Eficiencia Energética en Transporte, Turismo y Desalación
M.U. en Energías Renovables
DISEÑO DE DESALADORA DE ÓSMOSIS INVERSA Y PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO PARA TRANSPORTE Eficiencia Energética En Transporte, Turismo Y Desalación Máster Universitario en Energías Renovables Universidad de La Laguna Mayo de 2013
Gerard Ríos Marrero Juan Camilo Daza Fernández Carlos Quinto Alemany Alfredo Jesús Ramírez Díaz 0
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Índice de Contenidos 1. 2. 3. 4. 5.
Introducción Recurso Eólico de Arico Planta de Osmosis Inversa Gestión Energética de la Planta y Producción de Hidrógeno Referencias y Anexos
2 5 11 24 36
1
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1. INTRODUCCIÓN Actualmente hay gran cantidad de zonas en las que se produce una escasez de agua potable y de regadío, siendo la desalación de agua de mar y salobre una buena opción a tener en cuenta. Además, la desalación de agua alimentada mediante energías renovables es una combinación a tener en cuenta en multitud de lugares pues ayuda a reducir la dependencia de los combustibles fósiles, teniendo una gran repercusión positiva tanto económica como ambiental. En el caso de Canarias, se trata de una opción especialmente atractiva, debido a la gran disponibilidad de recursos renovables, sobre todo eólico y solar. A esto debemos sumarle que el sistema eléctrico Canario cuenta con seis sistemas eléctricamente aislados y de tamaño reducido (referencia [1]). En nuestro caso, por una parte se plantea la utilización de la tecnología eólica junto al proceso de desalación por ósmosis inversa. Además, como novedad, se propone la incorporación de un sistema de generación de hidrógeno a partir del agua desalada para acumular los excedentes de energía y así usarlo en aquellos momentos en los que el recurso eólico no esté disponible. De esta manera se resuelve uno de los grandes problemas que presentan las Energías Renovables: convertir en gestionable un recurso que en un principio no lo es (referencia [1]). Por tanto, estaríamos hablando de trigeneración: Generación de electricidad a partir de energía eólica Desalación mediante ósmosis inversa Generación de hidrógeno y oxigeno
1.1
Precedentes
Como precursores, existen varios proyectos del ITC en materia de generación y almacenamiento de hidrógeno obtenido a partir de Energías Renovables, por lo que se puede afirmar que técnicamente es posible (referencias [2], [3] y [4]). En Pozo Izquierdo, Gran Canaria, se ha llevado a cabo el proyecto RES2H2 con el que se integra la energía eólica con tecnologías de almacenamiento de hidrógeno, pilas de combustible y desalación por ósmosis inversa. Dicho estudio simula el abastecimiento energético y de agua potable de una pequeña comunidad aislada de la red eléctrica aprovechando los recursos eólicos del emplazamiento (referencia [3]).
1.2
Emplazamiento
Las instalaciones estarían situadas la isla de Tenerife, en el municipio de Arico. Esto se debe a la conjunción de diversos motivos: por una parte, tenemos el excelente recurso eólico de la zona. Además, se trata de un terreno relativamente plano, por lo que la obra civil se hace algo más sencilla y se reducen costes en ese sentido. Por otra parte, 2
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al estar cerca una zona industrial, cuenta con unos buenos accesos, estando muy cerca de la autopista sur, una de las principales vías de la isla. Las instalaciones estarían situadas en una cota de 100 m sobre el nivel del mar, por lo que se prevé contar con un pozo de unos 125 m, aproximadamente. Además, se cuenta con un depósito de unos 3000 m3 de capacidad.
1.3
Clientes
Principalmente, el agua desalada producida irá destinada a regadío, aprovechando para ello el depósito situado cerca de nuestras instalaciones. A partir de éste, se podrá distribuir a los agricultores de la zona que estén interesados. Además, con el hidrógeno producido, aparte de servir como sistema de almacenamiento de energía, también se podrá vender para abastecer a una pequeña flota de vehículos:
1.4
Entre 120 y 180 vehículos Necar, similares a los turismos actuales. Entre 10 y 12 vehículos pesados, tales como autobuses.
Características del agua desalada
Debido a que tenemos dos perfiles de clientes bien diferenciados, la planta contará con 2 circuitos de desalación.
Circuito primario
3
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Será el encargado de proporcionar el agua destinada a regadío. El agua producto tendrá una concentración de sales de 1000 ppm y tendrá una producción de aproximadamente 300 m3/día.
