miércoles, 12 de diciembre de 2012

PEQUEÑA INSTALACIÓN PILOTO DE PRODUCCIÓN Y ALMACENAMIENTO DE H2 PARA GENERACIÓN ELÉCTRICA EN UN PARQUE EÓLICO


1.-INTRODUCIÓN

Alguno de los grandes desafíos que afrontaremos en los tiempos que se avecinan es el almacenamiento de grandes cantidades de energía eléctrica de una forma fiable y barata.
Como sabemos, uno de los problemas en los que estamos atrapados los generadores de energía eléctrica en grandes centrales es la necesidad de casar generación con consumo. A medida que la penetración de grandes instalaciones que utilizan energías renovables se ha incrementado en el mix energético, ha sido necesario dedicar grandes esfuerzos, tanto materiales como humanos, para garantizar la estabilidad de la red eléctrica nacional. En este sentido es notable destacar la encomiable labor realizada por Red Eléctrica de España y el Centro de Control de Energías Renovables, al gestionar en determinados momentos puntuales, coberturas de demanda del orden del 60 % mediante energía eólica, permaneciendo el sistema español estable.
La generación de electricidad a través del uso de fuentes renovables de carácter eminentemente estocástico como son el sol y el viento, provoca un desajuste entre la demanda y la oferta. La imposibilidad de adaptarse a la curva de demanda ha provocado “grandes” rechazos de estas instalaciones como alternativa a la generación tradicional.
A lo largo de estos últimos años se han iniciado, y están en marcha, proyectos encaminados a proporcionar equipos que permitan independizarse de la losa aleatoria que supone la generación de electricidad con recursos como el sol y el viento. Una de las líneas de investigación es la utilización como vector de almacenamiento energético el uso de hidrógeno.  
El hidrógeno es el elemento químico de número atómico 1 y símbolo “H”. A temperatura ambiente es un gas diatómico inflamable, incoloro e inodoro, y es el elemento químico más ligero y más abundante del Universo. Aparece en multitud de sustancias como, por ejemplo, el agua y los compuestos orgánicos, y es capaz de reaccionar con la mayoría de los elementos. La producción limpia de hidrógeno a partir de fuentes de energía renovables es, sin duda, un aspecto importante a tener en cuenta dentro del lanzamiento real de este gas como “vector energético” del futuro, dentro de una sociedad que demanda, cada vez más, un “desarrollo sostenible”.
En este documento se trata de plantear una producción de hidrógeno limpia, a partir de una fuente de energía como es la eólica, para solventar el problema de almacenamiento de excedentes energéticos, tan frecuente en las fuentes de energía renovables.

2.-DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS

2.1.- ELECTROLIZADOR.

El electrolizador está montado en un contenedor de 40 ft que comprende la planta de proceso, la sala de control y de potencia eléctrica (transformadores y rectificadores) y los elementos auxiliares como el tratamiento de agua y la ósmosis inversa, el compresor de aire para instrumentación y el sistema de refrigeración.
Sus conexiones se limitan a aportaciones de agua y potencia eléctrica y salida de hidrógeno. Adicionalmente se conecta el cableado para telecontrol y supervisión:
- Conexión eléctrica: 2 cables para 315 A cada uno más uno para 63 A, todos ellos trifásicos para 400 V, 50Hz.
- Conexión de hidrógeno: Para suministrar hasta 60 Nm3/h de gas de pureza comercial (99,8%) a una presión hasta 10 barg.
- Conexión de agua: para recibir un caudal de 60 litros/hora a presión de 1 barg. Esta línea de suministro de agua estará provista una electroválvula de cierre.

