3. Componentes tecnicos de la central de nueva energia
3.1 Sistema de energia solar
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La energia solar es apreciada por ser respetuosa con el medio ambiente y esta generalizada en viviendas particulares como fuente de energia alternativa y limpia. Debido a la inestabilidad de la potencia que genera esta energia por su dependencia del tiempo atmosferico, debera estabilizarse mediante una combinacion con baterias recargables y descargables de sulfuro de sodio (NaS). En la Exposicion se ofreceran demostraciones de tres tipos de paneles solares: silicio policristalino (200 kV), de estructura dual (30 kV) (ambos aparecen en la figura 5) y amorfo (100 kV) (figura 6), generandose un total de 330 kV.
3.2 Sistema de almacenamiento de energia electrica mediante baterias de sulfuro de sodio (NaS)
Las baterias NaS son baterias de acumuladores recargables y descargables de alta densidad energetica en volumen cubico que funcionan a 350 grados centigrados. Como electrolito se utiliza una ceramica especial de beta-aluminio en que los iones de sodio muestran conductibilidad. Los iones de sodio atraviesan el electrolito solido existente entre el anodo de fusion de sulfuro y el catodo de fusion de sodio para cargar y descargar la electricidad. Contiene sodio y sulfuro como sustancias activas, abundantes en los recursos naturales, y la autodescarga de la bateria es muy baja a causa del electrolito solido. Las NaS estan tecnicamente en una fase de uso practico y en la subestacion de las companias electricas se ha puesto en marcha un sistema gigante de 6000 kV para nivelar la electricidad. En la Exposicion se ha instalado una bateria NaS de una potencia generada recargable y descargable de 500 kV (kilovatios) con 7 horas de duracion (figura 7) y para estabilizar la fluctuacion de la generacion de energia electrica de los paneles solares por la noche se utiliza la energia electrica sobrante de celulas de combustible.
Figura 7. Bateria NaS en el recinto de la Exposicion
3.3 Sistema de celulas de combustible
El principio de generacion de energia de las celula de combustible se basa en la reaccion inversa de la electrolisis del agua, es decir, en la reaccion quimica que produce electricidad y el agua a causa de la reaccion entre e hidrogeno y el oxigeno. Las celulas de combustible se caracterizan por los siguientes puntos: 1. Pese a su pequeno tamano, demuestran alta eficacia energetica si se aprovecha el calor residual; 2. Bajo ruido y baja trepidacion; 3. Bajas emisiones al medio ambiente. Por ello, se espera que las celulas de combustible sean muy utilizadas en el futuro como fuente diversificada de energia electrica.
Hay varios tipos de celulas de combustible segun los electrolitos en uso, es decir, la temperatura de funcionamiento (Tabla 1). La celula de combustible de electrolitos de polimero (PEFC), que funciona en temperaturas mas bajas, esta desarrollada para automoviles de 50 a 60 kV y para viviendas particulares con modelo fijo de 1 kV, y no se presentan en la Exposicion. Son dos tipos de celulas de combustible los que se presentan en la Exposicion: una de carbonato fundido (MCFC de 250 kV, figura 8), y una segunda MCFC de 250 kV con micro turbina de gas. La MCFC funciona a altas temperaturas cercanas a los 650 grados centigrados. Se espera la generalizacion de las MCFC en el futuro, ya que aprovecha como combustible incluso el gas generado a partir de desperdicios, cuestion que se analiza mas adelante. Para reforzar la potencia de la energia electrica, se anadem cuatro celulas de combustible de acido fosforico PAFC de 200 kV (800 kV en total, figura 9) que ya estan operativas, y una celula de combustible de oxido solido (SOFC de 50 kV, figura 10) que esta desarrollandose como celula de combustible de cogeneracion. El calor residual de estas celulas de combustible se recoge para ser reutilizado como fuente de energia para el aire acondicionado de los edificios ubicados en el recinto de la Exposicion.
