Procedimiento para el uso de hidrógeno por medio de pilas de combustible en una red de tuberias.

Procedimiento para el uso de hidrógeno proporcionado a través de una red de tuberías delimitada,

pormedio de pilas de combustible previstas en consumidores finales,

- caracterizado porque se alimenta gas natural purificado e hidrógeno a la red de tuberías y se transportan alos consumidores finales,

- porque, en los consumidores finales, se toma una mezcla de hidrógeno y gas natural de la red de tuberías,

- porque, prescindiendo de un reformado, la proporción de hidrógeno de la mezcla se usa en losconsumidores finales al menos parcialmente por en cada caso al menos una pila de combustible paraproducir electricidad y

- porque la mezcla de hidrógeno y gas natural, tras abandonar la pila de combustible, se usa en losconsumidores finales por en cada caso al menos un quemador de gas para la generación de calor.

Procedimiento para el uso de hidrógeno por medio de pilas de combustible en una red de tuberías Sector de la técnica La invención se refiere a un procedimiento y a un dispositivo en cada caso para el uso de hidrógeno proporcionado a través de una red de tuberías delimitada, por medio de pilas de combustible previstas en consumidores finales.

Estado de la técnica

Actualmente se hacen funcionar pilas de combustible con membranas de electrolito polimérico en la red de gas natural de tal manera que aguas arriba de cada pila de combustible individual está conectado un reformador. Esto es poco eficiente y caro. Las unidades conocidas formadas por reformador y pila de combustible no pueden satisfacer las necesidades de demanda altamente dinámicas del consumidor final, de modo que para el suministro de energía el consumidor final depende además de la red eléctrica general. En el documento DE 199 51 215 A1 se describe una unidad típica formada por reformador y pila de combustible.

Para el funcionamiento de pilas de combustible con gas natural, en primer lugar debe generarse en el reformador un gas de síntesis con contenido en hidrógeno. Como este gas de síntesis aún presenta una pluralidad de sustancias que contaminan los catalizadores en el reformador y la pila de combustible (componentes de interferencia) , el gas de síntesis debe purificarse antes de su conversión en la pila de combustible a la calidad para pilas de combustible. Por tanto, el gas de síntesis con contenido en hidrógeno procedente del reformador debe purificarse mediante dispositivos de purificación de gases a la calidad para pilas de combustible, para que la pila de combustible no se vea perjudicada. Además de monóxido de carbono (CO) y oxígeno (O2) en particular deben separarse compuestos con contenido en azufre del gas de síntesis. Este problema se describe en el documento EP 1 926 169 A1. Para el suministro de energía doméstico con una potencia de pocos kilovatios, los elevados requisitos de las pilas de combustible con respecto a la pureza del gas con contenido en hidrógeno llevan a grandes inversiones.

Cuando es necesario un suministro de hidrógeno a una región, por ejemplo una ciudad, a través de una red de tuberías para la generación de electricidad y calor, la producción de hidrógeno debe satisfacer sobre todo la demanda de calor. Por tanto, debe proporcionarse hidrógeno suficiente para cubrir la demanda de calor. En el caso de las plantas que producen hidrógeno a partir de biomasa, sólo se consigue con acumuladores grandes y caros tales como acumuladores subterráneos. Si bien tales acumuladores están integrados en la red de gas natural, sin embargo para una red de hidrógeno en primer lugar no están disponibles o sólo lo están de manera limitada. Por tanto, los obstáculos económicos para la transición a una economía de hidrógeno son muy importantes.

La escuela técnica superior de Lübeck PROJEKT-GMBH describió en junio de 2007 en un estudio titulado “Studie zur Dämpfung der Netzbelastung durch Wasserstoffsysteme” (“Estudio para atenuar la carga de red mediante sistemas de hidrógeno”) en las páginas 62, 63 y 71 la adición de hidrógeno a una red de gas natural delimitada y el uso de la proporción de hidrógeno en pilas de combustible locales como posibilidad teórica, pero por varios motivos se rechazó por ser poco práctico. No se dio a conocer la realización técnica.

En el documento EP 2 156 544 A2 se describe el funcionamiento de pilas de combustible en una red de gas natural con reformadores de gas natural conectados aguas arriba de las pilas de combustible.

