(Microsoft PowerPoint - Presentaci\363n de ESA ... - Enersystem

Celdas de combustible
para sistemas de
telecomunicaciones
Departamento de Ingeniería

Agenda
Sistemas de energía para
telecomunicaciones
¿Por qué celdas de combustible?
Grupos electrógenos vs. Celdas
Módulo de 5Kw
Información del fabricante
Componentes del sistema
Hidrógeno: calidad, costos
Funcionamiento a distintas temp.
Interface gráfica
Vistas de sistemas instalados
Departamento de Ingeniería

Sistemas de energía para
telecomunicaciones
El suministro de energía a un
sistema de telecomunicaciones no
puede interrumpirse por tratarse
de un servicio estratégico
Departamento de Ingeniería

Sistemas de energía para
telecomunicaciones
Normalmente, los sistemas de telecomunicaciones se
alimentan desde la red pública de CA por medio de un
conjunto de rectificadores
Cuando la red de CA se interrumpe, la energía es provista
por acumuladores electroquímicos, conectados en paralelo
con los rectificadores y los consumos
Sin embargo, y dependiendo de la autonomía requerida,
puede ser necesario incorporar un grupo electrógeno
En el caso particular de los sistemas de telefonía celular,
la necesidad de autonomías de hasta 24 horas es, cada vez
más, una exigencia de las autoridades
Departamento de Ingeniería

Sistema de energía ininterrumpida para
telecomunicaciones (con grupo electrogeno)
Red
Tablero de
transferencia
TTRG
Tablero
Distribución
TDCA
Aire Acond.
Balizamiento
Reserva
Iluminación de
emergencia
M
3N
Grupo
Electrógeno
Barra +
Barra -
~
=
~ =
~ =
TDCC
Equipos de
telecomunicaciones
Gasoil
Batería
24 o 48 VCC
Consumos
auxiliares
Departamento de Ingeniería

¿Por qué celdas de combustible en
sistemas de energía ininterrumpida
Una celda de combustible es un dispositivo electroquímico que
genera electricidad a través de un proceso en el que se combinan
hidrógeno y oxígeno. Si se la asocia con un convertidor electrónico de
potencia DC/DC, se convierte en un verdadero generador, equivalente
a un grupo electrógeno, pero que genera tensión continua en lugar de
alterna.
De esta manera, podemos plantearnos utilizarlo como una fuente
alternativa de energía a la red pública para los casos en que esta se
interrumpe.
La diferencia es que su punto de conexión será directamente sobre
las barras de tensión continua del sistema de energía
Departamento de Ingeniería

Sistema de energía ininterrumpida para
telecomunicaciones (con celda de combustible)
Red
Tablero
Distribución
TDCA
Aire Acond.
Balizamiento
Reserva
Iluminación de
emergencia
~
=
~ ~ = =
Barra +
Barra -
TDCC
Equipos de
telecomunicaciones
Celda de
combustible.
H2
Batería
24 o 48 VCC
Consumos
auxiliares
Departamento de Ingeniería

Algunas desventajas de los grupos
electrógenos
Requieren mantenimiento a intervalos
periódicos
Las partes mecánicas sufren desgaste y
deben ser reemplazadas
Provocan vibraciones y pueden requerir
un montaje especial para evitarlas
Generan gases contaminantes
Producen ruidos molestos aún cuando
se equipen con cabinas insonorizados
Requieren un tablero de transferencia
Departamento de Ingeniería

Algunas ventajas de las
celdas de combustible
No requieren de ningún mantenimiento programado
Las únicas partes móviles son ventiladores
con MTBF > 40.000 horas
Las horas totales de funcionamiento en
experiencias de campo, sin detenciones
ni fallas, ya pasan de 11.000
La eficiencia de conversión es de 50%,
aproximadamente (el resto es calor)
El funcionamiento es silencioso y no
generan gases de efecto invernadero ni
contaminantes. Solo agua
Se conectan directamente a las barras de CC
Departamento de Ingeniería

Componentes básicos del equipo
Celda individual
“Stack” de celdas
Departamento de Ingeniería

