En algunos países hay en la actualidad abundantes reservas de gas natural. Se recurre en ellos cada vez con mayor frecuencia a la generación eléctrica por ciclo combinado en virtud del bajo costo, comparado con otras formas de generación, inclusive la hidroeléctrica. La Argentina es uno de esos países; los precios monómicos son del orden de los u$s 0,025, mientras que los de la generación hidroeléctrica son del orden de los u$s 0,030. Otros países del hemisferio, Brasil entre ellos, también se vuelcan a esta forma de generación, dejando atrás una larga tradición de generación hidroeléctrica.

El bajo precio del gas natural y la existencia de reservas importantes hacen aparecer como promisoria la alternativa de una generación descentralizada -domiciliaria- de electricidad, en los centros poblados que cuentan con una red de distribución de gas natural. Para que esto pueda ser realizado, es primordial disponer también de celdas de combustible, de potencias adecuadas, a precios competitivos.

El desarrollo de la industria automotriz ha hecho que la producción de estas celdas de combustible se encare en series importantes para los próximos años. Es dable pensar que las celdas tipo PEM (celdas de membrana permeable) serán productos comerciales con precios por debajo de los u$s 1.000 por kWhel dentro del primer quinquenio del 2000.

Esta variante de generación es doblemente interesante para países que, como la Argentina, disponen también de un potencial de energía eólica, a partir del cuál podrán generar hidrógeno en procesos de electrólisis a precios ventajosos. La red de distribución de gas natural podrá adaptarse a una distribución de hidrógeno en un futuro cercano y utilizar este gas para la alimentación de las celdas de combustible.

Se presenta a continuación una estimación de costos (u$s/kWh) de esta alternativa para el Gran Buenos Aires, en su fase de gas natural en la primera etapa (tanto para barrios existentes como futuros) y de gas hidrógeno posteriormente.

Primera Etapa

Todos los fabricantes de celdas de combustible para uso domiciliario plantean como combustible inicial el gas natural de red (con un PCI de 9290 Kcal/m³ en nuestro caso), y han orientado hacia esta aplicación los prototipos actualmente en ensayo, proponiendo la producción de equipos constituidos por un reformador (para obtener un gas de síntesis con alto porcentaje de H2 a partir del gas natural), un equipo para purificar el gas a aproximadamente 100%, la celda de combustible propiamente dicha, y un inversor para realizar la transformación de CC a CA).

Estos fabricantes, así como algunos investigadores especializados, coinciden en asignar a estas celdas una eficiencia eléctrica de alrededor del 40% (que incluye el rendimiento del inversor), y una eficiencia térmica de aproximadamente 45%, totalizando así un rendimiento general del 85%. Dado que la temperatura de operación de las PEM se encuentra cercano a los 80 ºC, la propuesta de operación consiste en generar electricidad en forma domiciliaria aprovechando la energía térmica obtenible para alguno de los consumos propios (calefacción, calentamiento de agua, etc.).

Se adoptan como promedio anual de consumo energético para una vivienda unifamiliar urbana los siguientes valores mensuales, a los costos indicados:

• Energía eléctrica: 350 kWh/mes = 0,15 u$s/kWh.
• Energía térmica: 400 m³ gas natural (PCI = 9300 Kcal/m³) = 0,15 u$s/m³.

A los precios indicados, que incluyen proporcionalmente los cargos fijos, los consumos considerados producen un costo mensual de energía de:

• Electricidad: u$s 52,50
• Gas: u$s 60,00
• Total: u$s 112,50

Se analiza el ahorro mensual que podría producirse si éste consumo eléctrico se abasteciese mediante autogeneración a partir de gas natural y equipos de celdas de combustible como los antes mencionados. El calor aprovechable generado en este proceso se descuenta del consumo de gas empleado para usos térmicos.

El esquema constructivo de un equipo es:

El gas natural se procesa en el reformador, obteniéndose 2m³ de H2 (PCS=3050 Kcal/m³) por cada m³ de gas ingresado. Este hidrógeno es consumido por la celda, por lo que la cantidad de energía eléctrica producida es igual al 40% del contenido energético del H2. Entonces: 1m³ gas natural= 2,84 kWh el.

En consecuencia, el consumo de gas que permite abastecer la demanda eléctrica mensual considerada (350 kWh) es de 123,5 m³ gas natural/mes.

