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ARIEMA

Proyecto SHAKY: uso del frío residual del GNL para el desarrollo de un almacén de congelación mediante pila de hidrógeno

El transporte marítimo del gas natural implica normalmente la licuefacción del gas en origen (Gas Natural Licuado, GNL) y su regasificación en el puerto de destino. Este proceso de cambio de estado necesita primero de la retirada y después del aporte del calor latente necesario; debido a las enormes cantidades de gas procesadas, estos flujos de calor son muy significativos. En la mayoría de las plantas de regasificación de GNL este frío se desperdicia e incluso en algunas ocasiones se quema parte del gas para aportar calor.

Diagrama de los flujos de calor en origen y destino del GNL

 

El proyecto SHAKY busca, por un lado, utilizar los excedentes de frío procedentes del GNL para desarrollar un novedoso tratamiento por congelación para producir hielo y ultra-congelar productos relacionados con la alimentación. Este proceso de congelación será inferior a los 10 minutos para alcanzar la total congelación del producto a una temperatura por debajo de los -35°C. Por otro lado, se pretende aprovechar parte de esta energía criogénica para conversión en otras formas de energía:

  • Se utilizará parte del frio para la destilación de agua dulce, pudiendo usar la misma durante distintas etapas del proceso. Para ello, se construirá un dispositivo que permitirá depurar el agua necesaria basándose en un método fundamentado en el ahorro energético.
  • Se utilizarán los excedentes de frío para producir hidrógeno mediante electrólisis y utilizarlo en un sistema de generación auxiliar basado en pila de combustible para vehículos de transporte refrigerado, a través de la transformación previa de esa energía térmica en eléctrica.

Esquema conceptual del excedente de frío

 

El principal carácter innovador de esta tecnología radica en aprovechar flujos térmicos preexistentes para obtener una ultra-congelación gracias a la regasificación de GNL en GN. El GNL se almacena en grandes cantidades a -160°C; y para regasificarlo se calienta usando, normalmente, vaporizadores de aire (Plantas Satélite) o vaporizadores de agua de mar (Plantas de Regasificación). Toda esa ingente cantidad de energía frigorífica (miles de GWh) es actualmente una energía residual, una energía que se pierde o que se “regala” al aire o al agua todos los días del año y durante todas las horas del día. El proyecto SHAKY pretende valorizar esta energía térmica promoviendo el acercamiento físico de empresas consumidoras de frío (naves de conservación y congelado, fábricas de hielo a nivel industrial, industria de la separación del aire como oxígeno y nitrógeno, industria del CO2  sólido o hielo seco, depuración de agua de mar, conservación de hemoglobina, district cooling, etc.) a las plantas de regasificación GNL.

Con este proyecto se fomenta un sistema energético seguro, sostenible y competitivo, cumpliendo con lo establecido en la Estrategia española de Ciencia, Tecnología e Innovación en materia de energía y con la estrategia Energía 2020, enmarcada en Europa 2020.

 

Actividades de Ariema

Generación de hidrógeno a partir de LNG ARIEMA se propone utilizar los excedentes de frío del LNG para producir hidrógeno mediante electrólisis. Para ello se utilizará la transformación de energía térmica procedente de la gasificación en eléctrica mediante un prototipo de ‘Organic Rankine Cycle’ (en adelante, ORC). El ciclo ORC funciona, a la inversa que un ciclo de refrigeración convencional, produciendo electricidad a la vez que enfría un foco caliente y calienta un foco frío. El calor disponible se utiliza en el evaporador del sistema ORC para calentar el fluido de trabajo. Cuando este fluido se ha vaporizado entra en el módulo de potencia y se expande en una turbina, cuyo eje hace funcionar un generador para producir electricidad. Es necesaria la acción de un condensador para devolver el fluido de trabajo a su fase líquida. Para impulsar el fluido de trabajo se emplea una bomba con rangos de potencia entre 10-30kW eléctricos y usando temperaturas de foco frío de entre -50°C y -150°C (a partir del LNG) y foco caliente de unos 100 a 150°C por encima de éstas.

A partir de la energía eléctrica obtenida se produce hidrógeno por electrólisis de agua. La unidad básica de electrolisis consiste en un stack o apilamiento de celdas, cada una de las cuales tiene un ánodo, un cátodo y electrolito, a la que se aplica una corriente eléctrica continua con el objeto de mantener el balance de la electricidad y hacer fluir los electrones del terminal negativo de la fuente de alimentación al cátodo. El electrolito utilizado puede ser ácido o alcalino, lo que determinará la tecnología de electrolizadores a emplear.

El coste de obtención del hidrógeno depende de forma directa del coste de la electricidad que se inyecte al electrolizador, por lo que la clave es utilizar energía de bajo coste. Se propone el almacenamiento de energía en hidrógeno usando directamente la energía obtenida del ORC para producir hidrógeno y almacenarlo en depósitos con un peso máximo de 25 kg para facilitar la carga manual.

Principio de funcionamiento de la máquina de recuperación térmica

 

Generación eléctrica en pilas de combustible de hidrógeno ARIEMA se propone el desarrollo de un sistema auxiliar de energía para vehículos de transporte refrigerado con pila de combustible usando el hidrógeno producido, y de otro sistema auxiliar para aumentar la autonomía de carretillas elevadoras utilizadas para el transporte de mercancías, diseñando así dos sistemas similares que valoricen el hidrogeno que se producirá a través del excedente de frío. El hidrógeno almacenado en los depósitos portátiles mencionados anteriormente será utilizado para alimentar los sistemas de pila de combustible a bordo de ambos tipos de vehículos.

