Estimad@s Clientes y/o amantes del LEAN:
Voy a dedicar este post a mi elemento favorito de la Tabla Periódica,
el Hidrógeno
No hablaré de su uso como combustible de los futuros coches,
sino acerca de las enormes posibilidades que se abren al usarlo como forma de
almacenar la energía excedente generada por los parques eólicos y solares
Los dos primeros artículos explican las distintas formas de
almacenar energía
El tercero y el cuarto hablan de unas casas experimentales en
Tailandia, que pueden almacenar hidrógeno, generado a partir de energía solar
Por último, el quinto describe un experimento que se lleva a
cabo en Dinamarca, generando hidrógeno a gran escala a partir de un parque
eólico
Feliz lectura
1. 3 sistemas de almacenamiento de energía eléctrica
Cuando se habla de hidrógeno mucha gente piensa
automáticamente en vehículos propulsados por pilas de combustible, pero el
hidrógeno plantea muchos más usos y ventajas. Por ejemplo, la posibilidad
de lograr una independencia energética respecto a terceros países.
Que vista como está la situación en muchos de los territorios exportadores de
petróleo, no estaría nada mal.
Figura 1: cobertura de la demanda anual de energía eléctrica
peninsular en el año 2014
Ha habido un importante crecimiento en los
últimos años de toda la potencia instalada procedente de energías
renovables. En España por ejemplo en 2014 la energía eólica cubrió algo más
del 20% de la demanda mientras que la hidráulica supuso algo más del 15% y el
resto de renovables un 7% (Figura 1). Eso quiere decir que en torno al 42% de
la energía producida en España procedía de una fuente renovable. Pero las
energías renovables tienen un pequeño problema y es que hasta el
momento no hemos logrado imponer nuestra voluntad sobre viento, nubes o mareas.
Esto es, el viento sopla cuando le viene en gana al muy bribón y las nubes
pueden hacer acto de presencia en el momento más inoportuno llegando incluso a
aguarnos la fiesta. Así, se podría llegar al caso en el cual si la potencia
renovable instalada crece considerablemente puede haber momentos en los
que la demanda energética no case con la producción ya que
está no es controlable en el caso de renovables. Por ejemplo, podría ocurrir
que se requiera un pico de energía y que no haga una brizna de aire y que
además esté nublado, predecir lo que ocurriría en este caso si solo dependemos
de energías renovables es muy simple, adiós electricidad. Podría darse la
situación inversa en la que la demanda sea muy baja, como ocurre por las
noches, pero que en ese instante el viento azote con fuerza los parques
eólicos, ¿qué hacer en ese caso? ¿Paramos los parques eólicos y dejamos de producir
esa energía? De esta forma surge el concepto de energía excedente o
Surplus. Surplus es esa energía excedente que tiene lugar cuando se produce más
energía de la que se demanda. Por ejemplo cuando la generación de renovables es
mayor que la demanda. Lo que se podría hacer en lugar de parar las
renovables es almacenar esta energía sobrante y emplearla en
futuros picos de demanda cuando quizás las renovables no logren generar toda la
energía requerida.
¿Cómo se puede almacenar esa energía? En la actualidad
existen tres aproximaciones diferentes al problema, a saber, bombeo
reversible, almacenamiento de aire comprimido o el recién
surgido almacenamiento de hidrógeno. Analicemos una a una las tres
opciones:
Bombeo reversible
El bombeo reversible consiste simple y llanamente en almacenar
energía eléctrica en forma de energía potencial. Cuando hay un excedente de
producción de energía, se bombea agua desde un embalse a otro que se encuentra
a mayor altura aumentando la energía potencial de la masa de agua bombeada.
