Desarrollo y aplicación de pilas de combustible
Pilas de combustible
Los países desarrollados consideran el desarrollo de pilas de combustible a gran escala como un proyecto de investigación clave, y las empresas también han invertido mucho en la investigación y el desarrollo de la tecnología de pilas de combustible. Ahora se han logrado muchos resultados importantes que harán que las pilas de combustible se utilicen ampliamente en la generación de energía y en los automóviles, reemplazando a los generadores tradicionales y a los motores de combustión interna. Vale la pena señalar que este nuevo e importante método de generación de energía puede reducir en gran medida la contaminación del aire y resolver los problemas del suministro de la red eléctrica y la regulación de las cargas máximas. Han entrado en producción comercial conjuntos completos de equipos de generación de energía con pilas de combustible de 2 MW, 4,5 MW y 110 MW, y algunos países desarrollados han construido varios niveles de centrales eléctricas con pilas de combustible. El desarrollo y la innovación de las pilas de combustible serán como la revolución industrial provocada por el avance tecnológico del motor de combustión interna que reemplazó al poder humano hace cien años. La invención y popularización de las computadoras reemplazaron a la revolución informática que reemplazó al cálculo, el dibujo y los documentos humanos. Procesamiento. El desarrollo de las comunicaciones en red cambió los hábitos de vida de las personas. El potencial de las pilas de combustible, que son eficientes, libres de contaminación, de corto plazo de construcción, fáciles de mantener y de bajo costo, desencadenará una revolución verde en nuevas energías y protección ambiental en el siglo XXI. Hoy en día, en América del Norte, Japón y Europa, la generación de energía con pilas de combustible está entrando rápidamente en la etapa de aplicación a escala industrial con una tendencia a ponerse al día, y se convertirá en el método de generación de energía de cuarta generación después de la energía térmica, la energía hidroeléctrica y la energía nuclear en el siglo XXI. siglo. El rápido desarrollo de la tecnología de pilas de combustible en el extranjero debe atraer nuestra atención. Ahora se ha convertido en un tema que la industria energética y energética debe afrontar. Pila de combustible de ácido fosfórico (PAFC)
Afectado por la crisis mundial del petróleo de 1973 y el desarrollo de las PAFC en Estados Unidos, Japón decidió desarrollar varios tipos de pilas de combustible. NEDO desarrolló PAFC como tecnología de generación de energía con ahorro de energía a gran escala. Desde 1981, se han llevado a cabo trabajos de investigación y desarrollo en unidades de generación de energía PAFC in situ de 1000 kW. En 1986, se desarrolló un dispositivo de generación de energía de campo de 200 kW, que era adecuado para dispositivos de generación de energía PAFC en áreas remotas o para uso comercial. Fuji Electric Co., Ltd. es el mayor proveedor de paquetes de baterías PAFC de Japón. A finales de 1992, la empresa había proporcionado 17 juegos de dispositivos de demostración PAFC en el país y en el extranjero. En marzo de 1997, Fuji Electric completó el estudio de funcionamiento del equipo distribuido de 5 MW. Como equipos de campo, se han puesto en uso 88 tipos de equipos, incluidos 50 kW, 100 kW y 500 kW. La siguiente tabla muestra el funcionamiento de los equipos de generación de energía entregados por Fuji Electric Corporation. En 1998, las piezas habían superado la vida útil prevista de 40.000 horas. A partir de la segunda mitad de la década de 1970, Toshiba Corporation se centró en el desarrollo de pilas de combustible distribuidas y fuentes de alimentación distribuidas serializadas con máquinas de 110 MW y máquinas de 200 kW. El generador de 110 MW es el equipo de generación de energía de pila de combustible más grande del mundo. Construido a partir de 1989 en la central térmica Goi de Tokyo Electric Power Company. Después de una exitosa generación de energía a principios de marzo, después de más de cinco años de pruebas de campo, hasta junio de 1965438, el tiempo de funcionamiento acumulado superó las 20.000 horas. En el campo de las pilas de combustible de campo pequeñas, Toshiba y la compañía estadounidense IFC fundaron ONSI en 1990 para comercializar pilas de combustible de campo, y luego comenzaron a vender al mundo la serie "PC25" de equipos de campo de 200 kW. Las pilas de combustible de la serie PC25 estuvieron en funcionamiento desde finales de 1991 hasta abril de 1998 y * * * vendieron 174 unidades en todo el mundo. Entre ellas, la unidad número 1 instalada en una empresa de Estados Unidos y la unidad número 2 de Osaka Gas Company instalada en el Centro Miten de Osaka, Japón, han superado las 40.000 horas respectivamente. En términos de vida útil y confiabilidad de las pilas de combustible, el objetivo a largo plazo de las pilas de combustible es un tiempo de funcionamiento acumulado de 40.000 horas. Toshiba ONSI ha completado el desarrollo de la máquina comercial oficial PC25C y la ha puesto en el mercado. Como pionero de las nuevas energías en el siglo XXI, PC25C ganó el Premio de Industria y Comercio Internacional de Japón. Desde la comercialización de las pilas de combustible, este equipo ha sido evaluado como un equipo avanzado, fiable y respetuoso con el medio ambiente. Su coste de fabricación es de 3.000 dólares EE.UU./kW. El coste del equipo comercial PC25D que se lanzará en un futuro próximo se reducirá a 1.500 dólares EE.UU./kW. Su volumen es 1/4 menor que el del PC25C y su masa es de sólo 14 toneladas. El año que viene, en 2001, China inaugurará la primera central eléctrica de pila de combustible PC25C, financiada principalmente por el MITI de Japón (NEDO). Será la primera central eléctrica de pila de combustible en China.