2.2 COMPRESOR.

Las características técnicas de la planta de compresión de Hidrógeno a instalar las siguientes:
Modelo HFS 15.4-13-DUO II
Presión de aspiración de 2,0 – 4,0 bar
Caudal de 2 x 18,0 a 30,9 m³/h
Caseta de hormigón de insonorización para la instalación en la intemperie de -20ºC a +40ºC
Características de construcción:
• Tramo de aspiración:
- tubería conexión gas: DN50, DIN2950, G11/2”
- válvula cierre
- electroválvula de cierre Ex
- válvula anti-retorno
- manómetro presión de aspiración
- depósito de aspiración (volumen geométrico: 100 dm3) para la recogida del caudal de gas alojado durante la ventilación del latiguillo de llenado y la ventilación de la caja del cigüeñal
- filtro de aspiración "MICRONIC", 10μ
- válvula de descarga
- presostatos (Ex) para el control de la presión de entrada mínima 1,5 bar /máxima 4,5 bar.
- válvula de seguridad con tubería de venteo hacia la atmósfera
• Datos técnicos del compresor C 15.4:
- Medio: Hidrógeno
- Presión de aspiración: 2,0 a 4,0 bar
- Temp. de aspiración: 0 hasta +40 ºC
- Temp. ambiente: -20 hasta +40º C (ventilación y calefacción están integrados en la caseta)
- Presión nominal: 220 bar ajustados en la válvula de seguridad
- Presión de trabajo: 200 bar
- Caudal:              18,0 Nm³/h con 2,0 bar presión aspiración
30,9 Nm³/h con 4,0 bar presión aspiración (con +20ºC y 1013 mbar ef.)
Caudal según la norma VDMA 4362
Tolerancia +/-5% medido con un medidor de caudal.
- Revoluciones: 1320 r / min
- Etapas de compresión: 3
- Cilindros: 4
- Dimensiones de los cilindros: diám. 32/60/32/15 mm
- Recorrido del pistón: 50 mm
- Velocidad media del pistón: 2,4 m/s
- Potencia absorbida con presión nominal:         7,4 kW con 2,0 bar de presión de aspiración
12,4 kW con 4,0 bar de presión de aspiración.
- Accionamiento: por correas
- Caudal de aire de refrigeración: min. 3.800 m³/h
• Bloque compresor:
- bomba de aceite para la lubricación por presión
- descarga de la caja del cigüeñal con retorno del gas la aspiración
- refrigerador intermedio refrigerado por aire después de cada etapa
- refrigerador posterior, refrigerado por aire, temp. salida del aire ca. 15ºC a 25ºC sobre la temp. del aire de refrigeración
- válvulas de seguridad después de cada etapa, con ventilación
- válvula de seguridad para la presión final homologado por el TÜV
- válvula para el mantenimiento de la presión y anti-retorno
- descarga de la caja del cigüeñal con retorno de los gases a la aspiración
- válvula de seguridad para el depósito acumulador con ventilación
- unidad de aspiración y compresión de los gases del cigüeñal y gases de expansión.
• Sistema de purga automático:
- descarga de los condensados del separador final durante el funcionamiento de
la planta en ciclos fijados. La descarga se realiza a través de una válvula neumática. El pilotaje de este sistema se realiza mediante una electroválvula (Ex).
- descarga de arranque incluido en el sistema de la descarga de los condensados
- conexión para un sistema de almacenamiento de los condensados
- sistema de almacenamiento de los condensados depósito de 200 litros para la separación de aceite y agua del gas, retorno del gas a la aspiración a través de una electroválvula (Ex)
• Dispositivos de control:
- sensor de presión de aceite (ex)
- manómetro para la presión final
- sensor de temperatura para la última etapa
• Motor eléctrico:
Tipo: motor eléctrico trifásico
Potencia nominal: 15 kW
Revoluciones: 2933 r/min
Tensión nominal: 400 V (+/-5%)
Frecuencia: 50 Hz
Funcionamiento: continuo, arranque estrella triángulo
Forma de contrucción: B3
Protección: IP 55
Protección contra explosiones: EExde II C T1
Clase de aislamiento: F
• Pilotaje eléctrico:
SPS (PLC) para el pilotaje y el control de todos los elementos y parámetros del compresor. Si se produce una desviación en el funcionamiento el compresor se desconecta automáticamente y indica la causa en el DISPLAY.
Temp. ambiente: -20 ºC hasta +40 ºC
Tensión de trabajo: 3 x 400 V (+/-5%), 50 Hz
Tensión de pilotaje: 24 V, 50 Hz y 24 V cc
Protección: IP55
Fuente de alimentación:
- interruptor principal
- estrella triángulo con relé térmico de sobrecarga
- transformador con fusibles en el primario y el secundario
- interruptor de emergencia
- fuente de alimentación, estabilizada para 24 Vcc
Unidad electrónica de pilotaje con circuito impreso principal con Eprom e Interface
Panel con LCD-Display, contador de las horas de funcionamiento
Unidad electrónica de control de los siguientes estados del compresor:
- presión de aspiración mín./máx.
- presión del aceite
- temperatura de la última etapa
- temperatura del aire de refrigeración
- presión final
- temperatura ambiental
- sobrecorriente del motor
Calefacción para el rack con regulación de temperatura
Contador de ciclos para el separador final
Relee temporizado para el sistema de condensados
Módulo SPS para el pilotaje de la máquina
Todos los bornes y relees necesarios
Barreras de seguridad para todos los sensores (separación galvánica)
El módulo de potencia, el módulo de pilotaje así como el teclado de manejo están ubicados en un rack separado del compresor fuera del área Ex.
Los sensores de temperatura, termostatos y sensores de presión están ubicados en los lugares adecuados en el compresor o en la carcasa.
• Sistema de tratamiento de gas a alta presión:
- el sistema de tratamiento de gas está instalado después del compresor y trabaja con una presión entre 150 bar hasta 350 bar
- los cartuchos para el secado del gas están cargados con tamiz molecular y pueden ser recargados completamente (duración del cambio: 30 minutos )
- Calidad del gas de salida del filtro:
Temperatura del gas: 0 a +50 ºC
Caudal: 28 a 48 m³/h
Humedad a la entrada: 40 mg/m³
Punto de rocío a presión: -20 ºC
Contenido de aceite: máx. 8 a 10 ppm
Duración de los cartuchos
-con las condiciones normales: 2000 horas
Consiste en:
- separador de aceite y agua con válvula automática de condensados
- válvula anti-retorno
- válvula de ventilación con manómetro
- 4 x carcasa (PN350) con 4 cartuchos de larga duración (MS)
- medidor de punto de rocío
- sensor para la medición del punto de rocío
El medidor de punto de rocío está montado en el panel de pilotaje y controla el punto de rocío del gas. Si el punto de rocío a presión sube de –25 ºC se conecta una señal de aviso. Con –20 ºC se apaga el compresor. Este sistema evita la aportación de la humedad al sistema de almacenamiento y hace posible el máximo aprovechamiento de los cartuchos secantes.
• Caseta de hormigón insonorizada:
- todos los componentes de la planta incluido el sistema de almacenamiento B2400 están ubicados dentro de una caseta de hormigón insonorizada para la instalación a la intemperie
- nivel de ruido: aprox: 65 dB (A) +/- 2 dB (A), medidos en 1m de distancia con radiación libre según norma DIN 45635
- caseta de hormigón armado
- apertura para el aire de refrigeración con silenciador
- apertura para el aire de ventilación con silenciador
- puertas en todos los lados para los trabajos de mantenimiento con cerradura
- calefacción eléctrica, aprox. 1200 VA
- protección contra rayos eléctricos
- pintado
- canalización del agua de lluvia
- dimensiones: longitud 5000mm x ancho 2600mm x alto 2900mm
- peso: aproximadamente 30000 Kg
- dispositivo para el control de la concentración del gas 15% = paro