Cuando se requiera un pico de energía eléctrica, se deja caer el agua del
embalse superior al que se encuentra situado a menor altura, haciendo pasar esa
agua por una turbina y generando electricidad (Figura 2). Con este tipo de
almacenamiento nos movemos en un rango de potencias de entre 10 MW y 1 GW, con
tiempos de respuesta de entre 60 s y 120 s, lo cual es bastante rápido. Además,
tienen la ventaja de que la vida útil que presentan es casi ilimitada, se habla
de 50 años o incluso más. El número de ciclos también es muy elevado, aguanta
más de 15000 ciclos y la eficiencia se situaría entre un 70-85% dependiendo del
tipo de turbina. El bombeo reversible es la primera fuente de almacenamiento de
energía a nivel mundial con 127 GW instalados. En España hay en torno a 6 GW a
día de hoy, 5 y pico en funcionamiento y uno y pico pendiente de acabar su
instalación. El principal problema del bombeo reversible es
la dependencia de la topografía, es decir, que necesitas poder
hacer dos embalses en un mismo cauce a dos alturas lo suficientemente
diferentes y esto no se encuentra todos los días. Se prevé que este tipo de
almacenamiento siga incrementándose pero que mientras ahora representa un 10,7%
del total de la energía renovable instalada, no se va a incrementar en la misma
medida en la que va a crecer la instalación de la energía renovable. Esto hace
que este sistema no pueda ser el único que tengamos para almacenar energía,
sino que hay que acompañarlo de algún otro tipo de almacenamiento.
Figura 2: Esquema de funcionamiento del almacenamiento de
energía por bombeo reversible.
Almacenamiento de aire comprimido
Cuando la demanda es baja, se ponen a trabajar unos
compresores para comprimir aire y en los momentos en los que la demanda sea
alta se emplea ese aire comprimido para mover una serie de turbinas las cuales
generan electricidad. El almacenamiento de este aire a presión se puede hacer
bien bajo tierra, en cavernas, acuíferos o minas, o bien sobre tierra en
depósitos (Figura 3). Los rangos de potencias en los que nos movemos son más o
menos los mismos que en el caso del bombeo reversible, quizás algo
inferiores. La mayor limitación en este caso es la
capacidad del propio depósito. En el mundo existen dos de estas
instalaciones, una en Alemania y otra en Estados Unidos. En Alemania son dos
cavernas de 150.000 m3 cada una y en Estados Unidos es una
caverna de 500.000 m3.
Figura 3: Esquema del almacenamiento de energía mediante
aire comprimido.
Almacenamiento de hidrógeno
El tercero de los conceptos de almacenamiento de energía a
gran escala es el denominado Power to Gas (P2G). En este caso lo que se hace
con el excedente de energía eléctrica es generar hidrógeno mediante
electrólisis del agua, aunque como ya
conté, actualmente la mayor parte del hidrógeno producido a nivel mundial
procede del reformado del Gas Natural. Una vez producido se puede llevar a
consumo como por ejemplo en vehículos que empleen pilas de hidrógeno o a un
almacenamiento. Cuando se requiera un extra de energía en la red el hidrógeno
se puede llevar a una etapa de metanización, mezclándolo con CO2 y
reinyectarlo a la red de Gas Natural, o puede inyectarse en pilas de
combustible.
En términos económicos, las tres tecnologías requieren de
una alta inversión para el desacople de la parte de energía. En cuanto al
hidrógeno, no solo sirve como almacenamiento de energía, sino que
lo que se consigue con él es la posibilidad de llevarlo a muchas aplicaciones lo
que hace que no haya que centrarse en una sola, disminuyendo el riesgo en un
hipotético mercado. Teniendo en cuenta el volumen, el H2alcanza
valores de hasta 280 kWh/m3, por m3 de hidrógeno
almacenado. Frente a los 0,7 kWh/m3 del bombeo reversible, lo cual
hace que a priori el almacenamiento de energía en forma de hidrógeno sea
atractivo.
El desarrollo y fomento de estas formas de almacenamiento de
energía pueden conducirnos a una sociedad más verde y menos contaminada.
