ES2988432T3 - Instalación y procedimiento para la facilitación y posterior utilización de gas hidrógeno - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere a un sistema para proporcionar gas hidrógeno, que comprende una unidad de deshidrogenación (4) para liberar una mezcla de gases que contiene gas hidrógeno de un medio portador de hidrógeno al menos parcialmente cargado y que comprende una unidad de separación/purificación (5) que está conectada a la unidad de deshidrogenación (4) para separar al menos parcialmente el gas hidrógeno de la mezcla de gases y para purificar el gas hidrógeno separado, en donde la unidad de separación/purificación (5) tiene una membrana de separación (17), una unidad de uso (6) que está conectada a la unidad de separación/purificación (5; 5a) para usar el gas hidrógeno purificado, y una unidad de uso térmico (7) que está conectada a la unidad de separación/purificación (5; 5a) para utilizar térmicamente la mezcla de gases restante. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Instalación y procedimiento para la facilitación y posterior utilización de gas hidrógeno
La presente solicitud de patente tiene prioridad sobre la solicitud de patente alemana DE 102017217748.9.
La invención se refiere a una instalación y a un procedimiento para la facilitación y posterior utilización de gas hidrógeno.
El documento EP 2905255 A1 divulga un sistema de suministro de hidrógeno. El documento EP 2833457 A1 divulga un módulo de pila de combustible y un sistema de pila de combustible.
El gas hidrógeno puede utilizarse para generar electricidad en una pila de combustible. Para ello, el gas hidrógeno debe facilitarse con una elevada pureza de, por ejemplo, al menos el 99,9 %. Impurezas como el monóxido de carbono (CO) o los hidrocarburos (TOC) son especialmente desventajosos y perjudican el funcionamiento de la pila de combustible.
Un procedimiento conocido para la facilitación de gas hidrógeno es la deshidrogenación de un medio portador de hidrógeno, en particular de un medio portador de hidrógeno orgánico líquido, que se conoce también como liquid organic hydrogen carrier (LOHC). Se conoce por el documento JP 2002/134141 A la separación del gas hidrógeno de una mezcla de gases procedente de la deshidrogenación de LOHC. El esfuerzo para purificar el gas hidrógeno procedente de la deshidrogenación de LOHC es elevado, de modo que el gas hidrógeno purificado debe convertirse en electricidad de la forma más completa posible. La eficiencia máxima de la pila de combustible asciende al 55 %. La eficiencia total calculada, que resulta de la eficiencia de la pila de combustible, la eficiencia de la hidrogenación del medio portador de hidrógeno del 98 % y la posterior deshidrogenación del medio portador de hidrógeno del 70 %, asciende a como máximo el 38 %. La eficiencia real de la pila de combustible asciende normalmente a entre el 45 % y el 50 %, de modo que la eficiencia total real asciende a de aproximadamente el 30 % al 34 %.
La invención se basa en el objetivo de mejorar la facilitación de gas hidrógeno, en particular para su uso en una pila de combustible, y en particular de aumentar la eficiencia, o sea el rendimiento, en particular hasta el máximo teórico del rendimiento total del 38 %.
El objetivo se soluciona mediante una instalación con las características indicadas en la reivindicación 1 y con un procedimiento con las características indicadas en la reivindicación 5. El núcleo de la invención consiste en que el gas hidrógeno se separa al menos parcialmente de una mezcla de gases procedente de una unidad de deshidrogenación y se purifica en una unidad de separación/purificación. Sorprendentemente, se descubrió que la eficiencia total del procedimiento aumenta si sólo se purifica un flujo parcial de la mezcla de gases para su posterior conversión en electricidad. Se reduce el esfuerzo de la purificación del flujo parcial que se va a convertir en electricidad, por lo que aumenta la eficiencia total. Es especialmente ventajoso cuando la unidad de separación/purificación presenta una membrana de separación para separar el gas hidrógeno de la mezcla de gases y purificar el gas hidrógeno. La invención también se basa en el conocimiento de que una membrana de separación puede utilizarse para purificar el gas hidrógeno procedente de la deshidrogenación de LOHC. Un procedimiento de dos etapas conocido por el estado de la técnica con una etapa de separación dispuesta anteriormente y una etapa de purificación dispuesta posteriormente puede realizarse de acuerdo con la invención como un proceso combinado de una sola etapa por medio de la membrana de separación. Se reduce el procedimiento y, en particular, el esfuerzo para purificar el gas hidrógeno. La principal ventaja de la invención consiste en que aumenta la eficiencia total y, al mismo tiempo, se reduce el esfuerzo de purificación del gas hidrógeno.
