Procedimiento para el funcionamiento optimizado de una instalación para producir simultáneamente energía eléctrica y térmica con un aparato calefactor con pila de combustible.

Procedimiento para el funcionamiento de una instalación para producir simultáneamente energía eléctrica ytérmica con un aparato calefactor con pila de combustible (1),

preferentemente con un reformador para la producciónde gas de proceso rico en hidrógeno a partir de hidrocarburos, un acumulador de estratificación (2) para almacenarenergía térmica, conduciendo un conducto de conexión desde el volumen de acumulador inferior (23), a través deuna bomba de circulación (17) hasta el lado secundario (32) de un intercambiador de calor (3) y desde allí, a travésde un conducto de carga de acumulador (11), de nuevo a la zona superior del acumulador de estratificación (2),transportándose medio caloportador desde el aparato calefactor con pila de combustible (1) y, eventualmente, desdeel aparato calefactor adicional (4), hasta el lado primario del intercambiador de calor (3), caracterizado porque hayal menos dos sensores de temperatura (5, 6) a distintos niveles de altura en el acumulador de estratificación (2) y,opcionalmente, en un aparato calefactor adicional (4), porque la regulación de potencia del aparato calefactor conpila de combustible (1) y, eventualmente, del aparato calefactor adicional (4) se produce dependiendo de latemperatura de los sensores de temperatura (5, 6) en el acumulador de estratificación (2), funcionando el aparatocalefactor con pila de combustible (1) y, eventualmente, el aparato calefactor adicional (4) a alta potencia,preferentemente a plena carga, cuando la temperatura en el sensor de temperatura superior (5) es inferior a unaprimera temperatura nominal Tnom,1 predefinida, el aparato calefactor con pila de combustible (1) funciona a unapotencia discrecional entre plena carga y carga mínima, preferentemente según una potencia nominal eléctrica, y elaparato calefactor adicional (4) eventualmente presente no proporciona ninguna potencia cuando la temperatura enel sensor de temperatura superior (5) es superior a una primera temperatura nominal Tnom,1 predefinida y latemperatura en el sensor de temperatura inferior (6) es inferior a una segunda temperatura nominal Tnom,2 predefiniday/o el aparato calefactor con pila de combustible (1) funciona a una potencia baja, preferentemente con cargamínima, y el aparato calefactor adicional (4) eventualmente presente no proporciona ninguna potencia cuando latemperatura en el sensor de temperatura inferior (6) es superior a una segunda temperatura nominal Tnom,2predefinida.

Procedimiento para el funcionamiento optimizado de una instalación para producir simultáneamente energía eléctrica y térmica con un aparato calefactor con pila de combustible La invención se refiere a un procedimiento para el funcionamiento optimizado de una instalación para producir simultáneamente energía eléctrica y térmica con un aparato calefactor con pila de combustible junto con un dispositivo para almacenar energía térmica.

Las instalaciones con pila de combustible, que se alimentan a través de un reformador con gas combustible rico en hidrógeno, en la medida de lo posible no deberían funcionar a intervalos, sino más bien con tiempos de funcionamiento prolongados, ya que la puesta en marcha de la instalación provoca el desgaste del reformador y va unida a pérdidas de energía.

Ya que no siempre se necesita una cantidad de energía constante, puede evitarse una desconexión haciendo funcionar la instalación temporalmente con modulación, es decir, con carga parcial. Sin embargo, ya que la relación entre el calor requerido y la corriente requerida no es constante, la energía no necesitada tiene que ser disipada o almacenada temporalmente. Los acumuladores de corriente no son por el momento rentables, de modo que por regla general el exceso de corriente de las instalaciones de pila de combustible se alimenta a la red. Por el contrario, el calor puede acumularse fácilmente con acumuladores de agua caliente disponibles en el mercado.

Se conoce por el documento EP 1 098 142 A2 D1 una instalación de pila de combustible con acumulador de agua caliente convencional. Para el calentamiento del agua se la hace circular por un intercambiador de calor dentro del acumulador. El agua que rodea al intercambiador de calor dentro del acumulador se calienta. Ya que el agua caliente sube hacia arriba y el intercambiador de calor se encuentra en la parte inferior del acumulador, se produce un calentamiento del agua más o menos homogéneo en el acumulador. No puede producirse una estratificación de la temperatura. Si el agua caliente debe mantenerse a un nivel de temperatura determinado por motivo de exigencias de confort e higiene, la capacidad adicional de acumulación térmica queda muy limitada.