Circuito secundario
Debido a que los electrolizadores para producir hidrógeno necesitan de un agua de gran pureza, este circuito proporcionará un agua producto con una concentración de 5 ppm
4
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2. RECURSO EÓLICO DE ARICO Dado que se propone colocar la planta desaladora y el aerogenerador que la alimenta en Arico, Tenerife, España. Debemos conocer los datos de viento del lugar de por lo menos un año, para así saber cuánta energía podrá suministrar el aerogenerador. Para lograr esto se obtuvieron los datos de la estación meteorológica de ARICO_01 (Arico) proporcionados por el Área de Agricultura, Ganadería, Pesca y Aguas del Cabildo de Tenerife (La referencia [5]). La ubicación de la estación se puede observar en el siguiente mapa:
[5] Los datos obtenidos proporcionan el promedio diario de la velocidad y dirección del viento a 10 metros de altura. O sea que contamos con 365 datos de velocidad y 365 de dirección, desde abril de 2012 hasta marzo de 2013. Dado que los datos de viento los tenemos a 10 m de altura y el aerogenerador que utilizaríamos tiene el buje a una altura de 47 m. El primer paso es conocer la velocidad de viento a 47 m: 5
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( )
( )
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( )
[6]
En donde:
( ) es la velocidad del viento a la altura [m/s] ( ) es la velocidad del viento a la altura [m/s] es el coeficiente de rugosidad del terreno [adimensional] Utilizaremos un coeficiente de rugosidad de 0.22 correspondiente a zonas de cultivos con presencia de ciertas edificaciones. [6] Aplicando lo anterior a todos los datos obtenemos:
Velocidad del viento en un año 18 16 Velocidad del viento a 47 m (m/s)
14 12 10 8 6 4 2 1 13 25 37 49 61 73 85 97 109 121 133 145 157 169 181 193 205 217 229 241 253 265 277 289 301 313 325 337 349 361
0 +90 Dia del año
{Anexo 1 pestaña “Datos del recurso”}
También decidimos graficar la rosa de los vientos con el objetivo de verificar que los vientos predominantes eran efectivamente los vientos alisios y la rosa de los vientos confirma esto:
6
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Rosa de los vientos 0E 0,7 0,6 315 SE
45 NE
0,5
0,4 0,3 0,2 0,1 270 S
90 N
0
225 SW
135 NW
180 W
{Anexo 1 pestaña “Rosa de los vientos”} Ahora calculamos la densidad de probabilidad para la función de Weibull ( ) con los datos obtenidos de la siguiente manera: ( )
( ⁄ )
[6]
En donde: es la velocidad del viento [m/s] es el factor de forma [adimensional] es el factor de escala [m/s] Para obtener y buscamos en el “Recurso Eólico de Canarias. Tenerife y La Gomera. TOMO 10 de 15 del ITC” (Referencia [7]), las coordenadas UTC correspondientes al lugar en donde colocaríamos el aerogenerador y obtenemos lo siguiente:
7
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Ahora graficamos la distribución de Weibull y obtenemos lo siguiente:
Distribución Weibull de las velocidades medias diarias 0,03
Probabilidad
0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 16,5
15,75
15
13,5
14,25
12,75
12
11,25
10,5
9,75
9
8,25
7,5
6,75
6
5,25
4,5
3,75
3
2,25
1,5
0,75
0
0
Velocidad (m/s)
{Anexo 1 pestaña “Función de Probabilidad”} De la gráfica podemos observar que las velocidades más probables están en el rango de 4 a 7 m/s, entonces debemos escoger un aerogenerador cuyo coeficiente de potencia sea el máximo en ese rango. Luego de una búsqueda en el mercado de aerogeneradores se seleccionó el aerogenerador Gamesa G58-850kW el cual posee el máximo coeficiente de potencia en la zona deseada, lo cual se puede apreciar a continuación:
8
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Coeficiente de Potencia Gamesa G58-850 kW 0,6 0,5
Cp
0,4
0,3 0,2 0,1
0 0,75 1,5 2,25 3 3,75 4,5 5,25 6 6,75 7,5 8,25 9 9,75 10,5 11,25 12 12,75 13,5 14,25 15 15,75 16,5 17,25 18 18,75 19,5 20,25 21 21,75 22,5
0
Velocidad del viento [m/s]
[8], {Anexo 1 pestaña “Aerogenerador”} Ahora calcularemos la energía que el aerogenerador podrá subministrar, para lograr esto usamos la gráfica de potencia del aerogenerador Gamesa G58-850kW:
Curva de potencia Gamesa G58-850 kW 900
Potencia generada (kW)
800 700
600 500 400 300 200 100 0 0,75 1,5 2,25 3 3,75 4,5 5,25 6 6,75 7,5 8,25 9 9,75 10,5 11,25 12 12,75 13,5 14,25 15 15,75 16,5 17,25 18 18,75 19,5 20,25 21 21,75 22,5
0
Veocidad del viento (m/s)
[8], {Anexo 1 pestaña “Aerogenerador”}
Como poseemos la velocidad del viento promedio de cada día del año y sabemos que potencia generara el aerogenerador a cada velocidad de viento ( ). 9
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Multiplicamos esa potencia por las 24 horas de un día para obtener la energía generada ese día. Finalmente sumamos las energías generadas cada día para todos los días del año y obtenemos la energía producida anual , es decir: ∑ ( ) Los resultados pueden ser observados en la siguiente tabla: Energía total producida annual: Horas equivalentes: Porcentaje sobre año ideal
2731 MWh 3213 horas 36.68%
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PLANTA DE ÓSMOSIS INVERSA
3.1. Introducción. Mediante la energía obtenida por los aerogeneradores, se pretende llevar a cabo el proceso conocido como ósmosis inversa, con el cual desalar agua de mar y obtener así, una parte de agua ultra pura con la que producir hidrógeno mediante la electrólisis del agua. Del mismo modo, se obtendrá una parte de agua producto la cual será apta para el uso agrícola de la zona. 3.1.1. El fenómeno de la ósmosis inversa. La ósmosis es un proceso físico natural, que interviene especialmente en la vida de los animales y de las plantas. Al dividir un recipiente en dos compartimentos independientes separados entre sí por una membrana semipermeable, los cuales contienen una solución salina y otra de agua dulce; se produce el siguiente fenómeno natural donde la parte del agua dulce pasará a través de la membrana semipermeable a la solución salina. Es decir, se produce un flujo espontáneo de agua desde la solución diluida a la solución más concentrada [9].
Figura 3.1. Fenómeno de la ósmosis [9].
Cuantificando la diferencia de nivel existente de la solución salina respecto a la de agua dulce, nos indicará la medida de la presión osmótica de dicha solución. Es decir, es la presión que debe aplicarse a la solución concentrada para impedir la ósmosis natural [9].
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Figura 3.2. Medida de la presión osmótica [9].
Al aplicar a la solución salina una presión externa mayor que dicha presión osmótica, ocurre el siguiente fenómeno denominado como ósmosis inversa, donde el agua pasará en dirección contraria a través de la membrana, dejando detrás de sí una solución más concentrada en sales [9].
Figura 3.3. Fenómeno de la ósmosis inversa [9].
La ósmosis inversa aplicada a la desalación de aguas, es un proceso industrial cuyo esquema simplificado se muestra en la siguiente figura:
Figura 3.4. Desalación de agua por ósmosis Inversa [9].
La técnica de desalación de aguas se puede aplicar tanto a agua de mar como agua salobre. En esencia, el agua de alimentación es bombeada a alta o media presión hacia 12
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una membrana semipermeable dando lugar a dos flujos de agua, uno de alta concentración denominado rechazo o salmuera y otro de baja concentración denominado agua producto o permeado. La membrana semipermeable ha de ser seleccionada adecuadamente para soportar altas concentraciones de sales y elevadas presiones osmóticas, como sería en el caso de agua de mar; así como bajas concentraciones de sales y medias o bajas presiones osmóticas para las aguas salobres [9]. Este proyecto se fundamentará en la desalación de agua de mar.
