Sistema Híbrido de Energía Renovable: Fuel-Cell, Osmosis, Solar

Implementación de un Sistema Híbrido de Generación de Energía Renovable Utilizando
Fuel-Cell, Osmosis Inversa y Energía Solar
Alférez de Fragata Charles Junior ADRIANZÉN Yarlequé
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0943-2788
Resumen: El objetivo de esta investigación fue la implementación de un sistema híbrido que
permita la producción de energía eléctrica a través del uso de dos fuentes de energía renovable:
a) paneles solares; y b) fuel cells, conectadas a un batería, que cumple el rol de almacenar la
energía eléctrica tanto de las fuentes renovables como de las fuentes de alimentación tradicional,
los cuales abordo tenemos: a) los diésel-generadores; y b) toma a tierra. Con el uso de una
metodología cualitativa, de cohorte transversal, alcance correlacional, se obtuvo información de
los artículos científicos revisados, se determinó que la implementación de un sistema híbrido de
generación de energía nos brindan beneficios medio ambientales y económicos en comparación
al aumento de los combustibles, además nos permite disminuir la huella de carbono, la cual viene
incrementando con el pasar de los años causando un aumento gradual de temperatura llegando a
crecer en un 2% para el año 2050. Así como, fomentar la investigación de nuevas fuentes de
energía alternativas, para en un futuro migrar hacia el uso total de energías renovables.
Palabras Clave: sistemas híbridos de generación; fuel cells; paneles solares; diésel generador,
osmosis inversa.
Introducción
Actualmente, la demanda de energía eléctrica en el mundo ha aumentado, y se
incrementa con el pasar del tiempo, sin embargo, las fuentes de energía renovable (FER) han
cobrado una mayor importancia (Debnath y Bhowmik, 2020). La mejor forma de reducir la crisis
energética y disminuir los problemas de calentamiento es con la aplicación de sistemas híbridos
que integren energías renovables (Shafiullah, 2016). Se tiene conocimiento que para el año 2050
aproximadamente la temperatura aumentará en un 2%, por lo cual, se ha buscado reducir dicho
valor por debajo del 1.5%, aplicando la descarbonización al usar fuentes de energías alternas
(Bastida et al., 2019). Pfenninger y Keirstead (2015) en su estudio por la descarbonización
compararon las energías renovables con la energía nuclear y los combustibles tradicionales en
cuanto a los costos y disminución de emisiones. De acuerdo con Mackillop (1980) aprovechar la
obtención de energía renovable, es de vital importancia, más aún en países en vías de desarrollo,
debido a que el aumento de precios de las principales FER los afecta de manera negativa.
Debemos tener en cuenta que se estima que para el año 2050 los precios de petróleo y gas
aumentarán en un 50%, lo cual es alarmante debido a que estas son las principales fuentes de
energía tradicionales (Harrouz et al., 2017; Qazi et al., 2019). Odingo (1981) concluyó que la
explotación de los recursos naturales es muy compleja, pero si los países se enfocan en el
aprovechamiento de sus propios recursos, haciendo uso de la tecnología, podrán avanzar en sus
investigaciones y descubrir nuevas formas de obtenerlas. Zakaria et al. (2019) y Al-Maamary et
al. (2017) dedujeron que los inconvenientes de aprovechar las energías renovables son los costos
iniciales y el desconocimiento de los beneficios que nos brindan, representando un obstáculo al
progreso de su investigación. Tenemos que tener en cuenta que actualmente existe una tendencia
que los países están adoptando, que es el uso de FER en operaciones militares (Global Status
Report, 2022).
Salameh et al. (2021) acordaron que las FER cubren una parte sustancial de la demanda
de energía, necesitándose cada vez menos combustibles fósiles para la generación de esta. Una
forma de aliviar la carga energética es con el uso de fuel cells, que son dispositivos
electroquímicos en el que la energía química de un combustible se convierte de manera directa y
