Aplicaciones de energía de celdas de combustible estacionarias
Las pilas de combustible se pueden utilizar para energía primaria, energía de respaldo o calor y energía combinados (CHP) para aplicaciones estacionarias. Las pilas de combustible estacionarias pueden dimensionarse para alimentar cualquier cosa, desde una casa unifamiliar hasta un gran centro de negocios, lo que significa que tienen sentido para una amplia gama de mercados, incluidos el comercio minorista, los centros de datos, el residencial, las telecomunicaciones y muchos más. Las pilas de combustible para aplicaciones estacionarias se diferencian de las aplicaciones portátiles y automotrices en la elección de la pila de combustible, el combustible y el calentamiento y enfriamiento de las chimeneas. Se ha desarrollado una variedad de sistemas de energía de celdas de combustible estacionarias y se han instalado o están en pedido más de 7,600 celdas de combustible para energía de respaldo de emergencia. Los sistemas de energía de respaldo de celdas de combustible se utilizan actualmente como energía de respaldo en más de 40 estados. Algunos ejemplos notables son:
1. Las pilas de combustible proporcionaron energía de respaldo de emergencia a las torres de telecomunicaciones que operaron durante cientos de horas tanto en las Bahamas como en el noreste de los Estados Unidos después de que el huracán Sandy azotara el Caribe y la costa este en 2012.
2. El recinto del Central Park de la ciudad de Nueva York ha tenido una celda de combustible de 200 kW durante más de una década. La comisaría fue el único edificio de la zona que conservó electricidad durante el apagón masivo que azotó el noreste en 2003.
3. ReliOn tiene instalaciones de celdas de combustible en los sitios de AT&T y Pacific Gas & Electric y Sprint ha demostrado la viabilidad técnica y económica de implementar celdas de combustible de membrana de electrolito polimérico (PEM) de 1 kW a 10 kW con 72 horas de almacenamiento de combustible en el sitio para proporcionar energía de respaldo para sitios de torres de telefonía celular y redes de servicios públicos.
Las pilas de combustible estacionarias se pueden utilizar para aplicaciones tales como:
• La fuente de energía primaria, que compite con la red o que se utiliza en lugares donde la red no puede llegar.
• Para proporcionar energía suplementaria
• En sistemas de energía híbridos con fotovoltaica, baterías, condensadores o turbinas eólicas, proporcionando energía primaria o secundaria.
• Como generador de respaldo o energía que proporciona energía cuando la red no funciona
La celda de combustible se puede diseñar y construir para proporcionar cualquier salida de potencia promedio y máxima requerida desde un pequeño sistema de respaldo hasta un sistema de celda de combustible grande para alimentar un centro de datos. Dependiendo de los requisitos de energía promedio y pico, un sistema independiente puede requerir una fuente de energía adicional. Pueden ser baterías, supercondensadores, paneles solares, turbinas eólicas o una combinación de estos.
La Tabla 1 muestra un resumen de los fabricantes de pilas de combustible estacionarias con más de diez estaciones de demostración. Los fabricantes notables son Plug Power, Fuel Cell Energy, UTC Power y Fuji Electric. Más de 50 fabricantes de pilas de combustible estacionarias comenzaron a demostrar sus centrales eléctricas estacionarias ya en los años 90. A diferencia de otras aplicaciones de pilas de combustible, el tipo de combustible más utilizado es el gas natural; sin embargo, otros tipos de combustible comunes son el propano, el hidrógeno comprimido, el biogás, el metanol, los combustibles a base de petróleo, el gas ciudad, el gas de síntesis, el gas de digestión y el gas de vertedero. El tipo más común de pila de combustible utilizado es la PEMFC, pero también se utilizan SOFC, MCFC, AFC y PAFC. Las estaciones de pilas de combustible se han instalado en todo el mundo, pero los países con el mayor número de centrales eléctricas de pilas de combustible estacionarias son Estados Unidos, Alemania y Japón, lo que concuerda con la cantidad de financiación para pilas de combustible que estos países han proporcionado. El rango de potencia para pilas de combustible estacionarias en la Tabla 1 es de 500 W a 5 MW.
Tabla 1. Empresas con al menos diez demostraciones de sistemas de energía estacionarios.
Cálculos de eficiencia de pilas de combustible estacionarias
Para evaluar y comparar sistemas de pilas de combustible estacionarias, se pueden calcular las siguientes eficiencias para todos los componentes y aspectos del sistema de pilas de combustible. La eficiencia total del sistema de pila de combustible se define como:
Eficiencia total = (producción de energía eléctrica + producción térmica) / consumo de combustible
donde Pnet y Qnet son las cantidades de energía y calor utilizables, respectivamente, y nfuel es la cantidad de combustible que ingresa al sistema de celda de combustible. La eficiencia eléctrica del sistema de combustible estacionario es:
donde Pnet = PAC – Paux_equipment y Paux_equipment = Pcompressor + Ppump + Pcontrol (3) donde PAC es la potencia AC utilizable generada, Paux_equipment es la potencia requerida por el equipo auxiliar, Pcompressor es la potencia requerida por el compresor, Ppump es la potencia requerida por el bomba, y Pcontrol es la potencia requerida por el sistema de control.
