Funcionamiento de las pilas de combustible y de la cogeneración como fuentes de energía.

1. PILAS DE
COMBUSTIBLE
COGENERACIÓN

2. PILAS DE COMBUSTIBLE
1. Funcionamiento.
2. Ventajas y desventajas.
3. Aplicaciones.
COGENERACIÓN
1. Funcionamiento.
2. Ventajas y desventajas.
3. Aplicaciones.

3. PILAS DE COMBUSTIBLE FUNCIONAMIENTO
En 1838, Christian Friedrich Schoenbein descubrió
los principios básicos de la pila de combustible.
En 1839, Sir William Robert Grove usó cuatro celdas
grandes, con H2 y O2 para producir energía eléctrica
que a su vez se podía usar para generar hidrógeno y
oxígeno (en la celda superior, más pequeña); fueron
los primeros prototipos de laboratorio
(en 1845 fue la demostración
definitiva).

4. PILAS DE COMBUSTIBLE FUNCIONAMIENTO

5. PILAS DE COMBUSTIBLE FUNCIONAMIENTO

6. PILAS DE COMBUSTIBLE FUNCIONAMIENTO
Principales tipos de pilas de combustible y sus características
Tipo y
Siglas en
inglés
Electrolito
Temperatura Combustible
Aplicaciones
poliméricas
(PEMa)
Nafion
60-100 ºC
H2
transporte
equipos
portátiles
electricidad
alcalinas
(AFC)
KOH (aq.)
90-100 ºC
H2
militares
espaciales
de ácido
fosfórico
(PAFC)
H3PO4
175-200 ºC
H2
electricidad
de carbonatos
fundidos
(MCFC)
carbonatos
Li, Na, K
600-1000 ºC
H2
electricidad
de óxido sólido
(SOFC)
(Zr,Y)O2
800-1000 ºC
H2
electricidad
CH3OH
transporte
equipos
portátiles
electricidad
conversión
directa de
metanol
(DMFC)
Nafion
60-100 ºC
Ventajas
Desventajas
baja temperatura, arranque
la baja temp. requiere
rápido, electrolito sólido
catalizadores caros (Pt) y
(reduce corrosión, fugas,
H2 puro
etc.)
mejores prestaciones de
requiere eliminar el CO2
corriente debido a su rápida
de aire y combustible.
reacción catódica
eficiencia de hasta un 85%
catalizador de Pt,
(con cogeneración de calor
corriente y potencia
y electricidad), posibilidad
bajas,
de usar H2 impuro como
peso y tamaño elevados
combustible
las altas temperaturas
ventajas derivadas de las
aumentan la corrosión y
altas temperaturasb
ruptura de componentes
ventajas derivadas de las
las altas temperaturas
altas temperaturasb,
facilitan la ruptura de
electrolito sólido (reduce
componentes (sellos...)
corrosión, fugas, etc.)
combustible líquido, más
cercano a la tecnología
actual, mas las ventajas de
las PEM
a) PEM (Proton Exchange Membrane, o Polymer Electrolyte Membrane).
b) Mejor conductividad y mayor corriente, mayor eficiencia, posibilidad de usar catalizadores más baratos que el platino y flexibilidad para usar otro tipo de
combustibles (incluso hidrocarburos).

7. PILAS DE COMBUSTIBLE VENTAJAS Y DESVENTAJAS
BENEFICIOS
+ Suma limpieza: sólo desprenden vapor de agua y calor.
+ Mayor rendimiento: dobla el de los motores de explosión usuales.
+ Hidrógeno como reserva energética.
PROBLEMAS
- Materiales caros y/o poco abundantes: platino, Nafion...
- Hidrógeno puro no se encuentra en la naturaleza: gasto económico y
energético (combustible “secundario”). Posible contaminación.
- Conservación del hidrógeno en estado líquido a 20º Kelvin a presión
atmosférica: baja la eficiencia y aumenta el peso del vehículo.
- Problemas con el transporte y distribución del hidrógeno: resulta
más conveniente utilizar el hidrógeno en su lugar de producción.

8. PILAS DE COMBUSTIBLE APLICACIONES
AUTOMOCIÓN

9. PILAS DE COMBUSTIBLE APLICACIONES
AUTOMOCIÓN

10. PILAS DE COMBUSTIBLE APLICACIONES
AUTOMOCIÓN

11. PILAS DE COMBUSTIBLE APLICACIONES
FÁBRICA DE ENERGÍA EN CASA

12. PILAS DE COMBUSTIBLE APLICACIONES
APARATOS
PORTÁTILES

13. COGENERACIÓN FUNCIONAMIENTO
La cogeneración no es una tecnología sino un concepto de producción eficiente
de energía.
La eficiencia de la cogeneración se basa en el aprovechamiento del calor
residual de un proceso de producción de electricidad. Este calor residual se
aprovecha para producir energía térmica útil (vapor, agua caliente, aceite
térmico, agua fría para refrigeración, etc.). Por este motivo los sistemas de
cogeneración están ligados a un centro consumidor de esta energía térmica.
Los sistemas de cogeneración son sistemas de producción conjunta de
electricidad (o energía mecánica) y de energía térmica útil partiendo de un
único combustible.
Este aprovechamiento simultáneo de electricidad y calor permite obtener
elevados índices de ahorro energético, así como una disminución importante
de la factura energética, sin alterar el proceso productivo.
La cogeneración es un sistema conocido que ha demostrado durante décadas
su fiabilidad y eficiencia técnica, aunque su viabilidad económica ha ido
fluctuando según la estructura de los precios y la oferta energética disponible.

