está conectada de forma eléctricamente conductora al módulo de electrólisis. Las células de electrólisis individuales se presionan unas con otras. La presión conjunta de las capas de membrana individuales de las células de electrólisis individuales, de manera ventajosa, tiene lugar con placas de presión. Habitualmente se presionan unas con otras de 50 hasta 300 capas de membrana de intercambio de protones (capas PEM). De manera ventajosa, mediante las placas de presión, varias células de electrólisis pueden presionarse unas con otras formando un módulo de electrólisis. A su vez, varios módulos de electrólisis pueden reunirse colocando en hilera unos junto a otros los módulos de electrólisis con placas de presión en el medio, formando una pila. De manera ventajosa, la utilización de las placas de presión posibilita de este modo combinar un número flexible de módulos de electrólisis, para formar un sistema de electrólisis.
En una configuración ventajosa y en un perfeccionamiento de la invención, el dispositivo de conmutación está conectado de forma eléctricamente conductora con dos placas de presión que delimitan al menos un módulo de electrólisis. De manera ventajosa, mediante el cierre del dispositivo de conmutación puede puentearse así al menos un módulo de electrólisis. La conexión del dispositivo interruptor puede realizarse de manera sencilla mediante la conexión a las placas de presión.
Según la invención, el dispositivo de conmutación, en un estado cerrado, presenta una resistencia eléctrica más reducida que el módulo de electrólisis. Con ello, de manera ventajosa, circula corriente por el dispositivo de conmutación cerrado, de manera que módulos de electrólisis individuales se puentean eléctricamente en periodos en los que se dispone de menos corriente eléctrica. Además, una conducción de potencia de baja inductancia es ventajosa para una conmutación de la corriente eléctrica desde el interruptor, de regreso hacia el módulo.
En otra configuración ventajosa y en un perfeccionamiento de la invención, el dispositivo de conmutación está realizado como un dispositivo de conmutación encapsulado. Por encapsulado se entiende aquí un dispositivo de conmutación que está rodeado por una envoltura que rodea arcos eléctricos en un volumen aislado. De manera especialmente preferente, el dispositivo de conmutación es un tubo de conmutación de vacío o un interruptor de tanque vivo (en inglés: "Uve Tank") o un interruptor de tanque muerto (en inglés: "Dead Tank"), como se utilizan en la tecnología de alta tensión. De manera ventajosa, mediante la utilización del dispositivo de conmutación encapsulado se evita que se formen arcos eléctricos en un ambiente potencialmente con riesgo de explosión, que en particular comprende hidrógeno. Con ello, la utilización del dispositivo de conmutación encapsulado aumenta la seguridad del sistema de electrólisis.
En otra configuración ventajosa, y en un perfeccionamiento de la invención, al abrirse el dispositivo de conmutación, el flujo de corriente continua se conmuta desde el dispositivo de conmutación, hacia el módulo de electrólisis. Mediante el cambio del flujo de corriente, de manera ventajosa, el módulo de electrólisis que fue previamente puenteado se pone nuevamente en funcionamiento.
En otra configuración ventajosa y en un perfeccionamiento de la invención, el dispositivo de conmutación, durante la conmutación es operado con una tensión de arco de al menos 100 V, en particular de al menos 120 V. De manera ventajosa, la corriente eléctrica en el dispositivo de conmutación o en un módulo de electrólisis, se encuentra en un rango de 2 kA a 10 kA. De manera ventajosa, de este modo, puede puentearse la corriente de un módulo de electrólisis que comprende hasta 30 células de electrólisis, de modo especialmente preferente hasta 300 células de electrólisis.
En otra configuración ventajosa y en un perfeccionamiento de la invención, varias secciones de conmutación se conectan en serie para el puenteo de un módulo. Esto aumenta la tensión en el arco, de manera ventajosa. Esto incluye conceptos con placas de extinción para disociar un arco eléctri
También otros procedimientos que tienen como consecuencia un aumento de la tensión en el arco, como en particular una influencia mediante campos magnéticos, contracción del arco eléctrico, prolongación del arco eléctrico o enfriamiento del arco eléctrico.
