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Calculadora: Bio, geotermia e hidrógeno

Calculadora de pila de combustible: consumo de hidrógeno, autonomía, calor y coste por kWh

Calcula cuánto hidrógeno gasta una pila de combustible, cuánto dura un depósito y cuánto cuesta cada kWh. Incluye pilas PEM, SOFC, PAFC, MCFC y alcalinas, el rendimiento a carga parcial, el calor aprovechable, el agua producida y una comparación con un grupo electrógeno diésel.

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Resultados

A 3 kW la pila funciona con un rendimiento del 53,5 % y consume 0,168 kg de hidrógeno por hora (1,87 Nm³/h). Cada kWh cuesta 0,67 € en combustible, frente a unos 0,71 € con un grupo electrógeno diésel. Tus 12,6 kg de hidrógeno almacenado duran 3,1 días a esta carga.
Consumo de hidrógeno
0,168kg/h
1,87 Nm³/h · 56 g por kWh
Rendimiento a esta carga
53,5%
PEMFC · nominal 50 %
Autonomía con lo almacenado
3,1días
12,6 kg almacenados
Potencia eléctrica
3kW
8760 kWh/yr
Calor producido
2,61kW
1,56 kW recuperados a 60–80 °C
Rendimiento total de cogeneración
81,4%
electricidad + calor recuperado
Agua producida
1,5L/h
8,94 kg de agua por kg de H₂
Coste de combustible por kWh
0,673€/kWh
0,631 tras descontar el calor
Coste de combustible al año
5896 €
2920 h/yr
Combustible al año
491kg H₂
Equivalente con grupo electrógeno diésel
6214 €
1,33 L/h · 10.408 kg CO₂/año (pila de combustible 0)
Adónde va la energía del combustible
Rendimiento y consumo según la carga

Tipos de pila de combustible de un vistazo

TipoRendimiento eléctrico (PCI)Temperatura de funcionamiento / calorCombustibleCarga mín.Uso habitual
PEMFC (PEM de baja temperatura) ◀~50%60–80 °CH₂5%vehículos, respaldo, portátiles
HT-PEM (PEM de alta temperatura)~45%120–180 °CH₂, gas natural / biogás10%cogeneración, reformadores de metanol
SOFC (óxido sólido)~58%pila a 600–900 °C, escape a ~200 °CH₂, gas natural / biogás30%cogeneración estacionaria, centros de datos
PAFC (ácido fosfórico)~42%150–200 °CH₂, gas natural / biogás30%cogeneración comercial
MCFC (carbonato fundido)~47%600–700 °Cgas natural / biogás40%cogeneración a gran escala
AFC (alcalina)~55%60–90 °CH₂10%espacio, nichos estacionarios
  • Consumo = potencia eléctrica ÷ (rendimiento × 33,33 kWh/kg). Los rendimientos son del sistema y sobre el poder calorífico inferior; las fichas técnicas a veces indican el rendimiento de la pila, que es mayor.
  • La curva de carga parcial es genérica: la PEM de baja temperatura gana rendimiento a carga parcial, las pilas de alta temperatura mucho menos, y todas pierden algo por los auxiliares a cargas muy bajas. El envejecimiento de la pila aumenta el consumo unos pocos puntos porcentuales a lo largo de su vida útil.
  • El contenido de las botellas es la masa útil aproximada a 15 °C; por el comportamiento de gas real, 700 bar solo almacenan ~2,5 veces el hidrógeno de 200 bar, no 3,5 veces.

Cómo funciona esta calculadora de pilas de combustible

Una pila de combustible convierte la energía química del hidrógeno (o de un gas rico en hidrógeno) directamente en electricidad, calor y agua, sin combustión. Dimensionarla se reduce a unas cuantas preguntas prácticas: cuánto combustible consume, cuánto dura el hidrógeno almacenado, cuánto calor se puede recuperar y cuánto cuesta cada kilovatio-hora. La calculadora las responde para las principales familias de pilas: PEM de baja y alta temperatura, óxido sólido, ácido fosfórico, carbonato fundido y alcalinas.

  1. Punto de funcionamiento. La potencia nominal × la carga da la producción eléctrica. El rendimiento se corrige a carga parcial: la PEM de baja temperatura mejora bastante al bajar la carga, las de alta temperatura mucho menos, y todas pierden algo por los equipos auxiliares cuando la carga es muy baja. Las pilas con carga mínima (SOFC, MCFC, PAFC) se mantienen en ese mínimo.
  2. Combustible. Potencia de combustible = potencia eléctrica ÷ rendimiento; masa de hidrógeno = potencia de combustible ÷ 33,33 kWh/kg, o volumen de gas natural en los sistemas con reformador.
  3. Calor y agua. El resto de la energía del combustible se convierte en calor, del que puedes recuperar una parte; el agua producida se deduce de la química.
  4. Almacenamiento y coste. Autonomía con los tamaños habituales de botellas y depósitos; coste de combustible por kWh, con y sin crédito por el calor, frente a un generador diésel con la misma carga.