También se sabe por el documento EP 1 056 148 que el calor de escape de un sistema de pila de combustible puede almacenarse en un acumulador de agua caliente. El documento EP 1056 148 desvela un procedimiento según el preámbulo de la reivindicación 1. El documento DE 26 37 482 muestra un acumulador de agua caliente con sensores de temperatura a distintos niveles de altura.

En los acumuladores de agua caliente hay acumuladores de estratificación que se caracterizan porque el nivel de temperatura desciende desde arriba hacia abajo. Los acumuladores de estratificación de agua industrial se llenan desde abajo con agua industrial fría. Este tipo de acumuladores son conocidos, por ejemplo, por el documento DE 43 01 144 A1. De la zona inferior se extrae agua fría que se lleva a un dispositivo de calentamiento, allí se calienta y vuelve a llevarse a la zona superior del acumulador. Con ello −sobre todo en caso de escasas turbulencias arriba− se produce la llamada estratificación térmica. De la zona superior del acumulador puede extraerse agua industrial caliente.

Los acumuladores de estratificación convencionales se dimensionan según la supuesta necesidad de agua caliente de los usuarios y se mantienen a un nivel de temperatura que se corresponde con los requisitos de higiene (por ejemplo evitar la formación de legionelas) y la necesidad de confort. La DIN 4708 parte 3 prevé que la potencia máxima de toma de agua caliente se almacene durante 10 minutos.

En el documento JP 2000319007 se describe un reformador para pilas de combustible en el que se usa un acumulador de agua caliente para el calentamiento del reformador durante el arranque. De los documentos JP 2001135321 y JP 11097044 se sabe que para el almacenamiento de energía térmica se puede acoplar una instalación de acoplamiento de fuerza–calor con pilas de combustible con acumulador de agua caliente.

En el caso de instalaciones de pilas de combustible se requieren grandes acumuladores de calor para poder acumular mucho calor, de modo que la instalación pueda funcionar también cuando temporalmente no se necesite calor.

De esto resulta que con un acumulador de estratificación convencional y el procedimiento de carga habitual de un acumulador de estratificación no puede resolverse el conflicto entre un gran volumen de acumulador y el almacenamiento de una cantidad de agua industrial caliente orientada a las exigencias de los usuarios.

Es objetivo de la invención evitar esta desventaja y proponer un procedimiento para el funcionamiento de una instalación para producir simultáneamente energía eléctrica y térmica con un aparato calefactor de pila de combustible y un dispositivo para acumular energía térmica del tipo mencionado al principio, que se caracteriza por una alta capacidad de admisión de energía térmica con un nivel de temperatura al mismo tiempo alto del agua industrial y caliente disponible.

Según la invención, esto se logra por medio de un procedimiento de acuerdo con la reivindicación independiente 1 al realizarse la regulación de la potencia del aparato calefactor con pila de combustible y, eventualmente, del aparato

calefactor adicional, dependiendo de la temperatura de dos sensores que se encuentran a diferentes niveles de altura en el acumulador. El aparato calefactor con pila de combustible puede hacerse funcionar a una potencia discrecional en determinadas condiciones, que se miden mediante estos dos sensores. Al mismo tiempo se consigue una carga rápida del acumulador de la zona superior del acumulador, con lo que se satisfacen los requisitos de confort e higiene. Por último, también se consigue que en la medida de lo posible el aparato calefactor con pila de combustible no tenga que pasar al funcionamiento intermitente.

Mediante las características de la reivindicación 2 se consigue que para la regulación solo se utilice una temperatura nominal para los dos sensores de temperatura en el acumulador de estratificación, lo cual minimiza el esfuerzo de regulación.

De acuerdo con las características de la reivindicación 3 resulta la ventaja de que la regulación puede trabajar de manera optimizada con respecto a tiempos de funcionamiento prolongados de la pila de combustible.

Mediante las características de la reivindicación 4 se consigue que en cuanto que el acumulador de estratificación no puede admitir más calor se desconecte el aparato calefactor con pila de combustible.

