Cálculo de la densidad de almacenamiento de energía de la

A partir de los datos de masa y volumen de los componentes de la instalación que almacenan hidrógeno en sus diferentes modos (depósito pulmón para almacenamiento a baja presión, depósito de hidruros metálicos y rampa de cuatro botellas para almacenamiento a 20.26 MPa), así como de sus capacidades teóricas de almacenamiento de hidrógeno, pueden obtenerse los siguientes parámetros:

 Capacidad de almacenamiento de hidrógeno en masa, en términos de masa de hidrógeno almacenado por unidad de masa del medio de almacenamiento (%)

 Densidad gravimétrica de almacenamiento de energía, en términos de energía almacenada en forma de hidrógeno por unidad de masa (kWh/kg o Wh/kg)

 Densidad volumétrica de almacenamiento de energía, en términos de energía almacenada en forma de hidrógeno por unidad de volumen (kWh/l o Wh/l)

Estos parámetros son útiles para comparar las prestaciones reales de los componentes individuales de almacenamiento de hidrógeno con otros sistemas de almacenamiento de hidrógeno en particular y otros sistemas de almacenamiento de energía en general, como pueden ser los sistemas basados en baterías.

A partir de las capacidades reales de almacenamiento de los diferentes componentes obtenidas en el proceso de evaluación de la instalación, y del hidrógeno realmente disponible para su uso final (inferior a la capacidad real de

almacenamiento del componente, como se verá en detalle en el apartado dedicado al cálculo del rendimiento energético de cada componente y modo de operación), la Tabla 14 muestra los datos utilizados para el cálculo de estos parámetros, los valores obtenidos para cada componente, y a modo de resumen, los valores que se obtendrían si se considerase la masa y el volumen total de la instalación que se dedica al almacenamiento efectivo de hidrógeno, sin considerar la masa y el volumen de otros equipos y componentes necesarios para la operación de la misma, pero no dedicados al almacenamiento permanente de hidrógeno, como sería por ejemplo el grupo de bombeo.

Depósito de hidruros

Masa de hidruros 130 kg

Masa de deposito, incluyendo hidruros 210 kg

Volumen depósito 54 l

Volumen de hidrógeno disponible 22 Nm3

Masa hidrógeno disponible 1.98 kg

Energía almacenada en hidrógeno 65.93 kWh Capacidad de almacenamiento en masa (sin

envolvente) 1.50%

Capacidad de almacenamiento en masa (con

envolvente) 0.93%

Densidad de almacenamiento de energía en

masa (sin envolvente) 0.50 kWh/kg

Densidad de almacenamiento de energía en

masa (con envolvente) 0.31 kWh/kg

Densidad de almacenamiento de energía en

volumen 1.22 kWh/l

Depósito pulmón

Masa estimada del componente 210 kg

Volumen del componente 1000 l

Volumen de hidrógeno disponible 4 Nm3

Masa hidrógeno disponible 0.36 kg

Energía almacenada en hidrógeno 11.99 kWh Capacidad de almacenamiento en masa 0.17% Densidad de almacenamiento energía en

masa 0.06 kWh/kg

Densidad de almacenamiento de energía en

volumen 0.01 kWh/l

Rampa de hidrógeno a presión

Masa total estimada de las botellas (4

unidades) 248 kg

Volumen total de las botellas (4 unidades) 200 l Volumen de hidrógeno disponible 35 Nm3

Masa de hidrógeno disponible 3.15 kg

Energía almacenada en hidrógeno 104.88 kWh

Capacidad almacenamiento en masa 1.25%

Densidad de almacenamiento de energía en

Densidad de almacenamiento de energía en

volumen 0.52 kWh/l

Total instalación

Volumen total de la instalación dedicado al

almacenamiento efectivo de hidrógeno 668 kg Masa total estimada de la instalación dedicada

al almacenamiento de hidrógeno 1254 l

Volumen total de hidrógeno disponible 61 Nm3

Masa total de hidrógeno disponible 5.48 kg Energía almacenada en hidrógeno disponible 182.80 kWh Capacidad de almacenamiento en masa 0.82% Densidad de almacenamiento de energía en

masa 0.27 kWh/kg

Densidad de almacenamiento de energía en

volumen 0.15 kWh/l

Tabla 14: Capacidad y densidad de almacenamiento de energía de la instalación Si se compara el porcentaje de la capacidad de almacenamiento de hidrógeno en masa, se observa que el porcentaje de hidrógeno contenido en hidruros, considerando sólo el medio de almacenamiento, es superior que la capacidad correspondiente a las botellas a presión, aunque si se considera la masa del depósito, pasa a ser ligeramente más favorable el almacenamiento a presión. Igual consideración puede hacerse para la densidad de energía almacenada por unidad de masa, que queda en 0.31 kWh/kg en el depósito de hidruros, y 0.42 kWh/kg en las botellas a presión.