Datos preliminares
Diseñada y fabricada en Folshom,
California, por Altergy Inc.
Tecnología “PEM” (Proton Exchange
Membrane)
Módulo básico de 5Kw , constituido por
stack de celdas, convertidor DC/DC de 24 o
48V y sistema de ventilación
Posibilidad de conectar hasta 6 módulos
en paralelo, con reparto de carga (Ptotal =
30 Kw)
Fabricado en serie, en instalaciones
diseñadas para este propósito, utilizando
herramientas robotizadas
Sistema de 10 Kw
Departamento de Ingeniería

Primera línea automatizada en el mundo
para la producción de celdas PEM en serie
Departamento de Ingeniería

Línea de ensamble automatizada para
obtener altos volúmenes a bajo costo
12 robots SCARA, 5
aparejos y estaciones
de transferencia
4 mesas rotativas
60 m de cinta
transportadora
Prueba automatizada
de celdas en la línea
Capacidad de
producción de 12.000
unidades/año de 5 Kw
Departamento de Ingeniería

El módulo FCE de 5 kW con BIRC
(Built-In Re-Circulation “BIRC”)
Deflector de aire
Modulo
electrónico
de control
Conducto de salida
de aire
Deflector de aire
Fuel Cell Stack
Persianas modulantes
para salida de aire
Ventilador
Bomba
Conducto de aire
Control de flujo de hidrogeno
Departamento de Ingeniería

Módulo FCE de 5 Kw : dimensiones
V = 180 litros; Peso = 86 Kg
51cm
61cm
53 cm 68cm
Para permitir un adecuado flujo de aire se requieren 20 cm adicionales en el
frente y 12 cm por encima del módulo . De esta manera el espacio total
ocupado es de 63 cm del alto , 53 de ancho y 88 cm de profundidad.
Departamento de Ingeniería

Módulo de control y conexiones
Todas las conexiones eléctricas se realizan en el frente de la
unidad; esto facilita el acceso para control y mantenimiento
Display LCD
Encendido
Puertos de comunicación
Salida de potencia
LEDs de estado
Conexión USB
Carga batería
auxiliar interna
Departamento de Ingeniería

Entradas y
salidas de aire
Gabinetes para módulos y
tanques de hidrógeno
Techo protector del sol
Tanques de hidrogeno
Fuel Cell
Engine
(FCE)
Puerta frontal
Dimensiones: (cm)
66 (A) x 104 (P) x 183 (H)
Modulo de
baterías de
soporte
(TPM)
Departamento de Ingeniería

Gabinete: entradas/salidas de aire
El deflector de recirculación,
esta conectado con las
persianas de salida de aire, de
modo tal que solo requieren un
único servo mecanismo.
La altura mínima requerida
sobre el modulo electrónico de
control para forzar la
recirculación es de 12cm.
Este diseño utiliza la altura
disponible para minimizar la
profundidad de las entradas de
aire.
De requerirse se puede
modificar el layout para
agregar otros componentes.
Modulo electrónico
de control
Puerta frontal
Fuel Cell
Engine (FCE)
Stack de celdas
de hidrogeno
Deflector de
recirculación
Salida de aire
Persianas de
entrada de
aire
Persianas de
salida de aire
Modulo de baterías
de soporte (TPM)
* El modulo electrónico de control, el stack de celdas y el
ventilador son todos parte del modulo FCE.
Departamento de Ingeniería

TPM: Módulo de baterías de soporte
Diseñado para entregar energía
cuando se interrumpe la red y
hasta que entra en
funcionamiento el sistema de
celdas de combustible
Utiliza baterías de plomo-ácido
tecnología VRLA y capacidad
adecuada al consumo
Configuración para 24/48 VCC
Vida Útil: 5 años (aprox.)
Un solución en base a “ultra
capacitores” también está
disponible
Departamento de Ingeniería

Alternativas para almacenamiento de
hidrógeno y autonomía con 5Kw
Tanques de acero
Varias dimensiones y hasta 9
tanques a 150 bar de presión
Los proveedores de gases
industriales los cambian en el sitio
6 tanques
10+ horas
de
autonomía
9 tanques
16 horas de
autonomía
Tanques de materiales
compuestos
El gabinete aloja 2 o 4 tanques a
250 bar de presión
Los tanques se pueden rellenar en
en el sitio en 15 minutos utilizando
el sistema utilizado en vehículos
con celdas de combustible (el
mismo pico de carga)
183
cm
99cm
64cm
2 tanques
16 horas de
autonomía
183
cm
99cm
94cm
4 tanques
32 horas de
autonomía
Departamento de Ingeniería