Para el procedimiento es necesario un dimensionado optimizado del acumulador de estratificación con la correspondiente colocación de los sensores de temperatura. Mientras que los dos subvolúmenes superiores o la posición de los sensores de temperatura se dimensionan de acuerdo con la norma, el subvolumen inferior se dimensiona de tal modo que la pila de combustible puede hacerse funcionar durante relativamente mucho tiempo con una carga mínima para evitar una desconexión. El fundamento para ello lo da la fórmula:

Aquí V es el volumen del acumulador por debajo del sensor de temperatura inferior, Pmín la potencia térmica mínima de la pila de combustible, t el tiempo de funcionamiento deseado, p la densidad del agua, c la capacidad térmica específica, Tmáx la temperatura máxima del acumulador y Tmín la temperatura mínima del acumulador. Con esto hay que tener en cuenta que Tmín se corresponde al menos con la temperatura de entrada de agua fría; sin embargo, debido a la transmisión de calor por convección en el acumulador habría que partir en la práctica de un valor más alto −por ejemplo 25 ºC−.

La invención se explica con más precisión ahora por medio del dibujo. A este respecto muestra La Fig. 1 una instalación de calefacción con aparato calefactor con pila de combustible, aparato calefactor adicional, red de calefacción y acumuladores de estratificación de agua caliente para la realización del procedimiento de acuerdo con la invención.

La Figura 1 muestra un aparato calefactor con pila de combustible 1 que está conectado con un desvío hidráulico 7 en su lado primario 71. Existe una bomba 14 para impulsar medio caloportador a través del aparato calefactor con pila de combustible 1. Al desvío hidráulico 7 está conectado también en el lado primario 71 un aparato calefactor adicional 4, en paralelo al aparato calefactor con pila de combustible 1. En el lado secundario 72 del desvío hidráulico 7 está conectada en paralelo una red de calefacción 13 y el lado primario 31 de un intercambiador de calor 3,... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para el funcionamiento de una instalación para producir simultáneamente energía eléctrica y térmica con un aparato calefactor con pila de combustible (1) , preferentemente con un reformador para la producción de gas de proceso rico en hidrógeno a partir de hidrocarburos, un acumulador de estratificación (2) para almacenar energía térmica, conduciendo un conducto de conexión desde el volumen de acumulador inferior (23) , a través de una bomba de circulación (17) hasta el lado secundario (32) de un intercambiador de calor (3) y desde allí, a través de un conducto de carga de acumulador (11) , de nuevo a la zona superior del acumulador de estratificación (2) , transportándose medio caloportador desde el aparato calefactor con pila de combustible (1) y, eventualmente, desde el aparato calefactor adicional (4) , hasta el lado primario del intercambiador de calor (3) , caracterizado porque hay al menos dos sensores de temperatura (5, 6) a distintos niveles de altura en el acumulador de estratificación (2) y, opcionalmente, en un aparato calefactor adicional (4) , porque la regulación de potencia del aparato calefactor con pila de combustible (1) y, eventualmente, del aparato calefactor adicional (4) se produce dependiendo de la temperatura de los sensores de temperatura (5, 6) en el acumulador de estratificación (2) , funcionando el aparato calefactor con pila de combustible (1) y, eventualmente, el aparato calefactor adicional (4) a alta potencia, preferentemente a plena carga, cuando la temperatura en el sensor de temperatura superior (5) es inferior a una primera temperatura nominal Tnom, 1 predefinida, el aparato calefactor con pila de combustible (1) funciona a una potencia discrecional entre plena carga y carga mínima, preferentemente según una potencia nominal eléctrica, y el aparato calefactor adicional (4) eventualmente presente no proporciona ninguna potencia cuando la temperatura en el sensor de temperatura superior (5) es superior a una primera temperatura nominal Tnom, 1 predefinida y la temperatura en el sensor de temperatura inferior (6) es inferior a una segunda temperatura nominal Tnom, 2 predefinida y/o el aparato calefactor con pila de combustible (1) funciona a una potencia baja, preferentemente con carga mínima, y el aparato calefactor adicional (4) eventualmente presente no proporciona ninguna potencia cuando la temperatura en el sensor de temperatura inferior (6) es superior a una segunda temperatura nominal Tnom, 2 predefinida.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la primera temperatura nominal Tnom, 1 se corresponde con la segunda temperatura nominal Tnom, 2.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la primera temperatura nominal Tnom, 1 es mayor que la segunda temperatura nominal Tnom, 2.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el aparato calefactor con pila de combustible (1) se desconecta cuando la temperatura en un sensor de temperatura (8) en el conducto de carga de acumulador (11) es mayor que una tercera temperatura nominal Tnom, 3 predefinida, la cual es mayor que la primera temperatura nominal Tnom, 1.