Sistema de producción de hidrógeno y de energía eléctrica a partir de energía fotovoltaica.

Cuenta con al menos un módulo de células fotovoltaicas (1) que alimenta a un electrolizador (3) que genera hidrógeno y que cuenta con medios de almacenamiento del hidrógeno producido; incluyéndose al menos una pila de combustible (2) que permite generar energía eléctrica a partir del hidrógeno almacenado; facilitándose mejoras en rendimiento de producción de energía eléctrica a partir de energía fotovoltaica y su disponibilidad al emplearse el hidrógeno como vector energético de almacenamiento intermedio

Sistema de producción de hidrógeno y de energía eléctrica a partir de energía fotovoltaica.

Objeto de la invención

La presente invención, tal y como se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a un sistema de producción de hidrógeno y de energía eléctrica a partir de energía fotovoltaica cuya finalidad consiste en facilitar una fuente energética independiente que pueda utilizarse como medio de abastecimiento en sitios aislados de las redes de distribución de energía eléctrica comerciales, o como medio de apoyo cuando se producen fallos en la red comercial; facilitándose además mediante la invención la mejora en el rendimiento de producción de energía eléctrica a partir de energía fotovoltaica y su disponibilidad, debido al empleo de hidrógeno como vector energético de almacenamiento intermedio.

El objetivo principal de la invención consiste en facilitar el desarrollo de plantas de generación de energía eléctrica y de producción, almacenamiento y utilización de hidrógeno, haciendo uso de lo que se conoce como ciclo solar del hidrógeno.

Antecedentes de la invención

El sistema energético actual está basado en la utilización de hidrocarburos fósiles, lo cual lleva asociada una serie de problemas.

En primer lugar se debe mencionar que se trata de una fuente con reservas limitadas, y aunque se especula sobre la duración de dichas reservas, es cierto que no llegarán a abastecer la totalidad del siglo XXI. Por otro lado, la combustión de hidrocarburos fósiles genera gases de efecto invernadero como CO₂, junto con otros contaminantes como NOx, SOx que suponen una seria amenaza para la Salud Pública y el Medio ambiente. Durante la cumbre de Kyoto, se adquirió un compromiso mundial para la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero, en especial CO₂.

Dicha reducción se puede acometer mediante dos enfoques claramente distintos. Por un lado, desarrollando sistemas de secuestro de CO₂ asociados a la utilización de hidrocarburos fósiles. Sin embargo, en este enfoque sigue latente el problema ligado a la duración de las reservas de los mismos. O bien, se le puede dar otro enfoque, que es el planteamiento de la utilización de un sistema energético alternativo que no se basa en el ciclo del carbono, de manera que se eliminen las emisiones de contaminantes, y por otro lado, que ese sistema energético sea sostenible y tenga una base renovable. Para conseguir tal fin se puede utilizar el hidrógeno, elemento más abundante en la naturaleza al formar parte del agua. Sin embargo, el hidrógeno es un vector energético y no se encuentra libre en la naturaleza, por lo que necesita de un aporte de energía para su obtención.

Por otro lado, en numerosas aplicaciones es necesario disponer de sistemas de generación de energía eléctrica independientes de la red de abastecimiento comercial, como por ejemplo, en sistemas de telecomunicaciones aislados, mantenimiento de redes de ordenadores, cualquier aplicación en la que no haya acceso a la red comercial, o como sistema de apoyo independiente que entre en funcionamiento cuando se produce un fallo en la red de distribución comercial. Convencionalmente estos problemas se solucionan utilizando generadores diesel o de gas natural que en algunos casos se asocian a un conjunto de baterías que permiten el almacenamiento de la energía. Cuando la red comercial falla, se pone en funcionamiento el generador diesel y las baterías se utilizan normalmente para suministrar energía al sistema mientras se detecta el fallo en la red comercial y se pone en funcionamiento el generador. Si se produce un fallo en el generador, las baterías continúan funcionando hasta que se produce su descarga.