Como pila de combustible de temperatura media-baja (temperatura de funcionamiento 180-210°C), PAFC no sólo tiene las características de alta eficiencia de generación de energía, limpieza y ausencia de ruido, sino que también puede recuperar la mayor parte del calor en forma de agua caliente. La siguiente tabla proporciona las principales especificaciones técnicas del avanzado ONSI PC25C 200kWPAFC. PAFC se desarrolló originalmente para controlar el equilibrio energético de picos y valles de las centrales eléctricas, pero más recientemente se ha centrado en ser un sistema de energía centralizado que proporciona energía y calor a apartamentos, centros comerciales, hospitales, hoteles y otros lugares. PAFC se utiliza en centrales eléctricas en dos situaciones: centrales eléctricas descentralizadas con una capacidad de 10-20 MW, instaladas en centrales eléctricas centrales con una capacidad superior a 100 MW, que pueden utilizarse como centrales térmicas de tamaño mediano. En comparación con las centrales eléctricas ordinarias, las centrales PAFC tienen las siguientes ventajas: incluso cuando la carga de generación de energía es relativamente baja, aún mantienen una alta eficiencia de generación de energía debido a la estructura modular, la instalación en el sitio es simple y ahorra tiempo; La ampliación de la central eléctrica es sencilla. Pila de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) La famosa Canadian Ballard Company es el líder mundial en tecnología PEMFC. Sus áreas de aplicación ahora van desde vehículos hasta centrales eléctricas estacionarias, y su filial Ballard Generation System es considerada el líder mundial en el desarrollo, producción y comercialización de PEMFC de cero emisiones. El producto inicial del Sistema de Generación Ballard es una central eléctrica de pila de combustible de 250 kW. Su componente básico es la pila de combustible Ballard, que utiliza hidrógeno (obtenido del metanol, gas natural o petróleo) y oxígeno (obtenido del aire) para generar electricidad. combustión. Ballard está trabajando con muchas de las empresas líderes del mundo para comercializar BallardFuelCell. Ballard Fuel Cell se ha utilizado en plantas de energía estacionarias: Ballard Generation System fue establecido por Ballard Generation System, GPU International Inc, Alstom SA y EBARA Company * * * para desarrollar plantas de energía de celdas de combustible de subkilovatios. Después de cinco años de desarrollo, la primera central eléctrica de 250 kW generó energía con éxito en agosto de 1997 y fue entregada a la Corporación Nacional de Energía de la India en septiembre de 1999. Las pruebas y evaluaciones cuidadosas mejoraron el rendimiento del diseño y redujeron los costos, lo que llevó a la creación de una segunda central eléctrica, instalada en Berlín con una potencia de 250 kW y la primera prueba en Europa. Pronto, la tercera central eléctrica de 250 kW de Ballard se instaló en Suiza para realizar pruebas de campo en septiembre de 2000, y luego, en junio de 2000, a través de su socio EBARA Ballard, se instaló una cuarta central eléctrica de pila de combustible en NTT Corporation en Japón, abriendo el mercado asiático. . Las pruebas en diferentes áreas facilitarán enormemente la comercialización de centrales eléctricas de pilas de combustible. La primera central eléctrica comercial finalizará el 38 de mayo de 2006. La siguiente imagen muestra el dispositivo de pila de combustible Ballard instalado en Cinergy en Estados Unidos y que actualmente se está probando. La imagen muestra la central eléctrica de pila de combustible PEMFC de 250 kW instalada en Berlín: PlugPower es la mayor empresa de desarrollo de pilas de combustible con membrana de intercambio de protones en Estados Unidos. Su objetivo es desarrollar y fabricar sistemas de pilas de combustible económicos, adecuados para residentes y automóviles. En 1997, el módulo PlugPower convirtió con éxito la gasolina en electricidad por primera vez. Recientemente, PlugPower desarrolló su producto patentado PlugPower7000, un sistema de suministro de energía distribuida para uso residencial. Producto comercial lanzado a principios de 2001. La introducción de pilas de combustible en los hogares supondrá un desafío para las plantas de energía nucleares y de gas. Para promover este producto, PlugPower y GEMicroGen establecieron una empresa conjunta en febrero de 1999. El producto pasó a llamarse GEHomeGen7000 y GEMicroGen fue responsable de la promoción global. El producto proporcionará 7kW de potencia continua. GE/Plug afirmó que su precio a principios de 2001 era de 1.500 dólares EE.UU./kW. Predicen que en cinco años, el precio de las pilas de combustible producidas en masa caerá a 500 dólares el kW.