La eficiencia térmica del sistema de pila de combustible estacionaria es:
Si el sistema de pila de combustible estacionaria utiliza un procesador de combustible, la eficiencia del procesador de combustible es:
:
La eficiencia CC/CA del sistema de pila de combustible estacionaria es:
Para cualquier equipo auxiliar utilizado, la eficiencia es:
La eficiencia de la pila de combustible es:
Economía de los sistemas de pilas de combustible estacionarias
Para que los sistemas estacionarios de pilas de combustible sean rentables, deben competir con el coste de la electricidad de las empresas de servicios públicos. El precio de compra del sistema de pila de combustible debe ahorrar dinero al propietario durante la vida útil del sistema. Un cálculo simple que se puede utilizar para determinar la rentabilidad del sistema de pila de combustible es el tiempo de recuperación. Se trata simplemente de la relación entre el precio de compra y el ahorro anual de electricidad. Este cálculo no tiene en cuenta los intereses perdidos o gastados durante ese período, la inflación y los cambios en los precios de la electricidad y el gas. La ecuación para el tiempo de recuperación simple es:
SPT = precio de compra del sistema de pila de combustible / ahorro anual en electricidad
donde Pfc,norm es la potencia nominal del sistema de energía de celda de combustible (kW), Cfc es el costo específico del sistema de energía de celda de combustible por kW de potencia nominal ($ kW–1), AEP es la electricidad anual producida por el sistema de energía de celda de combustible por KW de potencia nominal (kWhyr–1), ηfc es la eficiencia anual promedio del sistema de celda de combustible, COE es el costo de la electricidad ($ kWh–1) y Cng es el costo del gas natural ($ kWh–1) utilizando el poder calorífico más bajo del gas natural.
La electricidad anual producida (AEP) y la eficiencia media anual son funciones del perfil de carga. Los perfiles de carga varían según la aplicación, el día de la semana y la temporada. Un sistema de energía de pila de combustible se puede dimensionar para generar cualquier tipo de energía con un rango mínimo y máximo. La cantidad de electricidad producida (kW) anualmente (AEP) por un sistema de pila de combustible es [15]:
donde Pfc_time es la potencia de la pila de combustible en un momento dado y hyyear-operation son las horas de funcionamiento anuales de la pila de combustible (en horas). Esta ecuación sólo se puede utilizar cuando se conoce el perfil de carga. Un factor de capacidad, CF, puede facilitar la estimación porque es una relación entre la electricidad realmente producida en un período de tiempo y la electricidad que podría haberse producido a potencia nominal durante todo el período. La cantidad de electricidad producida anualmente (en kW) es
donde CF es el factor de capacidad.
Una carga en sí misma tiene un cierto factor de capacidad.
Por lo tanto, una pila de combustible dimensionada para proporcionar toda la energía requerida por la carga funcionaría con un factor de capacidad del 25 por ciento. La eficiencia anual promedio () del sistema de pila de combustible (en porcentaje) es:
donde Pfc y ηfc son la potencia de salida del sistema de pila de combustible y la eficiencia del sistema.
Esta ecuación sólo se puede utilizar si se conoce el perfil de carga anual. Los costes anuales del combustible (AFC) y el coste de la pila de combustible (CFC) se pueden calcular utilizando las siguientes ecuaciones:
donde Cf es el costo del combustible (dólares estadounidenses por kilovatio hora), Cfix son los costos asociados con la instalación de la celda de combustible, excluyendo los costos de las celdas individuales, pero incluyendo el saldo de los costos de planta e instalación (en dólares estadounidenses), Ccell es el costo de cada celda individual (dólares estadounidenses por año), Ncell es el número de celdas individuales, PFC es la potencia de salida de la celda de combustible en kilovatios, Vcell es el voltaje nominal de la celda, i es la densidad de corriente (A/cm2) y Acell es el área activa de la celda (cm2). El factor de recuperación de capital (CRF) (año–1) es:
Donde ir es la tasa de interés anual (en porcentaje) y L es la vida útil de las celdas individuales (en años).
El factor de recuperación de capital se utiliza para calcular el costo de recuperación de capital (CRC):
Donde Crep es el coste de reposición de la pila de combustible al final de su vida útil (Ccell * Ncell).
El coste de la electricidad producida por una pila de combustible se puede calcular mediante la siguiente ecuación:
Este cálculo del COE incluye el costo de mantenimiento anual (AMC) y un término que incluye el costo ambiental asociado al uso de combustibles fósiles (Senv) (ambos en dólares estadounidenses por año). Senv solo se utiliza con tipos de pilas de combustible que utilizan hidrógeno de fuentes no fósiles como combustible y se puede definir de la siguiente manera:
donde Cp es el costo del daño ambiental (en dólares estadounidenses por kilovatio-hora), δ es la relación entre la eficiencia de utilización del hidrógeno y la de los combustibles fósiles y ε es la relación entre el impacto ambiental de la utilización del hidrógeno y la de los combustibles fósiles. Los valores comúnmente utilizados para estos factores son Cp = 0,0216 dólares por kWh, δ = 1,358 y ε = 0,04.
La economía de una pila de combustible se puede mejorar exportando electricidad a la red o utilizando el calor producido por la pila de combustible. Si la electricidad se exporta de nuevo a la red, el tiempo de recuperación simple sería:
donde AEPint es la cantidad de electricidad consumida internamente (kWhyr–1), AEPexp es la cantidad de electricidad exportada a la red (kWhyr–1) y COEexp es el precio de la electricidad exportada a la red ($ kWh–1) .
Conclusión
Las pilas de combustible estacionarias se han demostrado desde los años 1990. Se estima que actualmente hay instalados 235 MW de energía de pila de combustible estacionaria y casi 8.000 unidades de energía de respaldo desplegadas o instaladas. La mayoría de las aplicaciones de energía estacionarias utilizan SOFC, MCFC, AFC y PEMFC en el rango de potencia de 1 kW a 5 MW. Al comparar sistemas de pilas de combustible estacionarias, se deben comparar y personalizar la potencia de salida de la pila de combustible, el equilibrio térmico, la eficiencia, el tamaño, el peso, el suministro de combustible y los costos generales para adaptarse a la carga requerida.