Además, el hidrógeno en particular puede hacernos prácticamente independientes
energéticamente de terceros países. Por ejemplo, si la energía generada
procediese de fuentes renovables, o en su defecto de los almacenamientos
descritos y además los vehículos fuesen bien eléctricos o bien propulsados por
hidrógeno, apenas necesitaríamos importar combustibles fósiles. Eso nos
permitiría no depender de terceros países y sus fluctuaciones geopolíticas,
ello redundaría en una mayor estabilidad de los precios. Alemania, por ejemplo,
está basando parte de su estrategia energética en el hidrógeno viendo las
fluctuaciones y los problemas crecientes que supone la importación de
combustibles fósiles. España por su parte, uno de los países europeos con mayor
potencial para las renovables, quizás no está haciendo todos los esfuerzos que
debería en esta línea.
La electricidad es el pilar básico de nuestra
civilización. Actualmente, según datos de la Unión Europea, las ciudades
consumen el 70% de la energía de Europa. Una cifra que destaca la necesidad
de instaurar tecnologías innovadoras que eviten pérdidas y generen un
uso más eficiente de la misma.
Con estos datos, y teniendo en cuenta que el
suministro a partir de fuentes
renovables es muy dependiente
de las condiciones meteorológicas, se necesita tecnología capaz
de recoger la electricidad sobrante para que pueda ser usada
en momentos de necesidad. La solución a esta paradoja pasa por el
almacenamiento de energía. Pero, ¿cómo se logra?
- Baterías de Litio: se recargan
en cuestión de segundos y son capaces de almacenar varias
horas de energía. Su escalabilidad hace que sean adecuadas para los
hogares privados, el pequeño comercio, las fábricas y como fuente de
alimentación de reserva. Las baterías de litio se utilizan en muchos
dispositivos móviles y en los coches eléctricos.
- Hidrógeno: se
describe como el combustible del futuro, ya que permite producir
electricidad a través de las renovables. Para producir este elemento,
se necesita realizar un proceso llamado “electrólisis” que utiliza agua y
electricidad como “materias primas”. El hidrógeno generado se puede almacenar
en contenedores especiales durante largos periodos de tiempo, y podría
utilizarse cuando no sople el viento para obtener electricidad en plantas
de generación de gas o para proveer a los coches de combustible.
- Acumulación por bombeo: es la forma de
almacenamiento con la mayor capacidad instalada en todo el mundo.
Se trata de una tecnología usada por las centrales hidroeléctricas que
permite acumular energía durante varias horas.
- Aire
comprimido: aprovechando los valles de demanda
eléctrica, desviamos la producción sobrante a nuestra central de
compresión de aire y lo introducimos en una caverna subterránea
especialmente construida para su almacenamiento. Cuando se alcanza su
capacidad máxima o la demanda vuelve a crecer, cambiamos el sentido del
flujo: extraemos el aire comprimido y lo utilizamos para producir energía
eléctrica.
- Almacenamiento
térmico: es una técnica de acumulación de energía
mediante la cual se aprovecha el calor, subiendo o bajando la temperatura
de una sustancia, cambiando la fase de la sustancia o una combinación de
ambos mecanismos.
- Supercondensadores: dispositivos capaces
de almacenar grandes cantidades de energía eléctrica en forma de cargas
electrostáticas y cederla rápidamente en el momento necesario.
- Volantes de inercia: consiste en el empleo
de un disco metálico que comienza a girar cuando se le aplica un par
motor. Mientras está dando vueltas, se le intenta frenar con un par
resistente, conservando así la energía en forma mecánica –cinética.
3, El almacenamiento de hidrógeno llega a los hogares
y la energía limpia sigue ganando terreno
En muy interesante ver como los proyectos que aprovechan
algún tipo de energía limpia siguen ganando terreno, ya que como todos sabemos,
el futuro apunta hacia ello. Tanto la energía solar, como la eólica, son las
que mayor participación tienen actualmente, pero en los últimos meses, hemos
visto como el uso de hidrógeno empieza a aparecer.
Precisamente hace unos días conocíamos un
nueva técnica a nivel industrial, que busca generar combustible de
hidrógeno a partir de energía solar, esto a través de un aprovechamiento de la
energía termosolar y fotovoltaica. Pero ahora, este método ha sido
adaptado a los hogares por primera vez.