3.1.2. Membranas para Ósmosis Inversa. Existen diversos tipos de membranas para ósmosis inversa y varías clasificaciones según forma, composición química, presión de trabajo, etc... [10]. Para el diseño de la planta se seleccionaran el tipo de productos más común en el mercado, las cuales son membranas compuestas de capa fina de poliamida con arrollamiento en espiral.
Figura 3.5. Membranas de arrollamiento en espiral [9].
Éstas, consisten en dos capas de membrana semipermeable, separadas por un tejido soporte poroso. Los extremos de la membrana van cerrados por tres de sus lados, formando una envolvente flexible. Las envolventes en varias capas se enrollan alrededor de un tubo central, formando la configuración en espiral. Ésta, presenta una gran superficie de membrana por unidad de volumen, un reducido costo de fabricación y cierta facilidad de limpieza. En funcionamiento, el agua de alimentación, a una presión superior a la osmótica, pasa a través de la membrana, al interior del tejido soporte poroso por el que accede al tubo central perforado [9]. A medida que el permeado atraviesa la membrana, las sales disueltas que contenía se quedan en las proximidades de la superficie. El soluto que no puede atravesar la membrana, debe de ser arrastrado por la corriente de rechazo , sin embargo la velocidad del solvente en las proximidades de la superficie de la membrana es 13
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prácticamente nula, dando lugar a una zona en la que la concentración de sales es mayor que la del resto de la solución. Esta situación se conoce con el nombre de polarización de la membrana y aparece el factor de polarización β, el cual establece la relación entre la concentración máxima de soluto en la superficie de la membrana entre la concentración media de la solución de aporte. La polarización de la membrana produce los tres efectos siguientes [10]:
Reduce, a presión constante, el flujo de solvente y, por tanto el caudal de permeado ya que, al aumentar la concentración de la superficie aumenta la presión osmótica disminuyendo la presión efectiva a través de la membrana. Aumenta el flujo de soluto a través de la membrana y la concentración del permeado al aumentar el gradiente de concentraciones. Aumenta el riesgo de precipitación de las sales poco solubles así como de los coloides y materias en suspensión sobre la superficie de la membrana
Conviene limitar, por tanto, la concentración de forma que β no supere el valor de 1,15 [10].
3.2. Desalación de agua de mar. A la hora de llevar a cabo la desalación de agua mediante ósmosis inversa, hay que tener presente las características físico-químicas del agua a tratar y la finalidad del uso de la misma, pues éstas van a determinar la elección de los elementos necesarios para llevar a cabo el proceso de desalación.
3.2.1. Características físico-químicas del agua de mar en Canarias. Las aguas costeras canarias son de tipo oceánico y están influenciadas por la Corriente de Canarias, que forma parte del conjunto de corrientes marinas que forman el giro subtropical del Atlántico Norte. Esta corriente presenta temperaturas inferiores a las esperadas para estas latitudes. Por lo general, las temperaturas presentan un gradiente que aumenta de Este a Oeste, siendo las temperaturas de las islas orientales inferiores a las occidentales. Por lo general, las temperaturas medias oscilan entre los 17-18 º C en invierno y los 22-23 º C en verano. Aunque se puede dar temperaturas superiores en verano. Los valores medios de pH en aguas canarias, oscilan entre 8,1 y 8,6 [11]. De forma general un medio alcalino (pH alto) favorece las incrustaciones o precipitación de sales sobre la superficies de la instalación. Por el contrario, un pH demasiado bajo (ácido) favorece la corrosión. Existe un índice que facilita la predicción de incrustaciones para agua de mar denominado Índice de saturación de Stiff y Davies 14
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(S&DSI), el cual mide la diferencia entre el pH real del agua y el pH que tendría en condiciones de saturación [9]. Si resulta positivo, significará la posibilidad de que aparezcan incrustaciones, en cambio si es negativo reflejará el carácter corrosivo del agua. En cuanto a la turbidez de las aguas canarias, los valores son muy bajos, debido a que son aguas oligotróficas11. Por lo general, los valores medios oscilan entre 0,8 y 1,9 NTU (Nefelometric Turbidity Unit), aunque se dan valores muy superiores en épocas de lluvias en zonas cercanas a las desembocaduras de barrancos y cercanos al fondo de la masa de agua, si ésta presenta fondo blando y existe fuertes corrientes u oleaje [11]. La cantidad de sólidos presentes está muy relacionada con el tipo de captación o toma de agua de mar. Al realizar la captación mediante un pozo costero o pozo playero, el propio terreno permeable actúa como prefiltración, por lo cual el agua obtenida en bombas tiene mucho menor contenido en sólidos y biomasa, manteniendo naturalmente la salinidad. Una manera muy frecuente de estimar la tendencia al ensuciamiento de las membranas es mediante el denominado "Índice de ensuciamiento" (Silt Density Indez, SDI), que es una determinación realizada de forma totalmente empírica, ya que no tiene base racional. Los valores de SDI aceptables en membranas de ósmosis inversa son menores de 5, y preferiblemente menores de 3 [9]. A continuación se muestra la composición a partir del análisis de agua de mar de las costas canarias, más concretamente de la zona sur de Gran Canaria, donde el contenido de sólidos totales disueltos (STD) oscila en torno a los 38000 mg/L, que es equivalente a hablar en partes por millón (ppm) [9]. pH Sulfato Cloruro Bicarbonato Calcio Magnesio Sodio Potasio Sílice Total sólidos disueltos
8.2 mg/L 3.500 20.200 100 1.300 450 12.230 415 0,5 37.770
Tabla 3.1. Calidad del agua de mar en Canarias [9].
1
Aplíquese a los volúmenes de agua que son pobres en nutrientes vegetales, y por tanto, improductivos. Son aguas claras que suelen estar poco oxigenadas. Fuente: www.aguamarket.com.
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3.2.2. Aplicación para el agua desalada. El principal objetivo de desalar agua es la obtención de agua ultra pura con la que, mediante electrólisis, producir hidrógeno. Sin embargo, la capacidad de la planta será superior al volumen requerido por los electrolizadores. Es por esto que la mayor parte de la producción de agua desalada será destinada a su venta para el riego agrícola de la zona. Por lo tanto la conductividad del agua que alimentará el electrolizador deberá de ser menor a 5 μS/cm2, lo que equivale a obtener un agua producto con una concentración de SDT de 2,5 ppm [12]. Por el contrario y dependiendo de los cultivos, la concentración de SDT en el agua para uso agrícola puede alcanzar hasta los 2000 ppm [9].