Suponiendo que haya 200.000 hogares, cada uno equipado con equipos de generación de energía de pilas de combustible de 7 kW, el total se aproximará a la capacidad de las unidades de energía nuclear. Este sistema de generación de energía distribuida se puede utilizar para el suministro de energía pico y aumenta la estabilidad de la energía debido al diseño del sistema distribuido. Incluso si algunos de ellos fallan, todo el sistema de generación de energía aún puede funcionar con normalidad. Impulsados por Ballard, muchos fabricantes de automóviles participan en el desarrollo de vehículos de pila de combustible, como Chrysler, Ford, General Motors, Honda, Nissan, Volkswagen y Volvo. Muchas de las pilas de combustible que utilizan son fabricadas por Ballard Corporation. Al mismo tiempo, también invierten mucho dinero en la investigación y el desarrollo de pilas de combustible. Chrysler Corporation inyectó recientemente 450 millones de dólares canadienses a Ballard Corporation para desarrollar vehículos de pila de combustible, lo que ha promovido en gran medida el desarrollo de PEMFC. En 1997, Toyota construyó un automóvil deportivo RAV4 equipado con un reformador de metanol, que proporcionaba 50 kW de energía a partir de una pila de combustible de 25 kW y una pila seca auxiliar, con una velocidad máxima de 125 km/h y una autonomía de 500 km. En la actualidad, estas grandes empresas automovilísticas tienen planes de desarrollo de pilas de combustible. Aunque aún no ha llegado el momento para la comercialización de vehículos de pila de combustible, varias empresas han fijado calendarios para su producción en masa. Daimler-Benz anunció que para 2004 producirá 40.000 vehículos de pila de combustible al año. Por tanto, es muy probable que en los próximos diez años haya 100.000 vehículos de pila de combustible. PEMFC es una nueva pila de combustible prometedora. Después de casi 20 años de desarrollo desde principios de la década de 1980 hasta el presente, las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones han experimentado cambios trascendentales. Este cambio se puede observar en la evolución de su electrodo de membrana. El electrodo de membrana es el corazón electroquímico de PEMFC. Es precisamente debido a sus cambios que PEMFC muestra una gran vitalidad en la actualidad. Los primeros electrodos de membrana se fabricaban mezclando directamente negro de platino con partículas de tefión con funciones impermeables y adhesivas, y luego presionándolos en caliente sobre la membrana de intercambio de protones. La capacidad de carga de Pt es de hasta 10 mg/cm2. Posteriormente, para mejorar la tasa de utilización de Pt, se utilizó catalizador Pt/C, pero la tasa de utilización de Pt todavía era muy baja. Hasta mediados de la década de 1980, la carga de Pt de los electrodos de membrana PEMFC todavía era de 4 mg/cm2. A mediados y finales de la década de 1980, el Laboratorio Nacional de Los Alamos (LANL) en los Estados Unidos propuso un nuevo método para combinar Pt. /C electrodos de difusión de gas porosos. Se impregna con una solución de polímero de intercambio de protones Nafion y luego se presiona en caliente sobre la membrana de intercambio de protones para formar un electrodo de membrana. Este método mejora en gran medida la tasa de utilización del platino y reduce la carga de platino del electrodo de membrana a 0,4 mg/cm2. En 1992, LANL mejoró este método y la carga de Pt del electrodo de membrana se redujo aún más a 0,13 mg/cm2. En 1995, el Centro Indio para la Investigación de Energía Electroquímica (CEER) utilizó un método de impregnación por pulverización para preparar una carga de Pt de 0,1. Electrodo de membrana mg/cm2 con buen rendimiento. Se informa que en algunas celdas individuales probadas por LANL, la carga de platino en el electrodo de membrana se ha reducido a 0,05 mg/cm2. La reducción de la carga de platino en los electrodos de membrana puede reducir directamente el coste de las pilas de combustible y crear las condiciones para su comercialización. Pila de combustible de carbonato fundido (MCFC) A principios de la década de 1950, la pila de combustible de carbonato fundido (MCFC) atrajo la atención mundial debido a sus perspectivas como dispositivo civil de generación de energía a gran escala. Desde entonces, MCFC se ha desarrollado rápidamente y los materiales, procesos y estructuras de la batería han mejorado