ES2554707T3 - Procedimiento para operar una instalación de electrólisis de alta presión, instalación de electrólisis de alta presión, así como estación de carga de hidrógeno con una instalación de electrólisis de alta presión - Google Patents

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Abstract

Procedimiento para operar una instalación de electrólisis de alta presión (2), donde - en un electrolizador de alta presión (4), en particular en un electrolizador de alta presión PEM, se producen una corriente de hidrógeno (6) y una corriente de oxígeno (8) que son transportadas a alta presión hacia el exterior desde el electrolizador de alta presión (4), - la corriente de oxígeno (8) es introducida en un tubo vórtex (20) para una expansión, en donde la energía de la presión del oxígeno es convertida en frío, donde se genera una corriente de oxígeno frío (22), - la corriente de oxígeno frío (22) es utilizada para enfriar la corriente de hidrógeno (6).

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento para operar una instalacion de electrolisis de alta presion, instalacion de electrolisis de alta presion, as! como estacion de carga de hidrogeno con una instalacion de electrolisis de alta presion.
La presente invencion hace referencia a un procedimiento para operar una instalacion de electrolisis de alta presion. La invencion hace referencia ademas a una instalacion de electrolisis de alta presion, as! como a una estacion de carga de hidrogeno con una instalacion de electrolisis de alta presion de esa clase.
El hidrogeno, entre otras cosas, se genera actualmente mediante electrolisis PEM. Una polimembrana permeable a protones (membrana de intercambio de iones, Proton-Exchange-Membrane, PEM) que es contactada a ambos lados por electrodos de platino (anodo y catodo) forma parte de un electrolizador PEM. Para el funcionamiento de un electrolizador de alta presion basado en tecnologla PEM, es decir un electrolizador con una presion de servicio de 30 bar hasta aproximadamente 100 bar, se utilizan dos circuitos de agua separados, a saber, un circuito de agua del lado del anodo, as! como un circuito de agua del lado del catodo. En los electrodos se aplica una tension externa y del lado del anodo del electrolizador se suministra agua. A traves del efecto catalltico del platino el agua se desintegra en el lado del anodo. Se producen as! oxlgeno, electrones libres e iones de hidrogeno H+ cargados de forma positiva. Los iones de hidrogeno H+ se difunden a traves de la membrana conductora de protones (PEM) en el lado del catodo, donde se combinan con los electrones provenientes del circuito externo, produciendo moleculas de hidrogeno H2.
La generation de hidrogeno a gran escala mediante electrolisis, en particular dentro del marco de la transition energetica, proporciona un aporte significativo para estandarizar las ofertas fluctuantes de electricidad en base a energlas renovables. La electrolisis de agua se utiliza preferentemente en el caso de picos de energla temporarios, a traves de alimentadores regenerativos (eolicos, fotovoltaicos).
El proceso de electrolisis se utiliza por ejemplo para generar hidrogeno como carburante para vehlculos. Las estaciones de carga actuales para hidrogeno (por ejemplo en el marco de proyectos de demostracion) se componen fundamentalmente de las tres secciones "generacion de hidrogeno", "almacenamiento de hidrogeno" y "compresion y sistema de abastecimiento". La section "generacion de hidrogeno" se produce de forma central (generalmente mediante "reformation de gas natural o de vapor") y el hidrogeno obtenido se suministra entonces en las estaciones de carga mediante camiones cisterna especiales, almacenandose all! en depositos de forma temporal, o es generado en el lugar, donde sin embargo tambien es almacenado de forma temporal en cisternas.
Al operar una instalacion de electrolisis de alta presion se genera oxlgeno, por ejemplo aproximadamente a 50 bar. Hasta el momento, el oxlgeno que se encuentra a presion es expandido y liberado en el ambiente. Actualmente no se preve una utilization del oxlgeno o de la energla de la presion del oxlgeno.
Es objeto de la presente invencion posibilitar una mejora de la eficiencia energetica de una instalacion de electrolisis de alta presion, la cual en particular se utiliza para producir hidrogeno para una estacion de carga de hidrogeno. Asimismo, es objeto de la invencion mejorar el balance energetico de una estacion de carga de hidrogeno, en donde el hidrogeno se genera en una instalacion de electrolisis de alta presion.