3.3. Diseño de la planta de ósmosis inversa. Teniendo en cuenta los diferentes factores como son, la capacidad de almacenamiento del agua producto para riego, el volumen necesario de agua para la producción de hidrógeno, así como el requerimiento energético y el emplazamiento, se diseñara una planta con una capacidad de 300 m3/día. La captación de agua de mar se realizara mediante una bomba situada en un pozo a 25 m de profundidad que deberá de vencer la cota de 100 m sobre el nivel del mar a la que se encuentran las instalaciones. Del mismo modo, se hará uso de una bomba para llevar el agua desalada desde la instalación hasta el depósito de almacenamiento, el cual se encuentra a una cota de 10 metros más alta que las instalaciones. En este proyecto, no se hará mención a los procesos de pretratamiento del agua de mar de ni al coste que puedan suponer para la inversión y amortización de la planta. Se asume que debido a las buenas propiedades del agua en las islas, este estadío no repercutirá de forma significativa. La planta contará con un sistema de recuperación de energía basado en intercambiadores de presión, lo que permitirá reducir el consumo específico de la planta. Es decir, la energía necesaria, expresada en kWh (kilovatios hora), para producir un metro cúbico de agua desalada. Para llevar a cabo el diseño, haremos uso del software IMSdesing de la casa Hydranautics, dedicada a la producción de membranas; y de la hoja de cálculo proporcionada por el fabricante Energy Recovery para la elección del intercambiador de presión.
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3.3.1. Membranas. En un primer paso hay que introducir, en el programa IMSdesign de Hydranutics, los parámetros físico químicos del agua de mar para la captación, tales como son la concentración de SDT, la temperatura del agua, el pH, el índice de ensuciamiento y el factor de turbidez. A continuación, se obtienen los siguientes resultados para el análisis del agua de mar:
Tabla 3.2. Análisis del agua de mar (IMSdesing). Véase: Agua.pdf
De estos datos se deduce la presión osmótica del agua de mar en Canarias 26,8 bar, así como el índice de saturación de Stiff & Davis 0,59, el cual indica la posibilidad de que aparezcan incrustaciones en las instalaciones. Sin embargo, posee un valor aceptable. Lo siguiente es diseñar el sistema en sí y la elegir las membranas adecuadas a partir de los datos obtenidos en el análisis del agua de mar. Se opta por un sistema de dos pasos en serie, con lo que se pretende obtener permeados con diferentes concentraciones, uno destinado al agua de riego; y otro para la producción de hidrogeno. El primer paso contará con de un sistema de recuperación de energía por intercambiadores de presión; y se recirculará el rechazo del segundo paso al principio de la instalación, debido a su baja salinidad. El sistema contará con una bomba de alta presión, que elevará la presión del agua de alimentación a la entrada de la membrana, así como una bomba booster a la salida del intercambiador de presión, que elevará la presión de la salida de agua desviada a través de éste. Además el sistema contará con una bomba para recircular parte del permeado obtenido en el primer paso, hacia el segundo. 17
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Figura 3.6. Diagrama de flujo de la planta (IMSdesing). Véase: Diagrama.pdf
De este diagrama resultan 14 puntos, que se estudiarán más adelante para el cálculo del consumo específico de la planta. Véase apartado 3.3.3. Realizando diversas pruebas con el programa y eligiendo varios modelos de membrana, todos ellos de la marca Hydranutics, se eligen los modelos para cada paso de la planta. En el primer paso se elige la membrana SWC5, con lo que se obtiene el dimensionado de un bastidor con de 4 tubos y 6 elementos por tubo, resultando un total de 24 membranas. Para el segundo paso se elige el modelo ESPA2-4040, con lo que se obtiene un tubo con un único elemento. Resultando un total de 25 membranas para todo el sistema.
Figura 3.7. Modelos de membrana seleccionados para la planta. Izq: SWC5; Dcha: ESPA2-4040 (Hydranautics).
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Para el primer paso, donde se obtienen 300 m3/día de permeado con una concentración de SDT de 154,2 ppm, la recuperación es del 40%; mientras que para el segundo paso, donde se obtienen 6,24 m3/día de permeado con una concentración de SDT de 0,68 ppm, la recuperación es del 30%. De esto se calcula que finalmente la capacidad de la planta es de 285,4 m3/día con una concentración de STD de 150,89 y una recuperación total de 38,8%; y necesita un caudal de captación de 735 m 3/día.
Tabla 3.3. Capacidad y porcentaje de recuperación de la planta (IMSdesing). Véase: Diseño.pdf
SDT (ppm)
Permeado 150,89
Permeado 1 152,4
Permeado 2 0,68
Tabla 3.4. Capacidad y porcentaje de recuperación de la planta (IMSdesing). Véase: Diseño.pdf
En el archivo Diseño.pdf se puede observar que el factor de polarización β es mejor para el caso de las membranas del primer paso 1,02, frente al que se obtiene para la membrana del segundo paso 1,37. Sin embargo, el programa no presenta error para este último valor de β, por lo que se asume que la membrana del paso 2 soportaría el fenómeno de polarización, pese a lo expuesto en el apartado 3.1.2. Para saber el volumen de agua desalada que se canaliza para su almacenamiento, a 285,4 m3/día hay que descontar los 6,24 m3/día que van destinados a la producción de hidrógeno, lo que resultarían 279,16 m3/día que van destinados para el riego agrícola. De estos resultados se observa que la concentración de SDT para el agua destinada a la producción de hidrógeno es mejor que el valor máximo recomendado, lo que se traducirá en un mejor mantenimiento de los electrolizadores. Del mismo modo para el agua destinada a riego, se observa la gran calidad de la misma.
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3.3.2. Intercambiador de Presión. Para la elección del intercambiador de presión se ha hecho uso de la hoja de cálculo desarrollada por el fabricante Energy Recovery, donde se han introducido los valores necesarios, tales como presiones y flujos, así como el porcentaje de recuperación del paso 1, y con ello simular dicho paso y determinar el modelo adecuado para este diseño.
Figura 3.8. Diagrama de flujo del paso 1 (Energy Recovery). Véase: IP.pdf
La elección que hace el programa es la instalación de una unidad PX-90S, con un flujo unitario de 18,8 m3/hora y un rendimiento del 94,4%.