La pila de combustible es un dispositivo que permite generar electricidad a partir de la energía química de un combustible con eficiencias muy superiores a los equipos convencionales, un 60% frente al 40% de un buen motor diésel lento. En la primera aplicación, el sistema de apoyo permitirá a vehículos diésel apagar los motores en las paradas sin comprometer la temperatura en la cámara refrigerada ni generar emisiones ni ruidos; en la segunda aplicación en desarrollo, el sistema de hidrógeno permitirá a carretillas eléctricas alargar sus ciclos de trabajo entre cargas y además acortar drásticamente el tiempo de repostaje.

Un elemento clave en el uso del hidrógeno con fines energéticos es el método de almacenamiento, capaz de acumular la producción para su uso posterior. De los diferentes sistemas para el almacenamiento de hidrógeno, aquellos que aportan mayor fiabilidad y suficientes garantías son: hidrógeno en forma de gas a presión, hidrógeno licuado (almacenamiento criogénico) y absorbido en un sólido como sucede en los hidruros metálicos. Algunos hidruros metálicos absorben y desorben hidrógeno a temperatura ambiente y a presión casi constante, un factor importante para el almacenamiento ya que evita un aumento indeseable de los requerimientos de energía y equipos soporte.

El proceso consiste en absorber el gas a baja temperatura y a una presión suficiente para que la aleación se hidrure completamente. Posteriormente se calienta para liberar el gas a una presión más elevada. Los recipientes de hidruros metálicos de alta capacidad deben poseer un sistema de control de temperatura para calentar y enfriar el material. Las temperaturas no deben de ser menores a 10 °C ni mayores a 100 °C para la absorción y desorción, respectivamente, en los hidruros más frecuentemente utilizados.

Entre las alternativas de almacenamiento de hidrógeno, la que cumple mejor con los requisitos impuestos a la aplicación de este proyecto es el almacenamiento en hidruros metálicos:  requiere escasos elementos auxiliares, es una tecnología flexible y experimentada, tiene un consumo energético mínimo, costes de operación y mantenimiento reducidos, capacidad de almacenamiento durante periodos prolongados de tiempo sin pérdidas, y operación en diferentes condiciones ambientales. Además, en esta aplicación la conexión electrolizador-almacenamiento de hidrógeno puede realizarse de forma directa, sin necesidad de comprimir el hidrógeno producido.

Implicaciones y futuro En el marco del proyecto SHAKY se han identificado varios sectores y subsectores con interés en materia de frío y de hidrógeno, principales productos valorizables del proyecto.

  • Sector industrial, con capacidad de valorización del frío.
    • Industria de producción y almacenamiento de hielo: cubitos, bloques y escamas.
    • Industrias de almacenamiento y transporte de mercancías refrigeradas (principalmente alimentos y/o medicamentos).
    • Industrias alimentarias de congelación y ultra-congelación de productos perecederos.
  • Sector industrial, con capacidad de valorización del hidrógeno y la energía eléctrica producida.
    • Las propias plantas de regasificación pueden ser usuarias de electricidad y del hidrógeno, en combinación con el gas natural.
    • Sector logístico y de transporte, para la valorización del hidrógeno en vehículos (coches, furgonetas, carretillas, etc).
    • Industrias usuarias de amoniaco, por ser la industria del amoniaco una de las principales consumidoras de hidrógeno. También aquí el proyecto crea sinergias, dado que el amoniaco en uno de los productos refrigerantes más utilizados.
  • Mercado gasista, como generador de excedentes de frío.
    • En el avance hacia la sostenibilidad de los procesos energéticos, la valorización de estos excedentes debe convertirse en una vertiente más en la concepción de este tipo de plantas. Tanto nuevos diseños como plantas existentes podrían aplicar los conceptos y experiencia generados en el Proyecto.
    • Existe la posibilidad de inyectar el hidrógeno en las redes existentes de gas natural, por lo que el proyecto contribuye a la familiarización de la infraestructura gasista con la tecnología del hidrógeno.
    • Existe incluso la posibilidad de producción de gas natural sintético a partir de hidrógeno y CO2, por lo que incluso en escenarios libres de combustibles fósiles, el comercio internacional de GNL y las plantas de regasificación podrían seguir en activo.
  • Mercado del hidrogeno, para su uso en múltiples aplicaciones.
    • El coste de producción del hidrógeno a partir de excedentes energéticos será muy bajo en algunos casos, favoreciendo su comercialización.
    • Las plantas de regasificación siempre se situarán en áreas industrializadas, por lo que gran parte del consumo sería cercano y el coste de transporte podría ser muy bajo o casi nulo.
Proyecto SHAKY: uso del frío residual del GNL para el desarrollo de un almacén de congelación mediante pila de hidrógeno Proyecto SHAKY: uso del frío residual del GNL para el desarrollo de un almacén de congelación mediante pila de hidrógeno Proyecto SHAKY: uso del frío residual del GNL para el desarrollo de un almacén de congelación mediante pila de hidrógeno
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