Las expectativas de la economía del hidrógeno se basan en que éste pueda producirse a partir de recursos domésticos, de forma económica y medioambientalmente aceptable. En la medida en que se alcancen estas expectativas, una economía del hidrógeno beneficiará al mundo proporcionando una mayor seguridad energética y una mayor calidad medioambiental. El hidrógeno y la electricidad pueden convertirse en dos portadores de energía complementarios e intercambiables que, en función del tipo de demanda energética y del lugar de suministro final de la energía, pueden ofrecer menores o nulas emisiones de contaminantes (hidrógeno y electricidad renovables).

La complementariedad del hidrógeno y la electricidad se basa en la existencia de los electrolizadores, que consumiendo agua y electricidad producen hidrógeno y oxígeno, y de las pilas de combustible que a partir de hidrógeno y oxígeno del aire producen electricidad.

Las propiedades favorables del hidrógeno para ser utilizado como combustible son bien conocidas desde antiguo: reservas prácticamente ilimitadas, facilidad de combustión completa y bajo nivel de contaminantes atmosféricos.

Por otra parte, hay aspectos desfavorables que han impedido la difusión del uso del hidrógeno como combustible: no existe libre en la naturaleza, los esquemas tradicionales de obtención arrojan un balance energético negativo a lo largo del ciclo de vida, así como un elevado coste de producción, y presenta una escasa densidad energética por unidad de volumen que dificulta y encarece su manipulación y almacenamiento.

En la actualidad prácticamente el 95% del hidrógeno mundial se produce a partir de combustibles fósiles, principalmente por reformado de gas natural, y se utiliza como un componente que forma parte de multitud de procesos industriales convencionales (amoníaco, refino de petróleo, metanol, etc). Se destina en torno al 4% del hidrógeno producido a otras transformaciones de la industria química y el resto, se utiliza en propulsión de vehículos espaciales.

En este sentido conviene recalcar que el hidrógeno no es un recurso. El hidrógeno no se encuentra libre en la naturaleza, no se puede acceder a él por minería o extracción como en los combustibles fósiles. Por tanto, si queremos obtener hidrógeno, necesariamente habrá que producirlo a partir de unas materias primas (agua, hidrocarburos, biomasa) y en el proceso de transformación de estas materias para producir hidrógeno, habrá que consumir alguna energía primaria (fósil, renovable, nuclear).

Uno de los métodos más prometedores para producir hidrógeno de una forma limpia desde el punto de vista medioambiental es mediante el ciclo Solar del hidrógeno. En este sentido varios estudios han demostrado que la electrólisis se puede utilizar para obtener hidrógeno a partir del agua utilizando como fuente de energía eléctrica la energía solar. La producción de hidrógeno utilizando energía solar directa se puede conseguir de dos formas: generación de energía eléctrica a partir de la energía térmica del sol y termólisis; y energía eléctrica fotovoltaica y electrólisis. Este segundo método presenta la ventaja de que la energía eléctrica generada se puede aplicar directamente a un electrolizador.

Por tanto combinando la electrólisis del agua con una pila de combustible es posible generar electricidad a partir del agua. En el electrolizador el agua se descompone para obtener hidrógeno, y este hidrógeno se utiliza como combustible en la pila de combustible. Si además, se dispone de una fuente de energía limpia -energía solar- para generar la electricidad necesaria para llevar a cabo la electrólisis del agua, el conjunto de los tres sistemas permitiría una fuente limpia e inagotable de energía.

Los principales componentes de un reactor electroquímico para llevar a cabo la electrólisis del agua son los separadores y los electrodos. Los separadores que se pueden utilizar son de tres tipos: diafragmas, membranas poliméricas y membranas cerámicas.