Según la invención, con el elemento de conmutación se interconecta en serie una resistencia de baja impedancia o un diodo, en sentido directo, con lo cual se mantienen la polaridad y una tensión de protección para la pila.
En otra configuración ventajosa y en un perfeccionamiento de la invención, se puentean al menos dos módulos de electrólisis con un dispositivo de conmutación que está dispuesto paralelamente con respecto a los módulos de electrólisis. Si debieran puentearse otros módulos, de manera adicional se puentean cuatro módulos. La sistematización ventajosa al puentear los módulos es la serie binaria 2n (1 módulo, 2 módulos, 4 módulos, 8 módulos, etc.). De este modo, de manera ventajosa, puede reducirse el número de los dispositivos de conmutación. Otras características, propiedades y ventajas de la presente invención resultan de la siguiente descripción de ejemplos de realización preferentes, haciendo referencia a las figuras que se adjuntan. Esquemáticamente, muestran:
Figura 1 un sistema de electrólisis con cuatro módulos de electrólisis con tres dispositivos de conmutación, en una posición abierta;
Figura 2 un sistema de electrólisis con cuatro módulos de electrólisis con dos dispositivos de conmutación, uno en una posición abierta, uno en una posición cerrada.
La figura 1 muestra un sistema de electrólisis 1 que comprende cuatro módulos de electrólisis 2. Cada módulo de electrólisis 2 comprende varias células de electrólisis 3. Las células de electrólisis 3 están dispuestas entre dos placas de presión 4. Las placas de presión 4 presionan juntas las células de electrólisis, que en particular comprenden una membrana de intercambio de protones. Las placas de presión 4 que están dispuestas en el borde del sistema de electrólisis 1, están conectadas eléctricamente mediante una conexión eléctrica 5. Tres dispositivos de conmutación 6 están dispuestos paralelamente con respecto a los módulos de electrólisis B, C y D del sistema de electrólisis 1. Los dispositivos de conmutación 6 están dispuestos eléctricamente de forma paralela con respecto a los módulos de electrólisis 2. En este ejemplo, cada dispositivo de conmutación 6 puentea un módulo de electrólisis 2. Con ello, cada módulo de conmutación 6 está conectado eléctricamente a las placas de presión 4 que delimitan un módulo de electrólisis 2.
En este ejemplo, la electrólisis, la descomposición de agua para formar hidrógeno y oxígeno, tiene lugar en todos los módulos de electrólisis 2, ya que todos los dispositivos de conmutación 6 están abiertos. La electrólisis se realiza con corriente continua. De este modo, los dispositivos de conmutación 6 están diseñados como dispositivos de conmutación de corriente continua. Un diodo 8 está interconectado en serie, en sentido directo, con el elemento de conmutación, con lo cual se mantienen la polaridad y una tensión de protección para la pila.
El sistema de electrólisis 1, en este ejemplo, funciona con carga completa. Si ahora se reduce la potencia eléctrica en la red, en particular debido a poco viento y poco sol, entonces puede cerrarse al menos un dispositivo de conmutación 6. Con ello, los módulos de electrólisis B, C y D pueden desconectarse, o puentearse, de forma modular. En este ejemplo, el módulo de electrólisis A funciona siempre durante la operación del sistema de electrólisis 1. Si ahora, en función de la potencia eléctrica disponible, se desconectan los otros módulos, entonces el módulo de electrólisis A pueden funcionar con una densidad de potencia constante. De manera ventajosa, con ello, ningún módulo de electrólisis, o células de electrólisis 3, funcionan en carga parcial. Se considera especialmente ventajoso puentear los módulos de electrólisis de forma consecutiva en el tiempo. En particular, primero puede puentearse el módulo A por un periodo de tiempo determinado. A continuación, el módulo B o el módulo C pueden puentearse por un periodo de tiempo similar. De este modo, los módulos funcionan y se cargan de modo uniforme. Mediante el puenteo se impide que las células de electrólisis 3 envejezcan rápidamente. Además, se garantiza que la calidad del gas del producto, en particular del hidrógeno, se mantenga constante.