La generación eléctrica en la celda produce también una cogeneración de calor equivalente al 45% del hidrógeno consumido, calor que puede ser íntegramente aprovechado para, por ejemplo, calentamiento de agua. Esto alcanza mensualmente el valor de: 338.266 Kcal/mes.

Para obtener el mismo calor neto en un termotanque de alta eficiencia (?=65%) alimentado a gas natural, deberían quemarse 56 m³ gas/mes que se restan al consumo de gas previamente considerado como exclusivo para usos térmicos. El consumo mensual final de gas natural ascendería entonces a 400m³ + 123,5m³ - 56m³= 467,5m³, con un costo de u$s 70,125, lo que significa para el usuario un ahorro mensual de u$s 50,00.

Las proyecciones de costos de las celdas son bastante coincidentes entre diferentes fabricantes. Plug Power estima para el año 2003 un costo inferior a los u$s 900/kWel para el sistema más costo de instalación. American Power, suponiendo que se alcance una producción mayor a 10.000 unidades/año, plantea, para un sistema tipo instalado de 3,5 kWel y 4,5 kWter un costo de u$s 5.000.

Estos precios incluyen, en ambos casos, el reformador de gas natural, el purificador y el inversor cc/ca. Se puede asumir entonces un costo aproximado del equipo de u$s 4.000 (Equipo de 3,5 kWel).

Para estos costos, con una tasa de interés preferencial, en el marco de algún programa gubernamental de promoción de ésta tecnología de bajo impacto ambiental, el ahorro obtenido en el consumo mensual de energía permitiría amortizar el equipo en un lapso de cinco años. La vida útil estimada es de diez años.

La aplicación de esta tecnología resultaría aún más atractiva en el caso de construcción de nuevas viviendas, donde al ahorro mensual neto debería sumársele el ahorro de instalación de la conexión a la red eléctrica. El costo de esta instalación se presenta en los cuadros superiores.

Si se analizara el costo de instalación de una celda en una vivienda nueva estos valores mejoran aún. Sin calcular el valor de los kWhte, se logran las siguientes diferencias como costo de instalación en dólares:

• Densidad 1: 4.000 - 2.535 = 2.465
• Densidad 2: 3.150 (a) - 2.141,25 = 1.008,75
• Densidad 3: 3.000 (b) - 2.002,50 = 997,50

(a) Considerando una celda de 7 kW compartida por dos viviendas, costo de u$s 900/kWel por reducirse el precio unitario por razones de escala.

(b) Idem anterior, con una celda única de 100 kWel (u$s 900/kWel), compartida entre treinta viviendas.

Segunda Etapa

Una segunda etapa en la aplicación de las celdas de combustible consistiría en alimentarlas directamente con hidrógeno obtenido a través de fuentes renovables, con lo cual se eliminaría completamente la emisión de contaminantes, ya que al prescindir del reformador cesaría la generación de dióxido de carbono. Para el caso de la República Argentina, la fuente primaria más probable a emplearse para la generación de hidrógeno es la energía eólica. El costo del hidrógeno gaseoso generado por electrólisis en la Patagonia y transportado por tuberías hasta los centros de consumo ya ha sido estudiado en trabajos previos. La red de transporte y distribución de gas natural hace factible al proyecto global desde el punto de vista técnico.

No obstante, los altos costos del hidrógeno transportado a la zona del Gran Buenos Aires, u$s 0,257/Nm³ con PCS 3.050 Kcal/m³, hacen que por el momento esta variable aún no es práctica. Debe contemplarse también la adaptación del sistema domiciliario gas natural al sistema gas hidrógeno.

Determinación del costo a los precios actuales del kWh domiciliario en este caso: Tomando para este mercado una relación costo/venta similar a la existente en el mercado eléctrico, se supone el precio del m3 de hidrógeno eolo-eléctrico producido en la Patagonia al consumidor domiciliario en el Gran Buenos Aires, en base a los trabajos citados, como de u$s 1,29. Con el comportamiento de las celdas similar al planteado para el caso de gas natural, resulta así un costo u$s 0,91/kWh. @

Ing. Erico Spinadel - AAEE Asociación Argentina de Energía Eólica, GENCo-FIUBA, EST-IESE, UNLu;
Ing. Sabas Luis Gracia Núñez - AAEE, EDESA, GENCo-FIUBA;
Ing. Jorge Maislin - AAEE, EST-IESE, WEN S.A.;
Ing. Reinhold Wurster - LBST Ludwig Bölkow Systemtechnik (Alemania);
Ing. Florencio Gamallo - AAEE, GENCO-FIUBA.
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