Las fórmulas

P_el = P_nominal × carga η(carga) ≈ η_nominal × (1 + k × (1 − carga)) − penalización por auxiliares a baja carga Potencia de combustible = P_el / η H₂ (kg/h) = Potencia de combustible / 33.33 H₂ (Nm³/h) = kg/h × 11.12 Calor = Potencia de combustible − P_el Agua ≈ 8.94 kg por kg H₂ Autonomía (h) = H₂ almacenado (kg) / H₂ (kg/h)

Ejemplo resuelto: una pila PEM de 5 kW

Los valores por defecto modelan un sistema PEM de 5 kW (rendimiento nominal del 50 %) que funciona al 60 % de carga (3 kW) durante 8 horas al día, alimentado por un bloque de 12 botellas a 300 bar con unos 12,6 kg de hidrógeno:

  • a carga parcial, el rendimiento sube a cerca del 53,5 %;
  • el consumo de hidrógeno es de 0,168 kg/h (1,87 Nm³/h), o 56 g por kWh;
  • el bloque dura unas 75 horas, algo más de tres días de funcionamiento continuo;
  • la pila produce también 2,6 kW de calor (1,6 kW recuperados a 60–80 °C, con un rendimiento total en cogeneración de cerca del 81 %) y 1,5 litros de agua por hora;
  • a 12 €/kg, el combustible cuesta 0,67 € por kWh, cerca de lo que cuesta un generador diésel pequeño a carga parcial (unos 0,44 L/kWh a 1,60 €/L ≈ 0,71 €/kWh), pero sin ruido y sin emisiones locales.

El ajuste predefinido de coche de pila de combustible muestra una pila PEM de 128 kW circulando al 15 % de carga: unos 0,95 kg/h, así que un depósito de 5,6 kg dura cerca de seis horas, en línea con los 500–650 km de autonomía de los coches de hidrógeno actuales.

Cómo interpretar los resultados

  • Consumo de hidrógeno: kg/h y Nm³/h con la carga elegida; los gramos por kWh permiten comparar sistemas de forma justa.
  • Rendimiento con esta carga: en aplicaciones de respaldo, que rara vez trabajan a plena potencia, el rendimiento a carga parcial importa más que el máximo de la ficha técnica.
  • Autonomía con el hidrógeno almacenado: úsala para dimensionar los bloques de botellas según la autonomía de respaldo que necesites (por ejemplo, 8, 24 o 72 horas).
  • Coste de combustible por kWh: es el principal coste de funcionamiento; el mantenimiento de una pila de combustible suele ser bajo comparado con el de un motor.
  • Gráfico de rendimiento frente a carga: muestra dónde funciona el sistema de forma más económica.

Valores típicos

Tipo Rendimiento eléctrico (PCI) Temperatura de funcionamiento Combustible Uso habitual
PEMFC 45–55 % 60–80 °C H₂ puro vehículos, respaldo, portátiles
HT-PEM 40–50 % 120–180 °C H₂, gas reformado microcogeneración, sistemas de metanol
SOFC 55–65 % 600–900 °C H₂, gas natural, biogás cogeneración estacionaria, centros de datos
PAFC 40–45 % 150–200 °C gas natural reformado cogeneración comercial
MCFC 45–50 % 600–700 °C gas natural, biogás cogeneración de gran tamaño
AFC 50–60 % 60–90 °C H₂ puro y O₂/aire espacio, nichos

Referencias de almacenamiento: botella de 50 L a 200 bar ≈ 0,8 kg; a 300 bar ≈ 1,05 kg; depósito de coche a 700 bar ≈ 5–6 kg. Como el hidrógeno es un gas real, a 700 bar solo cabe unas 2,5 veces lo que cabe a 200 bar.

Consejos

  • Trabaja a carga moderada. Los sistemas PEM rinden mejor entre el 30 y el 70 % de su potencia nominal, así que sobredimensionar un poco ahorra combustible.
  • Aprovecha el calor. En cogeneración, el calor recuperado puede rebajar el coste efectivo por kWh un 10–20 %.
  • Compra el hidrógeno a granel. El hidrógeno en botellas cuesta por kg varias veces más que el suministrado en remolques de tubos o producido in situ por electrólisis; consulta la calculadora de hidrógeno verde.
  • Dimensiona con holgura el almacenamiento de respaldo. Deja margen para las bajas temperaturas, las pérdidas por purga y las botellas que no se pueden vaciar del todo.