enormemente. Sin embargo, la vida útil de la batería no es la ideal. En la década de 1980, se consideró la segunda generación de pilas de combustible y se convirtió en el principal objeto de investigación para la realización de centrales eléctricas de pilas de combustible comerciales de nivel de megavatios en un futuro próximo. La velocidad de su desarrollo se está acelerando. Actualmente, los principales desarrolladores de MCFC se concentran en Estados Unidos, Japón y Europa Occidental. Se espera su comercialización en 2002. El Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) asignó el año pasado 44,2 millones de dólares para la investigación sobre centrales eléctricas de pilas de combustible estacionarias, de los cuales 2/3 se utilizarán para el desarrollo de MCFC y 1/3 para el desarrollo de SOFC.
El desarrollo de la tecnología MCFC en los Estados Unidos siempre ha estado a cargo principalmente de dos empresas importantes, ERC (Energy Research Corporation) (ahora FuelCell Energy Inc) y M-C Power. Construyen reactores MCFC de diferentes maneras. Ambas empresas han entrado en la fase de demostración de campo: ERC1996 ha realizado pruebas empíricas en una central eléctrica MCFC de 2 MW en Santa Clara, California, y actualmente está buscando sitios para probar equipos de 3 MW. Las pilas de combustible MCFC de ERC se reforman sin gas combustible en la pila y no tienen un reformador independiente. Según los resultados de las pruebas, ERC rediseñó la batería y la cambió a una pila de celda única de 250 kW en lugar de la pila de batería original de 125 kW, de modo que el MCFC de 3 MW se pueda instalar en un sitio de 0,1 acre, lo que reduce los costos de inversión. Se espera que ERC proporcione equipos de 3 MW con un costo de equipo de 1200 dólares/kW. Esto se acerca al costo del equipo de un pequeño generador de turbina de gas de $65 438 0000/kW. La eficiencia de la pequeña generación de energía a gas es de sólo 30, y existen problemas con las emisiones de escape y el ruido. Mientras tanto, la empresa estadounidense M-CPower ya ha probado un dispositivo de 250 kW en la Estación Aérea Naval de San Diego, California, y ahora planea probar y mejorar un dispositivo de 75 kW en el mismo lugar. M-CPower está desarrollando módulos de 500 kW y planea iniciar la producción en 2002. La investigación japonesa sobre MCFC comenzó con el “Proyecto Moonlight” en 1981 y se centró después de 1991. Las pilas de combustible cuestan entre 12.000 y 15.000 millones de dólares al año, y el gobierno añadió 200 millones de dólares adicionales en 1990. La potencia de la batería era de 1 kW en 1984 y de 10 kW en 1986. Japón estudia tanto la tecnología de conversión interna como la de conversión externa. El MCFC de conversión interna indirecta de 30 kW se puso en funcionamiento a prueba en 1991. 1992 Operación de prueba de 50-100kW. En 1994, Hitachi e Ishikawa completaron dos MCFC de 100 kW con un área de electrodo de 1 m2, respectivamente, y los transformaron bajo presión. Además, en la central térmica de Kawagoe se está instalando un MCFC fuera de reforma de 1 MW producido por Chuo Electric Power Co., Ltd. Se prevé que cuando se utilice gas natural como combustible, la eficiencia termoeléctrica será superior a 45 y la vida útil será superior a 5.000 horas. El MCFC de 30 kW reformado internamente y desarrollado por Mitsubishi Electric y la empresa estadounidense ERC ha estado funcionando durante 10.000 horas. horas Sanyo también ha desarrollado un MCFC integral reformado internamente. En la actualidad, Ishikawashima Harima Heavy Industries tiene la pila de pilas de combustible MCFC más grande del mundo, con una vida útil de prueba de 13.000 h·h. Para promover la investigación y el desarrollo de MCFC, Japón creó la Asociación de Investigación MCFC en 1987, que es responsable de. la operación de la pila de combustible y los equipos periféricos de la planta de energía y la investigación de tecnología de sistemas, agregando ahora 14 unidades, convirtiéndose en la principal fuerza de investigación y desarrollo en Japón. Europa formuló el Plan 1 Julio ya en 1989, con el objetivo de establecer centrales eléctricas de "segunda generación" con menos contaminación ambiental, instalación dispersa y 200 MW de potencia, incluidos tres tipos: MCFC, SOFC y PEMFC, y asignar tareas a varios países. La investigación sobre MCFC se ha realizado principalmente en los Países