En la figura 2 se muestra igualmente un sistema de electrólisis 1 con cuatro módulos de electrólisis 2. A su vez, los módulos de electrólisis se encuentran delimitados por placas de presión 4, donde las placas de presión 4 presionan juntas las células de electrólisis 3. En este ejemplo, dos dispositivos de conmutación 6 están dispuestos paralelamente con respecto a los módulos de electrólisis 2. Un dispositivo de conmutación 6 está dispuesto paralelamente con respecto al módulo de electrólisis B. Otro dispositivo de conmutación está dispuesto paralelamente con respecto a los módulos de electrólisis C y D. Una resistencia de baja impedancia 9 está interconectada en serie con el elemento de conmutación. Otra resistencia de baja impedancia 9 está conectada en serie con un diodo 8. Del mismo modo es posible utilizar sólo resistencias de baja impedancia 9 sin diodo 8. Con ello, se mantienen la polaridad y una tensión de protección para la pila mediante el diodo y/o mediante la resistencia de baja impedancia.
El dispositivo de conmutación 6 que puentea los módulos de electrólisis C y D se encuentra cerrado en este ejemplo. En este ejemplo, por tanto, el sistema de electrólisis funciona en carga parcial. En este caso, los módulos de electrólisis A y b se operan respectivamente a una potencia eléctrica constante. El funcionamiento de carga parcial se posibilita mediante el cierre del dispositivo de conmutación 6, debido a lo cual los módulos de electrólisis C y D se puentean eléctricamente. Si ahora se incrementa nuevamente la potencia eléctrica disponible en la red de corriente, el dispositivo de conmutación 6 puede abrirse de nuevo. De manera especialmente ventajosa, el dispositivo de conmutación 6 está diseñado como un tubo de vacío, en particular como un tubo de vacío de baja tensión. Del mismo modo son adecuadas, pero no se lo representa en el dibujo, las secciones de conmutación de gas encapsuladas, de forma análoga a un interruptor de tanque vivo (en inglés: "Uve Tank") o un interruptor de tanque muerto (en inglés: "Dead Tank"), como se utilizan en la tecnología de alta tensión. Con ello se impide que se forme un arco eléctrico abierto durante la conmutación de la corriente. Esto se considera deseable, ya que en los módulos de electrólisis se producen gases potencialmente explosivos, en particular hidrógeno.
En los dos ejemplos de ejecución se muestran cuatro módulos de electrólisis 2. Ésta es una representación simplificada. Igualmente, en el sentido de la invención es posible que un mayor número de módulos de electrólisis se conecten en serie de forma consecutiva. Del mismo modo es posible disponer otras interconexiones escalonadas de las disposiciones de conmutación 6 para, por una parte, proporcionar un número suficiente de dispositivos de conmutación 6 y, por otra parte, impedir un número demasiado elevado de dispositivos de conmutación 6.
Si bien la invención fue ilustrada y descrita en detalle mediante ejemplos de ejecución preferentes, la invención no está limitada por los ejemplos descritos. El experto puede deducir de ello variaciones, sin abandonar el ámbito de protección de la invención, tal como éste se define mediante las siguientes reivindicaciones.
Lista de símbolos de referencia
1 Sistema de electrólisis
2 Módulo de electrólisis
3 Célula de electrólisis
4 Placa de presión
5 Conexión eléctrica
6 Dispositivo de conmutación
7 Línea eléctrica
8 Diodo
9 Resistencia eléctrica
A Módulo de electrólisis A
B Módulo de electrólisis B
C Módulo de electrólisis C
D Módulo de electrólisis D
Claims (12)
1. Sistema de electrólisis (1) para la descomposición de agua para formar hidrógeno y oxígeno con al menos dos módulos de electrólisis (2), donde cada módulo de electrólisis (2) comprende al menos dos células de electrólisis (3), donde una célula de electrólisis (3) comprende un espacio del ánodo y un espacio del cátodo, y el espacio del ánodo se separa del espacio del cátodo mediante una membrana de intercambio de protones, donde al menos un dispositivo de conmutación (6) apto para corriente continua está dispuesto de forma eléctricamente paralela con respecto a por lo menos un módulo de electrólisis (2), donde el dispositivo de conmutación (6), en un estado cerrado, presenta una resistencia eléctrica más reducida que el módulo de electrólisis (2), y donde un diodo (8) en sentido directo y/o una resistencia de baja impedancia (9) está conectada en serie con el dispositivo de conmutación (6), de manera que se encuentra mantenida una polaridad y una tensión de protección para el módulo de electrólisis (2).
