miércoles, 28 de marzo de 2012

Pilas/ Celdas de Combustible (Fuel Cell) y su utilización a bordo de los buques (I)

Las pilas de combustible representan un desarrollo potencialmente revolucionario, ya que en lugar de utilizar combustión para generar electricidad utilizan la reacción electroquímica entre el hidrógeno del combustible y el oxígeno del aire para producir electricidad (corriente continua), agua y calor.

Generan menos emisiones de dióxido de carbono y utilizan menos energía que los generadores tradicionales, haciéndolas más amigables con el medio ambiente. También incrementan la eficiencia del sistema de propulsión de un barco.

Un poco de historia

En 1839, Sir William Robert Grove (1811-1896), un juez y científico galés hizo público un experimento que demostró que la combinación de hidrógeno y oxígeno generaba electricidad además de agua y calor.


Su experimento consistía en unir en serie cuatro celdas electroquímicas, cada una de las cuales estaba compuesta por un electrodo con hidrógeno y otro con oxígeno, separados por un electrolito.

Grove comprobó que la reacción del hidrógeno en el electrodo negativo combinada con la del oxígeno en el positivo generaba una corriente eléctrica que se podía usar a su vez para generar hidrógeno y oxígeno.

Los principios científicos básicos que sustentan las pilas de combustible se aplicaron en forma práctica hacia comienzos de los años sesenta del siglo pasado, cuando el programa espacial de los Estados Unidos seleccionó las celdas de combustible para proporcionar electricidad y agua a las naves espaciales Gemini y Apollo.

Generación de electricidad vía electroquímica

Las pilas de combustible son dispositivos electroquímicos capaces de convertir directamente la energía de la reacción química producida entre un combustible y un oxidante, en energía eléctrica (corriente continua), liberando agua y calor.

El dispositivo es muy simple: está formada por dos electrodos separados por un electrolito (un material especialmente tratado que permite el paso de iones -átomos cargados positiva o negativamente- pero no de electrones). En el electrodo negativo (ánodo) tiene lugar la oxidación del combustible (normalmente hidrógeno, aunque puede ser metanol u otros) y en el positivo (cátodo), la reducción del oxígeno del aire.

La reacción en una celda de combustible es:

Hidrógeno + Oxígeno (del aire) --> Electricidad + Agua + Calor




Los aspectos innovadores que las convierten en una tecnología competitiva para la generación de electricidad, son los siguientes:

Bajo impacto ambiental: la emisión de gases contaminantes como CO, CO2 y NOx se ve significativamente reducida respecto a otros sistemas debido a la ausencia de combustión.

Tampoco se producen emisiones de SOx, ya que el sistema exige la depuración previa del combustible para evitar la contaminación de los elementos constituyentes y aumentar la durabilidad.

Carácter modular: las pilas de combustible están disponibles en módulos independientes (monoceldas) y se pueden unir varias de diferentes tamaños y, por tanto, de diferentes potencias, en función de las necesidades requeridas en cada caso. Esto permite una producción automatizada, lo que da lugar a una construcción más sencilla, rápida y de menor coste.

Flexibilidad de operación: Esta flexibilidad presenta un carácter dual, en cuanto al rango de aplicación y en cuanto al combustible utilizado. El carácter modular de las pilas de combustible y su posible operación con combustibles distintos al hidrógeno permite obtener una gran variedad
de potencias para usos tanto estacionarios como móviles.

Rendimiento elevado: A diferencia de las máquinas de combustión cuya eficiencia está regida por el ciclo de Carnot y limitada por la temperatura, la eficiencia teórica de las celdas de combustible está dada por las leyes de Faraday, que relacionan directamente la corriente producida en una reacción electroquímica con la cantidad de material reactivo, es decir, con la cantidad de combustible.

Sus rendimientos eléctricos son próximos al 50 %, pero si se tiene en cuenta la energía térmica que generan (cogeneración), el rendimiento total puede ascender hasta un 80 %, aproximadamente.