Bajos, Italia, Alemania, Dinamarca y España. La investigación sobre MCFC en los Países Bajos comenzó en 1986, y la pila de baterías de nivel 1kW se desarrolló en 1989; el tipo de batería de conversión externa de nivel 10kW y la pila de baterías de tipo conversión interna de nivel 1kW se probaron en 1992, y la gasificación del carbón y la gasificación del carbón. fueron probados en 1995. Italia comenzó a implementar el plan nacional de investigación MCFC en 1986 y desarrolló una batería de 50-100 kW en 1992-94. La empresa italiana Ansodo firmó un acuerdo con la Corporación Financiera Internacional sobre tecnología MCFC y ha instalado un conjunto de equipos de producción automatizados de una sola celda (área de 1 m2) con capacidad de producción anual. La empresa alemana MBB completó la investigación y el desarrollo de la tecnología de conversión externa de 10 kW en 1992. Con la ayuda del ERC, entre 1992 y 1994 se llevaron a cabo pruebas de fabricación y funcionamiento de paquetes de baterías de 100 kW y 250 kW. MBB ahora tiene la batería de 280 kW más grande del mundo.
Los datos muestran que la MCFC tiene ventajas únicas en comparación con otras pilas de combustible: a. La eficiencia de generación de energía es mayor que la de la PAFC. b. No requiere platino costoso como catalizador y el costo de fabricación es bajo. como combustible debido a la temperatura de funcionamiento del MCFC, la temperatura es de 600 a 1000 ℃ y el gas emitido puede usarse para calefacción o combinarse con una turbina de vapor para generar electricidad; Si se combinan calor y energía, la eficiencia se puede aumentar a 80. e. Comparando varios métodos de generación de energía, cuando el índice de carga es superior a 45, el sistema de generación de energía MCFC tiene el costo más bajo. En comparación con el PAFC, aunque la inversión inicial del MCFC es mayor, el costo del combustible del PAFC es mucho mayor que el del MCFC. Cuando el sistema de generación de energía es pequeño y mediano, la economía de MCFC es más prominente y la estructura de MCFC es más simple que la de PAFC. Pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) Las SOFC consisten en un electrolito alimentado por cerámicas como la circona estabilizada con itria (YSZ) y electrodos de combustible y aire alimentados por materiales porosos. El oxígeno en el aire se oxida en la interfaz del electrodo de aire/electrolito, se mueve hacia el lado del electrodo de combustible en el electrolito bajo la acción de la diferencia de oxígeno entre el aire y el combustible, y reacciona con hidrógeno o monóxido de carbono en la interfaz del electrolito del electrodo de combustible para generar vapor de agua o dióxido de carbono y liberan electrones. Los electrones pasan por el circuito externo y regresan nuevamente al electrodo de aire, y se genera electricidad. Las características de SOFC son: dado que opera a alta temperatura (600-1000°C), al configurar un ciclo inferior, puede obtener generación de energía de alta eficiencia con una eficiencia de más del 60%. Debido a que los iones de oxígeno se mueven en el electrolito, el CO y el gas de gasificación del carbón también se pueden utilizar como combustible. Debido a que todos los materiales del cuerpo de la batería son sólidos, no hay evaporación ni flujo de electrolito. Además, el electrodo de combustible y el electrodo de aire no se corroerán. l La temperatura de funcionamiento es alta y se puede realizar modificación interna del metano y otros materiales. En comparación con otras pilas de combustible, el sistema de generación de energía es simple y se espera que se desarrolle desde equipos de pequeña capacidad hasta equipos de gran escala y tenga una amplia gama de usos. En el campo de las centrales eléctricas fijas, las SOFC tienen ventajas evidentes sobre las PEMFC. Las SOFC rara vez necesitan manejar combustible. El reformado interno, la integración interna del calor y los colectores internos simplifican el diseño del sistema, y las SOFC, las turbinas de gas y otros equipos también pueden llevar a cabo fácilmente una cogeneración eficiente de calor y energía. La siguiente imagen es la primera central eléctrica híbrida SOFC y turbina de gas del mundo desarrollada por Siemens Westinghouse. Instalado en la Universidad de California en mayo de 2000, la potencia es de 220 kW y la eficiencia de generación de energía es de 58. En el futuro, la