Limitaciones

Las curvas de rendimiento son genéricas por tipo de pila; los sistemas reales cambian según el fabricante, la antigüedad y la temperatura de funcionamiento, y las pilas pierden un 0,2–1 % de tensión cada 1.000 horas según el régimen de uso. No se modelan la energía de arranque (importante en las pilas de alta temperatura), las pérdidas por purga ni las fugas de hidrógeno. Los sistemas de gas natural incluyen el reformado en el rendimiento, pero emiten CO₂ en la pila (unos 0,2 kg por kWh de gas). La comparación con el diésel usa la curva de un grupo electrógeno genérico, y no se cuentan las emisiones previas de la producción de hidrógeno.

Método e hipótesis

Potencia eléctrica P = kW nominales × carga. Rendimiento a carga η(x) = ηnominal × (1 + k·(1 − x)) menos una pequeña penalización de los equipos auxiliares a baja carga (k depende del tipo de pila). Potencia del combustible = P ÷ η; hidrógeno = potencia del combustible ÷ 33,33 kWh/kg (1 kg = 11,12 Nm³). Calor = potencia del combustible − P; calor recuperado = calor × fracción recuperada. Agua = 8,94 kg por kg de H₂. Autonomía = kg almacenados ÷ kg/h. La comparación con diésel usa la curva de un grupo electrógeno genérico (~0,27 L/kWh a plena carga, más a carga parcial) y 2,68 kg de CO₂ por litro.

Preguntas frecuentes

¿Cuánto hidrógeno gasta una pila de combustible por kWh?
El hidrógeno contiene 33,3 kWh por kg (poder calorífico inferior). Un sistema de pila de combustible con un rendimiento eléctrico del 50 % necesita, por tanto, 1 / (0,5 × 33,3) = 0,06 kg de hidrógeno (60 gramos, unos 0,67 Nm³) por cada kWh de electricidad. Con un rendimiento del 60 %, son 50 g/kWh.
¿Qué rendimiento tienen las pilas de combustible?
El rendimiento eléctrico neto (sobre PCI) suele estar entre el 40 y el 60 %: alrededor del 45–55 % en los sistemas PEM, del 55–65 % en los de óxido sólido (SOFC) y del 40–45 % en los de ácido fosfórico. Si se aprovecha el calor residual en cogeneración, el rendimiento total puede llegar al 80–90 %.
¿Cuánto tiempo funciona una pila de combustible con una botella de hidrógeno?
Una botella estándar de 50 litros a 200 bar contiene unos 0,8 kg de hidrógeno, que dan unos 13 kWh de electricidad con un rendimiento del 50 %, es decir, unas 2,6 horas a 5 kW. Un bloque de 12 botellas a 300 bar (unos 12–13 kg) mantiene una pila de 5 kW al 60 % de carga durante unos tres días.
¿Cuánta agua produce una pila de combustible?
Unos 9 kg (9 litros) de agua por kg de hidrógeno consumido, más o menos medio litro por kWh de electricidad. En las pilas PEM sale como agua líquida y vapor; en las de alta temperatura, como vapor.
¿La electricidad de una pila de combustible es más barata que la de un generador diésel?
En coste de combustible por kWh, depende del precio del hidrógeno: a 10–12 por kg, las pilas de combustible están más o menos a la par con los generadores diésel pequeños; con hidrógeno en botellas a 20–40 por kg, salen más caras. Las pilas ganan en silencio, cero emisiones locales, rendimiento a carga parcial y poco mantenimiento.
¿Por qué sube el rendimiento de una pila PEM a carga parcial?
La tensión de la celda, y con ella el rendimiento, aumenta al bajar la densidad de corriente, porque se reducen las pérdidas resistivas y de activación. El rendimiento solo cae con cargas muy bajas, cuando pesa ya la potencia fija de bombas, ventiladores y control (los equipos auxiliares o balance of plant).

Fuentes y referencias

  1. US DOE Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office: Fuel cells
  2. Larminie, J. & Dicks, A.: Fuel Cell Systems Explained, 2nd ed., Wiley, 2003
  3. Clean Hydrogen Partnership (UE): revisión del programa e indicadores (KPI) de las pilas de combustible
  4. NIST Chemistry WebBook: propiedades termofísicas del hidrógeno (densidad a presión)

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