Dispositivo de conversión directa Térmica - Eléctrica
Dispositivo Conversión Directa de Energía Térmica a eléctrica (DiConDET) El Padre nos colma de bienes Demos gracias al Padre
1 Antecedentes. Presentación de dispositivo y objetivos. En el presente documento se propone un dispositivo cuyo objetivo es la conversión de energía térmica (de cualquier fuente) en energía eléctrica. Es de esperar que este dispositivo una vez desarrollado tenga un rendimiento de conversión superior al 30 %. Además dispondría de otras características. • • •
Dispositivo fiable. (Su principio de funcionamiento de forma aislada del exterior le dota de una importante capacidad de no estar sometido a elementos de deterioro y desgaste) Dispositivo sin partes móviles. El dispositivo desarrollado completo requeriría de un compresor pero este puede ser de tipo rotor magnético para aumentar su fiablidad. Dispositivo con pocas necesidades de mantenimiento
El dispositivo está enfocado a trabajar con temperaturas por debajo de los 170 ºC. El desarrollo de este dispositivo daría una importante oportunidad a las personas para disponer de una calidad de energía proveniente de muy variadas fuentes. Actualmente los mecanismos de conversión de energía térmica (a la temperatura expuesta) son inexistentes o los que hay son muy caros. El desarrollo del presente dispositivo debería dotar a las personas de una herramienta útil para solucionar muchos problemas relacionados con la energía. En este documento se exponen los principios de operación, tecnologías necesarias para su construcción y referencias de estudio que ayudaran en su desarrollo. Este documento está dirigido a estudiantes de universidad, especialistas y aquellas personas que tengan interés en desarrollar un dispositivo de estas características.
2 Antecedentes. Pilas de combustible. Para poner en antecedentes sobre el dispositivo que se quiere exponer es necesario hablar de las pilas de combustible, no obstante este dispositivo NO ES UNA PILA DE COMBUSTIBLE. En la actualidad se está llevando a cabo un gran esfuerzo por poner a punto la economía del Hidrógeno. Esta economía se basa en el hidrógeno como vector energético. Sobre todo se espera su utilización en el sector del transporte.
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La economía del hidrógeno ha dado como resultado un importante desarrollo en las pilas de combustible. Las pilas de combustible están enfocadas para sustituir al tradicional motor de combustión de ciclo OTTO o ciclo Diésel. A favor de las pilas de combustible podemos exponer los rendimientos alcanzables. • •
Los rendimientos de los motores diésel ronda el 35 % para motores pequeños y hasta un 50 % para motores grandes. Los rendimientos de las pilas de combustible va desde el 40% hasta el 60% según el tipo de tecnología
Sin embargo la tecnología de las pilas de combustible aún no está madura para competir con los motores de combustión interna debido a la vida media de las pilas de combustible. Actualmente la vida media de una pila de combustible ideada para suplir las funciones de un motor diésel apenas alcanza un 20% en la vida media de un motor diésel. El dispositivo que se expone a continuación es posible construirlo gracias a los avances alcanzados en este campo.
3 Introducción El presente documento propone construir un dispositivo que convierte la energía térmica, de cualquier foco, en energía eléctrica de forma directa. Este dispositivo tendría las siguientes características: • • • •
No contiene partes móviles. Es robusto y compacto. Trabaja con temperaturas inferiores a 200 ºC. Es un sistema simple que es fácil de construir y que tiene un mantenimiento liviano. Este sistema permite tiene funcionalidades como: ◦ Puede ser acoplado al tubo de escape de un motor térmico para recuperar energía de los humos. ◦ Puede ser acoplado a cualquier fuente térmica como un sistema de cogeneración. ◦ Se pueden construir sistemas eficientes de conversión de energía eléctrica a partir de la quema de gas natural en sistemas aislados para gaseoductos, oleoductos, etc.
Este dispositivo está basado en los procesos de producción eléctrica de una pila de combustible.