eficiencia de generación de energía de SOFC/turbina de gas alcanzará 60-70. La SOFC se denomina pila de combustible de tercera generación y se encuentra bajo investigación y desarrollo activo. Es uno de los nuevos métodos de generación de energía emergentes. Estados Unidos es el primer país del mundo en investigar las SOFC, en el que Westinghouse Electric Company desempeñó un papel particularmente importante y se convirtió en la institución más autorizada en la investigación de las SOFC. Ya en 1962, Westinghouse Electric Company utilizó metano como combustible para obtener corriente en un dispositivo de prueba de SOFC y señaló que el combustible de hidrocarburos debe completar dos procesos básicos de conversión catalítica y reacción electroquímica en SOFC, sentando las bases para el desarrollo de SOFC. En los 10 años siguientes, la empresa cooperó con OCR para conectar 400 electrolitos cilíndricos pequeños de ZrO_2-Cao y produjo una batería de 100 W, pero esta forma no era adecuada para grandes dispositivos de generación de energía. Después de la década de 1980, con el fin de desarrollar nuevas fuentes de energía y aliviar la crisis energética causada por la escasez de recursos petroleros, la investigación de las SOFC se ha desarrollado vigorosamente. Westinghouse Electric Company de Estados Unidos aplicó la tecnología de deposición electroquímica de vapor al proceso de preparación de películas de electrodos y electrolitos SOFC, reduciendo el espesor de la capa de electrolito al nivel de micras, mejorando significativamente el rendimiento de la batería, abriendo así un nuevo capítulo en Investigación SOFC. Una nueva página. A mediados y finales de la década de 1980, comenzó a investigar paquetes de baterías SOFC de alta potencia. En 1986, se operó con éxito una batería SOFC tubular de 400 W en Tennessee. En 1987, las compañías de gas de Tokio y Osaka instalaron respectivamente grupos electrógenos SOFC de flujo cruzado de 3 kW y realizaron con éxito 5.000 horas de pruebas de funcionamiento continuo, lo que marcó la transición de la investigación sobre SOFC de la investigación experimental a la comercialización. En la década de 1990, la organización DOE continuó invirtiendo más de 64 millones de dólares en Westinghouse Electric Company, con el objetivo de desarrollar altas tasas de conversión y grupos electrógenos SOFC de 2 MW. En 1992, dos SOFC tubulares de 25 kW operaron durante miles de horas en Osaka, Japón y el sur de California, Estados Unidos.
A partir de 1995, Westinghouse Electric Company utilizó electrodos de aire como tubos de soporte, reemplazando los tubos de soporte originales de ZrO2 estabilizados con CaO, simplificando la estructura de SOFC y aumentando la densidad de potencia de la batería casi tres veces. La empresa construyó un sistema SOFC tubular de 100 kW para la empresa holandesa de servicios públicos, con una tasa de utilización de energía total de 75, y se ha puesto oficialmente en uso. Siemens Westinghouse ha anunciado que pronto construirá dos centrales eléctricas de demostración SOFC de 250 kW cerca de Toronto, Noruega y Toronto, Canadá. La siguiente imagen muestra la central eléctrica de demostración SOFC instalada por Westinghouse en los Países Bajos. Puede proporcionar 110kW de electricidad y 64kW de calor, con una eficiencia de generación de energía de 46 y un tiempo de funcionamiento de 14000h·h.. Comentario de este párrafo del editor de la pila de combustible
La pila de combustible debe Utilice combustible gaseoso con buena fluidez cuando trabaje. El hidrógeno se utiliza en pilas de combustible de baja temperatura, y el gas natural y el gas de carbón se pueden utilizar directamente en pilas de combustible de alta temperatura. ¿Cuáles son las perspectivas para este combustible? China es muy rica en reservas de gas natural, con reservas terrestres probadas de 1,9 billones de m3. Los expertos creen que las reservas probadas de gas natural de China ascienden a 30 billones de metros cúbicos. China también aprovechará los abundantes recursos de gas natural de los países vecinos. La Siberia occidental rusa tiene reservas probadas de gas natural de 38,6 billones de metros cúbicos y puede suministrar entre 20 y 30 mil millones de metros cúbicos de gas a China cada año. La Siberia oriental de Rusia tiene reservas probadas de gas natural de 313 billones de m3 y puede suministrar entre 10 y 20 mil millones