De acuerdo con la invencion, el primer objeto mencionado se alcanzara a traves de un procedimiento para operar una instalacion de electrolisis de alta presion, donde
- en un electrolizador de alta presion, en particular en un electrolizador de alta presion PEM, se producen una corriente de hidrogeno y una corriente de oxlgeno que son transportadas a alta presion hacia el exterior desde el electrolizador de alta presion,
- la corriente de oxlgeno es introducida en un tubo vortex para una expansion, en donde la energla de la presion del oxlgeno es convertida en frlo, donde se genera una corriente de oxlgeno frlo,
- la corriente de oxlgeno frlo es utilizada para enfriar la corriente de hidrogeno.
Ademas, el primer objeto mencionado, de acuerdo con la invencion, se alcanzara a traves de una instalacion de electrolisis de alta presion que comprende un electrolizador de alta presion, en particular un electrolizador de alta presion PEM, para producir una corriente de hidrogeno y una corriente de oxlgeno, donde desde el electrolizador de alta presion son conducidos hacia el exterior un conducto de hidrogeno, as! como un conducto de oxlgeno, comprendiendo tambien un tubo vortex integrado en el conducto de oxlgeno para la expansion de la corriente de oxlgeno, donde desde el tubo vortex se proporciona un conducto de oxlgeno frlo para una corriente de oxlgeno frlo, el cual se encuentra conectado mediante tecnologla de flujo al conducto de hidrogeno.
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Asimismo, el segundo objeto mencionado, conforme a la invencion, se alcanzara a traves de una estacion de carga de hidrogeno con una instalacion de electrolisis de alta presion de esa clase.
De manera conveniente, las ventajas que se indican a continuacion con respecto al procedimiento y las variantes preferentes pueden trasladarse a la instalacion de electrolisis de alta presion y a la estacion de carga de hidrogeno.
La expresion "a alta presion" hace referencia aqul a un nivel de presion de la corriente de hidrogeno y de la corriente de oxlgeno que se ubica varios bares por encima de la presion atmosferica. Una instalacion de electrolisis de alta presion se caracteriza por un nivel de presion de esa clase. Preferentemente, la presion de ambas corrientes se ubica entre 30 bar y 100 bar.
La invencion se basa en la idea de aprovechar la energla de la presion del oxlgeno que se libera durante el funcionamiento del electrolizador de alta presion para enfriar el hidrogeno que igualmente se produce en el electrolizador al mismo tiempo con el oxlgeno. Para lograr lo mencionado se preve una conexion integrada de las corrientes de sustancia y de energla en la instalacion de electrolisis de alta presion. De este modo, el potencial energetico de lo contrario no utilizado, es reconducido al proceso del hidrogeno.
La conversion de la energla de la presion del oxlgeno en frlo tiene lugar en un tubo vortex que esta incorporado en el conducto de oxlgeno del electrolizador. Los tubos vortex se conocen desde hace decadas; a modo de ejemplo un tubo vortex se describe en la solicitud de patente US 1 952 281 A. Actualmente, los tubos vortex se utilizan a nivel industrial por ejemplo en refinerlas. Puesto que un tubo vortex es un dispositivo estatico, la utilization de un tubo vortex en una instalacion de electrolisis de alta presion se asocia con una inversion financiera relativamente reducida. Se originan solamente costes mlnimos de mantenimiento, ya que un tubo vortex no posee partes moviles.
El oxlgeno que se encuentra a presion, proveniente del conducto de oxlgeno, es inyectado tangencialmente en el tubo vortex, comenzando a rotar rapidamente. A causa de las fuerzas centrlpetas, la corriente de oxlgeno se divide en una corriente caliente y una corriente frla que de aqul en mas se denominaran como corriente de oxlgeno frlo y corriente caliente de oxlgeno. La corriente de oxlgeno frlo es conducida hacia el exterior desde el tubo vortex y es guiada hacia la corriente de hidrogeno. Si es necesario un enfriamiento de la corriente de hidrogeno, por ejemplo en el caso de un proceso de compresion del hidrogeno, entonces la temperatura del hidrogeno desciende con el oxlgeno frlo proveniente del tubo vortex.