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4 Descripción del dispositivo de conversión térmica en eléctrica: A continuación se expone un esquema con el funcionamiento propuesto:
Cold H2 H+
Internal Zone Cold H2
* H+ *
Cold H2
Cold point
Hot point Thermal Energy into
e-
External Zone
Electrical Energy out
Thermal Energy out
* Elementos porosos de Níquel. El elemento central de color amarillo es una membrana de transporte catiónico “Nafion”. El funcionamiento es el siguiente: 1. El hidrógeno (H2 ) entra en una cámara caliente donde adquiere temperatura y presión. 2. El hidrógeno caliente entra en contacto con el Níquel. El hidrógeno queda adherido a la pared del níquel en forma de H+. Los electrones del Hidrógeno se ubican en la red electrónica del níquel. 3. La presión y temperatura de la cámara caliente empujan a los H+ que están pegados a la pared del níquel hacia la membrana de nafion. 4. La membrana de nafion solo permite el paso de los H+, los electrones tienen que ir por un circuito externo. (En este punto es donde obtenemos la energía eléctrica en forma de corriente eléctrica) Página nº 3 de 15
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5. Empujados por la presión y temperatura del foco caliente los H+ llegan al elemento de níquel que está en el foco frío. 6. Debido a la bajada de la temperatura y al empuje del los H+ que llegan del foco caliente el H+ que se ha enfriado recupera sus electrones y se convierte en H2 gaseoso. 7. El H2 gaseoso es utilizado de nuevo mediante un pequeño compresor para iniciar de nuevo el ciclo.
4.1 ¿Cuál es el rendimiento esperado de este dispositivo? El rendimiento máximo esperado del dispositivo es de un 40 %. No obstante es de esperar que como mínimo se obtenga un rendimiento mínimo del 25% del calor disponible. ¿Cuánto aumentaría el rendimiento de un grupo electrógeno con un dispositivo de estas características? Teniendo en cuenta la energía que se pierde en los humos de un motor diesel el desarrollo de este dispositivo representaría un aumento del 10% en el rendimiento eléctrico del grupo electrógeno.
4.2 Consideraciones sobre el desarrollo de este dispositivo: 1. La tecnología necesaria para construir el dispositivo ya está disponible. 2. Es un dispositivo compacto y robusto. La zona interior está diferenciada del exterior por lo que no existe desgaste ni envejecimiento. 3. Es un dispositivo simple por lo que el presupuesto para su desarrollo es bajo. 4. Es un dispositivo modular con gran capacidad de adaptación a distintos requerimientos industriales.
4.3 El desarrollo de un producto de este tipo representaría: 1. Aumentar la capacidad competitiva de los productos existentes ya que podrían ser acoplados a los grupos electrógenos del catálogo aumentando así su producción eléctrica y su rendimiento. 2. Aumentar el mercado de venta ya que estos dispositivos pueden utilizarse con garantías de éxito en: 1. Los mercados de transporte del petróleo. 2. Plantas de generación térmica solar
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5 Estudio de las Irreversibilidades térmicas En este capítulo se intenta valorar el potencial de eficiencia del dispositivo estudiando las pérdidas de calor y las irreversibilidades térmicas que son las responsables de las bajadas en el rendimiento de cualquier máquina térmica. Vamos a suponer que partimos de gas hidrógeno con las siguientes condiciones: Presión 1 bar Temperatura 25ºC Volumen: Se puede tomar cualquier volumen de referencia ya que para este primer estudio estimamos que las cámaras inicial y final tienen el mismo volumen. Asunción importante para el estudio: Se supone que la entrada de calor es por la cámara caliente y la salida de calor por la cámara fría. El resto del sistema se supone que está aislado y por tanto no sufre pérdidas de calor por radiación, convención o conducción. Características del Hidrógeno. (H2) Propiedades del gas Peso Molecular •
Peso Molecular: 2.016 g/mol
Fase Sólida • •
Punto de fusión: -259 °C Calor latente de fusión (1,013 bar, en el punto triple) : 58.158 kJ/kg
Fase líquida • • • •
Densidad del líquido (1.013 bar en el punto de ebullición) : 70.973 kg/m3 Equivalente Líquido/Gas (1.013 bar y 15 °C (59 °F)) : 844 vol/vol Punto de ebullición (1.013 bar) : -252.8 °C Calor latente de vaporización (1.013 bar en el punto de ebullición) : 454.3 kJ/kg
Punto Crítico • Temperatura Crítica : -240 °C • Presión Crítica: 12.98 bar • Densidad Crítica : 30.09 kg/m3 Punto triple • •
Temperatura del punto triple: -259.3 °C Presión del punto triple : 0.072 bar
Fase gaseosa • • • • • • • • • •
Densidad del gas (1.013 bar en el punto de ebullición) : 1.312 kg/m3 Densidad del Gas (1.013 bar y 15 °C (59 °F)) : 0.085 kg/m3 Factor de Compresibilidad (Z) (1.013 bar y 15 °C (59 °F)) : 1.001 Gravedad específica (aire = 1) (1.013 bar y 21 °C (70 °F)) : 0.0696 Volumen Específico (1.013 bar y 21 °C (70 °F)) : 11.986 m3/kg Capacidad calorífica a presión constante (Cp) (1 bar y 25 °C (77 °F)) : 0.029 kJ/(mol.K) Capacidad calorífica a volumen constante (Cv) (1 bar y 25 °C (77 °F)) : 0.021 kJ/(mol.K) Razón de calores específicos (Gama:Cp/Cv) (1 bar y 25 °C (77 °F)) : 1.384259 Viscosidad (1.013 bar y 15 °C (59 °F)) : 0.0000865 Poise Conductividad Térmica (1.013 bar y 0 °C (32 °F)) : 168.35 mW/(m.K) Página nº 5 de 15