de m3 de gas a China cada año. Las reservas probadas de gas natural en el Lejano Oriente ruso y Sajalín ascienden a 1 billón de m3, lo que puede suministrar más de 100 millones de m3 de gas al noreste de China cada año. Kazajstán, Uzbekistán y Turkmenistán en Asia Central tienen reservas probadas de gas natural de 6,77 billones de metros cúbicos y pueden suministrar 30 mil millones de metros cúbicos de gas externo. China planea tender 9.000 kilómetros de gasoductos para 2010, lo que se espera que forme un patrón de "dos verticales, dos horizontales, cuatro centros y cinco depósitos de gas" para formar un sistema confiable de suministro de gas. Dos de ellas son líneas troncales de transmisión de gas norte-sur, a saber, la línea troncal Sakhalin-Daqing-Shenyang y la línea troncal Irkutsk-Beijing-Rizhao-Shanghai. En la actualidad, la capacidad de producción de China es de aproximadamente 30 mil millones de m3/a, 70 mil millones de m3 en 2010 y de 1.000 a 1,1 billones de m3 en 2020. El componente principal del gas natural es el CH4 (alrededor del 90%), que tiene un alto poder calorífico (8600 ~ 9500 kcal por metro cúbico de gas natural) y es fácil de transportar. El transporte por tuberías en un radio de 3.000 kilómetros es económico. En el último medio siglo, la mayoría de los países del mundo han completado la transición de la era del carbón a la era del petróleo lo antes posible y están pasando a la era del petróleo y el gas. Por ejemplo, en 1950 el carbón representaba el 57,5% de la estructura energética mundial, mientras que en 1996 cayó al 26,9%, el gas natural el 23,5%, el petróleo el 39% y ambos el 63%. Según las actuales previsiones de consumo del sector energético, el petróleo sólo durará otros 20 años, mientras que el gas natural durará 100 años. Por eso, el siglo XXI se denomina "siglo del gas natural". La industria energética de China también se mantendrá al día con las tendencias mundiales del consumo de energía. Además, debido a las necesidades de protección del medio ambiente y la promoción de la tecnología IGCC, la tecnología de equipos de gasificación de carbón a gran escala ha superado la norma. Según los expertos en el campo del carbón, la tecnología actual puede convertir completamente el carbón en hidrógeno y la eficiencia de conversión puede alcanzar el 80%. Proporcionar pilas de combustible como combustible es mucho más eficiente que las centrales térmicas tradicionales.
Ahorro en la edición de este párrafo
Las pilas de combustible son un método de aprovechamiento energético que poco a poco está mejorando. Sus inversiones están disminuyendo. El precio comercial actual en el extranjero de las PEMFC de China es de 65.438 dólares EE.UU./kW, y el precio de las PAFC es de 3.000 dólares EE.UU./kW. China Fuyuan Company anunció que el precio para que PEMFC acepte pedidos es de 10.000 yuanes/kW. Actualmente no existen productos comerciales para otras pilas de combustible en China. En comparación con la inversión en energía térmica convencional, la generación de energía con pilas de combustible debe considerar no solo la inversión en energía, sino también la inversión en transmisión y distribución de energía a larga distancia, el consumo de energía de la planta, el consumo de energía de transmisión y la eficiencia de los dos dispositivos de conversión de energía. De esta forma, la inversión global de las grandes centrales térmicas asciende a entre 13.000 y 15.000 yuanes por kilovatio. Generar electricidad consume más del doble de combustible que las pilas de combustible.
Según el precio de mercado más bajo actual del gas natural en China (el precio de mercado en el lugar de origen es 1 yuan/m3), cuando el tiempo de generación de energía supere las 70.000 horas, la generación de energía con pilas de combustible será más económica que los motores térmicos tradicionales. En los proyectos reales de generación de energía, la generación de energía con motores térmicos tradicionales también debe considerar los problemas de las grandes áreas y la fuerte contaminación ambiental. A medida que la tecnología de generación de energía con pilas de combustible siga mejorando, los costos seguirán disminuyendo, especialmente después de la producción a gran escala. Hay motivos para creer que este método de generación de energía supondrá un desafío para la generación de energía con motores térmicos tradicionales en un futuro próximo.