La diferencia entre los distintos electrolizadores para llevar a cabo la electrólisis del agua para obtener hidrógeno dependerá de la naturaleza de los electrodos, de la naturaleza del separador y del tipo de electrolito utilizado. Así, estos electrolizadores se pueden dividir en varios tipos en función del tipo de separador utilizado y del mayor o menor grado de desarrollo alcanzado:

Los electrolizadores alcalinos se refieren a los que utilizan hidróxido sódico o potásico como electrolito, ya que estas disoluciones plantean menores problemas de corrosión que las disoluciones ácidas. El...

1. Sistema de producción de hidrógeno y de energía eléctrica a partir de energía fotovoltaica, donde la energía fotovoltaica se obtiene con al menos un módulo de células fotovoltaicas (1) a partir de la radiación solar; caracterizado porque dicho módulo (1) alimenta a un electrolizador (3) que genera hidrógeno a partir de electrólisis de agua y que cuenta con medios de almacenamiento del hidrógeno producido en sistemas de almacenamiento; incluyéndose al menos una pila de combustible (2) que permite la generación de energía eléctrica a partir del hidrógeno almacenado; de manera que se facilita la mejora en el rendimiento de producción de energía eléctrica a partir de energía fotovoltaica y su disponibilidad, al emplearse el hidrógeno como vector energético de almacenamiento intermedio.

2. Sistema de producción de hidrógeno y de energía eléctrica a partir de energía fotovoltaica, según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho módulo de células fotovoltaicas (1) cuenta con un dispositivo de seguimiento solar.

3. Sistema de producción de hidrógeno y de energía eléctrica a partir de energía fotovoltaica, según la reivindicación 1, caracterizado porque las pilas de combustible (2) son de baja temperatura (PEMFC, PAFC, AFC).

4. Sistema de producción de hidrógeno y de energía eléctrica a partir de energía fotovoltaica, según la reivindicación 1, caracterizado porque el sistema de almacenamiento de H₂ se dimensiona para una autonomía de al menos tres días.

5. Sistema de producción de hidrógeno y de energía eléctrica a partir de energía fotovoltaica, según la reivindicación 1, caracterizado porque el sistema cuenta con una reserva adicional de hidrógeno almacenado en forma de gas a presión.

6. Sistema de producción de hidrógeno y de energía eléctrica a partir de energía fotovoltaica, según la reivindicación 1, caracterizado porque se realiza con componentes de fácil portabilidad.

7. Sistema de producción de hidrógeno y de energía eléctrica a partir de energía fotovoltaica, según la reivindicación 1, caracterizado porque cuenta con un subsistema de control para monitorización y control remoto mediante una conexión a Internet o mediante una red local.

8. Sistema de producción de hidrógeno y de energía eléctrica a partir de energía fotovoltaica, según la reivindicación 7, caracterizado porque dicho subsistema incluye envío de alarmas sobre el estado del sistema y/o fallos en el mismo, mediante mensajes de texto GSM o similares.

9. Sistema de producción de hidrógeno y de energía eléctrica a partir de energía fotovoltaica, según la reivindicación 1, caracterizado porque se estructura en una planta de producción de energía cuyos bloques funcionales consisten en que el módulo de células fotovoltaicas (1) conecta con un inversor DC/AC (4) para producción de energía eléctrica de manera convencional o con el electrolizador (3), generando hidrógeno que se almacenará y consumirá en la pila de combustible (2), generando energía eléctrica; alimentando este inversor (4) a bombas de agua (6) y compresores de aire (7) de la planta, en tanto que electroválvulas (8) y caudalímetros (9) de la misma son alimentados por el propio módulo fotovoltaico (1) a través de convertidores DC/DC (5); alimentándose el correspondiente electrolizador (3), a través de otros convertidores DC/DC (5), mediante el módulo fotovoltaico (1) o mediante un rectificador (11) que conecta con la red eléctrica convencional (12) y con el referido módulo (1) a través de un interruptor fotoeléctrico (10).

10. Sistema de producción de hidrógeno y de energía eléctrica a partir de energía fotovoltaica, según la reivindicación 1, caracterizado porque el hidrógeno se produce por electrólisis del agua, en un electrolizador de baja temperatura, del tipo alcalino o tipo PEM.