Basic Model

De acuerdo con la Tabla 5, uno de los criterios de diseño que se proponen para instalaciones estacionarias de almacenamiento de hidrógeno de origen renovable, consiste en maximizar la eficiencia energética. Si se considera la instalación como un sistema de almacenamiento de energía eléctrica, la eficiencia energética se definiría como el cociente entre la energía eléctrica que sale del sistema (ya sea en sistemas aislados o conectados a red) y la energía eléctrica de origen renovable que entra al mismo. En este caso pueden incluirse las eficiencias de los convertidores necesarios para adaptar la energía eléctrica que sale del sistema de generación a las condiciones adecuadas para el electrolizador. En ocasiones, en particular en sistemas aislados, en la eficiencia energética del sistema se incluye también la del sistema de generación de electricidad, fotovoltaico o eólico, representando entonces la energía eléctrica que puede consumirse, tras ser almacenada, por unidad de energía del recurso renovable utilizado.

De acuerdo a la Figura 26 del apartado 3.3, para el cálculo de esta eficiencia global en el sistema de almacenamiento de energía eléctrica, deben considerarse los aportes de energía a cada uno de los bloques que aparecen en la mismo, considerando en esta energía tanto los aportes de energía

eléctrica, de energía térmica y energía química contenida en el hidrógeno. Existe diversa bibliografía sobre proyectos de demostración de este tipo de instalaciones en la que se ofrecen valores típicos de rendimientos para cada uno de estos bloques. Teniendo en cuenta la intermitencia característica de las fuentes de energía renovable a las que están acopladas, el rendimiento del sistema de producción de hidrógeno varía notablemente a lo largo del año, e incluso a lo largo del día en aplicaciones eólicas y fotovoltaicas. Por tanto, suelen considerarse un rendimiento medio calculado a partir de valores acumulados durante períodos de tiempo representativos del comportamiento del sistema en diferentes condiciones de operación, generalmente un año. La definición de rendimiento energético, habitualmente utilizada en electrolizadores, puede encontrarse en (Rosa, 2003), y se describe como la relación existente entre la variación de entalpía del proceso y la energía aportada al sistema por mol de hidrógeno.

En general, el rendimiento del sistema de electrolisis, considerando el poder calorífico superior del hidrógeno, se sitúa para electrolizadores alcalinos, dependiendo del fabricantes y modo de operación, en torno al 65-75 % de rendimiento medio, obteniendo este rendimiento eléctrico a partir del consumo eléctrico específico del sistema, en kWh/Nm3 (Holladay et al., 2008; Zeng y Zhang, 2010; Smolinka, 2009).

Adicionalmente, si en el sistema de electrolisis se incluye también la unidad de desionización de agua, la unidad de purificación de hidrógeno u otros sistemas, este consumo específico puede incrementarse notablemente. Por ejemplo, algunos electrolizadores tipo PEM que incorporan algunos de estos sistemas presentan un rendimiento del 53 % (considerando el poder calorífico superior del hidrógeno) (Rosa, 2003; Rosa et al., 1994; Roy et al., 2005; Gazey et al, 2006).

Complementando la definición de rendimiento realizada por el DOE para sistemas de almacenamiento de hidrógeno a bordo de vehículos, descrita en el apartado 3.2, se propone, para sistemas estacionarios, definir el rendimiento energético del sistema de almacenamiento como el cociente entre la energía que sale del mismo en forma de hidrógeno, y la energía almacenada en forma de hidrógeno más la que se aporta en otras formas de energía (térmica, eléctrica, etc.). Con esta definición se tiene en cuenta que en ocasiones no es posible utilizar todo el hidrógeno contenido en el sistema de almacenamiento, con la consiguiente pérdida de energía. Se observa que esta definición es más completa que la definida por el DOE en 3.2, ya que se tiene en cuenta también la energía aportada al sistema para que tenga lugar la carga o descarga de hidrógeno según sus condiciones de uso. No obstante, esta eficiencia energética puede ser muy diferente si se calcula para un ciclo de carga y descarga o para un período representativo de la operación y del comportamiento real del sistema, que incluya un determinado número de ciclos. Por ello, en la presente Tesis se utilizarán dos definiciones de eficiencia energética: una eficiencia energética por ciclo y otra calculada para un año de operación del sistema global de producción, almacenamiento y utilización de hidrógeno.

Dentro de los posibles consumos de energía de este sistema se tienen: el consumo de energía eléctrica para compresión, el consumo de energía para calefacción/refrigeración de agua para los hidruros metálicos en caso de disponer de ellos, los consumos en electroválvulas y sensores, etc.

Si sólo existe almacenamiento en alta presión, el principal consumo es el del compresor de hidrógeno. Así, por ejemplo, en la instalación de producción y almacenamiento de hidrógeno a presión del centro griego CRES (Centre for Renewable Energy Sources), con un electrolizador alcalino de 25 kW a 20 bar, las potencias necesarias en los diferentes sistemas y equipos para producir 0.45 kg/h de hidrógeno son (Varkaraki, 2008):

 29 kW en el sistema de electrolisis

 2.4 kW en el compresor a 220 bar

 1.5 kW en el sistema de refrigeración

 0.7 kW en aire comprimido para instrumentación

Con estos datos, el rendimiento total desde la energía eléctrica que entra al electrolizador hasta el hidrógeno almacenado a 220 bar es del 53 %, siendo en este caso el rendimiento específico del sistema de electrolisis del 60%. Esta instalación dispone también de un sistema de almacenamiento en hidruros metálicos de 42 Nm3_{de capacidad, que necesita una caldera eléctrica de 4 kW}

para la producción del agua caliente utilizada en el proceso de desorción de hidrógeno (Varkaraki, 2008). Se observa que no se calcula un rendimiento específico del sistema de almacenamiento, sino del conjunto producción y almacenamiento, por lo que no sería posible, en este caso, comparar este sistema de almacenamiento con otras posibles opciones, más favorables desde el punto de vista energético. Aunque existen precedentes de estimación de la eficiencia energética en el almacenamiento de hidrógeno en vehículos (Jensen et al., 2010), en la bibliografía consultada sobre instalaciones estacionarias de almacenamiento de energía de origen renovable en hidrógeno, no se han encontrado análisis energéticos específicos del sistemas de almacenamiento de hidrógeno, sino, si acaso, sólo datos globales sobre toda la cadena de producción y almacenamiento (Ulleberg, 2007; Våland et al., 2004; Gammon et al., 2006; Lutz et al., 2010; Aso et al., 2009).