Objeto de la invención El objetivo de la invención es perfeccionar y desarrollar un procedimiento y un dispositivo en cada caso del tipo mencionado al inicio y descrito anteriormente en más detalle de tal manera que puedan evitarse las desventajas mencionadas y las pilas de combustible puedan hacerse funcionar de manera altamente dinámica y económica. De este modo se facilitará la transición de la economía energética actual orientada a la electricidad a una economía de hidrógeno sostenible, orientada al calor.

Este objetivo se soluciona mediante un procedimiento según la reivindicación 1.

Además se soluciona el objetivo mediante un dispositivo según la reivindicación 9.

Según la invención la transición a una economía de hidrógeno puede realizarse de una manera más económica, porque se usa el hidrógeno principalmente para el suministro de electricidad por medio de pilas de combustible. Aún así, para garantizar el suministro de calor, en particular en invierno, además del hidrógeno se alimenta gas natural purificado a la red de tuberías.

Como gas natural se utiliza un gas natural purificado. Esto significa que las proporciones de los componentes de interferencia contenidos en el gas natural son tan reducidas que se evita un daño considerable de las pilas de combustible por la mezcla de gases tomada de la red de tuberías. En caso contrario, en los consumidores finales

tendrían que instalarse dispositivos de purificación de gas, lo que debe evitarse por motivos económicos. Por el mismo motivo o para minimizar la proporción de gases inertes en la mezcla de gases transportada a través de la red de tuberías, el hidrógeno se alimenta a la red de tuberías preferiblemente en la forma más pura posible. En caso necesario, por motivos económicos, pueden tolerarse impurezas mínimas del hidrógeno según el procedimiento utilizado para la producción de hidrógeno.

Por lo demás, es conveniente aunque no necesario que cada consumidor final haga funcionar una pila de combustible y un quemador de gas con el gas o la mezcla de gases que se proporciona a través de la red de tuberías. También puede haber consumidores finales individuales conectados a la red de tuberías, que sólo hagan funcionar una pila de combustible o un quemador de gas con el gas o la mezcla de gases que se proporciona a través de la red de tuberías.

La pila de combustible y el quemador de gas en un consumidor final están conectados entre sí y unidos a la red de tuberías de tal manera que la pila de combustible en todo caso usa una parte del hidrógeno de la mezcla de gases para la generación de electricidad. El gas de escape más rico en gas natural de la pila de combustible, que aún puede contener algo de hidrógeno, se conduce preferiblemente a un quemador de gas de una caldera de gas. La mezcla de gases se suministra preferiblemente al ánodo de la pila de combustible. De este modo el gas de escape que sale del ánodo también se conduce preferiblemente al quemador de gas. Dado que normalmente sólo el gas del ánodo presenta hidrógeno y en el presente caso además gas natural. El gas del cátodo es por regla general preferentemente aire u oxígeno así como dado el caso agua producida en la generación de electricidad.

Como pilas de combustible son adecuadas las pilas de combustible de electrolito polimérico (PMFC) , que también pueden generar electricidad sin problemas cuando la proporción de hidrógeno en la mezcla de hidrógeno y gas natural es reducida. Sin embargo, también pueden utilizarse otras pilas de combustible tales como pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC) , pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC) o pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) . En caso necesario varios de los tipos de pila de combustible mencionados anteriormente también pueden estar conectados simultáneamente a la red de tuberías.

En el caso de la red de tuberías puede tratarse de una nueva red de tuberías construida o de una red de gas natural existente. En el caso de una red de gas natural se trata en particular de una parte delimitada espacialmente de una red de gas natural existente. El tamaño de la región de gas natural delimitada depende del tamaño y número de plantas de hidrógeno y los acumuladores de hidrógeno, disponibles para el suministro de gas natural delimitado.

En verano, en caso necesario, puede alimentarse a la red de tuberías sólo hidrógeno, en particular puro. Por medio de las pilas de combustible los consumidores finales pueden generar electricidad y agua caliente para el consumo propio. En particular en invierno además del hidrógeno también puede alimentarse gas natural purificado a la red de tuberías. La proporción de gas natural puede usarse para garantizar el suministro de calor por medio de un quemador de gas.

