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Células de combustible de hidrógeno: claves para la cogeneración combinada de calor y energía basada en renovables

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El hidrógeno puede contribuir a la descarbonización de la economía mundial y a un futuro sostenible. Hydrogen Energy Era (HEE Technologies GmbH) es una empresa alemana de energías renovables que está ayudando a la ciudad de Guiyang, (capital de la provincia de Guizhou, al suroeste de China), a desarrollar la industria de la energía del hidrógeno de la ciudad y las infraestructuras de hidrógeno con vistas a impulsar, entre otras cosas, la cogeneración combinada de calor y energía (CHP).
Células de combustible de hidrógeno: claves para la cogeneración combinada de calor y energía basada en renovables
Sistema de células de combustible CHP de HEE

Un elemento central es el sistema estacionario de célula de combustible para cogeneración combinada de calor y energía (CHP) desarrollado por la empresa HEE, que utiliza el hidrógeno como fuente de energía. Los componentes críticos son dos: el intercambiador de calor de placas soldadas mediante fusión AlfaNova de Alfa Laval para refrigerar la célula de combustible, y el intercambiador de calor de placas gas-a-líquido de Alfa Laval para recuperar el calor de los gases de escape. Este sistema probado y verificado solo libera vapor de agua y aire, por lo que promueve la economía sostenible del hidrógeno en el futuro.
 
Fundada en 2018, HEE está logrando su objetivo de garantizar un futuro de energías limpias mediante el desarrollo de soluciones energéticas seguras, asequibles y sostenibles basadas en el hidrógeno. Según Stephan Duch, director general de HEE, “debemos cambiar a los sistemas de energías renovables de manera urgente. El hidrógeno desempeñará un papel vital para ayudar al mundo a reducir su dependencia de los combustibles fósiles y avanzar hacia las cero emisiones netas”.

Al principio, encontrar los componentes críticos para baterías de células de combustible CHP de HEE supuso todo un reto. Los intercambiadores de calor gas-a-líquido y los intercambiadores de calor de placas soldadas mediante fusión 100% de acero inoxidable fueron las opciones más adecuadas para recuperar el calor de los gases de escape y refrigerar la batería. Julius Jelden-Thurm, codirector técnico de HEE, explica que “nos pusimos en contacto con Alfa Laval por su experiencia, su sólida trayectoria, su contrastada tecnología de intercambiadores de calor de placas, su capacidad de producción a escala comercial y el objetivo común de acelerar la transición a las energías renovables”.

El tamaño era un aspecto crucial del sistema de células de combustible CHP de HEE, ya que su diseño se inspira en sistemas similares de la industria del automóvil. Por su diseño ultracompacto, su alta eficiencia, su extraordinario rendimiento y su resistencia a la fatiga térmica, el intercambiador de calor de placas gas-a-líquido se perfiló como una solución fiable para recuperar el calor de escape. Lo mismo ocurre con el AlfaNova 100% de acero inoxidable de Alfa Laval, encargado de refrigerar la batería y garantizar la limpieza del proceso.
 
La mejor relación calidad-precio
El reducido espacio que ocupan, la durabilidad y la alta eficiencia térmica fueron las principales consideraciones a la hora de seleccionar los intercambiadores de calor de placas soldadas mediante fusión gas-a-líquido de Alfa Laval para el sistema de células de combustible CHP de HEE. La relación precio-rendimiento fue definitiva.

Según Jelden-Thurm, “los intercambiadores de calor de placas de Alfa Laval ofrecieron un magnífico rendimiento con un 20% menos del coste que otras unidades comparables, según demostró nuestro análisis. Además, ambos presentan características de diseño únicas que han demostrado ser claves para el éxito de nuestros sistemas estacionarios de células de combustible CHP”.