2. Sistema de electrólisis (1) según la reivindicación 1, donde las células de electrólisis (3) están dispuestas conectadas eléctricamente en serie.
3. Sistema de electrólisis (1) según una de las reivindicaciones precedentes, donde los módulos de electrólisis (2) están dispuestos conectados eléctricamente en serie.
4. Sistema de electrólisis (1) según una de las reivindicaciones precedentes, donde entre dos módulos de electrólisis (2) está dispuesta una placa de presión (4), y la placa de presión (4) está conectada de forma eléctricamente conductora a los módulos de electrólisis (2).
5. Sistema de electrólisis (1) según la reivindicación 4, donde el dispositivo de conmutación (6) está conectado de forma eléctricamente conductora a dos placas de presión (4) que delimitan al menos un módulo de electrólisis (2).
6. Sistema de electrólisis (1) según una de las reivindicaciones precedentes, donde el dispositivo de conmutación (6) es un dispositivo de conmutación encapsulado.
7. Sistema de electrólisis (1) según una de las reivindicaciones precedentes, donde el dispositivo de conmutación (6) es un tubo de conmutación de vacío.
8. Procedimiento para operar un sistema de electrólisis (1) para la descomposición de agua para formar hidrógeno y oxígeno, con varias etapas:
- puesta a disposición de al menos dos módulos de electrólisis (2), donde cada módulo de electrólisis (2) comprende al menos dos células de electrólisis (3), donde una célula de electrólisis (3) comprende un espacio del ánodo y un espacio del cátodo, y el espacio del ánodo se separa del espacio del cátodo mediante una membrana de intercambio de protones, donde al menos un dispositivo de conmutación (6) apto para corriente continua está dispuesto de forma eléctricamente paralela con respecto a por lo menos un módulo de electrólisis (2), y donde el dispositivo de conmutación (6), en un estado cerrado, presenta una resistencia eléctrica más reducida que el módulo de electrólisis (2), y donde un diodo (8) en sentido directo y/o una resistencia de baja impedancia (9) está conectada en serie con el dispositivo de conmutación (6), de manera que en el estado cerrado se mantiene una polaridad y una tensión de protección para el módulo de electrólisis (2),
- operación de al menos dos módulos de electrólisis (2),
- cierre de al menos un dispositivo de conmutación (6) al disminuir la potencia eléctrica que se encuentra disponible, y puenteo de al menos un módulo de electrólisis (2) mediante el dispositivo de conmutación (6), - operación de un número de módulos de electrólisis (2) reducido en el número de módulos de electrólisis (2) puenteados,
- apertura de al menos un dispositivo de conmutación (6) al aumentar la potencia eléctrica que se encuentra disponible.
9. Procedimiento según la reivindicación 8, donde al abrirse el dispositivo de conmutación (6) se conmuta corriente continua desde el dispositivo de conmutación (6) hacia el módulo de electrólisis (2).
10. Procedimiento según la reivindicación 9, donde el dispositivo de conmutación (6), durante la conmutación, se opera con una tensión de arco de al menos 100 V.
11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 8 a 10, donde la corriente eléctrica en el dispositivo de conmutación (6) o en un módulo de electrólisis (2) se encuentra en un rango de 2 kA a 10 kA.
12. Procedimiento según una de las reivindicaciones 8 a 11, donde al menos dos módulos de electrólisis (2) se puentean paralelamente con un dispositivo de conmutación (6).
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