En el caso del quemador de gas se trata preferiblemente de un denominado quemador universal, cuya boquilla puede quemar una mezcla de gases con una proporción de hidrógeno de desde el 0 hasta el 100%. El consumidor final puede decidir libremente si usar el hidrógeno, o una mezcla de hidrógeno... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para el uso de hidrógeno proporcionado a través de una red de tuberías delimitada, por

medio de pilas de combustible previstas en consumidores finales, 5

- caracterizado porque se alimenta gas natural purificado e hidrógeno a la red de tuberías y se transportan a los consumidores finales,

- porque, en los consumidores finales, se toma una mezcla de hidrógeno y gas natural de la red de tuberías, 10

- porque, prescindiendo de un reformado, la proporción de hidrógeno de la mezcla se usa en los consumidores finales al menos parcialmente por en cada caso al menos una pila de combustible para producir electricidad y

- porque la mezcla de hidrógeno y gas natural, tras abandonar la pila de combustible, se usa en los consumidores finales por en cada caso al menos un quemador de gas para la generación de calor.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque en invierno se alimenta a la red de tuberías una proporción de gas natural mayor con respecto al hidrógeno que en verano. 20

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la razón de hidrógeno a gas natural de la mezcla de gas alimentada a la red de tuberías se ajusta en función de las temperaturas externas, en particular las que son de esperar.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el quemador de gas se hace funcionar con razones de mezclado variables de gas natural e hidrógeno.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque se alimenta un medio de odorización libre de azufre a la red de tuberías. 30

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque, en el consumidor final, se carga un acumulador de calor eléctricamente, a través de la pila de combustible y/o a través del quemador de gas.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque se hacen funcionar las pilas de combustible en los consumidores finales de manera controlada para la alimentación de al menos una parte de la demanda de electricidad de carga pico en la red eléctrica.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque para evitar un suministro excesivo de electricidad a la red eléctrica se restringe la potencia de las pilas de combustible en los consumidores finales de manera controlada y en el que, en los consumidores finales, se toma una cantidad de electricidad correspondiente de la red eléctrica.

9. Dispositivo para el uso de hidrógeno (1) proporcionado a través de una red de tuberías delimitada, por

medio de pilas (12) de combustible previstas en consumidores (8) finales, en particular según un procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 8,

- con una red de tuberías delimitada para la distribución de hidrógeno (1) y gas (2) natural purificado a

consumidores (8) finales, 50

- con dispositivos para la alimentación de hidrógeno (1) y gas (2) natural a la red de tuberías y

- con medios para la toma de una mezcla de hidrógeno (1) y gas (2) natural desde la red de tuberías en los

consumidores (8) finales, 55

- estando previstos en los consumidores (8) finales en cada caso una pila (12) de combustible y un quemador (21) de gas y

- estando conectada la pila (12) de combustible entre el quemador (21) de gas y la red de tuberías de tal 60 manera que el quemador (21) de gas usa, para la generación de calor, una mezcla de hidrógeno (1) y gas

(2) natural tomada de la red de tuberías prescindiendo de un reformador tras abandonar la pila (12) de combustible.

10. Dispositivo según la reivindicación 9, caracterizado porque como pilas (12) de combustible están previstas 65 las de membranas de electrolito polimérico.

11. Dispositivo según la reivindicación 9 ó 10, caracterizado porque está previsto un acumulador para el almacenamiento intermedio del gas (2) natural que va a alimentarse a la red de tuberías.

12. Dispositivo según una de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizado porque en el consumidor (8) final está

previsto un acumulador (24) de calor, que puede calentarse eléctricamente a través de la pila (12) de combustible y/o a través del quemador (21) de gas.

13. Dispositivo según una de las reivindicaciones 9 a 12, caracterizado porque las pilas (12) de combustible para la alimentación de electricidad están conectadas a una red eléctrica. 10

14. Dispositivo según la reivindicación 13, caracterizado porque está previsto un dispositivo para el control de las pilas (12) de combustible en los consumidores (8) finales para la alimentación de una cantidad de electricidad determinada a la red eléctrica.

15. Dispositivo según la reivindicación 14, caracterizado porque el dispositivo está configurado para cubrir picos de la demanda de electricidad mediante la alimentación de cantidades de electricidad por intervalo de tiempo correspondientes, proporcionadas por las pilas de combustible de los consumidores finales.