Siempre que se utilice LOHC como medio portador de hidrógeno, el hidrógeno se libera de una molécula orgánica o de una mezcla de moléculas orgánicas mediante una reacción de deshidrogenación catalizada. Esto significa que la liberación del hidrógeno se realiza mediante una conversión material del medio portador cargado mediante descarga en la unidad de descarga por medio de una reacción de deshidrogenación catalizada. En el estado cargado, el medio portador es en particular un compuesto policíclico saturado, en particular un perhidro-dibenciltolueno o un perhidrobenciltolueno, que pueden utilizarse como sustancias puras, mezclas isoméricas o mezclas entre sí. Como alternativa, el medio portador cargado es un compuesto policíclico saturado que contiene heteroátomos como nitrógeno u oxígeno, en particular perhidro-N-etilcarbazol, perhidro-N-propilcarbazol, perhidro-N-isopropilcarbazol, perhidro-N-butilcarbazol o mezclas de estas sustancias. Como alternativa, como medio portador cargado pueden utilizarse también un oligómero o polímero orgánico saturado, que puede convertirse en oligómeros o polímeros con un sistema de electrones n-conjugados ampliado mediante deshidrogenación catalítica. La descarga de los medios portadores cargados en la unidad de descarga se realiza en particular en un reactor químico con presión estable a una temperatura de proceso entre 100 °C y 450 °C, preferentemente entre 150 °C y 420 °C y en particular entre 180 °C y 390 °C. La presión de proceso se encuentra entre 10 y 3000 kPa (0,1 y 30 bar), en particular entre 100 y 1000 kPa (1 y 10 bar), en donde en particular puede utilizarse un catalizador que contiene metales, que contenga en particular platino y/o paladio. Es esencial que el catalizador sea adecuado para que pueda liberarse hidrógeno, que se emite del medio portador LOHC, como gas hidrógeno. Además de platino y/o paladio, metales como cromo, hierro, cobalto, níquel, cobre, iridio o rutenio son adecuados en particular para este fin.
Una unidad de utilización conectada a la unidad de separación/purificación a través de un primer conducto de fluido permite el uso directo del gas hidrógeno separado, purificado, en particular mediante generación de electricidad en una unidad de generación de electricidad. La unidad de utilización también puede diseñarse de forma diferente para utilizar el gas hidrógeno como material. La unidad de generación de electricidad es en particular una pila de combustible, que presenta en particular una membrana electrolítica polimérica, en particular una pila de combustible PEM.
Una unidad de reutilización térmica, en particular un quemador de hidrógeno, conectada a la unidad de separación/purificación a través de un segundo conducto de fluido, permite el aumento ventajoso de la eficiencia de la instalación al quemar ventajosamente una mezcla de gases residuales y hacerla así utilizable térmicamente. La mezcla de gases residuales es el flujo parcial de la mezcla de gases procedente de la unidad de deshidrogenación, del que se ha separado el gas hidrógeno. En particular, la mezcla de gases residuales no está purificada y puede presentar impurezas, en particular en forma de compuestos de hidrocarburos. Estas impurezas no son un problema para la reutilización térmica de la mezcla de gases residuales. Esto se basa en el conocimiento de que, por un lado, la purificación sólo parcial es suficiente para la generación de electricidad a partir del gas hidrógeno en la pila de combustible y, por otro, no es problemática para la reutilización térmica de la mezcla de gases residuales en la unidad de reutilización térmica.
Una conexión de la unidad de reutilización térmica a la unidad de generación de electricidad para alimentar un flujo de gas de escape de la unidad de generación de electricidad permite un aumento adicional de la eficiencia total mediante la alimentación de hidrógeno residual, en particular de la pila de combustible, al quemador de hidrógeno. Se ha descubierto que es posible un aumento adicional de la eficiencia total si a partir del gas hidrógeno separado, purificado se genera electricidad proporcionalmente, en particular no completamente, en la unidad de generación de electricidad. Debido a ello, la eficiencia parcial dirigida a la generación de electricidad se eleva, en particular hasta el 55 %, ya que se reduce el esfuerzo para la generación de electricidad en la pila de combustible. La eficiencia total real puede aumentar hasta un 38 %. La eficiencia máxima de la pila de combustible no se alcanza si no se produce un aprovechamiento total, es decir, una generación de electricidad completa del flujo de hidrógeno entrante.
Un compresor electroquímico de acuerdo con la reivindicación 2 permite una separación ventajosa del hidrógeno en la unidad de separación/purificación. Mediante aplicación de una tensión eléctrica se favorece el paso del gas hidrógeno a través de la membrana de separación, mientras que otras sustancias, en particular impurezas, no pueden penetrar la membrana. En particular, puede influirse de manera dirigida en la proporción del flujo de gas que va a separarse mediante aplicación dirigida de la tensión eléctrica, de modo que pueda ajustarse la proporción de cantidad del gas hidrógeno separado, purificado hacia la unidad de generación de electricidad. En particular, se reduce la presión absoluta necesaria que se aplica en la unidad de deshidrogenación. Debido a ello se reduce el esfuerzo para hacer funcionar la unidad de deshidrogenación, de modo que se eleva adicionalmente la eficacia total de la instalación. La presión de funcionamiento necesaria para la pila de combustible se proporciona por medio del compresor electroquímico.