Un caso de aplicacion tlpico en donde se requiere un enfriamiento de la corriente de hidrogeno, es cuando el hidrogeno proveniente de la electrolisis a alta presion se utiliza como carburante para una estacion de carga de hidrogeno, ya que durante la compresion para el proceso de llenado de tanques la temperatura del hidrogeno aumenta a varios 100°C. En el caso de una estacion de carga de hidrogeno con una instalacion de electrolisis de alta presion, con una inversion tecnica reducida, se dispone de la proximidad espacial, as! como de la infraestructura, para utilizar la corriente de oxlgeno frlo proveniente del tubo vortex para enfriar el hidrogeno durante el proceso de llenado de tanques.
Dependiendo de las exigencias referidas a la cantidad de oxlgeno frlo pueden utilizarse tambien varios tubos vortex.
La otra corriente que se produce en el tubo vortex, es decir, la corriente de oxlgeno caliente, puede utilizarse con el fin de un calentamiento dentro de la instalacion de electrolisis de alta presion o fuera de esa instalacion. De manera alternativa, la corriente de oxlgeno caliente puede liberarse en el ambiente.
De manera preferente, antes de la expansion, la corriente de oxlgeno es almacenada de forma temporal en un acumulador de presion que se encuentra dispuesto antes del tubo vortex en el conducto de oxlgeno. A traves del almacenamiento temporal y del aprovechamiento subsiguiente del oxlgeno que se encuentra a presion en el tubo vortex, el potencial de enfriamiento del oxlgeno a presion puede utilizarse segun la necesidad. Esto significa que la corriente de oxlgeno frlo en particular se genera entonces solamente cuando un enfriamiento del hidrogeno se necesita de forma inmediata. Cuando no existe la necesidad de un enfriamiento, entonces en principio el oxlgeno se almacena de forma temporal.
De acuerdo con otra variante de ejecucion preferente, al acumulador de presion se suministra un gas adicional a alta presion, en particular oxlgeno, desde una fuente externa. En particular, el gas adicional se comprime a una presion que corresponde a la presion de la corriente de oxlgeno en el conducto de oxlgeno (por ejemplo aproximadamente a 50 bar). Cuando el potencial de enfriamiento del oxlgeno generado en el electrolizador no es suficiente para enfriar todo el hidrogeno producido paralelamente en la instalacion de electrolisis de alta presion, se requieren entonces fuentes de refrigeration adicionales para enfriar el hidrogeno. Puede prescindirse aqul de otros refrigerantes y procedimientos de refrigeracion para complementar el enfriamiento con oxlgeno frlo, ya que se dispone relativamente de mucho oxlgeno comprimido (o de oxlgeno comprimido mezclado con otro gas), el cual se utiliza a los fines de un enfriamiento. Puesto que la cantidad requerida de oxlgeno no puede producirse solamente en la instalacion de electrolisis de alta presion, se desarrollan otras fuentes de oxlgeno, de manera que se proporcione
suficiente oxlgeno a alta presion. Se posibilita de este modo un enfriamiento "on demand" que se basa completamente en la utilizacion de la energla de presion del oxlgeno comprimido.
De manera conveniente, el oxlgeno se enfrla en el tubo vortex por debajo de 0°C, en particular por debajo de -20°C, en particular aproximadamente a -40°C. La temperatura depende del diseno del tubo vortex. Cuanto mas baja es la 5 temperatura de la corriente de oxlgeno frlo, tanto mas efectivo es el enfriamiento del hidrogeno. Por este motivo se apunta a las temperaturas mlnimas de la corriente frla de oxlgeno que pueden alcanzarse a traves del tubo vortex.