2.3 MOTOGENERADOR.

El grupo motogenerador con motor de hidrógeno, está montado en un contenedor de 20 ft que, además del motor y el generador acoplados incluye los armarios eléctricos y de control. El contenedor soporta el intercambiador agua-aire para refrigeración del motor. La ventilación del contenedor se efectúa a través de silenciadores acústicos.
Sus conexiones se limitan a la alimentación con hidrógeno a presión estabilizada, el cableado eléctrico de potencia y el cableado para telecontrol y supervisión.
- Conexión eléctrica: para suministrar 60 kW a 400V, 50 Hz, trifásico.
- Conexión de hidrógeno: para una alimentación de 70 Nm3/h a una presión estabilizada en un valor en el rango entre 25 y 60 mbar.

2.4 ALMACENAJE DE HIDRÓGENO.

Se realizará en 7 bloques de 28 botellas de 50 litros de capacidad a 200 bar, lo que totaliza 246,4 Nm3 de H2 por bloque y 1.724,8 Nm3 el conjunto del almacenamiento.
Estos bloques se interconectarán de forma que formen dos conjuntos de almacenamiento de H2, con la posibilidad de aislamiento de cada grupo.
Se incluirán además los elementos necesarios en la etapa de descompresión, según los esquemas adjuntos, de modo que en una primera etapa se reducirá la presión del conjunto a 14 bar, y en una segunda etapa la presión se reducirá al rango de 25 a 60 mbar, para suministro al motogenerador.

3.- CANALIZACIÓN ELÉCTRICA

Las distintas líneas eléctricas a realizar son las siguientes:
• Alimentación al electrolizador: se realizará mediante 2 cables para 315 A cada uno más uno para 63 A. Todos trifásicos para 400 V, 50 Hz.
• Alimentación al compresor: para una potencia nominal de 15 kW a 400 V 50 Hz trifásica.
• Motogenerador a centro de transformación: para el transporte de la energía eléctrica generada en el motogenerador 60 kW a 400 V, 50 Hz, trifásica.
• Lineas de control y supervisión: trazadas hasta cada uno de los elementos referenciados y a los contadores de energía.

4.- RED DE ABASTECIMIENTO DE AGUA

La red de abastecimiento de agua para los equipos, consiste en una tubería de polietileno, de 40 mm de diámetro alojada en la correspondiente zanja y provista de las correspondientes válvulas de compuerta y arquetas. Dicha red se prevé desde el depósito ubicado en la caseta situada frente al ala de control del edificio, hasta el electrolizador, ubicado en la losa de la explanada.
Dada la diferencia de cotas entre el depósito (cota 645) y la explanada (cota 640), y teniendo en cuenta la presión necesaria de 1 bar para el funcionamiento del electrolizador, la red se complementa con un equipo de bombeo con variador y presostato electrónico para garantizar la presión en los equipos.

4.- OBRAS VARIAS

Se realizarán varias obras necesarias para el acondicionamiento del terreno para los equipos, cerramientos perimetrales, canalizaciones desagüe, puestas a tierra, etc, con objeto de dejar la instalación operativa y funcionando.


5.- PRESUPUESTO
El presupuesto total de las obras en ejecución por contrata se eleva a la cantidad de
302.111 €

5.- DIAGRAMA DE BLOQUES

6.- IMAGEN DE LA INSTALACIÓN