Una unidad de lavado de acuerdo con la reivindicación 3 está diseñada en particular como unidad de lavado de gases para separar en particular proporciones de LOHC en forma de gotas de la mezcla de gases. En particular, la unidad de lavado está dispuesta aguas arriba de la unidad de reutilización térmica. Adicionalmente o como alternativa, puede estar dispuesta una unidad de lavado aguas arriba de la unidad de separación/purificación.
Una unidad de transferencia de calor de acuerdo con la reivindicación 4 sirve para aumentar aún más la eficiencia total. El calor que procede de la combustión del hidrógeno puede introducirse directamente en la unidad de deshidrogenación para generar la entalpía de reacción necesaria allí para liberar el gas hidrógeno. Es ventajoso si la proporción de la mezcla de gases residuales se determina de tal manera que el calor generado en la unidad de reutilización térmica sea justo suficiente para proporcionar la entalpía de reacción para la deshidrogenación. Para ello, puede estar prevista una unidad de regulación central para controlar y regular, por un lado, la demanda de calor en la unidad de deshidrogenación y, por otro, la separación del gas hidrógeno de la mezcla de gases en la unidad de separación/purificación. La energía eléctrica suministrada al compresor electroquímico o la tensión aplicada pueden utilizarse como magnitudes de ajuste para la regulación, en particular para la separación del gas hidrógeno de la mezcla de gases. Adicionalmente o como alternativa, el calor residual de la unidad de generación de electricidad puede reconducirse a la unidad de deshidrogenación por medio de la unidad de transferencia de calor.
Las ventajas del procedimiento de acuerdo con la invención de acuerdo con las reivindicaciones 5 a 10 corresponden a las ventajas respectivas de la instalación correspondiente, a la que se hace referencia en el presente documento.
El procedimiento, en el que la separación al menos parcial produce un rendimiento del gas hidrógeno de como máximo<el>80<% con respecto a la mezcla de gases alimentada a la unidad de separación/purificación, presenta una división>ventajosa de la mezcla de gases en flujos parciales. Sorprendentemente, se descubrió que la eficiencia total del procedimiento puede aumentar si se separa un flujo parcial de como máximo el 80 % y, en particular, de como máximo el 75 % de la mezcla de gases que se alimenta a la unidad de separación/purificación y se purifica para la posterior generación de electricidad. La mezcla de gases residuales no separada puede descargarse directamente para su reutilización térmica. Las posibles impurezas en la mezcla de gases residuales no plantean ningún problema.
Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 7 puede realizarse de manera económica y permite un aumento de la eficiencia total. Se reduce el esfuerzo para la generación de presión en la unidad de deshidrogenación. La ventaja es que la generación de presión mediante compresión electroquímica proporciona un mayor nivel de presión en la unidad de separación/purificación, de tal manera que el gas hidrógeno puede utilizarse de diversas maneras. Además de la generación de electricidad a partir del gas hidrógeno en una unidad de generación de electricidad, el gas hidrógeno también puede utilizarse como material, por ejemplo. La presión de hidrógeno que puede alcanzarse por medio de la compresión electroquímica es, en particular, superior a 500 kPa (5 bar), en particular superior a 1000 kPa (10 bar), de modo que no es necesaria una etapa de compresión adicional. Se ha reducido el gasto en cuanto a aparatos y el gasto técnico de la instalación. El procedimiento puede realizarse de manera sencillo y ventajosa.
Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8 presenta una mayor eficiencia total. Se ha reducido el esfuerzo necesario para proporcionar calor en la unidad de deshidrogenación.
Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 10 reduce la demanda de calor total.
Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 11 permite un aumento de la eficiencia parcial de la unidad de generación de electricidad, en particular de la pila de combustible. Debido a que se genera electricidad de manera dirigida únicamente a partir de una cantidad parcial del gas hidrógeno separado, purificado que se ha alimentado a la unidad de generación de electricidad, se eleva la eficiencia parcial de la pila de combustible para esta generación de electricidad parcial. Resulta especialmente ventajoso que la proporción del gas hidrógeno a partir de la cual no se genera electricidad pueda alimentarse directamente a la unidad de reutilización térmica y utilizarse de manera energéticamente adecuada. Es especialmente ventajoso que la cantidad de gas hidrógeno a partir del cual no se ha generado electricidad ascienda al menos al 5 %, en particular al menos al 8 %, en particular al menos al 10 % y en particular al menos al 15 % del gas hidrógeno.
Tanto las características indicadas en las reivindicaciones como las características indicadas en los siguientes ejemplos de realización de una instalación de acuerdo con la invención son adecuadas en cada caso por sí solas o en combinación entre sí, para perfeccionar el objeto de acuerdo con la invención. Las respectivas combinaciones de características no representan ninguna restricción con respecto al perfeccionamiento del objeto de la invención, sino que presentan esencialmente un carácter únicamente a modo de ejemplo. Características y ventajas adicionales de la invención resultan de la siguiente descripción de ejemplos de realización por medio de los dibujos. Muestran:
Figura 1 una representación esquemática de una instalación de acuerdo con la invención para la facilitación y para la utilización de gas hidrógeno,
Figura 2 una representación esquemática de una unidad de separación/purificación de acuerdo con un primer ejemplo de realización de la instalación en la figura 1,
Figura 3 una representación correspondiente a la figura 2 de una unidad de separación/purificación de acuerdo con un segundo ejemplo de realización.
