Sistema de trigeneración con geotermia, hidrógeno y energías renovables

El proyecto Together pretende desarrollar un sistema de trigeneración de energía, que se concreta en la generación de energía eléctrica, energía térmica en forma de calor y energía térmica en forma de frío. Promovido por el Centro Nacional del Hidrógeno (CNH₂) y el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (Ciemat) buscaron el apoyo de las empresas H2B2 Electrolysis Technologies, Geothermal Energy (Geoter) y Desigenia.

Como consecuencia de la COP21 (21ª Conferencia de las Naciones Unidas sobre Cambio Climático) que finalizó con el Acuerdo de París, firmado el 22 de abril de 2016, se estableció como objetivo europeo “no incrementar la temperatura en la Tierra en más de 2°C respecto a los niveles preindustriales”, entrando en juego el empleo directo de las energías renovables y la maximización de la eficiencia de los sistemas (un 20% mayor para 2020 y una reducción de los gases de efecto invernadero entre 85-95% para 2050).

Con estas premisas el Centro Nacional del Hidrógeno (CNH₂) y el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (Ciemat) buscaron el apoyo de empresas tanto del sector del hidrógeno y pilas de combustible, como es la empresa H2B2 Electrolysis Technologies, como del sector de energías renovables, como son las empresas Geothermal Energy (Geoter) y Desigenia, para llevar a cabo este sistema que combinara el binomio EE.RR. – H2 con el objetivo de aprovechar la electricidad y el calor residual para aplicaciones de uso residencial.

En concreto, el Ciemat propuso a Desigenia participar en la propuesta del proyecto para el Programa Estatal de Investigación Retos-Colaboración 2017, dada la especialización de esta empresa en la parte de generación a partir de energías renovables debido a su experiencia en este campo. En el caso de Geoter, la participación en la propuesta surgió a raíz de la participación con el Ciemat en otros proyectos de investigación, así como por su especialización en energía geotérmica como sistema de climatización con

El objetivo es mejorar la eficiencia energética en la climatización, generación de ACS y suministro eléctrico mediante el desarrollo tecnológico y de investigación de un sistema versátil y modular que incluya los campos de generación de energía, almacenamiento y uso, basada en la combinación de EE.RR. y del ciclo del hidrógeno en sistemas de cogeneración de calor y frío con geotermia y máquinas de absorción, dando lugar al desarrollo de un producto con aplicaciones de generación, cogeneración y/o trigeneración.

Este objetivo se alinea perfectamente con el Reto Social 3 del Programa Marco Internacional Europeo, Horizon2020, de obtención de una energía limpia, segura y eficiente, donde se apuesta por la mejora en términos medioambientales, energéticos y sociales.

Técnicamente, lo que se persigue es una solución de aprovechamiento de energía renovable, que permita maximizar el recurso disponible (sol, viento,…), permite a su vez convertirlo en diferentes tipos de energía de uso (electricidad, calor, frío), y permite también gestionar la demanda aportando almacenamiento que ayuda en la modulación. El hidrógeno aporta esta última vertiente, permitiendo almacenar energía renovable para cuando se requiera su uso. La solución con hidrógeno (electrolizador-almacenamiento-pila de combustible) resulta más competitiva frente a otras tecnologías más convencionales (almacenamiento de solar PV en baterías, por ejemplo) cuando la cantidad de energía a almacenar es elevada o cuando lo es la duración del almacenamiento (esto es: grandes demandas de energía o almacenamiento de un día a otro o de una estación a otra del año).

El proyecto Together consiste en desarrollar un sistema de trigeneración de energía, que se concreta en la generación de energía eléctrica, energía térmica en forma de calor y energía térmica en forma de frío.

Se trata de un sistema que parte de dos fuentes de energía - energía solar y geotermia-, y da tres productos finales: energía eléctrica, calor y frío.

En la figura 1 se representa un esquema general simplificado del sistema a emplear.

Destacan tres módulos distintos según la producción del tipo de energía:

El módulo 1. Generación de electricidad mediante energías renovables, garantiza el suministro de energía eléctrica destinada al consumo externo y al abastecimiento del siguiente módulo.

El módulo 2. Consiste en un electrolizador, que es alimentado por energía eléctrica procedente de las energía renovables y que producirá hidrógeno. El hidrógeno será almacenado para su posterior uso como combustible en la pila de combustible, que mediante un proceso de conversión electroquímica generará electricidad, energía térmica en forma calor y como único subproducto agua.

El módulo 3. Parte de la energía térmica es utilizada por la energía geotérmica para su uso directo en forma de calor en sistemas de climatización y ACS o para emplearlo, con la energía térmica que se extrae de la pila de combustible y la obtenida gracias al terreno, en un proceso de absorción del calor mediante una máquina de Rankine, obteniendo energía térmica en forma de frío (para su uso en sistemas de refrigeración) y energía eléctrica. Asimismo, la energía geotérmica producirá ACS, frío y calor como apoyo al sistema.

Los desarrollos del proyecto se estudiarán en dos laboratorios demostradores, uno del Ciemat, en Madrid, y otro del Centro Nacional del Hidrógeno (CNH₂) en Puertollano (Ciudad Real), con diferentes condiciones de trabajo (componentes del sistema y modos de operación) y el sistema global en un living-lab en el Ceder-Ciemat en Soria, bajo condiciones reales de uso.

Este tipo de soluciones cobra especial sentido en los siguientes entornos:

• Edificaciones con elevados consumos energéticos (electricidad, calor, frío), por ejemplo, edificios residenciales que puedan disponer de piscinas y servicios comunes de consumo significativo, residencias de gran tamaño como hoteles, residencias de ancianos, residencias universitarias, caseríos, viviendas unifamiliares tipo chalet, etc.
• Edificaciones aisladas (zonas remotas o de difícil acceso, o sin buena conexión de electricidad y/o gas). Este puede ser el caso de casas rurales, refugios o residencias de montaña, o en entornos rurales más o menos aislados.
• Instalaciones con interés en ser autosuficientes energéticamente, cerrando el círculo de generación y uso de energía. Entrarían dentro de este ámbito edificaciones como granjas, bodegas, etc.
• De ocupación ocasional: residencias de fin de semana, apartamentos de vacaciones, etc.

Aunque estas tipologías están principalmente centradas en el sector residencial, el producto que se obtendrá en el proyecto Together podrá ser aplicado en edificaciones industriales, donde resulta trascendente el uso eficiente de la energía debido a sus elevados consumos y a las previsibles restricciones medioambientales.

Es también de interés para fondos de inversión que requieran un acuerdo de compra de energía y de off-take, así como en organismos gubernamentales u organizaciones empresariales.

En definitiva, el sistema que se está estudiando es de utilidad para una gran diversidad de edificaciones, cuyo denominador común es alguno de los puntos especificados: consumos elevados, aislamiento geográfico, búsqueda de autosuficiencia energética, normativa medioambiental, etc.

Este proyecto, que está previsto que concluya a finales de 2021, cuenta con la financiación procede del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, en el marco del Plan Estatal de Investigación Científica y Técnica y de Innovación 2013-2016, cofinanciado por la Unión Europea a través del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (Feder).