Casas con almacenamiento de hidrógeno a través de energía
solar
Desde el mes de marzo, en Chiang Mai, Tailandia, han estado
experimentado con cuatro casas prototipo desarrolladas por la compañía CNX Construction, que son las
primeras en el mundo que cuentan con su propio almacenamiento de hidrógeno,
creado a partir de energía solar.
De acuerdo a sus fabricantes, cada casa posee paneles capaces
de generar 441 kWh de energía diariamente, mucha de la energía que no se
aprovecha durante el día es almacenada en un par de baterías de 2.000 Ah. El
siguiente paso es aplicar parte de esa energía excedente en un contenedor de
agua, para así separar sus componentes, almacenando así el hidrógeno para
su uso principalmente durante las noches.
Al hacer uso de este sistema a su máxima capacidad, es capaz
de generar hasta 2.000 litros de hidrógeno cada hora, mientras que
el contenedor tiene una capacidad de hasta 90.000 litros. En Chiang Mai la
demanda promedio de energía en una casa de este tipo es de 200 kWh, las
baterías son capaces de producir 120 kWh en su máxima capacidad, así que los 80
kWh restantes se pueden obtener fácilmente del abastecimiento de hidrógeno.
Además de esto, las casas están diseñadas para
aprovechar aún más la energía, por ejemplo, el agua tiene su propio panel
solar, así que no se necesita energía para calentarla; los ventanas poseen
doble cristal, las paredes son gruesas, la ventilación es natural y se
aprovecha de una instalación de ventiladores que reducen el uso de aire
acondicionado, además de que toda la iluminación es LED de bajo consumo.
CNX explica que se trata de un proceso totalmente limpio,
eficaz y ecológicamente amigable. Y finalmente después de las pruebas, a
finales del mes de enero de 2016 anunciaran sus planes de comercialización y
requerimientos especiales, algo que creen que revolucionará el uso de
la energía limpia directo en el hogar.
4. ¿Generar hidrógeno por medio del sol? Sí, la
energía solar está por dar un gran salto
Nuestra sociedad necesita migrar al uso de energías
limpias, esto no es ninguna novedad, y desde hace varios años hemos visto
como surgen todo tipo de desarrollos y proyectos que buscan que la adopción a
estas energías sea de lo más sencillo, donde sin duda la energía solar es al
día de hoy la opción más accesible para todo tipo de usuarios.
Tenemos dos formas de aprovechar la energía solar, por un
lado tenemos los paneles solares que basan su funcionamiento en células
fotovoltaicas, que son capaces de generar energía eléctrica gracias a que
absorben parte de la luz solar. Pero con la energía solar también podemos
generar energía térmica, esto a base de concentrar luz solar en espejos, para
calentar agua y producir vapor a alta presión para impulsar turbinas. Pero
ahora, gracias a un nuevo proyecto, la energía solar podrá ser capaz de
producir hidrógeno.
Hydricity, mejorando la energía termosolar
A pesar de ser las opciones más viables y populares de
energía limpia, tanto la energía fotovoltaica como la termosolar se enfrentan a
una seria de problemas en cuanto al aprovechamiento de la energía solar, por
ejemplo, las células fotovoltaica sólo aprovechan una porción del espectro
solar, pero funcionan con luz directa y difusa, mientras que las centrales
térmicas sólo aprovechan la luz solar directa, pero con mayor longitud de onda
del espectro solar.
Con esto en mente, científicos de Suiza y Estados
Unidos han
creado un sistema capaz de generar electricidad y combustible
de hidrógeno al mismo tiempo, en algo que han bautizado como
"Hydricity", de hidrógeno y electricidad, algo que sería una gran
avance dentro del aprovechamiento de la energía solar.
Al día de hoy, la energía termosolar presenta indices de
eficiencia aún por debajo de lo que se obtiene con la fotovoltaica, pero con
Hydricity se busca que esta energía sea la más eficiente, llegando a obtener
niveles del 46% de aprovechamiento. Este sistema funciona a base de
concentrar una temperatura de casi 725 ºC, mientras que las centrales térmicas
operan en promedio en los 625 ºC, con este aumento en la temperatura, el agua
se puede separar para extraer sus componentes, hidrógeno y oxigeno.
