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Fuentes de energía alternativas

El uso de EcosimPro en el campo de las pilas de combustible

Por Eusebio Huélamo, Jefe de Sección de Simulación Termohidráulica de Empresarios Agrupados (EA)

Una de las áreas que despierta mayor interés en el campo de la energía son los avances en todas aquellas tecnologías que se basan en combustibles alternativos, como las pilas de combustible que funcionan con hidrógeno.

La tecnología española se ha empleado para el desarrollo de proyectos internacionales de referencia, como el estudio del comportamiento dinámico de celdas de combustible alcalinas previstas para el vehículo espacial Hermes, de la Agencia Espacial Europea o la planta experimental de pilas de combustible que se construyó en San Agustín de Guadalix.

Para conseguir nuevos adelantos en el campo de las energías alternativas, aspectos como la simulación desempeñan un papel primordial, ya que permiten diseñar procesos óptimos para la obtención del hidrógeno.

En este contexto, el uso de herramientas matemáticas como EcosimPro ha sido aplicado en diversos proyectos tecnológicos de referencia, como el estudio del comportamiento dinámico de celdas de combustible alcalinas previstas para el vehículo espacial Hermes, de la Agencia Espacial Europea (ESA).

Descripción del sistema

Para la confección de este modelo hubo que realizar la programación de componentes específicos para las celdas de combustible propiamente dichas y para los separadores de membrana. El sistema seleccionado para dicho modelo (Figura 1) está basado en celdas alcalinas de electrólito inmóvil.

Composición del sistema seleccionado
Componente principal	Pilas de celdas de combustible
Lazo de hidrógeno	Separador de membrana Compresor centrífugo Compresor de chorro Tuberías
Circuito de refrigeración	Bomba Intercambiador de calor Calentador eléctrico Válvulas Tuberías Uniones o bifurcaciones
Lazos de control	Sensores térmicos Controladores PID Sistemas de control

En cada una de las celdas que forman la pila el hidrógeno y el oxígeno reaccionan para generar corriente eléctrica, produciendo agua y generando calor. El hidrógeno se circula mediante el compresor de chorro, ayudado, a bajas velocidades, por el compresor.

El agua producida en las celdas de combustible es arrastrada por el hidrógeno, en forma de vapor, y extraída, parcialmente, en el separador de membrana. La bomba está encargada de mantener el flujo del circuito de refrigeración que, a su vez, es el encargado de extraer el calor producido en la pila de celdas de combustible.

El agua pasa por un intercambiador de calor que forma parte del Sistema de Control Térmico del vehículo espacial Hermes. Existe un controlador que sirve para regular la temperatura del agua en su punto de funcionamiento óptimo, por el procedimiento de derivar parte del flujo del agua fuera del intercambiador de calor.

Hay, además, un segundo lazo de control que sirve para regular la temperatura del hidrógeno a la salida del separador de membrana, de forma que se asegure que la concentración del electrólito en las celdas que forman la pila esté dentro de límites aceptables.

Al iniciarse la secuencia de arranque lo normal es que las temperaturas del sistema estén por debajo de los puntos normales de operación; durante esta fase el agua de refrigeración no pasa por el intercambiador de calor, derivada en su totalidad, y, además se precalienta con ayuda del calentador eléctrico que, a su vez, está alimentado por la energía producida en la propia pila.

La operación en esta situación es muy ineficiente, produciéndose una gran cantidad de calor, lo que ayuda a que las temperaturas crezcan muy rápidamente; el hecho de haber derivado completamente el intercambiador de calor implica que no se pueda extraer agua de la corriente de hidrógeno, lo que puede llevar a una concentración en el electrólito que lo haga inoperativo; si la concentración llegase a ser demasiado baja, el electrólito podría pasar al lazo de hidrógeno, lo que supondría un fallo de la pila.

Quiere con esto decirse que la fase de arranque es relativamente crítica y, por tanto, su estudio es de gran interés. Y es aquí donde la aplicación de herramientas de matemáticas de cálculo se hace imprescindible.

Conclusiones

Los modelos de simulación reproducen correctamente el comportamiento real de todos los parámetros relevantes de los sistemas. Los resultados permiten un estudio fácil y rápido de la respuesta de los sistemas durante las fases críticas de la operación, así como el análisis del impacto y de las interacciones entre ellos. •