5.3 Evaluación exergética del sistema
5.3.7 Análisis de resultados por modo de operación
De la Tabla 31 a la Tabla 34 se muestran las irreversibilidades totales para los cuatro posibles modos de operación de la instalación.
Utilización de hidrógeno en el banco de pilas desde las botellas a presión
Casos Irreversibilidad específica (MJ/Nm3)
1 0.04
2 0.002
5 9.62
6 0.41
Total 10.07
Volumen total de hidrógeno descargado
(Nm3) 35
Irreversibilidad total (MJ) 352.35
Tabla 31: Irreversibilidad total en utilización de hidrógeno en el banco de pilas desde las botellas a presión
Utilización de hidrógeno en el banco de pilas desde pulmón
Casos Irreversibilidad específica (MJ/Nm3)
1 0.04
2 0.002
Total 0.04
Volumen total de hidrógeno descargado
(Nm3) 3.64
Irreversibilidad total (MJ) 0.14
Tabla 32: Irreversibilidad total en utilización de hidrógeno en el banco de pilas desde pulmón
Utilización de hidrógeno en el banco de pilas desde hidruros
Casos Irreversibilidad específica (MJ/Nm3)
1 0.04
2 0.002
3 0.72
4 1.50
Total 2.26
Volumen total de hidrógeno descargado
(Nm3) 22
Irreversibilidad total (MJ) 49.73
Tabla 33: Irreversibilidad total en utilización de hidrógeno en el banco de pilas desde hidruros
Utilización de hidrógeno en el banco de pilas desde las botellas a presión vía hidruros metálicos Casos Irreversibilidad específica (MJ/Nm3)
1 0.04
3 0.72
4 1.50
5 9.59
6 0.41
Total 12.26
Volumen total de hidrógeno descargado
(Nm3) 35
Irreversibilidad total (MJ) 429.25
Tabla 34: Irreversibilidad total en utilización de hidrógeno en el banco de pilas desde botellas a presión vía hidruros metálicos
La Tabla 35 presenta la destrucción de exergía específica, en términos de MJ/kg de hidrógeno, para cada modo de operación del sistema.
Modo de operación del sistema Casos Destrucción específicade exergía (MJ/kg)
Utilización de hidrógeno en el banco de
pilas desde pulmón (No. 1) 1,2 0.44
Utilización de hidrógeno en el banco de pilas desde botellas a presión vía
pulmón (No. 2) 1,2,5,6 111.98
Utilización de hidrógeno en el banco de pilas desde botellas a presión vía
hidruros metálicos (No. 3) 1,2,3,4,5,6 136.42 Utilización de hidrógeno en el banco de
pilas desde hidruros (No. 4) 1,2,3,4 25.15
Tabla 35: Destrucción de exergía especifica para cada modo de operación del sistema Puede verse que el modo de operación más ineficiente, desde el punto de vista de eficiencia exergética, consiste en utilizar hidrógeno solar a alta presión en las pilas de combustible del laboratorio de ensayos, ya sea comprimido directamente desde el depósito pulmón (111.98 MJ/kg de hidrógeno) o desde el depósito de hidruros metálicos (136.42 MJ/kg de hidrógeno). Esta elevada destrucción de exergía se debe al alto consumo de exergía en el compresor de aire que alimenta al grupo de bombeo de hidrógeno. Como segunda opción más eficiente figura el uso de hidrógeno procedente directamente del depósito de hidruros metálicos (25.15 MJ/kg de hidrógeno), por lo que puede considerarse esta opción, desde el punto de vista de eficiencia exergética, una interesante solución si no existen limitaciones en otros aspectos (espacio disponible, peso del sistema, necesidad de instalaciones auxiliares, requisitos de calidad del hidrógeno, etc.). Obviamente, la opción más eficiente consiste en utilizar en el laboratorio de ensayos de pilas de combustible el hidrógeno almacenado directamente el depósito intermedio a baja presión (0.44 MJ/kg de hidrógeno).
Destrucción de exergía vs. Modo de operación del sistema 0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 140,00 Modos de operación D es tru cc ió n es pe cí fic a de e xe rg ía (M J/ kg )
Utilización de hidrógeno en el banco de pilas desde pulmón
Utilización de hidrógeno en el banco de pilas desde las botellas a presión Utilización de hidrógeno en el banco de pilas desde las botellas a presión via hidruros metálicos
Utilización de hidrógeno en el banco de pilas desde hidruros
Figura 55: Destrucción de exergía especifica para cada modo de operación del sistema En términos de eficiencia exergética, el rendimiento para cada uno de los procesos de carga y descarga, en los diferentes componentes de la instalación, eran los mostrados en la Tabla 36.
Componente Eficiencia exergética
Depósito pulmón 0.997
Depósito de hidruros metálicos 0.83
Rampa de botellas a alta presión 0.53
Tabla 36: Eficiencia exergética del proceso de carga/descarga en los principales componentes de la instalación
El rendimiento exergético total asociado a los diferentes modos de operación posibles se calculará como el producto de los rendimientos exergéticos de los componentes que intervienen en dichos modos de operación, obteniéndose los valores que se muestran en la Tabla 37.
Modo de operación del sistema Casos Eficiencia exergética (%) Utilización de hidrógeno en el banco de
pilas desde pulmón (No. 1) 1,2 99.7
Utilización de hidrógeno en el banco de pilas desde botellas a presión vía
pulmón (No. 2) 1,2,5,6 53
Utilización de hidrógeno en el banco de pilas desde botellas a presión vía
hidruros metálicos (No. 3) 1,2,3,4,5,6 44 Utilización de hidrógeno en el banco de
pilas desde hidruros (No. 4) 1,2,3,4 83 Tabla 37: Eficiencia exergética para cada modo de operación del sistema
De forma análoga a las conclusiones extraídas sobre la destrucción de exergía específica en los diferentes modos de operación, se observa que la
configuración más eficiente desde el punto de vista exergético, y por tanto la que debería prevalecer siempre que fuese posible, consiste en el suministro de hidrógeno al uso final, el banco de pilas de combustible en este caso, a partir del almacenamiento en baja presión, directamente a la presión de suministro del electrolizador. Esta opción presenta un rendimiento exergético del 99.7%. No obstante, esta opción puede requerir grandes volúmenes de almacenamiento, por lo que, dependiendo de la masa de hidrógeno a almacenar, puede considerarse como segunda opción el almacenamiento en hidruros metálicos, y el suministro de hidrógeno al uso final directamente a la presión de salida del depósito de hidruros. Esta opción presenta un rendimiento del 83%. En caso de necesitarse un almacenamiento a presión, que involucre el uso de compresores, el rendimiento exergético puede caer al 50-40%. No obstante, otras instalaciones ofrecen datos de consumo de energía eléctrica en compresión de hidrógeno a 20.26 MPa notablemente inferiores (Varkaraki, 2008), gracias al uso de compresores eléctricos más eficientes. Si este tipo de compresores se utilizasen en la instalación experimental del INTA, el rendimiento exergético del proceso de carga y descarga de la rampa de hidrógeno a presión se situaría en torno al 87%, superior incluso al rendimiento exergético en el depósito de hidruros utilizado en dicha instalación. Bajo estas condiciones, el rendimiento global exergético de la instalación, considerando el caso más desfavorable que involucrase al depósito pulmón, el contenedor de hidruros y la rampa de almacenamiento en botellas, sería del 70%. Esto resalta la importancia de una adecuada selección del compresor para optimizar la instalación desde el punto de vista exergético, aunque siempre en conjunción con otros criterios como seguridad, fiabilidad, etc.