Estudios y aplicabilidad del hidrógeno para la generación de energía térmica luis bertenasco

Luis Bertenasco

Octubre 2011 – Thermal Congress Asociación Argentina del Hidrógeno Asociación Argentina de Biocombustibles e Hidrógeno

INDICE Tendencias

Desafíos

Factores de emisión por tipo de combustible

Hidrógeno

Celdas de Combustibles

Generación eléctrica de Hidrógeno a partir del carbón

Mapa y Tecnologías para producir Hidrógeno

Electrolizador producción de Hidrógeno a presión

Hidrógeno en Generación Termoeléctrica

Hidrógeno en Turbina

Visión del Hidrógeno en la Generación Termoeléctrica


TENDENCIAS en el futuro de la energía

El Consumo de Energía creció casi 50% en los últimos 20 años y

probablemente crecerá otro 50% en los siguientes 20 años.

El Gas Natural dentro de los combustibles convencionales, es el que

más crecerá en este siglo, llamado “la Era de Oro de los Gases”,

donde el Hidrógeno potencia el ciclo, por su flexibilidad y por

satisfacer los estándares medioambientales y de sustentabilidad.

La Generación Eléctrica y la Industria dominan el crecimiento.

La energía utilizada para generar Electricidad es la de mayor

crecimiento y representa el 60% del crecimiento esperado.


1. Satisfacer la creciente demanda de energía procurando el bienestar social y desarrollo económico, de un modo sustentable.

Fuente: : IPCC, United Nations Enviromental Programme, 2007

2. Satisfacer las necesidades medioambientales, reduciendo las emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI), particularmente del dióxido de carbono (CO2).

DESAFIOS en el futuro de la energía

Las emisiones antropogénicas de CO2, constituyen alrededor del 65% de las emisiones globales de GEI.

Las emisiones de GEI debidas a la Generación de Energía y actividades Industriales, están compuestas mayoritariamente por CO2, representando un 38% del total.


FACTORES DE EMISIÓN por tipo de combustible

Tipo de Combustible Kg de CO2/GJ

H2 (de renovable) --

H 20 (de renovable) 44.96

B 100 (1) 23.7

B 20 63.94

Gas Natural 56.2

Petróleo crudo 73.4

Coque 108.3

6.5

17.46

12.24

Factores IPCC de Emisión de Carbono y Dióxido de Carbono

Factor de EmisiónKg de C/GJ

--

15.3

20.0

Gas Oíl 20.2

(1) Considerando su ciclo de vida tiende a cero.

74.1

Fuel Oíl 21.1 77.4

Coque de Petróleo 27.5 100.9

29.5

Panel Intergubernamental de

Cambios Climáticos = IPCC


HIDROGENO interés como vector energético El producto de la utilización del hidrógeno como combustible es agua.

No se liberan emisiones de sustancias contaminantes. Tampoco se

generan GEI.

Se puede utilizar como combustible en una amplia variedad de sistemas:

Celdas de Combustible, Motores y Turbinas.

La transformación hidrógeno/electricidad, en una celda de combustible,

tiene lugar en ambas direcciones con una elevada eficiencia.

A diferencia de la energía eléctrica, el hidrógeno se puede acumular y

almacenar en grandes cantidades.

Se puede transportar en largas distancias en fase gaseosa o líquida.

Amplia flexibilidad en la producción y utilización del hidrógeno.


En el 2020, la UE quiere que el 23 % de la energía de los combustibles para el transporte por carretera sea de origen alternativo.

Año Biocombustibles (%) GNC (1) (%) Hidrógeno (%) Total (%)

2005 2 --- --- 2

2010 5,75 2 --- 7,75

2015 7 5 2 14

2020 8 10 5 23

FOMENTO del uso de combustibles alternativos

(1) Gas Natural Comprimido


PRODUCCIÓN mundial de Hidrógeno

El 96% se produce a partir de Hidrocarburos y carbón.

El 95% de la producción es “cautiva”

(se consume en el lugar de producción).


GENERACIÓN de electricidad con Celdas de Combustibles

No obstante a los continuos avances, las “Celdas de Combustibles” aún requieren de mejoras en sus costos de producción, en relación con los sistemas convencionales de Generación Eléctrica y así lograr irrumpir en la Generación a mayor escala.

Estos sistemas ya son asequibles, e incluso funcionan a escala comercial en países como Japón, aplicados a generación

domiciliaria y de mediano consumo


PRODUCCIÓN eléctrica con H2 a partir de Carbón

Proceso shift

CO + H2 + H2O

CO2 + 2 H2

Hidrógeno para proceso o celdas de

combustible

Limpiadores de gas

Carbón y agua

1 2 3

Oxígeno

Escoria

TURBINA QUE FUNCIONA CON H2

COMPRESOR

TURBINA

CAMARA DE COMBUSTION

Aire

AIRE

GASES DE

ESCAPE

En las plantas de producción eléctrica a partir de carbón, el Hidrógeno es un elemento clave en los procesos de pre-combustión para la captura y almacenamiento del CO2.