14. COGENERACIÓN FUNCIONAMIENTO

15. COGENERACIÓN FUNCIONAMIENTO
La cogeneración como medida de uso racional de
la energía produce un ahorro de energía primaria
muy importante.
Debido al aprovechamiento del calor residual, los
sistemas de cogeneración presentan rendimientos
globales del orden del 85%. Así pues, existe un
importante ahorro de energía primaria que puede
ser cuantificado de forma aproximada tal como se
refleja en el esquema.
Este ahorro energético se incrementa
notablemente si se utilizan energías residuales.
Además, esta tecnología reduce el impacto
ambiental debido al ahorro de energía primaria
que implica. Si tenemos en cuenta que para
producir una unidad eléctrica por medios
convencionales se necesitan 3 unidades térmicas,
mientras que en cogeneración se necesitan 1,5
unidades, la cantidad total de agentes
contaminantes emitidos se verá disminuida en un
50%.

16. COGENERACIÓN FUNCIONAMIENTO
Sistemas de Cogeneración
1. Sistemas con turbina de gas: se quema combustible en un
turbogenerador, cediendo parte de su energía para producir energía
mecánica. Los gases que salen de la turbina (a unos 500ºC) se pueden
aprovechar directamente para secado o bien producir vapor (ciclo simple).
2. Sistemas con turbina de vapor: la energía mecánica se produce
por la expansión del vapor de alta presión procedente de una caldera
convencional.
3. Cogeneración con ciclo combinado: la aplicación conjunta de
una turbina de gas y una turbina de vapor.
4. Sistemas basados en motores alternativos: el elemento motriz es
un motor de explosión, mientras que el calor recuperable se encuentra en
forma de gases calientes y agua caliente ( Circuito Refrigeración).

17. COGENERACIÓN VENTAJAS Y DESVENTAJAS
La cogeneración de alta eficiencia, al producir conjuntamente calor y
electricidad en el centro de consumo térmico, aporta los siguientes beneficios:
1. Disminución de los consumos de energía primaria.
2. Disminución de las importaciones de combustible (ahorros en la balanza de
pagos del país).
3. Reducción de emisiones de gases de efecto invernadero. (Herramienta para el
cumplimiento del Protocolo de Kyoto)
4. Disminución de pérdidas en el sistema eléctrico e inversiones en transporte y
distribución.
5. Aumento de la garantía de potencia y calidad del servicio eléctrico.
6. Aumento de la competitividad industrial y de la competencia en el sistema
eléctrico.
7. Promoción de pequeñas y medianas empresas de construcción y operación de
plantas de cogeneración.

18. COGENERACIÓN VENTAJAS Y DESVENTAJAS
Las centrales de cogeneración de electricidad-calor pueden alcanzar un
rendimiento energético del orden del 90%.
El procedimiento es más ecológico, ya que durante la combustión el gas
natural libera menos dióxido de carbono (CO2) y óxidos de nitrógeno (NOX)
que el petróleo o el carbón.
Es el proceso más eficiente y menos contaminante para
producir electricidad a partir de gas natural y derivados del
petróleo.

19. COGENERACIÓN VENTAJAS Y DESVENTAJAS
TIPO
TURBINA
DE GAS
TURBINA
DE VAPOR
MOTOR
ALTERNATIVO
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
VENTAJAS
Amplia gama de aplicaciones.
Muy fiable.
Elevada temperatura de la energía térmica.
Rango desde 0,5 a 100 MW.
Gases con alto contenido en oxígeno.
Rendimiento global muy alto.
Extremadamente segura.
Posibilidad de emplear todo tipo de
combustibles.
Larga vida de servicio.
Amplia gama de potencias.
Coste elevado.
Elevada relación electricidad / calor.
Alto rendimiento eléctrico.
Bajo coste.
Tiempo de vida largo.
Capacidad de adaptación a variaciones de
la demanda.
DESVENTAJAS
• Limitación en los
combustibles
• Tiempo de vida
relativamente corto
• Baja relación electricidad /
calor.
• No es posible alcanzar altas
potencias eléctricas.
• Puesta en marcha lenta.
• Alto coste de
mantenimiento.
• Energía térmica muy
distribuida y a baja
temperatura.

20. COGENERACIÓN APLICACIONES
La cogeneración puede aplicarse a cualquier tipo de instalación, basta con
que el usuario tenga necesidades térmicas (vapor, agua caliente, gases
calientes, frío, etc.) de mediadas a altas durante un periodo de tiempo
prolongado (más de 5000 horas/año), o bien produzca combustibles
residuales o afluentes térmicos de suficiente nivel.
Se puede aplicar a diferentes sectores, pero el industrial es el que cuenta con
mayores oportunidades para implantar esta tecnología debido a su
utilización en todo tipo de industrias que necesiten vapor, agua caliente,
gases calientes, etc., con el suficiente nivel de demanda.
En el sector industrial los subsectores potencialmente cogenerados son:
Químico
Papel y Cartón
Petroquímico
Alimentario
Siderurgia
Textil
Cerámico
Ladrillos
Automoción
Madera

21. COGENERACIÓN APLICACIONES

22. Héctor Girón Alonso