Con esta separación, el vapor seguirá impulsando turbinas,
pero ahora la diferencia es que se tendrá acceso a hidrógeno como
combustible, que servirá para generar electricidad al caer la noche,
mientras no se recibe luz solar.
5. Más cerca de la producción de hidrógeno sin emisiones
gracias a un nuevo emplazamiento piloto en Dinamarca
Una iniciativa europea facilitará la producción, el
almacenamiento y el abastecimiento de hidrógeno para una amplia gama de
usuarios finales. Esta acción contribuirá a integrar la energía ecológica en el
sistema energético con flexibilidad.
Los esfuerzos renovados por reducir las emisiones de carbono
han hecho que las energías renovables sean una fuente fundamental para la
generación eléctrica. Gracias la versatilidad, seguridad y limpieza del
hidrógeno como portador de energía, nadie duda ya de su enorme potencial para
asistir en la transición energética.
De hecho se conoce bien la tecnología que permite producirlo mediante energía eólica por electrólisis, la separación del agua en hidrógeno y oxígeno. No obstante, la producción rentable y sostenible de grandes cantidades de este gas mediante dicho proceso no es sencilla. El proyecto financiado con fondos europeos HyBalance aborda este problema mediante la producción de hidrógeno a gran escala a partir de turbinas eólicas en una planta de conversión de electricidad en hidrógeno. De este modo será posible almacenar electricidad renovable por poco precio y al mismo tiempo lograr servicios de equilibrado de la red y abastecer hidrógeno a usuarios comerciales. Además el hidrógeno generado puede consumirse en el sector del transporte.
Air Liquide, la empresa coordinadora de HyBalance, acaba de inaugurar el emplazamiento piloto del proyecto. Tal y como se explica en una nota de prensa, el electrolizador, «tiene una capacidad de 1,2 MW y permite producir cerca de 500 kg de hidrógeno sin generar CO2». Esta cantidad es suficiente como para alimentar mil automóviles y también se puede emplear en autobuses y carretillas elevadoras de hidrógeno tal y como se indica en una presentación publicada en el sitio web del proyecto. En paralelo a los clientes comerciales, el hidrógeno producido se emplea para abastecer la red de repostaje de hidrógeno instalada en Dinamarca que ya cuenta con cinco puntos.
Equilibrio y estabilidad
Equilibrar la red eléctrica es fundamental para la estabilidad de los sistemas eléctricos. La naturaleza intermitente de las fuentes de energía solar o eólica puede conducir a una infra o sobrecarga de la red. Si no se equilibra, el exceso de tensión y frecuencia provocado por este excedente de abastecimiento puede dañar dispositivos electrónicos. Los electrolizadores permiten a las eléctricas almacenar la energía que de otro modo no podría aprovecharse durante periodos de sobrecarga. Es más, durante los picos de demanda, es posible utilizar el hidrógeno almacenado para generar electricidad adicional.
«La energía eólica fluctúa y por tanto es necesario contar con opciones lo suficientemente flexibles como para garantizar el equilibrio en la red eléctrica. La electrólisis acuosa dinámica ofrece esta flexibilidad al aprovechar la electricidad en momentos en los que la energía es barata o existe la necesidad de equilibrar la red y transformar la energía en hidrógeno», según se lee en un folleto del proyecto. En su esfuerzo por fomentar una transición ecológica, «HyBalance desarrollará modelos de negocio que determinen cuándo conviene convertir la energía eólica en hidrógeno», tal y como se indica en el mismo documento.
El proyecto empleará tecnología de electrólisis de membrana de intercambio de protones (MIP), la cual se define por su elevada eficiencia (más hidrógeno producido por kWh) y flexibilidad, según la presentación. Los socios confían en que esta tecnología se valide plenamente para aplicaciones comerciales tras la finalización del proyecto.