Figura 3.9. Intercambiador de presión de la serie PX-S (Energy Recovery)
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3.3.3. Consumo específico. Para llegar a cabo el cálculo del consumo específico, se analizan los 14 puntos reflejados en la Figura 3.6. Diagrama de flujo de la planta. Véase apartado 3.3.1. Puntos de análisis nº Descripción
Presión Caudal Concentración Densidad kPa bar m3/s ppm kg/m3 PASO 1 1 Salida bomba de extracción 380 3,8 0,00850 38204,2 1038,2042 2 Recirculación rechazo 380 3,8 0,00869 37442,6 1037,4426 3 Entrada recirculación IP 380 3,8 0,00517 37442,6 1037,4426 Salida IP a bomba booster 4970 49,7 0,00517 4 Salida bomba de alta presión 5240 52,4 0,00353 37442,6 1037,4426 5 Salida bomba booster 5240 52,4 0,00517 39022,5 1039,0225 6 Entrada membrana 5240 52,4 0,00869 38381,1 1038,3811 7 Entrada rechazo IP 5140 51,4 0,00522 63862 1063,862 8 Salida de rechazo IP 290 2,9 0,00522 62337,9 1062,3379 9 Salida de permeado 320 3,2 0,00347 154,2 1000,1542 PASO 2 10 Salida bomba de alta presión 970 9,7 0,00025 154,2 1000,1542 11 Recirculación permeado 380 3,8 0,00322 154,2 1000,1542 12 Salida de permeado 320 3,2 0,00008 0,7 1000,0007 13 Salida permeado TOTAL 320 3,2 0,00331 15,9 1000,0159 14 Recirculación rechazo 960 9,6 0,00017 220,1 1000,2201 Tabla 3.5. Puntos de análisis del diagrama de flujo de la planta. Véase: Pestaña Planta OI en Excel.xlsx
Estos datos se han obtenido a partir de la cálculos realizados por el software IMSdesign de hydranautics. Para determinar la potencia consumida por cada una de las bombas se usa la expresión:
[ ] [ ] [ ]
donde,
[
] [
]
[ ] 21
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Para calcular la energía generada por el intercambiador de presión, se utiliza la expresión:
[ ] [ ] [ ]
PASO 1 Equipo Rendimiento P. consumida (kW) Bomba de alta presión 82% 30,62 Bomba booster 75% 1,86 P. generada (kW) Intercambiador de presión 94% 25,60 PASO 2 Equipo Rendimiento P. consumida (kW) Bomba de alta presión 82% 0,20 CAPTACIÓN Y DISTRIBUCIÓN Bomba de captación 78% 18,01 Bomba de distribución 78% 1,77 Tabla 3.6. Potencias consumidas por los diferentes equipos. Véase: Pestaña Planta OI en Excel.xlsx
Con estos datos ya se puede obtener el consumo específico de la planta así como de cada uno de los pasos que lo conforman, con la siguiente expresión: [
]
[ [
] ]
CONSUMO ESPECÍFICO (kWh/m3) PASO 1 2,60 PASO 2 0,66 PLANTA 4,41 Tabla 3.7. Consumo específico. Véase: Pestaña Planta OI en Excel.xlsx
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3.4.
M.U. en Energías Renovables
Análisis de costes.
La repercusión aproximada que tiene cada componente sobre la inversión total se recoge en la siguiente tabla [10]: Elemento Membranas Bombas Tuberías y válvulas Equipos eléctricos Instrumentación Edificios Toma de agua Impulsión de producto
% de la inversión 30% 20% 20% 10% 5% 5% 5% 5%
Tabla 3.8. Porcentaje de la inversión de cada componente [10].
Asumiendo dichos porcentajes y conociendo el precio de cada membrana, 672€ 2, se puede obtener mediante el software IMSdesign de Hydranautics, el cálculo de la inversión y coste del agua, para amortizar la planta a 25 años con una tasa de interés del 10% y con un coste de la energía producida mediante el aerogenerador de 0,13€ como coste medio, debido a que no siempre se alimenta con el aerogenerador sino que entra en funcionamiento el sistema secundario de energía, y entonces el coste de la electricidad aumenta hasta ese valor.
Tabla 3.9. Cálculo de la inversión y coste del agua. Véase Inversión.pdf 2
Valor calculado en euros (€) a partir de los precios proporcionados en http://shop.h2omembranes.com/Hydranautics-SWC5-Seawater-RO-Membrane-SWC5.htm http://www.bigbrandwater.com/espa240401.html
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4. GESTIÓN ENERGÉTICA DE LA PLANTA DE PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO 4.1. Elementos del Sistema Energético
Aerogenerador
Se trata de un Gamesa G58 – 850 kW, con una altura de torre de 44 metros, un diámetro del rotor de 58 m, lo que supone un área de barrido de 2642 m2. La energía eólica producida será nuestra fuente de alimentación principal tanto para la desaladora como para los electrolizadores.
Circuito de desalación primario
El circuito de desalación primario es el encargado de producir cerca de 300 m 3 de agua al día para satisfacer la demanda de los agricultores de la zona. Se trata de un sistema de osmosis inversa, y está descrito en el apartado anterior del trabajo. Rebajan la concentración de sales en el agua hasta los 1000 ppm que están en el rango adecuado para el uso en la agricultura.
Circuito de desalación secundario
El circuito de desalación secundario lo compone un permeador con 3 membranas extra que reducen la concentración por debajo de los 5 ppm. Con esta concentración de sales en el agua podemos introducir el agua en el electrolizador para generar hidrógeno y oxígeno. Estos elementos serán nuestros vectores energéticos y los que nos ayudarán a gestionar la energía en momentos en que el recurso eólico no es suficiente para cubrir la demanda de la desaladora.
Depósitos de agua
En primer lugar, disponemos de un depósito de agua de unos 3.000 m 3 de agua desalada para regadío. En este depósito volcaremos el agua que sale del circuito de desalación primario, desde allí los agricultores con los que tengamos convenios de compra-venta podrán acceder al agua. En segundo lugar, tendremos un pequeño depósito cerrado para almacenar el agua que proviene del circuito de desalación secundario. Este depósito tendrá una capacidad de unos 300 m3, y será nuestra fuente de agua para alimentar el electrolizador. Además, cuando usemos la pila de combustible, el agua se recuperará y se enviará de nuevo a este depósito, dado que se trata de un bien muy valioso.