Figura 8. Celulas de combustible de carbonato fundido (MCFC), de instalacion finalizada
Figura 9. Celulas de combustible de acido fosforico en construccion (PAFC)
Figura 10. Celulas de combustible de oxido solido (SOFC)
Tabla 1. Tipos de celulas de combustible
| Tipos de alta temperatura | Tipos de baja temperatura | ||||
| Tipo de carbonato fundido (MCFC) | Tipo de oxido solido (SOFC) | Fosforico (PAFC) | Celula de combustible solida (PEFC) | Alcalino de disolucion acuosa (AFC) | |
| Electrolito | Carbonato | Ceramica | Acido fosforico | Membrana de macromolecula | Hidroxido de potasio |
| Transportador de la carga | CO32- | O2- | H+ | H+ | OH- |
| Catalizador | No hay | No hay | Blanco plateado | Blanco plateado | Niquel, plata |
| Temperaturas operativas | 650°C aproximadamente | 1000°C aproximadamente | 150-200°C | 80-100°C | 50-100°C |
| Eficacia | 50- 65 % | 55-70 % | 35-42 % | 35-40 % | 60% |
| Caracteristicas | Alta eficacia Gran capacidad |
Alta eficacia Resistencia |
Se desarrollo con anterioridad y ya se encuentra en fase de aplicacion | Funciona con bajas temperaturas Facilidad de detencion Alta densidad de potencia |
Funciona con bajas temperaturas |
| Combustible | Gas natural LPG Metanol Gas residual Gas de carbon |
Gas natural LPG Metanol Gas residual Gas de carbon |
Gas natural LPG Metanol |
Gas natural LPG Metanol |
Solo hidrogeno puro |
| Aplicacion | Para fuentes diversificadas de energia electrica Fuente electrica sucedanea para potencia termica (gran escala) |
Para fuentes diversificadas de energia electrica Fuente electrica sucedanea para potencia termica (media escala) |
Fuentes pequenas diversificadas | Para automoviles Uso domestico |
Para explotacion espacial Uso especifico |
3.4 Sistema de generacion de metano por fermentacion
Durante la celebracion de la Exposicion, los restaurantes del recinto generan desperdicios organicos. Vehiculos de carga especiales recogeran estos desperdicios por la noche y los utilizaran en un sistema de generacion de metano por fermentacion. (Figura 11). Se puede gestionar un maximo de 4,8 toneladas de desperdicios organicos. Estos desperdicios organicos se clasifican y se trituran, se les anade agua y alcali para formar la lechada, y se les introduce en el deposito de fermentacion. Para generar gas metano por fermentacion son necesarias dos semanas. Los desperdicios organicos no se llevan fuera del recinto sino que son todos tratados mediante este sistema. El gas metano generado se utiliza como combustible de otra MCFC. Si no hay suficiente gas metano, se complementa con gas ciudad.
Figura 11. Sistema de fermentacion por metano instalado en el recinto
Si revisamos las instalaciones de tratamiento de desperdicios de las entidades publicas del territorio nacional, las instalaciones de escala pequena que tratan con menos de 200 toneladas al dia no disponen de plantas de energia electrica y consumen mucha energia para incinerar los desperdicios organicos acuosos. Esto es asi por la baja eficacia de la energia electrica de turbina de vapor. Si los desperdicios se gasifican en metano, pueden aprovechar las celulas de combustible de alta eficacia energetica, aunque sea de la planta de la escala pequena.
3.5 Sistema de gasificacion con altas temperatures
Durante la construccion del recinto de la Exposicion se procuro talar el minimo de arboles posible para evitar al maximo la destruccion del medio ambiente. Para obtener el combustible de las celulas de combustible se aprovecharan los pocos arboles talados y los plasticos usados que genere el recinto. Despues de triturar los arboles talados y los plasticos usados, se procedera a su descomposicion en la incineradora a una temperatura de aproximadamente 1200 grados centigrados. Despues, en la segunda MCFC s introducira el gas generado (compuesto principalmente de hidrogeno y monoxido de carbono). Si no se genera suficiente gas, se compensara con gas ciudad. En la figura 12 se puede observar el aspecto exterior de la incineradora y la figura 13 muestra la descripcion general del sistema.
Figura 12. Incineradora instalada en el recinto para gasificacion de alta temperature
Figura 13. Sistema de gasificacion de alta temperatura
3.6 Sistema de control informatico del suministro y la demanda de energia
En la Exposicion, las lineas energeticas que provienen de los paneles solares, las dos MCFC, las cuatro PAFC, la SOFC y la bateria NaS estan conectadas conjuntamente a 6.6 kV para ofrecer una micro rejilla de un total de 2200 kV. En las figuras 14 y 15 se muestra el control del suministro y la demanda de la energia electrica bajo micro rejilla. Las MCFC y las SOFC son las responsables de satisfacer la demanda base. La PAFC, que puede generar energia electrica de forma relativamente rapida, se encarga de gestionar la fluctuacion de la demanda.
Figura 14. Control de suministro y demanda de la micro rejilla
Figura 15. Sistema de control informatico del suministro y la demanda de micro rejilla
La bateria NaS, que es apta para carga y descarga, cubre los severos cambios de potencia de los paneles solares. La potencia generada por estas celulas de combustible y la bateria NaS se ajusta informaticamente al cambio de la demanda electrica (un maximo de 1200 kV) del pabellon de Japon de Nagakute, destino del suministro. En la micro rejilla, el control de la demanda se basa en una misma cantidad durante un mismo periodo de tiempo de 30 minutos, y no se se produce un flujo adve de corrientes a las lineas de distribucion de energia electrica convencionales. En la demostracion se intenta calificar la calidad de la fuente electrica de voltaje, de la onda armonica y del efecto de parpadeo y controlar de forma optima la funcion de los paneles solares, las celulas de combustible y la bateria NaS para minimizar costes, emitir la minima cantidad de bioxido de carbono posible, obtener la maxima eficacia en la aplicacion de la energia, etcetera. Teniendo en cuenta ejemplos como el apagon que se produjo en Nueva York, cuando en octubre finalice la Exposicion se desconectaran las lineas de distribucion de energia electrica convencionales y se intentara un funcionamiento independiente mediante micro rejilla. Es decir, con la PAFC como fuente de voltaje, en primer lugar se anticipara y se analizara en simulacion informatica la actuacion de la carga en el caso de que otras celulas de combustible y la bateria NaS sean la fuente de energia electrica. Despues, se efectuara la conexion de forma escalonada con otras celulas de combustible y, teniendo en cuenta los grados de dificultad, se pondra en marcha el funcionamiento independiente en micro rejilla.
