Viabilidad de un ascensor híbrido de pila de combustible energéticamente eficiente: el concepto principal y el diseño

La aplicación de la tecnología de pilas de combustible en el entorno construido

por S. Kaczmarczyk, J. Blaszczyk, H. Lei y R. Smith

Keywords: regenerativo, reversible, pila de combustible, hidrógeno, paneles solares, ascensor híbrido, ascensor híbrido.

Abstracto: Los últimos avances en tecnologías de celdas de combustible (FC) han llevado a rápidos desarrollos en el transporte de vehículos terrestres. Estas tecnologías también podrían considerarse para su implementación en sistemas de transporte vertical (VT). Este artículo presenta un estudio de viabilidad sobre la aplicación de una fuente de alimentación de pila de combustible reversible para un sistema de ascensor alimentado por paneles solares que funciona en un edificio de gran altura. Se supone que toda la energía necesaria para alimentar el sistema de ascensores se originará en los paneles solares. La energía necesaria para el funcionamiento en los periodos de baja irradiación se generará a partir del hidrógeno almacenado en tanques de media presión. El hidrógeno se producirá en una pila de combustible reversible unificada (URFC). Cuando el acceso a la red sea posible, la red proporcionará energía de emergencia para operaciones pico o durante períodos más largos de baja producción de paneles solares. La unidad URFC funcionará en conjunto con una batería de iones de litio, mientras que el tamaño de la URFC y la batería se optimizarán para lograr un costo mínimo general del sistema. La conclusión general es que el sistema de suministro de energía para ascensores independiente de la red es posible. Sin embargo, los requisitos de costo y espacio son limitaciones importantes en el almacenamiento de energía estacional en forma de hidrógeno.

1. Introducción

En los modernos edificios de gran altura, los ascensores de tracción con motor eléctrico se utilizan para el transporte eficiente de personas y mercancías. En el sistema tradicional, la energía para el motor eléctrico proviene de la red eléctrica pública. Cuando el sistema eleva la carga desequilibrada en la cabina o en el contrapeso, la energía se toma de la red. Parte de la energía suministrada se almacena en el sistema mecánico como energía potencial. Por otro lado, cuando el sistema desciende la carga desequilibrada en la cabina o en el contrapeso, la energía potencial se devuelve al sistema de accionamiento. Esta energía devuelta se denomina "regenerada". Por lo tanto, el accionamiento del ascensor es capaz de transferir energía en ambas direcciones y se denomina "reversible". ^{[ 1 ]}

El progreso reciente en las tecnologías FC ha llevado a un rápido desarrollo en el transporte de vehículos terrestres. Este artículo presenta los resultados de un estudio sobre la viabilidad de un sistema de suministro de energía de pila de combustible reversible para un ascensor alimentado por paneles solares que funciona en un edificio de gran altura. Se supone que toda la energía necesaria para alimentar el sistema de ascensores se originará en los paneles solares. Se consideran dos ubicaciones geográficas: la mejor irradiación solar posible en Kampala (Ecuador) y el paralelo 52° norte de Europa central (Londres). La irradiación solar [W/m²] las curvas se han derivado de los datos disponibles ^{[ 2 ]} y se muestran en la figura 1.

En ambos casos, las necesidades energéticas diarias del ascensor se equilibran con la energía almacenada en un conjunto de baterías de respaldo, que debe satisfacer dos requisitos principales: almacenar suficiente energía para las operaciones diarias (con un margen razonable para el tiempo nublado) y la capacidad de carga/ corriente de descarga en períodos de máxima potencia (p. ej., potencia de arranque del motor, acumulación de energía de interrupción).

2. Requisitos de energía

Se ha considerado un modelo simplificado de instalación de ascensores en edificios de gran altura para generar los requisitos de potencia y el consumo de energía del ascensor. Los datos del edificio correspondientes y los parámetros de instalación del ascensor se muestran en la Tabla 1. Se ha utilizado el modelo de simulación energética del ascensor implementado en el paquete de software de simulación comercial Elevate™[3] para determinar los requisitos de potencia y el consumo de energía del ascensor. Se utilizó la plantilla de oficina de jornada completa de Siikonen para generar los datos de demanda de pasajeros.^{[ 4 ]} (ver Figura 2).

