El hidrógeno permite transportar y almacenar energía, y se considera ahora un eje de desarrollo importante para nuestra futura combinación energética.
En los territorios insulares, tiene sentido su producción local a partir de recursos renovables. Más allá del eje de la producción de electricidad a partir del hidrógeno almacenado potencialmente durante largos periodos, actualmente estamos desarrollando un sistema que también permitiría la producción simultánea de frío.
El objetivo es, por tanto, desarrollar un sistema autónomo que proporcione electricidad y aire acondicionado a una vivienda o centro de servicios situado en una isla. El sol es la principal fuente de energía: la energía eléctrica producida por los paneles fotovoltaicos se utiliza directamente o se almacena en baterías para necesidades a corto plazo, o en forma de hidrógeno para necesidades a largo plazo.
Cuando se necesita electricidad, se utiliza una pila de combustible de hidrógeno: el hidrógeno reacciona con el oxígeno del aire de forma controlada. Por tanto, esta reacción produce electricidad, pero también agua y calor, ya que es “exotérmica”.
Este calor (así como el producido durante la reacción de electrólisis del agua en la fase de almacenamiento) puede almacenarse, lo que permite utilizarlo posteriormente para transformarlo en frío, sin necesidad de ningún aporte energético externo. El “reactor termoquímico” está integrado en una bomba de calor convencional, y todo el sistema está diseñado para permitir la optimización funcional en todas las condiciones de funcionamiento, en presencia y en ausencia de energía solar.
El reto energético en las zonas remotas
En la mayoría de las regiones, las redes de energía están interconectadas para mejorar su estabilidad. A escala europea, por ejemplo, esto permite equilibrar una región en la que hay un excedente de producción eléctrica (mucha eólica, por ejemplo) con regiones en las que hay un déficit momentáneo de producción.
Las regiones aisladas, y en particular las islas, son un caso especial, ya que por naturaleza están aisladas de las redes continentales. Por ello, estas regiones tienen sistemas de gestión de la energía muy específicos, y pueden gestionarse mediante “microrredes aisladas”. Este aislamiento de las redes eléctricas limita considerablemente la tasa de penetración de las energías intermitentes, como la solar y la eólica, por ejemplo.
La idea de almacenar la electricidad producida por energías renovables intermitentes utilizando el vector hidrógeno en estas microrredes no es nueva. La originalidad reside en el acoplamiento de los tres vectores electricidad, calor e hidrógeno para la trigeneración: producción de electricidad, producción de calor y/o producción de frío. Este enfoque debería permitir aumentar el rendimiento energético de las pilas de combustible y los electrolizadores de agua, y en general de todo el sistema, al recuperar el calor producido durante las reacciones electroquímicas.
Nuestro sistema se diseñó, construyó, optimizó y probó por primera vez en Belfort. A continuación, se transportó en contenedores y se envió a Tahití. Cuando llegó a principios de 2021, se instaló en la Universidad de la Polinesia Francesa, en el laboratorio del GEPASUD, para las fases de prueba y evaluación operativa del sistema en condiciones reales. Tahití es una isla y un lugar tropical, donde el recurso solar es abundante durante todo el año, pero se caracteriza por una gran intermitencia y donde el aire acondicionado representa una proporción importante del consumo total de electricidad.
La variedad de tecnologías de almacenamiento, clave para un sistema resistente
Para compensar la fluctuación de la energía intermitente, los elementos de almacenamiento son esenciales. Las técnicas de almacenamiento son muy variadas y se caracterizan por su naturaleza (eléctrica, química, mecánica, térmica en particular) y por sus prestaciones en términos de eficacia, capacidad de almacenamiento, tiempos de carga/descarga y de reacción, vida útil, autonomía y rendimiento de la inversión. La diversidad de especificaciones es tal que no existe un sistema de almacenamiento “ideal”.
Frente a las limitaciones de los sistemas de almacenamiento térmico y eléctrico existentes, en este proyecto RECIF se explora un nuevo enfoque científico que propone la definición y optimización de un sistema complejo que integra varios componentes con características diferentes y complementarias. Los procesos de almacenamiento termoquímico, las pilas de combustible y los electrolizadores acoplados al almacenamiento de hidrógeno son soluciones innovadoras y prometedoras en este contexto.
Los procesos termoquímicos son especialmente relevantes para el almacenamiento/producción de frío debido a su flexibilidad de funcionamiento y a su alta densidad energética efectiva de almacenamiento. Dichos procesos se basan en reacciones químicas reversibles sólido/gas, es decir, pueden realizarse en ambos sentidos en función de las condiciones de funcionamiento. En definitiva, permiten almacenar energía térmica o mecánica en forma de potencial químico para permitir la producción directa y diferida de frío.
Así, es posible aprovechar la energía térmica liberada por las reacciones electroquímicas existentes dentro de las pilas de combustible y los electrolizadores, con el objetivo último de aumentar significativamente su “eficiencia energética” (más amplia que la “eficiencia energética” por sí sola, ya que también incluye las nociones de reciclabilidad y análisis del ciclo de vida).
Un sistema de inteligencia artificial controla los flujos de energía dentro de todo el sistema, integrando la previsión del recurso solar y la demanda de electricidad y refrigeración en diferentes momentos. El objetivo de esta herramienta de gestión, actualmente en desarrollo, es aprovechar al máximo las características de cada subsistema, con el fin de maximizar la eficiencia energética y económica y la sostenibilidad.