En términos de densidad de energía por unidad de volumen, se observa que el almacenamiento en hidruros metálicos es notablemente superior a las otras dos opciones, siendo el almacenamiento a baja presión en el depósito pulmón el método que ofrece una menor densidad de almacenamiento de energía en hidrógeno por unidad de volumen. Tanto para la densidad de energía gravimétrica como volumétrica, se observa que los valores obtenidos para esta instalación quedan lejos de las especificaciones fijadas por el DOE en la Tabla 4 para sistemas de almacenamiento de hidrógeno en vehículos.

La Tabla 15 ofrece la comparación de la densidad gravimétrica y volumétrica de energía de los componentes y del sistema global con sistemas de almacenamiento de energía eléctrica basados en baterías de plomo ácido, húmedas y con válvula de regulación, y de ion litio con tecnología NCM en el cátodo (níquel-cobalto-manganeso), conforme los valores vistos en los apartados 2.1.3 y 2.1.4. Puesto que los sistemas de almacenamiento de hidrógeno almacenan energía química, y las baterías la almacenan como energía eléctrica, para poder comparar en términos similares todos los sistemas de almacenamiento, se considera que todo el hidrógeno almacenado se utiliza para generar energía eléctrica en una sistema comercial de pila de combustible de polímero sólido para aplicaciones estacionarias, con un 48% de rendimiento eléctrico medio considerando el PCI del hidrógeno (Hydrogenics, 2010).

almacenamiento de energía eléctrica (Whe/kg)

de energía eléctrica (Whe/l)

Almacenamiento de hidrógeno a baja presión

en depósito pulmón 27 6

Almacenamiento de hidrógeno en hidruros metálicos (sin considerar el depósito) 240 586 Almacenamiento de hidrógeno en hidruros metálicos (incluyendo el depósito) 149 586 Almacenamiento de hidrógeno en botellas a presión 200 252 Almacenamiento de hidrógeno en la instalación global 131 70

Baterías de plomo ácido

húmedas 30 80

Baterías de plomo ácido con válvula de

regulación 40 180

Baterías de ion litio

(NCM) 150 250

Tabla 15: Comparación de densidad de almacenamiento de energía eléctrica de la instalación con otros sistemas de almacenamiento de energía

Se observa que la densidad gravimétrica de la instalación global es sólo ligeramente inferior a la tecnología más avanzada disponible a día de hoy de baterías de ion litio, y muy superior a la densidad gravimétrica de energía de las baterías de plomo ácido. Por componentes cabe reseñar que, tanto el almacenamiento a presión en botellas como el almacenamiento en hidruros, presentan valores de este parámetro superiores al de las baterías de ion Li. Este hecho señala que, si en el diseño de una instalación estacionaria de almacenamiento de energía eléctrica en hidrógeno existen limitaciones en cuanto a la masa final del sistema, debería considerarse a priori una importante presencia del almacenamiento en hidruros metálicos y/o a presión.

En cuanto a la densidad volumétrica de energía, se observa que el valor de la instalación global es notablemente inferior al ofrecido por las baterías de ion litio, debido fundamentalmente a la baja densidad volumétrica de energía que presenta el almacenamiento a baja presión en el depósito pulmón. No obstante, el valor para la instalación global es similar al que ofrecen las baterías de plomo ácido húmedas. Se observa que, por componentes de la instalación, el almacenamiento a presión en botellas ofrece un valor similar al de las baterías de ion litio, en tanto que el almacenamiento en hidruros metálicos ofrece más del doble de densidad volumétrica de energía que este tipo de baterías. Quiere esto decir que, si existen limitaciones en cuanto a volumen disponible en una

instalación de almacenamiento de energía eléctrica en hidrógeno, debería aquí considerarse también una importante presencia del almacenamiento en hidruros metálicos y/o a presión.

Esta recomendación cuando existen limitaciones en masa y volumen se contrapone a los criterios de rendimiento energético de componentes y de la instalación global, que se verán a continuación, y que priorizan la utilización de sistemas de almacenamiento a baja presión. Se debe por tanto encontrar un compromiso que satisfaga simultáneamente los criterios de diseño de rendimiento energético y densidad de almacenamiento de energía en masa y volumen.