A estos atributos hay que añadir el que se trata de elementos silenciosos, sin partes móviles, con una rápida respuesta a las variaciones de carga y de fácil mantenimiento.

Hasta hace pocos años, los únicos sistemas de pilas de combustible desarrollados para aplicaciones marinas habían sido utilizados en submarinos militares.

En un post anterior comenté sobre el buque de pasajeros FCS Alsterwasser que navega en las aguas del puerto de Hamburgo en el cual PROTON-MOTOR SYSTEMS desarrolló un sistema híbrido constituido por dos células de combustible de 50 Kw, una batería de gel de plomo y un sistema inteligente que regula la salida e intercambio de energía entre las células y la batería.

La batería almacena el exceso de energía de las pilas de combustible cuando el barco necesita menos potencia (p. ej., cuando el barco está parado o entrando en puerto) y cuando la embarcación necesita su máxima potencia (p. ej., cuando está soltando amarras), la batería suministra la energía acumulada al motor.

Este sistema le permite llegar a doblar la eficacia energética de un barco con motor convencional de combustión diesel.
El FCS Alsterwasser es capaz de almacenar en 12 tanques hasta 50 kg de hidrógeno a una presión de 350 bar, lo cual le proporciona combustible durante unos 3 días, navegando a una velocidad de crucero de 15 km/h.



En el próximo post comentaré sobre el Viking Lady que tiene instalado una pila de combustible de 320 kw, que fue provista por la compañía MTU Onsite Energy que utiliza celdas de carbonatos fundidos (MCFC).

Celdas de carbonatos fundidos (MCFC)

Las celdas de combustible de carbonatos fundidos utilizan sales fundidas como electrólito y prometen altas eficiencias combustible-electricidad, así como la habilidad para consumir combustibles base carbón, incluyendo CO y biocombustibles.

En el caso del Viking Lady utiliza LNG (Liquefied Natural Gas).

Esta celda opera a temperaturas del orden de los 650 Cº y permite la reformación del combustible (extracción del hidrógeno contenido en hidrocarburos) dentro de la propia celda, además de que no necesita electrocatalizadores de metales nobles.

Algunas desventajas son la corrosividad de las sales fundidas y la necesidad de reposición de CO2 en el cátodo para recuperación y formación de iones carbonato.




lunes, 5 de marzo de 2012

Proyecto de ABB de red eléctrica con Corriente Continua (CC) para buques

El proyecto de ABB y la naviera Myklebusthaug Management  para la utilización de un nuevo sistema de red eléctrica con corriente continua (CC) para buques proporcionará una distribución de energía altamente eficiente.
El sistema permite que el nuevo navío de apoyo para plataformas ultramarinas (en proceso de construcción en Noruega por Myklebusthaug Management), opere con el mayor nivel de eficiencia energética y pueda reducir el consumo de combustible y las emisiones hasta un 20 por ciento.
El nuevo sistema para ser utilizado a bordo representa un importante avance en materia de propulsión optimizada, gracias a la distribución de energía a través de un solo circuito principal de CC, que permite un notable ahorro de energía.
En los buques de propulsión eléctrica tradicionales, se realizan múltiples conexiones de CC desde un circuito de corriente alterna (CA), hasta los propulsores y mecanismos de transmisión, que representan más del 80 por ciento del consumo de energía eléctrica.


La utilización de CC permite reducir la huella de los equipos eléctricos utilizados hasta en un 30 por ciento al eliminar la necesidad de voluminosos transformadores y cuadros principales para liberar más espacio en los buques de pasajeros o de carga y también proporciona una mayor flexibilidad a la hora de colocar los componentes del sistema en el buque.
Gracias a esta solución, el buque puede funcionar con los mejores niveles de eficiencia energética ya que puede ahorrar energía con fuentes complementarias de energía de CC, como paneles solares, pilas de combustible o baterías que se enchufan directamente al sistema eléctrico de CC del barco.


Ver PDF original de ABB en:



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