Electrolizador – Pila de combustible
El grupo de producción de hidrógeno lo forman cuatro electrolizadores, tres de ellos modelo Hidrogenics HySTAT 30-10, y el último, Hidrogenics HySTAT 30-10. Las características principales son las siguientes: 24
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Modelo Número de electrolizadores Presión de trabajo Número de pilas de combustible Consumo de corriente CA Consumo de agua Potencia de la pila
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HySTAT 30-10 3
HySTAT 45-10 1 10 bares
2 3 5,2 kWh/Nm3 a plena carga 1,5 – 2 litros/ Nm3 6 kW 7 kW
Tiene una masa de 16 toneladas en vacío y unas medidas de 6,10 m x 2,44 m x 2,90 m, se puede instalar tanto en interiores como en exteriores. [13]
Almacenamiento de Hidrógeno
El hidrógeno producido pasará por un compresor que elevará su presión de 10 a 200 bares, y consumirá según estimaciones un 8% de su energía interna. Luego se llevará por unos conductos de acero hasta los doce depósitos B50 a 200 bares con una capacidad cada uno de 8,8 m3 de Acero 34CrMo4. Estos doce depósitos de gran capacidad podrán acumular el hidrógeno producido en dos semanas a máxima capacidad de producción.
Almacenamiento de Oxígeno
El oxígeno, tal como el hidrógeno se comprimirá a unos 150 bares, se transportará por tuberías de acero hasta almacenarlos en los cuatro tanques de acero con una capacidad de 5 m3 cada uno.
Sistema de distribución y comercialización
Tanto el hidrógeno como el oxígeno son productos muy valiosos para diferentes industrias. El hidrógeno se utilizará principalmente para combustible de automoción en vehículos NECAR (New Electric Car) que funcionan con pila de combustible. Además se tendrá un servició de reparto con un camión habilitado con un depósito acoplado de 18 m3. El cual hará un transporte por carretera hasta las dos principales hidrolinelas de la isla.
El diagrama general del sistema de generación de la planta se representa en la siguiente figura:
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DIAGRAMA GENERAL DEL SISTEMA DE TRIGENERACIÓN DE LA PLANTA
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4.2. Funcionamiento general de la planta La planta en su conjunto la compone un sistema de desalación de aguas, obtenidas de un pozo de agua salobre, del cual utilizaremos parte de agua para regadío y venta a industrias cercanas, y se almacenará en un estanque, de unos 3000 m 3 de capacidad. El sistema de desalación de aguas tiene un segundo paso de membranas para otorgar al agua una calidad de hasta unos 1,8 ppm, así pues con esta concentración tan baja de sales podemos empezar a generar hidrógeno. La principal fuente de energía eléctrica la suministra el aerogenerador de 850 kW, en condiciones de viento superiores a 4,5 m/s podemos alimentar la planta mediante el aerogenerador. Cuanto mayor sea la velocidad del viento a partir de esa velocidad de autoabastecimiento de la planta de desalación, mayor será nuestra producción de hidrógeno y oxígeno, dado que el excedente energético producido será utilizado para tal fin. Cuando el viento supera los 11,25 m/s el sistema trabajará a plena carga, generaremos 135 Nm3/h, y consumiremos aproximadamente 6,25 m3 de agua al día. El modo de suministro secundario entra en funcionamiento cuando tenemos velocidades de viento inferiores a 4,5 m/s, y el aerogenerador está parado o no produce suficiente. El modo secundario consiste en poner en funcionamiento las pilas de combustible que están incorporadas en los equipos HySTAT 30-10 y 45-10. En total, tenemos 9 pilas de combustible que son capaces de proporcionar una potencia de 57 kW con un rendimiento cercano al 45 % dependiendo de la carga. Esta potencia será utilizada para suministrar la electricidad de la planta de osmosis inversa y los sistemas de control y funcionamiento de la nave. Las pilas de combustible consumirán hidrógeno y oxígeno que previamente fueron almacenados. En el modo de suministro secundario se suspenderá la producción de hidrógeno hasta que el viento sople de nuevo con una velocidad suficiente para arrancar los electrolizadores.
4.3. Gestión del Sistema La gestión del sistema de trigeneración es una labor complicada, que requiere de datos para su simulación. Para ello, hemos recogido los datos del anemómetro situado en la estación meteorológica de Arico_01 localización situada apenas a unos cientos de metros del emplazamiento de nuestro aerogenerador. Teniendo los datos de viento calculamos la energía generada media por nuestro aerogenerador durante los 365 días del año, donde el periodo de muestreo va desde el 1 de Abril de 2012 hasta 31 de Marzo de 2013. Para ello hemos superpuesto las gráficas de la potencia generada anual con la de energía básica demandada por la planta durante el año, y así conocer el excedente energético y los periodos de déficit energético del sistema. En la siguiente gráfica podemos apreciar lo comentado anteriormente. 27
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Balance energético anual 20000,00 18000,00 16000,00
14000,00
10000,00 8000,00 6000,00 4000,00 2000,00 0,00 1 9 17 25 33 41 49 57 65 73 81 89 97 105 113 121 129 137 145 153 161 169 177 185 193 201 209 217 225 233 241 249 257 265 273 281 289 297 305 313 321 329 337 345 353 361
kWh/día
12000,00
Abril
Mayo
Junio
Julio
Agosto
Energía generada G58-850
Septiembre
Octubre Consumo OI
Noviembre Diciembre
Enero
Febrero
Marzo
Consumo base