La figura 3 ilustra los datos de consumo de energía acumulado simulado y la figura 4 muestra los requisitos de energía promedio. Los requisitos de energía de elevación a lo largo del tiempo se derivan luego de los datos de energía acumulada, y la curva correspondiente se muestra en la Figura 5.

La energía solar disponible depende de las fluctuaciones de irradiación diarias y estacionales. Se han adoptado diferentes estrategias de almacenamiento de energía para adaptar los escenarios de funcionamiento del ascensor a estos casos.

Tabla 1 Datos del modelo principal

Estos escenarios se describen a continuación:

1. La energía requerida se equilibra con la energía almacenada en una batería tampón diaria dimensionada para la energía solar disponible en:
   1. 22 de junio en la sede de Ecuador
   1. B. 22 de septiembre en la ubicación 52° norte.

Se considera que los desequilibrios/fluctuaciones estacionales de energía pueden cubrirse de las siguientes formas:

• El acceso a la red es posible;
  • El exceso de energía del sol se almacena en la red en los momentos en que se produce dicho exceso de energía.
  • B. Los déficits energéticos de los ascensores se cubren desde la red en los momentos en que la energía solar es insuficiente
• El acceso a la red no es posible
  • El exceso de energía solar se almacena en el banco de baterías estacional cuando se produce dicho exceso, mientras que los déficits de energía se cubren con el banco de baterías cuando la energía solar no es suficiente.
  •  El exceso de energía solar se almacena en el gas hidrógeno generado (electrólisis del agua) cuando se produce dicho exceso, mientras que los déficits energéticos se cubren mediante la conversión de hidrógeno en electricidad procedente del funcionamiento de la pila de combustible.

3. Sistemas de suministro de energía para estrategias de almacenamiento de energía

Teniendo en cuenta el desequilibrio/fluctuaciones de energía estacionales, se consideran los siguientes sistemas de suministro de energía para ascensores. Los diagramas de la Figura 6 y la Figura 7 ilustran el sistema de suministro de energía para el escenario B y el escenario C, respectivamente. Cabe señalar que el diagrama de la Figura 7 cubre dos casos: C)a y C)b, respectivamente.

El caso C)a se puede realizar cuando se omite el bucle de FC/electrolizador y cuando se aumenta el tamaño del banco de baterías de reserva para cubrir las fluctuaciones estacionales de energía solar.

4. Tamaño de la batería de reserva: fluctuaciones energéticas diarias

4.1 Tamaño de la batería para operaciones diarias de elevación

Considerando que los requerimientos de potencia del ascensor no se corresponden con los periodos de energía solar disponible (ej. día-noche), se propone el banco de baterías de respaldo. En este escenario, la batería está dimensionada para cargarse desde paneles solares fotovoltaicos (PV) para cubrir el requerimiento diario de energía de elevación. El tamaño mínimo requerido de la batería para las operaciones diarias se estima en 79 kWh según los datos que se muestran en la Figura 8 (suponiendo un margen de capacidad del 100 % para un día “nublado”). Cabe señalar que el requisito de potencia de elevación está relacionado con la unidad de área (1 m²) de paneles fotovoltaicos.

El diagrama de la Figura 8 presenta la comparación de la energía solar disponible en el día de energía mínima (área debajo de la línea roja) con el requerimiento diario de energía del ascensor (área debajo de la línea morada) para ubicaciones cercanas al ecuador. Es probable que dimensionar los paneles fotovoltaicos para el día de energía mínima resulte en una solución más económica que dimensionar los paneles fotovoltaicos entre las líneas azul y roja e instalar cualquier dispositivo de compensación de fluctuación de energía estacional.