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5.1 Cámara Caliente Cuando el gas entra en esta cámara empieza a calentarse. En cuanto el gas empieza a tomar contacto con las paredes del ánodo (compuesto de Níquel) empieza a producirse reacciones de desorción. Esto provoca la entrada del hidrógeno en la red cristalina del compuesto de Níquel. La reacción de desorción es exotérmica. Por tanto esta reacción libera calor y provoca que aumente la temperatura de la cámara. En este punto el calor existente en la cámara caliente será debido al calor introducido desde el exterior más el calor emitido por la reacción exotérmica de la desorción. (Aprox. 30 kJulios/mol)
figu. 2 Diagrama de Van’t Hoff para hidruros metálicos y complejos [Züttel et al. 2005]
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En esta tabla se observa como para una misma temperatura la absorción requiere de una mayor presión que la desorción. Así pues en el dispositivo que se plantea la presión de la cámara caliente deberá ser mayor que la presión en la cámara fría. Esto ya estaba indicado así por el enunciado del dispositivo propuesto. Irreversibilidades térmicas en la cámara caliente. En la cámara caliente se supone que hay un flujo de entrada de calor no es de esperar que haya pérdidas de calor por tanto se estima en este estudio que en la cámara caliente no hay pérdidas energéticas. En la cámara caliente se establecerá un equilibrio en la superficie del compuesto de níquel y el ambiente de la cámara caliente de desorción y absorción de hidrógeno. Este equilibrio será Página nº 9 de 15
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netamente de absorción ya que existirá un flujo de hidrógeno por la red cristalina del compuesto de níquel hacia la membrana de conducción protónica (por ejemplo membrana de nafion). Para que el hidrógeno vaya moviéndose a través de la estructura cristalina es necesario un consumo de energía. Irreversibilidad térmica 1: Aquí está previsto la primera pérdida energética. Esta pérdida energética se deberá minimizar haciendo esta campa de material lo más fina posible. Una vez que el hidrógeno llegue a la interfase metal-membrana el hidrógeno necesitará del consumo de energía para pasar de H+ metálico a ión H+ libre (estabilizado en la red polimérica). Este proceso no es espontáneo requiere de energía puesto que se produce una separación entre el protón H+ y sus electrones. No obstante este consumo de energía es útil, pues es en este punto donde obtenemos la conversión de energía de presión a energía eléctrica. Una vez el ión H+ esté dentro de la red polimérica ha de avanzar hasta la nueva interfase membrana – metal. Irreversibilidad térmica 2: Aquí está prevista la segunda irreversibilidad energética. El ión necesitará de energía para avanzar hasta la siguiente fase. A esto se le llama resistencia de la membrana. Esta resistencia ha de minimizarse utilizando una membrana lo más delgada o fina posible.
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Una vez el ión H+ llega hasta la interfase membrana – metal el ión pasa a la estructura cristalina del metal de forma espontánea ya que en este punto el protón se encuentra de nuevo con sus electrones y por tanto forma parte del circuito eléctrico. Por tanto no está previsto que aquí haya una irreversibilidad térmica. Una vez el Hidrógeno haya llegado de nuevo al compuesto de niquel deberá avanzar por la estructura cristalina hacia la nueva interfase metal-gas. Irreversibilidad térmica 3 (igual que la 1): Aquí está previsto la tercera pérdida energética. Esta pérdida energética se deberá minimizar haciendo esta campa de material lo más fina posible. Una vez el gas esté en la interfase metal-gas se producirá un equilibrio de absorción-desorción superficial que será netamente de desorción ya que la presión de esta cámara se mantendrá a una presión menor que la cámara caliente. El hidrógeno que pasa a fase gas lo hará a una temperatura alta (pues todo el conjunto de metal níquel + membrana + metal níquel estará a una alta temperatura). No obstante la reacción de desorción es endotérmica y esto ayudará a enfriar la interfase metal-gas de la cámara fría. No obstante el gas liberado aún estará muy caliente y deberá ser enfriado mediante contacto con un intercambiador de calor a temperatura ambiente. Irreversibilidad térmica nº 4. El gas caliente debe ser enfriado para bajar su presión y volver a Página nº 11 de 15
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utilizarlo en el ciclo. Esta pérdida de calor no puede ser minimizada sino que está ligada a la masa de hidrógeno que se utiliza durante el proceso. No obstante hay que destacar que la capacidad calorífica del hidrógeno es muy baja. Esto implica que la pérdida de calor por enfriamiento del gas hidrógeno es extremadamente baja en comparación con la energía que puede dar en forma de intensidad eléctrica. En la cámara caliente existe una separación entre el elemento de níquel que estará caliente y el bloque frío de acero inoxidable. Esta separación es para minimizar o eliminar las pérdidas térmicas por conducción. No obstante aparte de la irreversibilidad térmica número 4 existirá una pequeña pérdida energética por convención y otra por radiación. Irreversibilidad térmica nº 5. Pérdidas energéticas en la cámara caliente entre el elemento de níquel y el intercambiador de calor por convección y radiación. Estas pérdidas puedes ser minimizadas o eliminadas procurando que exista un régimen laminar de gas hidrógeno desde el elemento de níquel y el intercambiador de calor.