El proyecto en marcha HyBalance (HyBalance) se diseñó para demostrar la relación entre el almacenamiento de energía en forma de hidrógeno y la instalación de tecnologías de movilidad basadas en este gas. «No solo validará tecnologías de electrólisis MIP de elevado dinamismo y procesos de abastecimiento de hidrógeno innovadores, sino que los demostrará en un entorno comercial real al emplear equipos de producción y abastecimiento de hidrógeno a alta presión», se lee en CORDIS.
https://cordis.europa.eu/news/rcn/130180/es
De hecho se conoce bien la tecnología que permite producirlo mediante energía eólica por electrólisis, la separación del agua en hidrógeno y oxígeno. No obstante, la producción rentable y sostenible de grandes cantidades de este gas mediante dicho proceso no es sencilla. El proyecto financiado con fondos europeos HyBalance aborda este problema mediante la producción de hidrógeno a gran escala a partir de turbinas eólicas en una planta de conversión de electricidad en hidrógeno. De este modo será posible almacenar electricidad renovable por poco precio y al mismo tiempo lograr servicios de equilibrado de la red y abastecer hidrógeno a usuarios comerciales. Además el hidrógeno generado puede consumirse en el sector del transporte.
Air Liquide, la empresa coordinadora de HyBalance, acaba de inaugurar el emplazamiento piloto del proyecto. Tal y como se explica en una nota de prensa, el electrolizador, «tiene una capacidad de 1,2 MW y permite producir cerca de 500 kg de hidrógeno sin generar CO2». Esta cantidad es suficiente como para alimentar mil automóviles y también se puede emplear en autobuses y carretillas elevadoras de hidrógeno tal y como se indica en una presentación publicada en el sitio web del proyecto. En paralelo a los clientes comerciales, el hidrógeno producido se emplea para abastecer la red de repostaje de hidrógeno instalada en Dinamarca que ya cuenta con cinco puntos.
Equilibrio y estabilidad
Equilibrar la red eléctrica es fundamental para la estabilidad de los sistemas eléctricos. La naturaleza intermitente de las fuentes de energía solar o eólica puede conducir a una infra o sobrecarga de la red. Si no se equilibra, el exceso de tensión y frecuencia provocado por este excedente de abastecimiento puede dañar dispositivos electrónicos. Los electrolizadores permiten a las eléctricas almacenar la energía que de otro modo no podría aprovecharse durante periodos de sobrecarga. Es más, durante los picos de demanda, es posible utilizar el hidrógeno almacenado para generar electricidad adicional.
«La energía eólica fluctúa y por tanto es necesario contar con opciones lo suficientemente flexibles como para garantizar el equilibrio en la red eléctrica. La electrólisis acuosa dinámica ofrece esta flexibilidad al aprovechar la electricidad en momentos en los que la energía es barata o existe la necesidad de equilibrar la red y transformar la energía en hidrógeno», según se lee en un folleto del proyecto. En su esfuerzo por fomentar una transición ecológica, «HyBalance desarrollará modelos de negocio que determinen cuándo conviene convertir la energía eólica en hidrógeno», tal y como se indica en el mismo documento.
El proyecto empleará tecnología de electrólisis de membrana de intercambio de protones (MIP), la cual se define por su elevada eficiencia (más hidrógeno producido por kWh) y flexibilidad, según la presentación. Los socios confían en que esta tecnología se valide plenamente para aplicaciones comerciales tras la finalización del proyecto.
El proyecto en marcha HyBalance (HyBalance) se diseñó para demostrar la relación entre el almacenamiento de energía en forma de hidrógeno y la instalación de tecnologías de movilidad basadas en este gas. «No solo validará tecnologías de electrólisis MIP de elevado dinamismo y procesos de abastecimiento de hidrógeno innovadores, sino que los demostrará en un entorno comercial real al emplear equipos de producción y abastecimiento de hidrógeno a alta presión», se lee en CORDIS.
https://cordis.europa.eu/news/rcn/130180/es
No dejéis que nadie os estropee el fin de semana
Un cordial saludo
Álvaro Ballesteros
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