De manera ventajosa, la corriente de hidrogeno, mediante la corriente de oxlgeno frlo, es enfriada al comprimirse a una presion de aproximadamente al menos 700 bar, en particular a una presion de aproximadamente 800 bar. Se proporciona para ello un compresor incorporado en el conducto de hidrogeno. Puesto que al comprimir el hidrogeno 10 a una presion elevada de esa clase su temperatura aumenta en alto grado, el compresor en el conducto de hidrogeno es enfriado mediante la corriente de oxlgeno frlo. De manera alternativa, el hidrogeno puede enfriarse antes de la compresion, de manera que este sea suministrado al compresor con una temperatura muy reducida.
De manera preferente, el hidrogeno se preve para cargar de combustible el tanque de vehlculos a motor y el enfriamiento con la corriente de oxlgeno frlo tiene lugar antes de un proceso de llenado de un tanque. Se considera 15 preferente que una bomba distribuidora se encuentre dispuesta aguas abajo del compresor en el conducto de hidrogeno. El compresor en si mismo puede formar parte de una estacion de carga que comprende una o varias bombas distribuidoras que se encuentran dispuestas aguas abajo del compresor.
De manera alternativa, un gasoducto puede estar situado aguas abajo del compresor, el cual en principio no se trata del consumidor final del hidrogeno.
20 Preferentemente, la estacion de carga de hidrogeno presenta una red de refrigeracion para abastecer equipos de la estacion de carga con frlo, donde el conducto de oxlgeno frlo forma parte de la red de refrigeracion. Se crea de este modo una infraestructura de enfriamiento que cubre en particular toda la demanda de enfriamiento de la estacion de carga, por ejemplo para enfriar lugares o alimentos.
Mediante un dibujo se explican en detalle ejemplos de ejecucion de la invention. Las figuras muestran:
25 Figura 1: una conexion mediante tecnologla de flujo entre una instalacion de electrolisis de alta presion y una estacion de carga de hidrogeno, y
Figura 2: una red de refrigeracion de una estacion de carga de hidrogeno.
Los mismos slmbolos de referencia poseen el mismo significado en las distintas figuras.
En la figura 1 se muestra una instalacion de electrolisis de alta presion 2 que comprende un as! llamado 30 electrolizador de alta presion 4 para producir una corriente de hidrogeno 6 y una corriente de oxlgeno 8. En el ejemplo de ejecucion mostrado, el electrolizador de alta presion 4 es un electrolizador de alta presion PEM 4. Para la corriente de hidrogeno 6 y para la corriente de oxlgeno 8 se proporcionan de forma correspondiente un conducto de hidrogeno 10 y un conducto de oxlgeno 12, a traves de los cuales el respectivo gas a alta presion, en particular a una presion superior a 30 bar, por ejemplo a 50 bar, es conducido hacia el exterior del electrolizador de alta presion 35 PEM 4. De este modo, en el conducto de hidrogeno 10 y en el conducto de oxlgeno 12 se presenta una temperatura de aproximadamente 60°C.
De acuerdo con la figura 1, un acumulador de presion de oxlgeno 14 se encuentra integrado en el conducto de oxlgeno 12, en donde durante un perlodo se almacena oxlgeno proveniente del electrolizador de alta presion 4. En el ejemplo de ejecucion mostrado se proporciona ademas un conducto 16, mediante el cual se suministra oxlgeno 40 proveniente de una fuente externa 18, como por ejemplo oxlgeno proveniente de otra instalacion de electrolisis, no mostrada aqul en detalle, hacia el acumulador de presion de oxlgeno 14. El oxlgeno de la fuente externa 18 presenta igualmente presion elevada, en particular una presion de aproximadamente 50 bar, la misma presion que el oxlgeno en el conducto de oxlgeno 12. A traves del acumulador de presion 14 se garantiza un suministro de oxlgeno segun la demanda, en particular si se necesitan grandes cantidades de oxlgeno. Sin embargo, puede prescindirse 45 tanto del oxlgeno de la fuente externa 18, as! como tambien del acumulador de presion 14, en particular cuando se necesita oxlgeno de forma continua.