5.2 Estimación en watios*hora de las pérdidas energéticas, trabajo útil y rendimientos. Los cálculos los vamos a hacer suponiendo que el caudal másico de hidrógeno es de 1 kg/hora. Las irreversibilidades térmicas 1 está asociada al rozamiento de los átomos de hidrógeno por la estructura cristalina . Como sabemos el rozamiento convierte la energía cinética en calor. El calor generado por el rozamiento vuelve al sistema (por que el sistema está aislado). Por tanto no se producen pérdidas energéticas ya que este calor vuelve al sistema. Lógicamente esto va a depender de la solución constructiva. Y aunque la afirmación anterior no sea perfecta si que es válida para estas estimaciones iniciales. Irreversibilidad térmica 1, = 0 (watios hora). Las irreversibilidades térmicas 2 y 3 está asociada al rozamiento de los átomos de hidrógeno por la estructura cristalina . Como sabemos el rozamiento convierte la energía cinética en calor. En este caso el calor generado no vuelve al sistema sino que se dirige al foco frío. El calor generado en estos lugares no revierte en el punto en el que la energía térmica pasa a eléctrica que es en la interfase metal-membrana. Irreversibilidad térmica 2 = 0,1 ohmios * 0,5² Amperios = 0,025 watios (por cada cm²). Esto implica 1340 watios de pérdidas. Irreversibilidad térmica 3 = 1340 watios (no se conoce cual es esta pérdidad energética pero seguro que es menor que la irreversibilidad térmica nº 2.) El calor que se pierde por enfriamiento del hidrógeno (1 kg) de 150º C hasta 25 º C es de 500 watios * hora (aproximadamente). Por tanto esta sería la irreversibilidad térmica nº 4.
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irreversibilidad térmica nº 4 = 500 watios hora la irreversibilidad térmica nº 5 depende totalmente de la solución constructiva. Por tanto vamos a suponer que la solución constructiva es perfecta y para este estudio suponemos que las pérdidas energéticas en este caso son iguales a cero. Irreversibilidad térmica nº 5 = 0 watios hora.
5.3 Trabajo útil: 1 kg de hidrógeno hora ofrece una intensidad de unos 26800 amperios cada segundo (durante 3600 segundos). Sin embargo no conocemos el potencial que se puede obtener con el dispositivo propuesto. En las celdas de combustible el potencial está ligado a la variación de entalpía que hay entre el inicio de la reacción química y el final. (variación entálpica entre los reactivos y los productos). Sin embargo en nuestro caso la conversión es inversa. Lo que estamos haciendo es convertir la energía térmica en eléctrica. Para estudiar este caso podemos basarnos en la ciencia que estudia los potenciales de membrana en disoluciones. theory of Theorell, Meyer and Sievers (TMS theory) Esta teoría puede ser encontrada explicada en el libro: Y. Tanaka, Ion exchange membranes: Fundamentals and Applications, Elsevier Science, 2007.