Una instalación 1 mostrada en las figuras 1 y 2 sirve para la facilitación y para la utilización de gas hidrógeno. La instalación 1 comprende un primer recipiente de almacenamiento 2, en el que se almacena el medio portador de hidrógeno al menos parcialmente cargado en forma de LOHC. El primer recipiente de almacenamiento 2 está conectado a una unidad de deshidrogenación 4 por medio de un conducto de fluido 3. El conducto de fluido 3 es, en particular, una tubería para transportar líquidos y/o gas. La unidad de deshidrogenación 4 está conectada a una unidad de separación/purificación 5 por medio de otro conducto de fluido 3. La unidad de separación/purificación 5 presenta una membrana de separación 17 para la separación y para la purificación del gas hidrógeno de la mezcla de gases.
La unidad de separación/purificación 5 está conectada a una unidad de generación de electricidad 6 en forma de pila de combustible por medio de otro conducto de fluido 3. La unidad de separación/purificación 5 está conectada a una unidad de reutilización térmica 7 a través de un conducto de fluido 3. La unidad de reutilización térmica 7 está diseñada en forma de un quemador de hidrógeno. A lo largo del conducto de fluido 3, entre la unidad de separación/purificación 5 y la unidad de reutilización térmica 7 está prevista una unidad de lavado 8 en forma de un lavador de gases.
Adicionalmente o como alternativa a la unidad de lavado 8, puede disponerse otra unidad de lavado 8, no mostrada, aguas arriba de la unidad de separación/purificación 5, en particular entre la unidad de deshidrogenación 4 y la unidad de separación/purificación 5.
La unidad de generación de electricidad 6 está conectada a la unidad de reutilización térmica 7 a través de otro conducto de fluido 3.
La unidad de generación de electricidad 6 está conectada a un consumidor de corriente 9 a través de un conducto 10 eléctrico. El consumidor de corriente 9 se utiliza para recoger y/o consumir la corriente eléctrica generada en la unidad de generación de electricidad 6. El consumidor de corriente 9 puede servir directamente para el consumo de corriente. El consumidor de corriente 9 también puede ser una red eléctrica privada o pública en la que se introduce la corriente eléctrica generada para ponerla a disposición de otros consumidores conectados a la red eléctrica.
La instalación 1 comprende además una unidad de transferencia de calor 11 que, de acuerdo con el ejemplo de realización mostrado, está conectada a la unidad de reutilización térmica 7 y a la unidad de generación de electricidad 6 a través de un conducto de calor 12. El conducto de calor 12 sirve para transportar un medio portador de calor, en particular un fluido portador de calor. La unidad de transferencia de calor 11 está conectada a la unidad de deshidrogenación 4 con otro conducto de calor 12 para facilitar calor.
La unidad de transferencia de calor 11 puede conectarse a un acumulador de calor 30 para almacenar el calor procedente de la unidad de generación de electricidad 6 y/o la unidad de reutilización térmica 7 y ponerlo a disposición en un momento posterior, de manera temporalmente desacoplada. El acumulador de calor 30 está integrado en la unidad de transferencia de calor 11 de acuerdo con el ejemplo de realización mostrado. El acumulador de calor 30 también puede diseñarse externamente, es decir, adicionalmente a la unidad de transferencia de calor 11.
La instalación 1 presenta además una unidad de regulación 13, que está en conexión de señal con los componentes de la instalación 1 por medio de líneas de señalización 14. La línea de señalización 14 se representa simbólicamente en la figura 1 mediante una transmisión de señal inalámbrica. La línea de señalización 14 también puede estar realizada de manera unida por cable. En particular, la unidad de regulación 13 está conectada a la unidad de deshidrogenación 4, la unidad de separación/purificación 5, la unidad de generación de electricidad 6, la unidad de reutilización térmica 7, el consumidor de corriente 9 y/o la unidad de transferencia de calor 11.
La unidad de deshidrogenación 4 está conectada a la unidad de lavado 8 a través de un conducto de fluido 3. La unidad de lavado 8 está conectada a un segundo recipiente de almacenamiento 15 a través de otro conducto de fluido 3. El segundo recipiente de almacenamiento 15 sirve para el almacenamiento del medio portador de hidrógeno al menos parcialmente deshidrogenado, en particular en forma de LOHC. La unidad de deshidrogenación 4 puede conectarse directamente al segundo recipiente de almacenamiento 15 por medio de un conducto de fluido 3 adicional.