útilmente en trabajo eléctrico (Liebhafsky, 1959). Los fuel-cells de polímero-electrolito
(PEMFC), es un tipo de fuel cell creado por General Electric (GE) en 1955, mientras buscaba
nuevas aplicaciones para membranas de intercambio iónico (Perry, 2002). Grubb (1960)
determinó que las características de esta celda son: a) construcción simple; b) pequeña unidad de
espesor; y c) trabajan con temperaturas de hasta 100 °C. Este tipo de fuel cells es reconocida por
el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) como la tecnología que reemplazara al
motor de combustión interna en aplicaciones de transporte (Tawfik et al., 2007).
Aprovechar la energía fotovoltaica (FV) viene siendo de suma importancia al hablar del
uso de energías renovables, debido a que muestra la mayor disminución de costos al adquirir este
tipo de energía, reduciéndose en un 82% durante los años 2010-2019 (International Renewable
Energy Agency [IRENA],2020). Este tipo de energía se ha convertido en la tecnología de energía
renovable de mayor crecimiento en el mundo, de acuerdo con un mercado eléctrico global en
2018 (Global Status Report, 2019). Estos sistemas se utilizan en diversos ámbitos como una
fuente de energía renovable, esto se debe a su capacidad para transformar la energía del sol
directamente en energía eléctrica con una reducida huella de carbono en nuestro medio ambiente
(Al-Chaderchi1 et al., 2017; Al-Chaderchi1 et al., 2018).
Teniendo en consideración que el 96,5% del agua de la Tierra está en los mares y
océanos, el 1,7% del agua de la Tierra está en los casquetes polares y de toda el agua
aproximadamente el 0,8% es agua dulce (Panchal, 2019). Era necesario la desalinizar de dicha
agua, por lo cual, las plantas de osmosis inversa (OI) evolucionaron en los últimos 40 años de tal
manera de que hoy abarcan el 80% de plantas de desalinización instaladas a nivel mundial
(Greenlee, 2009). Yoosefi et al. (2014) propusieron diferentes enfoques para emparejar FER con
técnicas de desalinización del agua, para ver la manera de combinar diferentes opciones de FER
con sistemas de desalinización de agua para producir agua dulce y electricidad, satisfaciendo
estas dos grandes necesidades. Ameri y Yoosefi (2016) plantearon que la energía generada por
los paneles se debe utilizar primero cubriendo la energía eléctrica por hora, el exceso de energía
se puede utilizar de dos formas: a) generación; y b) almacenamiento de hidrógeno o producción
de agua.
El propósito de la investigación es obtener una reducción de costos destinados a la
generación de energía eléctrica, implementando un sistema hibrido que incorpore al sistema de
diésel generadores el uso de paneles solares y fuel cells, generando un beneficio económico al
dinero asignado a este ámbito. De igual manera, al usar energías renovables se busca reducir las
emisiones de gases de efecto invernadero al medio ambiente.
Materiales y Métodos
Se realizó una revisión de literatura con las distintas publicaciones de la base de datos
Scopus a través del uso de su propia plataforma y páginas de prestigio a nivel mundial con la
finalidad de encontrar información de calidad en lo que podemos sustentar este trabajo de
investigación, la data obtenida fue debido a los procedimientos seguidos como: a) búsqueda
avanzada; b) proceso de filtrado; y c) uso de logaritmos de búsqueda, que nos permiten afinar los
resultados necesarios. Desarrollamos los procedimientos a seguir, para que, con el uso de los
datos del sistema, podamos obtener los resultados necesarios al momento de implementarlo,
evaluamos la demanda de energía eléctrica, producción del sistema osmosis y generación de
energía eléctrica que nos brinda los paneles solares.
Irradiación solar
Describimos los pasos para calcular la irradiancia solar y estos resultados se usan para
encontrar la irradiancia solar por hora en cualquier día del estudio actual, la cual viene dada por
la siguiente ecuación (Ameri y Yoosefi, 2016).
𝐼𝑟𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 =