Intercambiadores de calor Alfa Laval

Compactos y duraderos, los intercambiadores de calor de placas gas-a-líquido de Alfa Laval ocupan mucho menos espacio y reducen los costes de instalación del sistema de células de combustible CHP de HEE. Cuentan con canales asimétricos y las placas tienen un patrón de corrugación en el lado del gas para dar cabida a un caudal de gas considerable, lo que se traduce en una alta eficiencia de transferencia de calor. Esto demostró ser la mejor solución general para satisfacer las demandas del proceso. La soldadura mantiene las placas bien unidas en los puntos de contacto, lo que garantiza una eficiencia de transferencia de calor y una resistencia mecánica óptimas. Además, el intercambiador de calor de placas gas-a-líquido ocupa un 75% menos de espacio que los modelos de carcasa y tubos comparables y mucho menos que otros intercambiadores de calor de placas que ha analizado HEE. (En la imagen, intercambiador de calor de placas gas-a-líquido, e intercambiador de placas soldadas mediante fusión, ambos de Alfa Laval)

Mantener fría la batería de células de combustible es primordial para un funcionamiento seguro, fiable y eficiente. La limpieza del proceso es otro aspecto esencial. El enfriador de batería AlfaNova, fabricado 100% en acero inoxidable, minimiza la lixiviación de iones y la consiguiente corrosión y degradación del sistema. En palabras de Jelden-Thurm, “el intercambiador de calor de placas soldadas mediante fusión AlfaNova era la opción obvia para refrigerar la batería. Garantiza la baja conductividad del agua ultra pura utilizada como líquido refrigerante, algo imprescindible para el sistema de células de combustible”.

La tecnología de unión AlfaFusion patentada por Alfa Laval ofrece una resistencia mecánica superior y una transferencia de calor eficiente aunque la diferencia de temperatura entre los fluidos calientes y fríos sea pequeña, lo que supone un ahorro de costes en energía. Otra ventaja es que es totalmente reciclable al final de su vida útil.

Producción en serie
La validación del sistema piloto de células de combustible de hidrógeno HEE allanó el camino para aumentar la producción en preserie. Para ello se creó una “joint-venture” con el ayuntamiento de Guiyang y socios industriales locales y regionales. Actualmente se está construyendo una fábrica de sistemas de células de combustible CHP de HEE. HEE encargó a Alfa Laval más intercambiadores de calor de placas para la producción en Guiyang y prevé extenderlo a la producción en serie dentro de dos años. El objetivo es conectar los sistemas de células de combustible a la red de calefacción urbana residencial, en el marco del plan de fomento de las energías renovables de Guiyang.

“Een estos momentos, utilizamos hidrógeno obtenido a partir de combustibles fósiles, pero tenemos previsto obtenerlo de la gasificación de lodos de depuradoras municipales y de la electrólisis del agua alimentada por energía verde, una vez que la infraestructura esté instalada. Además, nuestros sistemas de células de combustible no generan emisiones, ya que se trata de un sistema cerrado que solo libera vapor de agua y aire”, explica Jelden-Thurm.
 
Un sistema con más del 100% de eficiencia
Según la Agencia de Protección Medioambiental de Estados Unidos, la mayoría de los sistemas CHP basados en combustibles fósiles tienen una eficiencia total del 65-80%. HEE calcula que su célula de combustible de hidrógeno ofrece un rendimiento eléctrico que ronda el 55% como máximo.

Jelden-Thurm opina que “el sistema de células de combustible CHP de HEE puede tener una eficiencia total del 105% según métodos de cálculo convencionales. Teniendo en cuenta la eficiencia adicional del 30-40% procedente de la energía térmica recuperada de la refrigeración de la batería y el 15% de la recuperación del calor de los gases de escape, los intercambiadores de calor de placas Alfa Laval son vitales para aumentar la eficiencia general de nuestro sistema”. En todo caso, HEE explica que todos estos cálculos se basan en unidades de CHP anteriores a la serie HEE. La potencia eléctrica y térmica real depende del proceso.

Visto el éxito de Guiyang hasta ahora, HEE encara el futuro con optimismo. Otras autoridades locales y regionales de China han seguido los avances con interés. Según Stephan Duch, “tenemos previsto crear otras joint venture en China y planeamos replicar el modelo de negocio de Guiyang en otros lugares. También esperamos apoyar a Alemania en sus esfuerzos por lograr la autosuficiencia energética a partir de las energías renovables y dejar de depender de los combustibles fósiles”.

HEE y Alfa Laval trabajan para cubrir la demanda energética del futuro y reducir la dependencia mundial de los combustibles fósiles. El sistema de células de combustible CHP de HEE, equipada con la unidad de recuperación de calor de los gases de escape de Alfa Laval y el intercambiador de calor de placas soldadas mediante fusión para refrigerar la batería, está promoviendo el uso del hidrógeno como fuente de energía renovable comercialmente viable.

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