En principio, es concebible prever un único recipiente de almacenamiento en lugar del primer recipiente de almacenamiento 2 y del segundo recipiente de almacenamiento 15. En este caso, el medio de almacenamiento de hidrógeno al menos parcialmente hidrogenado y al menos parcialmente deshidrogenado puede almacenarse en un mismo recipiente de almacenamiento.
El segundo recipiente de almacenamiento 15 está conectado a una unidad de hidrogenación 16 a través de un conducto de fluido 3. La unidad de hidrogenación 16 está conectada al primer recipiente de almacenamiento 2 por medio de otro conducto de fluido 3. La unidad de hidrogenación 16 también puede omitirse.
Si está prevista la unidad de hidrogenación 16, el medio de almacenamiento de hidrógeno puede enriquecerse con gas hidrógeno en un proceso de circulación, es decir, cargarse, y utilizarse para liberar gas hidrógeno, es decir, descargarse. Esto es posible con la disposición circular de la unidad de deshidrogenación 4, del segundo recipiente de almacenamiento 15, de la unidad de hidrogenación 16 y del primer recipiente e almacenamiento 2, que están conectados entre sí por pares en el orden mencionado en cada caso mediante un conducto de fluido 3. En particular, es posible generar corriente eléctrica estacionalmente y/o en función de la hora del día durante un periodo rico en energía, en particular cuando la corriente eléctrica puede generarse por medio de energías regenerativas a través de la radiación solar o el viento, y utilizarla para la electrólisis y la hidrogenación del medio de almacenamiento de agua en la unidad de hidrogenación 16. Por consiguiente, puede facilitarse gas hidrógeno en la mezcla de gases mediante la unidad de deshidrogenación 4, en particular durante un período de bajo consumo energético cuando hay un déficit de energía, es decir, cuando se necesita energía.
A continuación se explica con más detalle un procedimiento para la facilitación y para la utilización de gas hidrógeno por medio de la instalación 1, con referencia a la figura 1. El LOHC al menos parcialmente cargado se transporta desde el primer recipiente de almacenamiento 2 a través del conducto de fluido 3 hacia la unidad de deshidrogenación 4. En la unidad de deshidrogenación 4, el medio portador de hidrógeno se deshidrogena al menos parcialmente y debido a ello se libera una mezcla de gases. La mezcla de gases liberada contiene gas hidrógeno.
La mezcla de gases se alimenta desde la unidad de deshidrogenación 4 a la unidad de separación/purificación 5 a través del conducto de fluido 3. El gas hidrógeno se separa y purifica, al menos parcialmente, de la mezcla de gases mediante la membrana de separación 17. En particular, el caudal volumétrico del gas hidrógeno separado con respecto a la mezcla de gases alimentada a la unidad de separación/purificación 5 asciende como máximo al 85 %, en particular como máximo al 80 % y en particular como máximo al 75 %.
El flujo parcial separado de gas hidrógeno presenta una pureza de al menos el 99,9 %, en particular de al menos el 99,99 %. El flujo parcial purificado de gas hidrógeno se alimenta a la unidad de generación de electricidad 6 a través del conducto de fluido 3 y a partir de éste directamente se generase electricidad. La unidad de generación de electricidad 6 está diseñada como una pila de combustible. En la pila de combustible se genera electricidad únicamente a partir de un flujo parcial del gas hidrógeno alimentado. Una proporción residual del gas hidrógeno a partir de la cual no se ha generado electricidad, que de acuerdo con el ejemplo de realización mostrado asciende a aproximadamente el 10 %, se alimenta a la unidad de reutilización térmica 7 para su reutilización térmica y se quema allí.
Por ejemplo, la mezcla de gases procedente de la unidad de deshidrogenación 4 puede dividirse en la unidad de separación/purificación 5 de modo que el 80 % del hidrógeno se alimente a la unidad de conversión 6 como flujo parcial separado, purificado. La mezcla de gases residuales con el 20 % de proporción de hidrógeno se alimenta a la unidad de reutilización térmica 7, dado el caso a través de la unidad de lavado 8. A partir del flujo parcial purificado con un 80 % de gas hidrógeno se genera electricidad únicamente de manera parcial, en particular no completamente, en la unidad de generación de electricidad 6. La proporción residual del gas hidrógeno a partir de la cual no se ha generado electricidad de por ejemplo el 10 % se alimenta desde la unidad de generación de electricidad 6 a la unidad de reutilización térmica, en particular al quemador de hidrógeno 7 y allí se quema. Por tanto, en esta realización del procedimiento, a partir del 70 % de la proporción de hidrógeno se genera electricidad y el 30 % de proporción de hidrógeno se reutiliza térmicamente, es decir, se quema. Debido a que se evita una generación de electricidad completa en la unidad de generación de electricidad 6, la eficiencia total es más alta y asciende en particular al 38 %.
En una realización del procedimiento de tal manera que en la unidad de separación/purificación 5 se separa una mezcla de gases residuales con un 30 % de gas hidrógeno, a partir del 70 % de la proporción de gas hidrógeno debería generarse electricidad de manera completa en la unidad de generación de electricidad. Debido a ello se reduciría la eficiencia, en total hasta aproximadamente el 35 %.