Contenido de H2 en un tanque
estándar, consumo y autonomía
• H2 en un tanque de acero de 50 litros
– 7,5 m3 a 150 bar (c.e.p.t.)
– 532 g de H2 (0,071 g/l)
• Consumo de la FCE (@ 5 Kw)
– 70 l/min = 4,2 m3/h, lo que equivale a
– 300 g/h
• Autonomía
– Con 1 tanque: 1h 40’
– Con 6 tanques: 10h 35’
– Con 9 tanques: 16 h
Departamento de Ingeniería

Contenido de H2 en un tanque de
materiales compuestos y autonomía
• Tanque Dynetek de 135 litros
– 33,8 m3 a 250 bar
– 2400 g de H2 (0,071 g/l)
– Peso total del tanque: 57 Kg
– (en desarrollo un tanque para 350
bar)
• Autonomía @ 5 Kw
– Con 1 tanque: 8h
– Con 2 tanques: 16h
– Con 4 tanques: 32 h
Departamento de Ingeniería

Válvulas de corte de hidrogeno
Cada gabinete posee 3 niveles de válvulas de
seguridad en la línea de alimentación
El gabinete
incorpora
ventilaciones
Válvulas de esfera situadas
en el exterior del gabinete
Válvula solenoide,
normalmente cerrada,
en el bloque regulador
Válvula manual en cada
armario contenedor
El sistema tiene válvulas de alivio de presión,
las cuales se fijan en la parte superior, para
permitir que el gas salga hacia arriba, alejado
de cualquier fuente de ignición.
Departamento de Ingeniería

Costo del H2 y de operación
(valores al mes de abril 2011)
• En nuestro país, por el momento solo están disponibles
los tanques cilíndricos de acero (50 litros/7,5 m3)
• Los proveedores venden o alquilan los tanques: 1250
AR$/cil o 30 AR$/cil-mes
• El H2 (calidad 3.5 o 99,95%) vale 32,5 AR$/m3
• Además se cobra un valor por acarreo de 1,5 AR$/m3
• De esta manera el costo de H2 (sin el alquiler de los
cilindros) por operar una celda de 5Kw es de
$144/hora
• En USA (Florida) el valor es de $127/hora
Departamento de Ingeniería

Características del H2
Hidrógeno gaseoso, tipo I, grado B, según
CGA (USA)
Denominado “calidad comercial 3.5”
Pureza mínima de H2: 99,95%
CO: 10 ppm
CO2: 10 ppm
N2: 400 ppm
O2: 10 ppm
Hidrocarburos totales: 10 ppm
Agua: 32 ppm
Departamento de Ingeniería

Arranque del sistema (- 40°C a +10°C)
1.El interior se calienta a +10°C
mediante un calefactor
conectado a la red. Las
persianas de salida están
cerradas y el deflector de
recirculación, abierto.
2.Al cortarse la red, comienza el
arranque de la celda de
combustible. Las persianas de
salida de aire siguen cerradas.
3.El ventilador fuerza el aire a
través del grupo, el cual sale a
60/65°C.
4.El 100% del aire se recircula
mediante el deflector y se
manda al frente nuevamente.
5.A medida que la temperatura de
entrada se aproxima a 30°C, las
persianas comienzan a abrirse
(ver próxima diapositiva)
Departamento de Ingeniería

Funcionamiento estable (- 40°C a +10°C)
1.Las persianas de salida comienzan
a abrirse, causando una presión
negativa en el flujo de recirculación
y permitiendo que aire nuevo entre
en el sistema.
2.El aire frío nuevo se mezcla con el
aire a 60/65°C llegando a una
temperatura estable antes de entrar
nuevamente al grupo.
3.El ventilador fuerza el aire a través
del grupo, que sale a 60/65°C
4.En base a la información del
módulo de control, parte del aire a
60°/65°C se deja salir por las
persianas mientras que el resto se
recircula.
5.Las persianas siguen actuando
hasta que se alcanza un flujo
constante de aire a 30°C en la
entrada del grupo.
Departamento de Ingeniería