Editar este párrafo perspectiva
China es rica en recursos de tierras raras y tiene condiciones muy favorables para el desarrollo de la tecnología MCFC y SOFC. MCFC y SOFC utilizan gas natural y gas purificado como combustible para generar electricidad con una eficiencia de hasta 55 a 65. También pueden proporcionar calor residual de alta calidad para la generación de energía de ciclo combinado y son excelentes centrales eléctricas regionales. Cuando se combina con calor y energía, la tasa de utilización del combustible llega al 80%. Los expertos creen que su relación con varias centrales eléctricas de gran escala es bastante similar a la relación entre las computadoras personales y las computadoras centrales de gran escala. Las dos se complementan entre sí. En el siglo XXI, esta tecnología de generación de energía regional, eficiente y respetuosa con el medio ambiente puede convertirse en un importante método de suministro de energía. Recientemente, Japón propuso popularizar la aplicación de las pilas de combustible para 2010 y recomendó a los países desarrollados de Europa y Estados Unidos que formularan normas de seguridad y especificaciones generales. A medida que sus costos de producción disminuyan, las celdas de combustible también se desarrollarán rápidamente en China, lo que planteará un desafío favorable a la generación de energía con motores térmicos tradicionales. Se espera que su impacto en el sistema energético sea el siguiente:
Aumento de la capacidad de reducción de picos
Se ha comercializado PEMFC que utiliza hidrógeno como combustible y pilas de combustible extranjeras de 3kW, 5kW y 7kW. Se ha comercializado calor y energía combinados que están llegando a los hogares, y cientos de pilas de combustible de kW están llegando a hoteles, restaurantes, centros comerciales y otros lugares. Estos equipos de energía, al igual que los pequeños equipos de generación de energía fotovoltaica, pueden generar electricidad de forma independiente o estar conectados a la red eléctrica. Para obtener combustible de hidrógeno, actualmente se añade un reformador de combustible antes de la pila de combustible de hidrógeno impuro. Según los expertos, se ha logrado un gran avance en la tecnología de almacenamiento de hidrógeno utilizando nanotubos de carbono. Con el desarrollo de la comercialización, generar electricidad en casa será tan conveniente como utilizar una estufa de gas y un tanque de gas juntos. Comprar un depósito de hidrógeno puede generar electricidad durante varios meses (3 kg de hidrógeno pueden permitir que un coche medio recorra 500 km). Cuando hay carbón disponible
Ahorro en costes de construcción de la red de distribución
Hay muchos pueblos e islas remotas de montaña en nuestro país, que están lejos o al final de la red eléctrica y no No consume mucha electricidad. Desde una perspectiva comercial, no es rentable instalar líneas de alto voltaje, pero sin ellas es difícil lograr el objetivo de electrificar todas las aldeas. El uso de pilas de combustible, el uso de gas de biomasa local como combustible, combinado con energía eólica y solar local, puede satisfacer las necesidades eléctricas locales a largo plazo. Esto puede hacer que la inversión sea más razonable y mejorar los beneficios económicos de la red eléctrica.
Mejorar la seguridad de la red eléctrica
La red eléctrica utiliza transmisión de alto voltaje a larga distancia para transportar energía hidroeléctrica desde áreas montañosas remotas y energía térmica desde pozos, intersecciones y Haikou hasta centros de carga. Numerosos accidentes en la red eléctrica en el país y en el extranjero en los últimos años han demostrado que este sistema es a menudo muy frágil ante desastres naturales como terremotos, inundaciones, fuertes lluvias, hielo y nieve, rayos, etc. Las pilas de combustible descentralizadas agregadas a la red mejorarán enormemente la seguridad de la red. Cuando se disparan las fuentes de alimentación de carga base de larga distancia, las pilas de combustible pueden desempeñar un papel de apoyo en la red eléctrica para garantizar las necesidades energéticas de usuarios importantes. Con el avance de las tecnologías MCFC y SOFC, el tendido de gasoductos naturales y la solución de la tecnología de gasificación del carbón a gran escala, la gente verá que para los sistemas de energía a gran escala que utilizan energía fósil, la transmisión de energía a larga distancia se cambiará a larga distancia. -transmisión de gas a distancia, y la carga será más económica y segura utilizar una combinación de pilas de combustible grandes, medianas y pequeñas para el suministro de energía y la calefacción en las cercanías.
Gestión de la red
La generación de energía con pilas de combustible aumentará la complejidad de la gestión. En primer lugar, las pilas de combustible son de CC y deben convertirse en red, por lo que será necesario controlar los armónicos; en segundo lugar, la gestión de precios. Cada pequeño sistema intercambia electricidad con la red eléctrica y requiere una gestión de precios razonable. Esto es lo mismo que otras nuevas fuentes de energía (como la energía solar, la energía eólica y la generación de energía a partir de biomasa), que requieren una pequeña cantidad de electricidad y una gran cantidad de gestión.