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Como bien podemos apreciar los meses de mayor producción serán los de Julio y Agosto, y los de menor producción los de Marzo y Septiembre. Estos dos últimos meses los podemos aprovechar para parar la planta y realizar las labores de limpieza, mantenimiento y revisión de equipos. En principio, podemos observar que tenemos un alto excedente energético que podemos usar para producir hidrógeno y oxígeno, que con el agua son los productos que dispondremos para la comercialización. Para analizar con buen criterio el sistema debemos saber que el aerogenerador G58850 con nuestro recurso eólico es capaz de generar anualmente una energía de 2731,95 MWh y que la planta y las instalaciones demandan anualmente unos 511,79 MWh, lo que supone un 18,74% de lo que hemos generado en un año. Por tanto, tenemos un excedente energético de 1959,67 MWh que lo invertiremos en generar hidrógeno y oxígeno. [14] Dependiendo de ese excedente energético diario generaremos una cierta cantidad de hidrógeno [14] [15], el electrolizador tiene un rendimiento medio de 52,9 % [14], además, consideremos también que comprimimos el hidrógeno hasta los 200 bares y que ese proceso consume el 8% de la energía total del propio hidrógeno. Por tanto, si consideramos este, sumado al excedente energético para el año entero tenemos que almacenaremos un total de 945,75 MWh anuales. [15] Por otra parte, el déficit energético de la planta, es decir, en los momentos que es necesario cubrir con electricidad del modo secundario (con la pila de combustible) lo calculamos sumando la totalidad de los déficit diarios nos da que necesitaremos 145,66 MWh anuales. Un 28,43 % de la energía total de la planta no la cubre el sistema primario (aerogenerador), sino el sistema secundario (la pila de combustible). [15] Sin embargo, para cubrir los 145,66 MWh anuales utilizamos las pilas de combustibles de los equipos de hidrógeno, los cuales tienen un rendimiento promedio de un 45 %, por lo cual necesitaremos un total de 323,69 MWh anuales, que serán extraídos de la energía almacenada a 200 bares de hidrógeno (945,75 MWh anuales). [15] Sacando una conclusión final, para que el sistema se autoabastezca, serán necesarios 323,69 MWh anuales (un 33,9 % del hidrógeno almacenado), además de la producción primaria con el aerogenerador. Finalmente nos quedarán para comercializar 631,9 MWh en forma de hidrógeno a 200 bares. [15] En la siguiente gráfica podemos ver la simulación que se realizó a partir de los datos del recurso eólico. La curva roja representa la energía generada por el aerogenerador en forma de electricidad cada día en (kWh/día), la curva azul la energía (kWh/día) en forma de hidrógeno a 200 bares; la curva violeta es la energía disponible para el circuito secundario de alimentación; y la verde representa el déficit energético real en (kWh/día). 29
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Balance energético anual 18000,00 16000,00 14000,00
10000,00 8000,00 6000,00 4000,00 2000,00 0,00
1 9 17 25 33 41 49 57 65 73 81 89 97 105 113 121 129 137 145 153 161 169 177 185 193 201 209 217 225 233 241 249 257 265 273 281 289 297 305 313 321 329 337 345 353 361
kWh/día
12000,00
Abril
Mayo
Junio
Julio
Agosto
Septiembre
Octubre
Noviembre Diciembre
Enero
Excedente energético + kWh/dia
Demanda energética - kWh/dia
Energía almacenada en forma de hidrógeno kWh/día
Energía hidrogeno alimentar base kWh/día
Febrero
Marzo
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Flujos Energéticos del Sistema 2500,00 1959,68
Energía MWh
2000,00 1500,00
954,76
1000,00
631,06
511,80 500,00
323,70 145,66
0,00 Consumo base Déficit Energético Energía necesaria para cubrir la demanda de la desaladora con la electricidad de una fuel cell Excedente energético + Energía almacenada en forma de hidrógeno a 200 bares Sobrante en forma de hidrógeno con la demanda de la desaladora cubierta
4.4. Producción y alcance del Hidrógeno Como pudimos demostrar en el apartado anterior tenemos un excedente de energía en forma de hidrógeno presurizado a 200 bares, el cual se utilizará para abastecer a una pequeña flota de vehículos. Para ello, cogeremos un vehículo de hidrógeno NECAR estándar con una capacidad de 65 kWh de almacenamiento de hidrógeno, el cual está equipado con un sistema de pila de combustible que genera electricidad un conversor de voltaje DC-DC, eleva la tensión hasta los 220 o 400 V a los que funciona el motor de asíncrono de corriente alterna. Antes de que llegue al motor, debemos transformar la corriente continua a alterna con un inversor, además este es bidireccional, dado que el vehículo utiliza el propio motor como freno regenerativo, y la energía que acumula en las frenadas sirve para cargar un pack de baterías que se ocupa de alimentar los sistemas auxiliares del vehículo, como pueden ser, el climatizador, el sistema de control, el sistema de luces, sistema de control de temperatura de la pila de combustible, el sistema de alimentación del hidrógeno, sistema de aire de alimentación (compresor de aire), y el sistema de humidificación de agua. [16]
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[16] Dependiendo de múltiples factores la autonomía del vehículo de hidrogeno varía. Con esta energía almacenada podemos recorrer entre 200 y 350 km con una sola carga. Suficiente para hacer cualquier recorrido dentro de la isla de Tenerife. [14] Si tuviéramos una pequeña flota de vehículos de pila de hidrógeno, nuestra instalación podría realizar al año unas 9708 recargas, lo que equivale a unas 26,6 recargas diarias. Si suponemos que recargamos a una media de cada seis días, es decir que hacemos unos 50 km diarios, podemos tener un parque móvil de unos 180 a 120 vehículos NECAR. [14] 32
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Si consideramos que nuestra planta abastezca una pequeña flota de vehículos pesados, autobuses con pila de combustible, tenemos que este tipo de vehículos lleva consigo varios depósitos B10 de Acero 34CrMo4, que le confieren un almacenamiento en forma de hidrógeno de unos 250 kWh, lo que les confiere una autonomía de entre 250 – 180 km dependiendo de las condiciones del trayecto y otros muchos factores. [14] Con la energía disponible en forma de hidrogeno presurizado podemos realizar unas 2534 cargas anuales, que equivalen aproximadamente a 7 cargas diarias. Al tratarse de transporte de pasajeros si consideramos que deben reponer su carga cada día y medio. Tenemos que nuestro parque móvil estará comprendido entre 12 y 10 vehículos de estas características. El uso más favorable para este tipo de vehículos es el urbano, ya que para impulsar su gran masa a una velocidad superior a 80 km/h, debido a su gran resistencia aerodinámica se dispara el consumo. [14]
4.5. Análisis de Costes energéticos Para realizar el análisis de los costes del sistema energético recurrimos a analizar los siguientes gastos desde el punto de vista de instalaciones.