Un tubo vortex 20 se encuentra situado aguas abajo del acumulador de presion 14. El tubo vortex 20 representa un dispositivo de expansion, en donde la corriente de oxlgeno 8 se divide en una corriente de oxlgeno frlo 22 y una corriente de oxlgeno caliente 24. La corriente de oxlgeno caliente 24 se libera en este caso en el ambiente, pero de 50 forma alternativa puede utilizarse, por ejemplo con el fin de un calentamiento. A su vez, la corriente de oxlgeno frlo 22 se utiliza para enfriar la corriente de hidrogeno 6 del electrolizador de alta presion PEM 4, debido a lo cual la corriente de oxlgeno frlo 22 es transportada hacia la corriente de hidrogeno 6 mediante un conducto de oxlgeno frlo
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25. Despues del tubo vortex 20, la corriente de oxlgeno frlo 22 se encuentra refrigerada a una temperatura inferior a 0°C, en particular aproximadamente a -40°C.
Un enfriamiento de la corriente de hidrogeno 6 se necesita en particular debido a su utilizacion como carburante en una estacion de carga de hidrogeno 26 que forma parte de la instalacion de electrolisis de alta presion 2. Para ello, la corriente de hidrogeno 6, despues del electrolizador de alta presion PEM 4, es comprimida a una presion de al menos 700 bar, en particular a 800 bar, mediante un compresor 28. El hidrogeno comprimido se almacena entonces en un recipiente a presion 30 de la estacion de carga de hidrogeno 26. Mediante una bomba distribuidora 32, de acuerdo con la necesidad, el hidrogeno es utilizado para cargar el tanque de un vehlculo a motor.
Al ser comprimida la corriente de hidrogeno 6 antes del proceso de carga del tanque, el hidrogeno se calienta en gran medida. Para impedir un desarrollo termico demasiado intenso, el compresor 28 es enfriado mediante la corriente de oxlgeno frlo 22. Si el potencial de enfriamiento de la corriente de oxlgeno frlo 22 no es suficiente para enfriar la corriente de hidrogeno 6 pueden utilizarse tambien otros refrigerantes de forma complementaria con respecto a la corriente de oxlgeno frlo 22. En este contexto aplica el hecho de que cuanto mas baja se regula la temperatura de la corriente de hidrogeno, tanto mas elevado es el grado de efectividad de la compresion. En el caso de un almacenamiento de cantidades particularmente elevadas de oxlgeno comprimido, lo cual es posible por ejemplo a traves de una extraccion de fuentes externas 18, en el caso de una disposicion segun la figura 1 puede ponerse a disposicion oxlgeno frlo suficiente para enfriar completamente el hidrogeno en la bomba distribuidora 32 a traves de oxlgeno que es expandido y con ello enfriado a traves de uno o de varios tubos vortex.
En la figura 1 se representa el compresor 28 como componente de la instalacion de electrolisis de alta presion 2. De forma alternativa, en particular cuando la generacion de hidrogeno no tiene lugar directamente en el lugar en donde se cargan los tanques, el compresor 28 forma parte de la estacion de carga de hidrogeno 26 debido a su proximidad espacial con respecto a la bomba distribuidora 32.
En la figura 2 se muestran otros casos de aplicacion para la utilizacion de la corriente de oxlgeno frlo 22. La corriente de oxlgeno frlo 22 es suministrada a una red de refrigeracion 34, desde la cual el frlo es distribuido en una infraestructura de la estacion de carga de hidrogeno 26. El potencial de enfriamiento de la corriente de oxlgeno frlo 22 no solo se utiliza para el enfriamiento de un proceso de carga de tanques en la bomba distribuidora 32 de la estacion de carga de hidrogeno 26, sino que la corriente de oxlgeno frlo se utiliza ademas para la refrigeracion de edificios, como por ejemplo el edificio de la estacion de carga 26, lo cual se indica a traves del bloque 36, o para refrigerar alimentos en un equipo de congelacion 38 dentro del edificio de la estacion de carga, representado en la figura 2 a traves del bloque 38. En el ejemplo de ejecucion segun la figura 2, se deriva ademas oxlgeno frlo para abastecer con frlo un consumidor de frlo 40 que no forma parte de la infraestructura de la estacion de carga de hidrogeno 26, pero que se encuentra espacialmente en particular en las proximidades de la estacion de carga de hidrogeno 26.