Para ubicaciones cercanas al paralelo 52° norte, la situación es dramáticamente diferente. Al comparar los gráficos de la Figura 1, queda claro que la superficie del panel fotovoltaico tendría que ser muy grande para cubrir el requisito de energía de elevación diaria en el día de energía solar mínima (22 de diciembre), línea verde, gráfico inferior. En este caso, es probable que se requiera un dispositivo de compensación de las fluctuaciones energéticas estacionales, mientras que los paneles fotovoltaicos se dimensionarían para que coincidan con la necesidad de energía anual.

4.2 Tamaño de la batería para operaciones de potencia máxima de elevación

El tamaño de la batería también está relacionado con la potencia de carga y la limitación de corriente de carga. La limitación de corriente de una batería de iones de litio 3C típica es de 300 A. Para la batería seleccionada de 100 Ah, 12 V y 165 kW de potencia de elevación máxima, el tamaño mínimo de la batería de respaldo es de 55 kWh.

Comparando los tamaños de batería de los casos 4.1 y 4.2, el tamaño del banco de baterías de 79 [kWh] es adecuado para cubrir tanto las fluctuaciones diarias de energía solar como los requisitos de corriente de carga de la batería.

5. Tamaño de los paneles fotovoltaicos y tamaño del búfer de la batería

5.1 Tamaño de los paneles fotovoltaicos para operaciones cerca del ecuador

Se determina que el área de superficie requerida de los paneles fotovoltaicos para operaciones cerca del ecuador es de 51 m²Suponiendo una eficiencia de conversión fotovoltaica del 37%, la comparación de los costos de los componentes principales se presenta en la Tabla 2. No será necesario el almacenamiento de energía estacional; consulte las curvas de irradiación máxima (azul) y mínima (roja) en la Figura 8.

5.2 Tamaño de la batería de reserva: fluctuaciones de energía estacionales (52 grados norte)

Una de las opciones de almacenamiento de energía estacional es utilizar un banco de baterías. Los cálculos de capacidad de batería necesarios que se han realizado indican que esta opción no es una solución plausible: el almacenamiento de energía requeriría 9,906 baterías de 100 Ah cada una, mientras que la superficie del panel fotovoltaico sería de 50 m.². El costo de las baterías sería entonces de unos US$2 millones.

6. Almacenamiento de H2 y tamaño de la pila de combustible: fluctuaciones energéticas estacionales (52° norte)

Otra opción de almacenamiento de energía estacional es el Electrolyser-H2 Storage-FC Power System. Los principales componentes del sistema se presentan en la Figura 7. La estrategia operativa consiste en recolectar la energía solar durante los períodos de alta irradiación, convertirla en hidrógeno a través de la electrólisis del agua, almacenar hidrógeno en tanques presurizados y volver a convertir el hidrógeno en electricidad en el FC a baja temperatura. -períodos de irradiación. La eficiencia de ida y vuelta de la electrólisis/pila de combustible es de alrededor del 45 %, lo que repercute en el tamaño/área de superficie del panel fotovoltaico requerido durante la captación de energía de alta radiación. En este caso, el área de superficie del panel fotovoltaico necesaria se determina en 80 m².

Cabe señalar que el requisito de potencia de elevación es por unidad de área (1 m²) de paneles fotovoltaicos. La cantidad de hidrógeno necesaria para el almacenamiento de energía es de 7,925 Nm3. La presión máxima de almacenamiento de H2 es de 130 barg debido a las limitaciones del proceso de electrólisis. [5] Sin embargo, en este punto solo están disponibles prototipos de tales electrolizadores. Pero, teniendo en cuenta el rápido avance de la tecnología FC, se puede suponer que los electrolizadores comerciales de 130 barg estarán disponibles pronto y los compresores de H2 de alta presión no tendrán que utilizarse debido a su elevado coste.

El volumen requerido de los tanques de H2 (para almacenar agua) es de 66 m3, lo que podría no ser práctico para la instalación en un edificio de gran altura. El costo de los tanques superaría los US$100,000. El costo de cuatro electrolizadores PEM de 3 barg Nm30/hr es de alrededor de US$200,000. El costo de FC para la conversión de H2 es comparable al costo del electrolizador PEM.

