Estudio del potencial de los motores de combustión externa de fluido no condensable integrados en sistemas híbridos con pilas de combustible de carbonatos fundidos

Resumen

En el desarrollo de esta tesis doctoral se han elaborado modelos termodinámicos para la simulación de las prestaciones de los sistemas híbridos alternativos compuestos por pila de combustible de carbonatos fundidos de reformado interno indirecto y motores de combustión externa de fluido no condensable mediante una integración indirecta bajo el título: ¿Estudio del potencial de los motores de combustión externa de fluido no condensable integrados en sistemas híbridos con pilas de combustible de carbonatos fundidos¿. Teniendo en cuenta el potencial de los sistemas híbridos como pilar básico en la generación distribuida de energía para la reducción de las emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera, esta tesis doctoral tiene por objetivo desarrollar un nuevo concepto de sistema híbrido basado en pila de combustible de carbonatos fundidos junto con un motor térmico de ciclo cerrado diferente al convencional (microturbina de aire caliente). Específicamente, compara dos nuevos sistemas híbridos basados en pilas de combustible de carbonatos fundidos (alta temperatura) operando a presión atmosférica con diferentes tecnologías para el ciclo de cola: turbina de gas de dióxido de carbono supercrítico y motor Stirling. Debe destacarse que el punto de partida de este estudio es que la operación a presión atmosférica de la pila de carbonatos fundidos mejora sustancialmente la vida útil de la misma aun cuando supone una reducción del rendimiento. Por ello, se evalúa la capacidad de estos motores térmicos para compensar la caída de rendimiento de la operación no presurizada de manera que el sistema híbrido resultante ofrezca simultáneamente una vida útil larga y un rendimiento elevado lo que, para los sistemas desarrollados hasta el momento, resulta virtualmente imposible. Para cumplir con los objetivos descritos se ha desarrollado un modelo termodinámico de cada dispositivo para simulación en régimen estacionario tanto en condiciones nominales como en operación a carga parcial: pila de combustible, turbina de gas de dióxido de carbono supercrítico, motor Stirling y microturbina de gas. Además se ha desarrollado una integración adecuada en cada sistema dependiendo de la tipología del motor. En el análisis de resultados queda demostrado que la utilización de motores térmicos de ciclo cerrado permite elevar el rendimiento de los sistemas híbridos basados en pilas de combustible de carbonatos fundidos. Es interesante resaltar el bajo nivel de emisiones de dióxido de carbono de los sistemas híbridos analizados, destacando que en condiciones nominales éstos se encuentran por debajo de los niveles de otros motores térmicos o plantas de potencia. Además, la mejora de prestaciones permite obtener rendimientos netos próximos al 60% manteniendo las siguientes características del sistema: - Operación de la pila de combustible a presión atmosférica. - Integración indirecta entre pila de combustible y motor de cola. Estas dos características permiten satisfacer los objetivos planteados al inicio del trabajo: - Incrementar la eficiencia de los sistemas híbridos. - No reducir la vida útil de la pila de combustible, es decir, evitar la presurización de la misma. - Y por último, un control más sencillo de la operación del sistema híbrido, incluyendo la posibilidad de operar la pila de combustible de manera aislada si fuera necesario.