Funcionamiento entre 10°C/30°C
1.Cuando se corta la red eléctrica, arranca
la celda de combustible. Las persianas
de salida de aire están cerradas.
2.Las persianas de salida de aire
comienzan a abrirse, causando una
presión negativa en el flujo de
recirculación, y permitiendo que aire
nuevo entre en el sistema.
3.El ventilador fuerza el aire por el grupo,
el cual sale a 60/65°C.
4.El aire frio nuevo se mezcla con el aire a
60/65°C llegando a una temperatura
estable antes de entrar nuevamente al
grupo.
5.Algo del aire a 60/65°C sale por las
persianas mientras que el resto se
recircula, basado en la información del
circuito electrónico de control.
6.Las persianas siguen actuando, hasta
alcanzar un flujo constante a 30°C en la
entrada del grupo.
Departamento de Ingeniería

Funcionamiento a T > 30°C
1.El sistema tiene las persianas de
salida de aire abiertas, para
permitir el paso de aire.
2.Al caer la red eléctrica, arranca la
celda de combustible. La persiana
de salida de aire se abre
completamente, y el deflector de
recirculación se cierra por
completo.
3.El aire fresco del exterior entra
directamente al grupo.
4.El ventilador fuerza el aire a
través del grupo, y el mismo sale
por las persianas a 60/65°C .
5.El 100% del aire a 60/65°C sale
por las persianas de salida.
Departamento de Ingeniería

Interface gráfica del usuario (IGU)
Laptop con IGU y cable de red
Qué permite hacer?
Comunicación con cada módulo y
visualización completa de parámetros
de funcionamiento (incluso stack)
Identificación del sitio
Set up del modo de funcionamiento
Set up de tensiones de salida
Arranque/parada manual
Set up de los umbrales de alarma
Set up del sistema de combustible
Set up de niveles de alarma y relés
Reset de alarmas
Log de alarmas
Departamento de Ingeniería

Departamento de Ingeniería

Departamento de Ingeniería

Departamento de Ingeniería

Departamento de Ingeniería

Departamento de Ingeniería

Ejemplo de extensión de autonomía
Autonomía sin red: > 80 h (> 4 días)
Potencia de salida – 25A 48VDC
Dos bancos SBS190 / una celda 5KW
de hidrogeno
Nueve Botellones HP350 K
Las baterías proveen 25A por 15
horas, luego la celda de hidrógeno
entra en funcionamiento
Por cada Kwh de carga se requieren
60g de hidrógeno, por lo tanto para
25A de carga (1.2Kw) necesitamos
72g/h de hidrogeno
Un tanque HP350 guarda 660g
Nueve botellones (5940g) soportan
1.2Kw durante 82,5 horas
Autonomía total: 15+82,5 = 97,5 > 4 d
Departamento de Ingeniería

Instalación de un sistema:
Reconocimiento inicial del sitio
Gabinete equipo
PCS - AFC 672
Departamento de Ingeniería

Instalación de un sistema:
Construcción de la platea
Platea propuesta 130 x 200cm.
Departamento de Ingeniería

Vista de frente del sistema instalado
Departamento de Ingeniería

Departamento de Ingeniería
Sistema de 10 Kw en la planta de
Enersystem Argentina

Armario para 8
tanques de 50
litros a 150 bar
Autonomía de:
14+ horas a 5Kw
7+ horas a 10 Kw
Departamento de Ingeniería

Departamento de Ingeniería

Ingreso de cables
(parte posterior)
Departamento de Ingeniería

Configuración de un solo gabinete
Gabinete angosto para sitio celular
Departamento de Ingeniería

¡¡¡Muchas gracias por su atención !!!!
Para mayor información en Argentina:
ricardo.mastaller@ar.enersystem.com
roberto.wolfenson@ar.enersystem.com
Para mayor información en Brasil:
fernando.felix@br.enersystem.com
delson.silva@br.enersystem.com
Para mayor información en Chile:
cesar.moreno@ar.enersystem.com
xavier.navarro@cl.enersystem.com
Departamento de Ingeniería