Coste de la energía eléctrica:
Analizaremos en primer lugar los costes del aerogenerador GAMESA G58 – 850 kW: Coste del aerogenerador Coste de la máquina Instalación Mantenimiento anual Años a amortizar la instalación Coste anual Intereses 6% Pagos anuales Coste del MWh eólico
930000 850000 80000 10000
€ € € €
7 años 134285,71 € 8057,14 € 142342,86 52,11 €
El dato más significativo que tendremos en cuenta es el de que el MWh eléctrico nos sale a 52,11 €. Lo que concuerda con la realidad de los sistemas de generación eólicos en lo referente a costes de producción. Cabe destacar que la inversión es a 7 años, y que después de ese periodo el MWh costará 5,49 €. Este coste será debido al mantenimiento. 33
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Costes del hidrógeno referente al agua:
Hay que sumar que el m3 de agua desalada tiene un coste de 0,63 €. Y que cada Nm3 normal de hidrogeno consume 2 litros de agua. Por tanto, cada Nm3 de hidrógeno cuesta 0,00126 €, y un Nm3 contiene 2,75 kWh, por tanto, 1 kWh costará 0,000457 €; quizá parezca que este coste no tiene repercusión ninguna, pero estaríamos equivocados, ya que, si tenemos en cuenta que un coche se lleva 65 kWh de almacenamiento, el coste parcial referente al agua desalada sería de 3 céntimos adicionales. Por tanto, hay que tenerlo en cuenta.
Coste del hidrógeno referente a la energía en el proceso de transformación:
Además que para producir 1 kWh en forma de hidrógeno a 200 bares serán necesarios 2,052 kWh energía eléctrica procedente de eólica. Por tanto, cada kWh de hidrógeno a 200 bares nos costaría a 0,107 €/kWh.
Costes del hidrógeno por inversión en equipos:
Si analizamos los costes de todos los elementos de la planta de hidrógeno tendremos que realizar una inversión total de 3.518.200 €. ANALISIS DE COSTES PLANTA HIDRÓGENO Depósitos B50 Canalizaciones y válvulas Depósitos de O2 Bombas HySTAT®-30-10 HySTAT®-45-10 Instalación Transporte Mantenimiento anual
6.700 € 26.000 € 3.500 € 34.000 € 680.000 € 820.000 € 210.000 € 300.000 € 45.000 €
6 1 4 2 3 1 1 1 1
TOTAL
40.200 € 26.000 € 14.000 € 68.000 € 2.040.000 € 820.000 € 210.000 € 300.000 € 45.000 € 3.518.200 €
[17], [12] Esta cantidad la financiaremos en 18 años la instalación a un interés del 8 %, tendremos unos costes anuales de 213.792,00 €. [14] Años de amortización de la instalación Coste anual Intereses 8%
18 años 197.955,56 € 15.836,44 €
Coste anual financiado
213.792,00 €
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Si sabemos que podemos vender 631,06 MWh anuales en forma de hidrógeno a 200 bares, el coste de esta inversión sería de 0,3387 €/kWh.
Coste de las recargas
El coste base de la recarga de un vehículo de hidrógeno será la suma de los costes relativos de generación de todos sus sistemas auxiliares, más una ganancia para el comercializador (30%). Coste base de 1 kWh de hidrógeno (€) = Coste de la energía eléctrica + Coste del agua + Coste de la inversión en equipos de hidrógeno Coste base de 1 kWh de hidrógeno = 0,107 €/kWh + 0,000457 €/kWh + 0,3387 €/kWh Coste base de 1 kWh de hidrógeno = 0,4461 €/kWh Coste para el consumidor de 1 kWh de hidrógeno = 0,5794 €/kWh Si un usuario quiere llenar el depósito de su NECAR de 65 kWh de capacidad le costaría unos 37,66 €. Suponiendo una autonomía media de 275 km, nos costaría unos 13,69 € a los 100 km. Lo cual no está lejos de los precios en los coches de combustión. [14]
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5. REFERENCIAS Y ANEXOS Anexo 1: Recurso Eolico Arico.xlsx [1] www.ree.es/operacion/pdf/Diptico_Canarias_v2.pdf [2] www.fulp.ulpgc.es/?q=boletin_mostrarnoticia&codigo_noticia=15821 [3] www.itccanarias.org/web/itc/proyectos-eerr/hylab.jsp [4] www.itccanarias.org/web/itc/proyectos-eerr/pse_h2renov.jsp [5] Copyright © 2013 Cabildo de Tenerife URL: http://www.agrocabildo.org/agrometeorologia_estaciones.asp [6] J. L. Rodríguez Amenedo, J. C. Burgos Díaz, S. Arnalte Gómez. Sistemas Eólicos de Producción de Energía Eólica © Editorial Rueda, S. L., Madrid 2003 [7] ITC. Recurso Eólico de Canarias. Tenerife y La Gomera. TOMO 10 de 15. [8] Copyright © Gamesa Corp URL: http://www.gamesacorp.com/recursos/doc/productosservicios/aerogeneradores/catalogo-g5x-850-kw.pdf [9] José Miguel Veza. Introducción a la desalación de aguas. Consejo Insular de aguas de Gran Canaria. Servicio de Publicaciones de la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria (2002). [10] Manuel Fariñas Iglesias. Ósmosis Inversa. Fundamentos, tecnología y aplicaciones. McGraw-Hill (1999). [11] ICCM. Condiciones de referencia de las tipologías de las masas de agua costeras. Parámetros indicadores que definen los límites entre los estados ecológicos. Directiva marco del agua Archipiélago canario. GOBIERNO DE CANARIAS CONSEJERÍA DE INFRAESTRUCTURAS, TRANSPORTES Y VIVIENDA. DIRECCIÓN GENERAL DE AGUAS (Diciembre, 2006). [12] Elena Pastor Tejera. Apuntes del Tema 2 para la asignatura "Tecnología del hidrógeno y de las pilas de combustible" en el Máster de Energías Renovables de la ULL. [13] Ficha Técnica Hidrogenics HySTAT 30-10, 45-10 [14] Anexo I/ Recurso Eólico Arico.xlsx / pestaña de “Planta de hidrógeno”
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[15] Anexo I/ Recurso Eólico Arico.xlsx / pestaña de “Suministro del sistema energético” [16] Hydrogen Fuel Cell For Road Vehicles / P.Corbo, F.Migliardini, O.Veneri. Ed. Springer [17] http://www.hgenerators.com/
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