El Hidrógeno y las pilas de combustibles pueden integrarse en las plantas de GICC para mejorar su eficiencia y disminuir las emisiones.


Gas

Petróleo

Hidráulica / Marina

Solar

FÓ

SIL

ES

RE

NO

VA

BL

ES

GNL

Reformado

Refino

Petroquímica

Gas Natural

Hidrógeno

Gas Oíl

Fuel Oíl

Reducción CO2

Materiales

Generación Eléctrica

LIMPIA

Hidrógeno

Biomasa

Procesos

Gasificación / Pirolisis Reformado Biogas

Biocombustibles

Eólica

Transformación AplicacionesPortadores energéticosFuentes

Productos

MAPA de tecnologías combustibles líquidos y gaseosos

Generación Eléctrica

Fotólisis

Nuclear

Termólisis

Geotérmica

Electrólisis


BIOMASA producción de Hidrógeno


TERMOLISIS producción de HidrógenoH2 a partir de Agua con procesos a altas temperaturas

Proyecto Hydrosol

Nuclear Solar


Proceso Térmico Proceso Químico

Descomposición directa de aguapor vía térmica: T > 2500 Cº

Ciclos TermoquímicosT < 1000 Cº

El ciclo S-I es el más prometedor:• T ~ 900 Cº• Eficiencia ~ 43 %

Los reactores nucleares actualesno alcanzan este nivel de TSe requiere de nuevos conceptos de reactor Ej: “Generación IV” (VHTR)

TERMOLISIS producción de Hidrógeno Cont.


FOTOLISIS producción de Hidrógeno

Algunos Semiconductores son capaces de producir H2 por fotólisis de agua con luz solar

6- 18 % de eficiencia en laboratorio


ELECTROLISIS producción de Hidrógeno

Eólica

Hidráulica

Mareomotriz

Geotérmica

Solar Fotovoltaica

Electrolizador

e-

Eficiencia 50 - 80%


ELECTROLIZADOR producción de H2 a presión

Ultra high power conversion. 4.0 kWh/H2Nm3

Corrosion resistent electrodes 200 bar electrolysis Full automatic plants Intelligent power box

Efficiency: 75%


HIDROGENO en generación Termoeléctrica

Como pensar en la Generación a gran escala:

El H2 como “Pulmón en la Generación”, se produce utilizando la Energía Eléctrica disponible en los Valles durante su demanda y luego se introduce como gas combustible en las Centrales Térmicas, generando electricidad durante los Picos.

El H2 como “Acumulador Energético”, producido a partir de Energías Renovables, es convenientemente almacenado y luego utilizado como gas combustible, en Motogeneradores y Turbinas de Generación Eléctrica, el que luego de ser quemado genera agua producto de su oxidación.

Estos esquemas permiten resolver un antaño problema de acumulación de la energía excedente, para luego reutilizarla cuando surge la demanda


HIDROGENO como “Pulmón en la Generación”

Red Alta Tensión

Electrolizador a presión Cilindros de H2

Generación de Electricidad en Picos

Producción de H2 en Valles

Turbina Termoeléctrica


HIDROGENO como “Acumulador Energético”

Turbinas eólicas

Red Alta Tensión

Electrolizador a presión Cilindros de H2

Generación de Electricidad a Demanda

Con excedente de viento producción de H2

Turbina Termoeléctrica


HIDROGENO ventajas para la Generación Eléctrica

Aumentar la eficiencia y disminuir las emisiones en generación centralizada y distribuida (Motogeneradores y Turbinas).

Amortiguar el carácter intermitente de los generadores Renovables y aumentar su predictibilidad.

Gestión de la carga (variabilidad diurna y estacional).

Reducir la necesidad de reforzar las líneas de transporte y de distribución.


COMBUSTOR turbina alimentada a gas


TURBINA alimentada a Hidrógeno GE 10 STD


PRIMERA Central Eléctrica del mundo a Hidrógeno

Vista interna de la Turbina GT GE10 STD

Cámara de combustionENEL Fusina (Pcia. Venecia) Italia


FACTORES de Emisión en Turbina con H2 y con Gas

Con Hidrógeno sin emisión de dióxido de carbono = ahorro de 50 mil Tn. año

NOx emissions with steam injection


ERAS de la energía “la era de oro de los gases”


VISION del Hidrógeno en la Generación Térmica

AÑOS2010-30

Mezcla con Gas (H 30) en Motogeneradores y Turbinas Termoeléctricas.Aplicación de Celdas de Combustibles en sistemas residenciales y de servicios.

Corto Plazo:

2030-50H2 100% en Motogeneradores y Turbinas Termoeléctricas.Aplicación masiva de Celdas de Combustibles en Generación Eléctrica.

Medio Plazo:

2050 » Largo Plazo: H2 en Generación distribuida (Ciclos Combinados, Celdas de Combustibles, en Energías Renovables).Redes Eléctricas Inteligentes.


FINAL de presentación

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