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Microcogeneración con hidrógeno. Inicio de una nueva era

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La cogeneración consiste en la producción simultánea de calor y electricidad en el punto de consumo final de energía a partir de un combustible, hoy día,  principalmente gas natural y en mayor medida cualquier otro combustible de origen fósil o biomasa.

La microcogeneración se refiere a equipos de potencia de menos de 50kW, que pueden ser integrados con facilidad y a una inversión asumible en edificios industriales, sector terciario, sector residencial, edificios públicos,…

Este tipo de generación de energía térmica y de electricidad permite conseguir ahorroImagen-1s de hasta el 40% de energía primaria, ya que se reducen las pérdidas del transporte/distribución  de la energía eléctrica. Se trata pues, al igual que la fotovoltaica, una de las tecnologías denominadas de  generación distribuida y deslocalizada.

El ahorro obtenido se fundamenta en que estos equipos operan con rendimientos muy elevados, del orden del 85-90%.Comparándolo con una central eléctrica convencional, ratios del 35% en el caso de centrales de carbón, y en centrales de ciclo combinado de gas natural del orden del 58%.

Para que estos sistemas sean rentables se precisa que la demanda de calor por el consumidor sea de varios miles de horas al año (>4000 h/año), es decir, compatible con los sistemas de calefacción y ACS. Por otro lado, la energía eléctrica generada es, comúnmente, inyectada en la red de distribución, ya que esta energía cuenta con una “prima” al estar contemplada la cogeneración dentro del “Régimen Especial de Productores Eléctricos”.

 

Microcogeneración. Estado actual

Actualmente existen varias tecnologías de microcogeneración, pero las más comunes son: las basadas en motores de combustión interna (micro-motores alternativos), los motores de combustión externa del tipo Stirling, ciclos Rankine y las microturbinas de gas.

Una de las características propias de la microcogeneración es que la totalidad de los elementos que forman parte de la instalación viene encapsulada de manera compacta, con su aislamiento acústico incluido, de modo que el equipo suele estar listo para ser conectado y puesto en marcha. Por otro lado, los equipos de microcogeneración operan con un sistema de regulación y control automáticos y pueden ser controlados a distancia, en caso necesario.

Se llama también microfrigeneración a la utilización de parte de la energía térmica generada como alimentación de una máquina de absorción o adsorción para la producción de frío. Esto permite que en climas mediterráneos aumenten las horas de funcionamiento del equipo con el ahorro de energía primaria y eficiencia que lleva consigo, aunque haga que la inversión aumente y el sistema sea más complejo. La producción de aire caliente/frío permite utilizar esta técnica en edificios donde la demanda de ACS no es significativa (edificios de oficinas, etc.)

Como ventajas operativas respecto a soluciones convencionales, la microcogeneración ocupa espacios reducidos, son sistemas modulares  con el acople en paralelo de varios equipos  y  son flexibles,  ajustándose   a las  variaciones  de la demanda térmica. Otra aspecto significativo, es que también pudieran utilizarse en caso de emergencia, como equipos electrógenos en caso de fallo del suministro eléctrico exterior.

 

Características en función de la tecnología

1. Micro-motores alternativos

  • Fiables
  • Compactos
  • Alto REE

2. Ciclos Stirling

  • Sector doméstico
  • Pequeño tamaño y sin mantenimiento
  • Disponible comercialmente 2010

3.Micro-turbinas de gas

  • Buen rendimiento
  • Tecnológicamente complejo
  • Instalación posible exterior con recuperador de calor
  • Gas alta presiónImagen-3

4.Ciclos Rankine

  • Vivienda uni y multifamiliar
  • Modulante
  • Disponible, pero poco testado

5.Pila de combustible (fuel-cell)

  • Disponible comercialmente 2012
  • Gran modulación
  • Sólo en gas natural
  • Nuevo concepto micro-redes (generación distribuida)

 

Microcogeneración. Evolución en los próximos años

El código técnico de edificación, en su sección HE4,  reconoce a la cogeneración y microcogeneración como un sistema de alta eficiencia energética en la climatización de edificios. De hecho en edificios de nueva construcción y rehabilitación en los que exista una demanda superior a los 50l/día y/o climatización de piscinas, permite que se pueda disminuir el aporte solar mínimo si se cubre dicho servicio de ACS con procesos de cogeneración.

La evolución de la técnica ya permite hoy día,  que la microcogeneración se lleve a cabo a través de un  sistema con  pila de combustible a partir de gas natural. (en un futuro podrá ser a partir de hidrógeno)

La diferencia fundamental entre las tecnologías anteriormente descritas y las pilas de combustibles es que la producción de electricidad no se genera con energía mecánica rotativa, sino mediante un proceso de electrolisis inversa. Este hecho hace que la recuperación directa en forma de energía eléctrica sea mayor que en los procesos anteriores.