La tecnología FC reversible unificada, que combina electrolizador y FC en un solo dispositivo, se encuentra en la etapa de creación de prototipos y, una vez desarrollada, podría reducir el costo del hardware de conversión de H2 en un 50 %.

Suponiendo que la tecnología avanzada requerida esté disponible comercialmente hoy, el costo de la infraestructura de producción de H2 superaría los US$300,000.

7. Conclusión

En la Tabla 2 se presenta una comparación de los escenarios considerados en este estudio. Se han considerado dos ubicaciones geográficas en el análisis: cerca del Ecuador y a 52° norte, que corresponde a la ubicación de Londres.

El análisis realizado muestra que no hay necesidad de almacenamiento de energía estacional en las áreas cercanas al ecuador debido a la alta disponibilidad de energía solar durante todo el año. El balance de energía diario se puede cubrir con un paquete de baterías, que es mucho más económico que el sistema electrolyser-FC de la capacidad de almacenamiento de energía comparable (US$25,000 vs US$200,000); referirse a los casos A)a; B)-C), respectivamente. La necesidad de almacenamiento de energía estacional surge en los lugares alejados del ecuador. La forma más sencilla y rentable de abordar el almacenamiento de energía estacional en estos lugares es el almacenamiento de energía en la red (véanse los casos A)b; B, respectivamente).

Cuando el almacenamiento de energía de la red no está disponible (caso A)b; C)a y C)b), la solución más económica es el almacenamiento de energía en hidrógeno en lugar de una batería de hidrato de litio. Sin embargo, el tamaño de los tanques de almacenamiento de H2 (66 m3) puede generar problemas de seguridad si se ubican cerca de un edificio de gran altura. Considerando tanques de 2 m de diámetro, la longitud total de los tanques sería de unos 21 m.

Se requerirá una planificación cuidadosa del diseño si se adopta una solución de este tipo, suponiendo que el alto costo no sea un problema. El almacenamiento de energía estacional en un paquete de baterías es el más costoso de todos los escenarios considerados. Es relativamente seguro, pero aún requiere una cantidad considerable de espacio inmobiliario para albergar las baterías. La masa esperada de la batería es de 214 T, mientras que el volumen de almacenamiento de la batería rondaría los 200 m3, incluido el espacio para conexiones y refrigeración.

La conclusión general es que el sistema de suministro de energía para ascensores independiente de la red es posible; sin embargo, los requisitos de costo y espacio son limitaciones importantes en el almacenamiento de energía estacional en forma de hidrógeno.

También se debe tener en cuenta que existen peligros asociados con la aplicación de la tecnología de celdas de combustible en el entorno construido. Los principales peligros involucrados están relacionados con las propiedades peligrosas del hidrógeno y su almacenamiento. [6] Los riesgos incluyen incendios y explosiones, así como riesgos eléctricos. Por lo tanto, se debe considerar el control de los riesgos involucrados.

Referencias
[1] JP Andrew y S. Kaczmarczyk, "Ingeniería de sistemas de ascensores". ELEVATOR WORLD, 2011.
[2] Worldatlas.com https://www.worldatlas.com/articles/how-long-is-a-day-at-the-equator.html (Consultado el 15 de febrero de 2020)
[3] L. Al-Sharif, R. Peters, R. Smith, "Modelo de simulación de energía del ascensor". Elevator Technology 14. Actas de ELEVCON 2004, Estambul, Turquía, abril de 2004, 11-20.
[4] ML Siikonen, “Sobre la metodología de planificación del tráfico”. Elevator Technology 10. Actas de ELEVCON 2000, Berlín, Alemania, mayo de 2000, 267–274.
[5] VN Fateev et al., "Electrólisis de agua PEM de alta presión y problemas de seguridad correspondientes". International Journal of Hydrogen Energy 36(3), febrero de 2011.
[6] Guía de salud y seguridad HSG243, Pilas de combustible. "Comprenda los peligros, controle los riesgos". Dirección de Salud y Seguridad, 2004.