La potencia eléctrica generada puede alimentarse al consumidor de corriente 9 a través del conducto de corriente eléctrica 10.
La mezcla de gases residuales, que se descarga de la unidad de separación/purificación 5 una vez separado el gas hidrógeno, se alimenta a la unidad de lavado 8 a través del conducto de fluido 3. La mezcla de gases residuales de LOHC al menos parcialmente deshidrogenado procedente de la unidad de deshidrogenación 4 puede inyectarse en la unidad de lavado 8. Debido a ello se elimina las gotas de la mezcla de gases residuales. La mezcla de gases residuales purificada de ese modo se alimenta desde la unidad de lavado 8 a través del conducto de fluido 3 a la unidad de reutilización térmica 7 y allí se quema. El LOHC deshidrogenado, es decir, descargado al menos parcialmente, se alimenta desde la unidad de lavado 8 al segundo recipiente de almacenamiento 15 a través del conducto de fluido. Dado que en particular no todo el flujo de masa del LOHC procedente de la unidad de deshidrogenación 4 es necesario para el lavado de gas en la unidad de lavado 8, puede reconducirse un flujo parcial de LOHC directamente desde la unidad de deshidrogenación 4 hacia el segundo recipiente de almacenamiento 15 a través del conducto de fluido 3. El LOHC deshidrogenado procedente de la unidad de deshidrogenación 4 y/o de la unidad de lavado 8 puede transportarse desde el segundo recipiente de almacenamiento 15 y/o directamente. Para la retirada pueden servir vehículos de transporte y/o un conducto de transporte. El LOHC deshidrogenado también puede hidrogenarse de nuevo dentro de la instalación 1 por medio de la unidad de hidrogenación 16, es decir, puede cargarse con gas hidrógeno y alimentarse al primer recipiente de almacenamiento 2 a través del conducto de fluido 3. En particular, es posible facilitar dentro de la instalación 1 un sistema de circulación cerrado para la hidrogenación y deshidrogenación catalíticas del medio portador de hidrógeno.
El calor que se produce en la unidad de generación de electricidad 6 y en la unidad de reutilización térmica 7 se pone a disposición de la unidad de deshidrogenación 4 a través de la unidad de transferencia de calor 11 y de los conductos de calor 12. De este modo, se reduce la demanda de calor para la entalpía de reacción de la liberación de hidrógeno. En particular, no hay necesidad de un sistema de calefacción auxiliar separado.
La unidad de regulación 13 sirve en particular para dividir los flujos de material en la unidad de separación/purificación 5. La unidad de regulación 13 está configurada de tal manera que el flujo de gas hidrógeno purificado, transportado desde la unidad de separación/purificación 5 hacia la unidad de generación de electricidad 6 y/o la mezcla de gases residuales para el transporte a la unidad de reutilización térmica 7 se controla en función de los parámetros actuales del proceso. La potencia eléctrica disponible es esencial para el flujo de masa del gas hidrógeno purificado. Para la cantidad de la mezcla de gases residuales es decisiva, en particular, la demanda de calor en la unidad de deshidrogenación.
La estructura y el funcionamiento de la unidad de separación/purificación 5 se explican con más detalle a continuación haciendo referencia a la figura 2. La unidad de separación/purificación 5 presenta una carcasa 18 que se realiza esencialmente en forma cilíndrica con respecto a un eje longitudinal 19. La carcasa 18 presenta una abertura de alimentación 20 para alimentar la mezcla de gases desde la unidad de deshidrogenación 4. El conducto de fluido 3 está conectado a la abertura de alimentación 20. La abertura de alimentación 20 está dispuesta en un primer extremo 21 del lado frontal de la carcasa 18, mostrado a la izquierda en la figura 2. En un segundo extremo 22 del lado frontal opuesto al primer extremo 21 del lado frontal está prevista una abertura de descarga 23 de la mezcla de gases residuales. El otro conducto de fluido 3 está conectado a través de la abertura de descarga 23 de la mezcla de gases residuales y conectado a la unidad de lavado 8.
En una pared de envoltura cilíndrica de la carcasa 18 está prevista una abertura de descarga 24 de gas hidrógeno, a la que está conectado otro conducto de fluido 3, que conecta la unidad de separación/purificación 5 con la unidad de generación de electricidad 6.
En la carcasa 18 están dispuestos varias membranas de separación 17. Las membranas de separación 17 están diseñadas en forma de filamentos huecos, por ejemplo. El modo de acción de las membranas de separación 17 se basa en el principio de permeación selectiva a través de la superficie de la membrana.