Claims (13)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento para operar una instalacion de electrolisis de alta presion (2), donde
    - en un electrolizador de alta presion (4), en particular en un electrolizador de alta presion PEM, se producen una corriente de hidrogeno (6) y una corriente de oxlgeno (8) que son transportadas a alta presion hacia el exterior desde el electrolizador de alta presion (4),
    - la corriente de oxlgeno (8) es introducida en un tubo vortex (20) para una expansion, en donde la energla de la presion del oxlgeno es convertida en trio, donde se genera una corriente de oxlgeno trio (22),
    - la corriente de oxlgeno trio (22) es utilizada para enfriar la corriente de hidrogeno (6).
  2. 2. Procedimiento segun la reivindicacion 1, donde la corriente de oxlgeno (8) es almacenada de forma temporal en un acumulador de presion (14) antes de la expansion.
  3. 3. Procedimiento segun la reivindicacion 2, donde al acumulador de presion (14) se suministra un gas adicional a alta presion, en particular oxlgeno, desde una fuente externa (18).
  4. 4. Procedimiento segun una de las reivindicaciones precedentes, donde la corriente de oxlgeno (8) en el tubo vortex es enfriada por debajo de 0°C, en particular por debajo de -20°C, en particular a -40°C.
  5. 5. Procedimiento segun una de las reivindicaciones precedentes, donde la corriente de hidrogeno (6), mediante la corriente de oxlgeno frlo (22), es enfriada al comprimirse a una presion de aproximadamente al menos 700 bar, en particular a una presion de aproximadamente 800 bar.
  6. 6. Procedimiento segun una de las reivindicaciones precedentes, donde el hidrogeno se preve para la carga de combustible de vehlculos a motor y el enfriamiento con la corriente de oxlgeno frlo (22) tiene lugar antes de un proceso de carga de combustible.
  7. 7. Instalacion de electrolisis de alta presion (2), la cual comprende un electrolizador de alta presion (4), en particular un electrolizador de alta presion PEM, para producir una corriente de hidrogeno (6) y una corriente de oxlgeno (8), donde desde el electrolizador de alta presion (4) son conducidos hacia el exterior un conducto de hidrogeno (10), as! como un conducto de oxlgeno (12), comprendiendo ademas un tubo vortex (20) integrado en el conducto de oxlgeno (12) para la expansion de la corriente de oxlgeno (8), donde desde el tubo vortex (20) se proporciona un conducto de oxlgeno frlo (25) para una corriente de oxlgeno frlo (22), el cual se encuentra conectado mediante tecnologla de flujo al conducto de hidrogeno (10).
  8. 8. Instalacion de electrolisis de alta presion (2) segun la reivindicacion 7, donde en el conducto de oxlgeno (12) un acumulador de presion (14) se encuentra dispuesto antes del tubo vortex (20).
  9. 9. Instalacion de electrolisis de alta presion (2) segun la reivindicacion 8, donde el acumulador de presion (14) se encuentra conectado a una fuente externa (18) para el suministro de un gas a alta presion, en particular de oxlgeno.
  10. 10. Instalacion de electrolisis de alta presion (2) segun una de las reivindicaciones 7 a 9, donde en el conducto de hidrogeno (10) se encuentra integrado un compresor (28) para comprimir el hidrogeno a una presion de aproximadamente al menos 700 bar, en particular a una presion de aproximadamente 800 bar, y el compresor (28) se encuentra conectado mediante tecnologla de flujo al conducto de hidrogeno (10).
  11. 11. Instalacion de electrolisis de alta presion (2) segun la reivindicacion 10, donde una bomba distribuidora (32) se encuentra dispuesta aguas abajo del compresor (28) en el conducto de hidrogeno (10).
  12. 12. Estacion de carga de hidrogeno (26) con una instalacion de electrolisis de alta presion (2) segun una de las reivindicaciones 7 a 11.
  13. 13. Estacion de carga de hidrogeno (26) segun la reivindicacion 12 con una red de refrigeracion (34) para abastecer equipos de la estacion de carga (26) con frlo, donde el conducto de oxlgeno frlo (25) forma parte de la red de refrigeracion (34).
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