En estos casos las membranas están inmersas en una disolución donde existe un líquido que lo envuelve todo (agua) y unos iones que están dentro de la solución. Este sistema de membranas en disolución se parece mucho a nuestro caso, pues los iones H+ se encuentran envueltos en una matriz sólida en vez de líquida. Página nº 13 de 15
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Si hacemos esta extrapolación podemos prever que los potenciales obtenidos en cada celda sea de 120 mV como máximo. (Cuando el ión entra en la membrana ha de salvar un potencial de 60 mV, para que esto ocurra ha de absorber energía del sistema convirtiéndolo en energía potencial. Después el ión ha de abandonar la membrana hacia la red cristalina. Este proceso es espontáneo por un potencial de 60 mV. Así que para este caso el potencial total disponible es de 60+60 = 120 mV). 26800 amperios * 0,12 V = 3216 watios hora = Trabajo útil máximo obtenible (para un caudal masico de hidrégeno gas de 1 kg/hora. Los 120 mV es para el caso de que la movilidad de los iones sea máxima. En nuestro caso es obvio que la movilidad de los iones es limitada. Debido al pequeño tamaño del protón hidrógeno es de esperar que el rendimiento sea alto. Así que suponiendo una movilidad de 0,5 en una escala de 0 a 1 es de esperar por lo menos que el trabajo útil sea de 1500 watios hora. Trabajo útil esperado = 1500 watios hora Calor total puesto en juego = 500 watios hora + 1500 watios hora. + 1340 + 1340 = 2180
6 Rendimientos Rendimiento estimado, según criterios conservadores, para el dispositivo. = 32 %. Rendimiento máximo teórico = 86% (si no hubiera pérdidas óhmicas) Rendimiento máximo real = 63% (incluyendo pérdidas óhmicas y otras limitaciones tecnológicas).
6.1 Anotaciones importantes: •
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Este rendimiento es estimativo ya que depende de un valor (movilidad de los iones H+) que desconocemos. Lo hemos evaluado en una estimación de compromiso = 0,5 (a mayor temperatura la movilidad aumenta). El rendimiento puede aumentar si disminuimos las pérdidas óhmicas en la membrana. Esto se puede hacer haciendo el dispositivo más grande. Al final habrá que llegar a una solución de compromiso entre tamaño y rendimiento. El estudio se ha hecho siguiendo criterios conservadores. Por tanto es de esperar que el rendimiento alcanzable sea mayor. El rendimiento de dispositivos que funcionan bajos procesos electroquímicos suelen superar el 60%.
7 Tamaño estimativo para dispositivo de 10 kw – hora. Si partimos del caso actual en el que es un sistema que puede ofrecer 1500 watios hora: Vamos a empezar con una estimación dimensional del elemento más sensible del sistema. Página nº 14 de 15
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Para esta estimación utilizamos la información de la figura nº 7. En ella se explica que la intensidad es de unos 500 mA/cm². Nosotros utilizamos una intensidad de 26800 A/seg. Por lo tanto vamos a necesitar una sección de 53600 cm2 (5,3 m²) para el paso de la corriente de 1500 vatios hora. Como queremos minimizar las pérdidas óhmicas suponemos una sección de 10 m². Queremos un dispositivo de 10 kw hora. Por tanto necesitamos un dispositivo por lo menos 7 veces más grande. Esto arroja una sección de 7 * 10 = 70 m². Ahora lo difícil sería intuir cual es el volumen que debe de acompañar a cada m² de membrana. En una pila de combustible el ancho de cada sección de membrana es de unos 5 milimetros. Para nuestro caso vamos a estimar una dimensión de 15 mm por cada sección de membrana. Esta estimación implica que cada m² de membrana ocupa 0,015 m³. Si necesitamos 70 m² de membrana el dispositivo ocupará un volumen de 1,05 m³ = 1 m³ aproximadamente
8 Referencias bibliográficas Aunque aquí se ofrecen algunas referencias bibliográficas el lector puede buscar toda la información en libros y publicaciones científicas relacionados con los siguientes temas: • • •
Procesos electroquímicos relacionados con membranas de intercambio iónico. Procesos de desorción y absorción de hidrógeno gas en matrices sólidas. Hidruros metálicos. Construcción y tecnología de pilas de combustible poliméricas y de baja temperatura.
1) Y. Tanaka, Ion exchange membranes: Fundamentals and Applications, Elsevier Science, 2007. 2) Nafion and modified-Nafion membranes for polymer electrolyte fuel cells: An overview A K SAHU†, S PITCHUMANI†, P SRIDHAR† and A K SHUKLA* Solid State and Structural Chemistry Unit, Indian Institute of Science, Bangalore 560 012, India Central Electrochemical Research Institute, Karaikudi 630 006, India 3 ) Ionic Conductivity of an Extruded Nafion 1100 EW Series of Membranes S. Slade,a,d S. A. Campbell,a T. R. Ralph,b,* and F. C. Walshc,*,z 4 ) Universidad Carlos III de Madrid . Escuela Politécnica Superior . Departamento de Ingeniería Eléctrica PROYECTO FIN DE CARRERA Descripción y Modelado de una Pila de Combustible de Membrana de Intercambio Protónico Autor: Antonio Mayandía Aguirre Directora: Lucía Gauchía Babé
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