Para que el gas hidrógeno, que se alimenta con la mezcla de gases de la unidad de deshidrogenación 4 a la unidad de separación/purificación 5, atraviese las membranas de gas, se requiere una diferencia de presión parcial de la mezcla de gases entre el lado de la mezcla de gases residuales y el lado del gas hidrógeno. El lado de la mezcla de gases residuales de las membranas de separación 17 se forma por el lumen interior, es decir, el lado interno, de las membranas de separación 17. El lado del gas hidrógeno se forma por los lados exteriores de las membranas de separación 17, es decir, en particular el espacio intermedio entre las membranas de separación 17 individuales. Cuanto mayor sea la diferencia de presión, mayor será la permeabilidad del gas hidrógeno a través de las membranas de separación 17 individuales.
Con referencia a la figura 3, a continuación se describe un segundo ejemplo de realización de una unidad de separación/purificación. Las partes constructivamente idénticas reciben los mismos signos de referencia que en el primer ejemplo de realización, a cuya descripción se hace referencia en el presente documento. Partes constructivamente diferentes, sin embargo, funcionalmente similares, reciben los mismos números de referencia con una a después de ellos.
La principal diferencia en comparación con el ejemplo de realización anterior consiste en que la unidad de separación/purificación 5a presenta adicionalmente un compresor 25 electroquímico adicionalmente a la membrana de separación 17. El compresor 25 electroquímico comprende una fuente de tensión 26, que está conectada a un ánodo 27 y a un cátodo 28. La membrana de separación 17 está dispuesta entre el ánodo 27 y el cátodo 28. El ánodo 27, el cátodo 28 y la membrana de separación 17 están dispuestos en el interior de la carcasa 18. La abertura de alimentación 20 y la abertura de descarga 23 de la mezcla de gases residuales están dispuestas en la carcasa 18 en un lado del ánodo opuesto a la membrana de separación 17. La abertura de descarga 24 de gas hidrógeno está dispuesta en un lado del cátodo 28 de la carcasa 18 opuesto a la membrana de separación 17.
El modo de funcionamiento de la unidad de separación/purificación 5a corresponde esencialmente a aquel de acuerdo con el primer ejemplo de realización. Debido a que se aplica adicionalmente una tensión a través de la fuente de tensión, se invierte esencialmente el principio de funcionamiento de una pila de combustible, es decir, el gas hidrógeno se transporta a través de la membrana de separación 17 desde el ánodo 27 hasta el cátodo 28. Todas las demás sustancias, en particular las impurezas de la mezcla de gases, no pueden penetrar la membrana de separación 17. La purificación del hidrógeno está integrada y, por tanto, simplificada. Debido a que la tensión eléctrica sirve como fuerza motriz adicional para la penetración del hidrógeno, la presión parcial mecánica puede seleccionarse para que sea inferior y, en particular, puede prescindirse de la diferencia de presión parcial mecánica. Debido a ello es posible reducir la presión absoluta en la unidad de deshidrogenación 4 de modo que la liberación del gas hidrógeno pueda tener lugar en particular en un intervalo entre 100 kPa (1,0 bara) y 150 kPa (1,5 bara). Las temperaturas del proceso ascienden al menos a 200 °C y se encuentran en particular en un intervalo entre 240 °C y 320 °C.
Un ejemplo de aplicación de este tipo puede utilizarse, en particular, para el caso de aplicación de una estación de repostaje de hidrógeno. Mediante la combinación de la unidad de deshidrogenación 4 con un compresor electroquímico como unidad de separación/purificación 5 y la unidad de reutilización térmica 7 para el suministro continuo de gas hidrógeno a una estación de repostaje de hidrógeno se garantiza una realización especialmente ventajosa para la facilitación de hidrógeno. Puede funcionar sin etapa de purificación adicional y sin alimentación externa de energía, en particular en forma de corriente eléctrica para calefacción. El hidrógeno gaseoso dispone de la pureza requerida para la aplicación y el nivel de presión necesario para su posterior compresión hasta de 35.000 a 70.000 kPa (350 a 700 bara) para llenar coches, autobuses o vehículos de reparto.
De acuerdo con el ejemplo de realización mostrado, una unidad de acondicionamiento 29 está conectada aguas arriba de la membrana de separación 17. La unidad de acondicionamiento 29 sirve para acondicionar el flujo de gas alimentado a la unidad de separación/purificación 5a con respecto a la membrana de separación 17, en particular para regular el contenido de humedad. De acuerdo con el ejemplo de realización mostrado, la unidad de acondicionamiento 29 es una unidad para regular la humedad del flujo de gas alimentado. La unidad de acondicionamiento 29 también puede omitirse. La unidad de acondicionamiento 29 puede servir para influir en otras propiedades físicas del flujo de gas, tal como por ejemplo la temperatura.
La unidad de acondicionamiento 29 está dispuesta de manera integrada dentro de la carcasa 18 en la zona de la abertura de alimentación 20. La unidad de acondicionamiento 29 también puede diseñarse como componente externo que está conectado previamente a la unidad de separación/purificación 5a.
Normalmente, la diferencia de potencial entre el ánodo 27 y el cátodo 28 asciende a aproximadamente -0,03 V.