La base de la generación de energía a partir de gas natural, es, en  un primer momento, la obtención de una mezcla enriquecida en hidrógeno. Posteriormente se pasa dicho gas a través de unas celdas catódicas y anódicas, donde se produce corriente continua y agua caliente como subproducto. Este proceso se denomina reforming, que es la obtención de un gas enriquecido en hidrógeno a partir de gas natural.

Entre las ventajas de este sistema de producción eléctrica se encuentra en la inexistencia de partes móviles, lo cual hace que el mantenimiento mecánico sea escaso o nulo, de menor coste por desgaste, así como menos generación de ruidos.

Su versatilidad (uso para aplicaciones de transporte y generación) así como en los gases o combustibles de los que pueda ser alimentada (el H2 es una fuente inagotable, puesto que se puede obtener de muchas formas) es también uno de sus puntos fuertes, característica que comparte con las turbinas. Otro punto destacable es su alto rendimiento eléctrico así como las nulas emisiones en caso de alimentación directa con hidrógeno, ya que el único subproducto sería agua.

Entre las desventajas, hoy día,  la más relevante es su alto coste y la existencia de un reducido número de fabricantes y de instalaciones de uso comercial. Por otro lado la degradación del electrolito es también un inconveniente importante al reducir de manera notable la vida útil de la instalación, aunque este factor se mejorará con el desarrollo de la técnica.

La pila de combustible más empleada para microcogeneración es la de baja temperatura, formada por polimérico perfluoro-sulfonado (PEM-FC) , con temperaturas de trabajo entre los 60ºC y los 130ºC, utilizando como combustible gas natural.

Trámites necesarios para la legalización de la microcogeneración

 Existen tres tipos fundamentales de trámites diferentes que hay que realizar para la legalización y puesta en marcha de una instalación:

  • La conexión a red: necesidad de un aval (CCAA), establecer el punto de conexión (CE), elaboración del contrato técnico (CE), realización de la conexión física (CE) y liberación del aval (CCAA)
  • Legalización de la instalación con su inclusión en el Régimen Especial de Electricidad: Inspección de la instalación (CCAA/OCA´s) y legalización (CCAA)
  • Autorización de la actividad potencialmente contaminadora a la atmósfera (según la Ley 34/2007 de calidad de aire y de protección del atmósfera y el catálogo de actividades potencialmente contaminadoras, aprobado mediante el R.D.100/2011): Aval (Ministerio), Registro de preasignación (Ministerio), inscripción previa en el RIPRE(CCAA), contrato económico (CE), inscripción definitiva en el RIPRE (CCAA) y liberación del aval (Ministerio)

CCAA: Comunidad autónoma

CE: Compañía  distribuidora de la zona

OCA´s: Organismo de Control Autorizado

Conclusiones

El presente artículo pretende reflejar la evolución que se producirá en el mercado en cuanto a la obtención de las dos formas de energía final que utilizamos en los procesos cotidianos y que cubren nuestras necesidades: la energía eléctrica y el calor. CoImagen-6nscientes del cambio climático y de la minoración en la utilización de  fuentes energéticas basadas en el carbono, concepto que hoy día se denomina la descarbonización, una de las alternativas al sector residencial y terciario  que se irá introduciendo paulatinamente será la utilización de cogeneración (microcogeneración) a través de pilas de combustibles de hidrógeno: combustible limpio, inagotable y que no genera emisiones.

Tal afirmación  no es un “brindis al sol” por quien subscribe este artículo, sino que lo afirman los analistas de tendencias, el enfoque de las políticas europeas y los científicos/expertos que trabajan para las compañías más importantes del ámbito internacional. De hecho se pronostica que en el año 2050 el hidrógeno será el combustible principal,  al igual  que es hoy día, el combustible de origen fósil. Dicho elemento se encuentra en diversidad de sustancias, tales como el  agua, la madera, del gas natural,…  El problema estará en la generación del hidrógeno puro, puesto que no existen yacimientos de hidrógeno. El H2 (g) se obtendrá a partir de una electrolisis, es decir, una corriente eléctrica procedente de tecnología renovable: fotovoltaica, eólica, hidráulica,… para  descomponer el agua en H2 (g) +O2(g).

Finalmente, podríamos decir que  el hidrógeno es un portador de energía que permite su  acumulación puesto que es comprimible, que poddría impulsar la democratización  y la descentralización energética. Resumiendo,  estamos divisando el nacimiento de una nueva era  conocida como la  “Revolución del hidrógeno”.

 

 

Fuentes:

Guía básica de microcogeneración. Consejería de Economía y Hacienda (Comunidad de Madrid)

“La economía del hidrógeno”.  Jeremy Rifkin

 

 

Marcos García González

Ingeniero Industrial
 Colegiado nº1688 del ICOIIG
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