Claims (11)
1. Instalación para la facilitación de gas hidrógeno que comprende
a. una unidad de deshidrogenación (4) para liberar una mezcla de gases que contiene gas hidrógeno de un medio portador de hidrógeno cargado al menos parcialmente,
b. una unidad de separación/purificación (5; 5a) conectada a la unidad de deshidrogenación (4) para separar al menos parcialmente el gas hidrógeno de la mezcla de gases y purificar el gas hidrógeno separado, en donde la unidad de separación/purificación (5; 5a) presenta una membrana de separación (17),
c. una unidad de utilización (6) conectada a la unidad de separación/purificación (5; 5a) para utilizar el gas hidrógeno purificado,
d. una unidad de reutilización térmica (7) conectada a la unidad de separación/purificación (5; 5a) para la reutilización térmica de una mezcla de gases residuales que es el flujo parcial de la mezcla de gases procedente de la unidad de deshidrogenación (4), del que se ha separado el gas hidrógeno,
en donde la unidad de utilización es una unidad de generación de electricidad (6),
en donde la unidad de separación/purificación (5; 5a) está conectada a la unidad de generación de electricidad (6) a través de un primer conducto de fluido y a la unidad de reutilización térmica (7) a través de un segundo conducto de fluido,
caracterizada por quela unidad de generación de electricidad (6) está conectada a la unidad de reutilización térmica (7) para alimentar un flujo de gas de escape de la unidad de generación de electricidad (6).
2. Instalación de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,caracterizada por quela unidad de separación/purificación (5a) presenta un compresor (25) electroquímico.
3. Instalación de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,caracterizada poruna unidad de lavado (8) para lavar la mezcla de gases residuales de la unidad de separación/purificación (5; 5a), en donde la unidad de lavado (8) está dispuesta en particular aguas arriba de la unidad de reutilización térmica (7).
4. Instalación de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,caracterizada poruna unidad de transferencia de calor (11) para reconducir calor de la unidad de generación de electricidad (6) y/o de la unidad de reutilización térmica (7) a la unidad de deshidrogenación (4).
5. Procedimiento para la facilitación de gas hidrógeno que comprende las etapas de procedimiento
- liberar una mezcla de gases que contiene gas hidrógeno de un medio portador de hidrógeno cargado al menos parcialmente por medio de una unidad de deshidrogenación (4),
- separar al menos parcialmente el gas hidrógeno de la mezcla de gases y purificar el gas hidrógeno separado por medio de una unidad de separación/purificación (5; 5a) conectada a la unidad de deshidrogenación (4), - en donde la separación al menos parcial del gas hidrógeno de la mezcla de gases y la purificación del gas hidrógeno separado se realizan por medio de una membrana de separación (17),
- generar electricidad a partir del gas hidrógeno purificado por medio de una unidad de utilización (6) conectada a la unidad de separación/purificación (5; 5a),
- reutilizar térmicamente una mezcla de gases residuales por medio de una unidad de reutilización térmica (7) conectada a la unidad de separación/purificación (5; 5a), en donde la mezcla de gases residuales es el flujo parcial de la mezcla de gases procedente de la unidad de deshidrogenación (4), del que se ha separado el gas hidrógeno,
caracterizado por quela separación al menos parcial produce un rendimiento del gas hidrógeno de como máximo el 80 % con respecto a la mezcla de gases alimentada a la unidad de separación/purificación (5; 5a).
6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5,caracterizado por quela purificación del gas hidrógeno separado se realiza mediante compresión electroquímica.
7. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 5 o 6,caracterizado por quela liberación de la mezcla de gases que contiene gas hidrógeno se realiza con una presión absoluta en un intervalo de 100 kPa (1,0 bara) a 350 kPa (3,5 bara), en particular de 100 kPa (1,0 bara) a 200 kPa (2,0 bara), en particular de 100 kPa (1,0 bara) a 150 kPa (1,5 bara).
8. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 5 a 7,caracterizado por quela liberación de la mezcla de gases que contiene gas hidrógeno se realiza a una temperatura de al menos 200 °C, en particular en un intervalo de 240 °C a 320 °C.
9. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 5 a 8,caracterizado por quela separación al menos parcial produce un rendimiento del gas hidrógeno de como máximo el 75 % con respecto a la mezcla de gases alimentada a la unidad de separación/purificación (5; 5a).
10. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 5 a 9,caracterizado poruna reconducción del calor desde la unidad de generación de electricidad (6) y/o desde la unidad de reutilización térmica<(>7<)>hacia la unidad de deshidrogenación (4).
11. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 5 a 10,caracterizado por quea partir del gas hidrógeno purificado alimentado a la unidad de utilización diseñada como unidad de generación de electricidad (6) se genera electricidad únicamente de manera proporcional y en particular se descarga un flujo residual de gas hidrógeno, a partir del cual no se ha generado electricidad, de la unidad de generación de electricidad (6) y en particular se alimenta a la unidad de reutilización térmica (7).
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