𝐺𝑆𝐶 𝑐𝑜𝑠𝜃
𝑑2
GSC es una constante solar que equivale a 1367 W/m2 de acuerdo con Wilson, (1978) (Ameri
y Yoosefi, 2016).

𝑑 es distancia relativa entre el sol y la tierra

θ es ángulo de irradiancia
d2 es una función con respecto al día del año y se calcula gracias a la ecuación que presentaron
Duffie y Beckman (1991) (Ameri y Yoosefi, 2016).
1
𝑑2 =
𝑛2𝜋
)
365
1 + 0.033𝑐𝑜𝑠 (

𝑛 es número del día del año sin importar el mes en que se encuentre
Una ecuación similar planteada por Budyko (1974) (Ameri y Yoosefi, 2016).
𝐼𝑟𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 = 𝑆𝑠𝑖𝑛𝐸
2
̅
𝑆 = 𝐺𝑆𝐶 (𝑑⁄𝑑)
̅
(𝑑⁄𝑑) = 1⁄
𝑛2𝜋
(1 − 0.01673 cos(
))
365
𝜋
𝐸 = − 𝜃𝑍
2

𝜃𝑍 ángulo cenital que se halla
𝑐𝑜𝑠𝜃𝑍 = sin 𝜑 sin 𝛿 + cos 𝜑 cos 𝛿 cos ℎ

𝜑 es latitud

𝛿 es ángulo de inclinación y su resultado se haya realizado un cálculo planteado por Duffie y
Beckman (1980) (Ameri y Yoosefi, 2016).
𝛿 = 23.45 sin(360
248 + 𝑛
)
365
Demandas de electricidad y agua dulce
Debemos tener en cuenta la demanda y la producción, tanto de electricidad como de agua
dulce, puede tomar como referencia que las personas consumen diariamente 150 litros, pero para
manejar datos exactos es mejor solicitarlo del parte de la unidad (Ameri y Yoosefi, 2016). La
producción de agua es de 1 m3, para esta producción el sistema requiere entre 3-4 KWh de
electricidad (Elimelech y Felipe ,2011).
Para hallar el consumo diario de energía en unidades de la OI (EOI) para producir agua
dulce a un número de personas (N), de acuerdo con Ameri y Yoosefi (2016) se realiza la
siguiente operación:
𝐸𝑂𝐼 = 𝑁 ∗ 4 (

𝐾𝑊ℎ
𝑚3
)
∗
𝐹𝑊
(
)
𝑑
𝑚3
𝑑𝑖𝑎
𝐹𝑊𝑑 es la demanda diaria de agua por persona
Modelado fotovoltaico
Para hallar la energía solar total que ingresa por los módulos FV para diferentes valores
de irradiancia solar, se hace uso de la ecuación que Biswas et al. (2012) propuso.
𝐸𝐹𝑉 = 𝐼(𝑡) ∗ 𝑛𝐹𝑉 ∗ 𝑛𝑀𝐹 ∗ 𝐴𝐹𝑉

𝐼(𝑡) es la irradiación solar promedio durante la “t” hora del día, dependiendo del tiempo y
ubicación.

𝐴𝐹𝑉 es el área requerida del panel FV

𝑛𝐹𝑉 Eficiencia del panel FV

𝑛𝑀𝐹 Eficiencia de conversión de MPPT (seguimiento del punto de máxima potencia)
El número total de paneles FV requeridos se haya a partir del 𝐴𝐹𝑉 con el área de cada
módulo.
Modelado de fuel cells
La PEM utilizada por sus adecuadas condiciones de trabajo para la producción
combinada de energía y agua mediante la OI, tiene múltiples celdas conectas entre sí en serie,
cada celda incluye electrodos de ánodos y cátodos (Grubb, 1960). De acuerdo con Friede et al.
(2004) presentan reacciones químicas las cuales detallamos a continuación:
Reacción en el ánodo.
𝐻2 → 2𝐻 + + 2𝑒 −
Reacción en el cátodo.
1
2𝐻 + + 2 𝑂2 + 2𝑒 − → 𝐻2 𝑂
Reacción global en cualquier parte de la PEMFC.
1
2
𝐻2 + 𝑂2 → 𝐻2 𝑂
El voltaje de salida y el consumo de hidrógeno se puede hallar a partir de una ecuación
que Li (2009) enunció, sin embargo, el oxígeno es suministrado por el aire.
𝑉𝐹𝐶 = 𝑉𝑁𝑒𝑟𝑛𝑠𝑡 − 𝑉𝑂ℎ𝑚𝑖𝑐 − 𝑉𝑎𝑐𝑡 − 𝑉𝑐𝑜𝑛

𝑉𝑂ℎ𝑚𝑖𝑐 , 𝑉𝑎𝑐𝑡 y 𝑉𝑐𝑜𝑛 son pérdidas óhmicas, de activación y concentración respectivamente.
𝑀𝐹𝐶 = (𝑃𝐹𝐶 ∗ 3600)/(2 ∗ 𝑉𝐶 ∗ 𝑛𝐹𝐶 ∗ 𝐹)
𝐸𝐹𝐶 = 2 ∗ 𝑉𝑐 ∗ 𝑛𝐹𝐶 ∗ 𝐹
𝑃𝐹𝐶 = 𝐼𝐹𝐶 ∗ 𝑉𝐹𝐶 ∗ 𝑁𝐹𝐶

𝑉𝐹𝐶 es el voltaje de salida de la PEMFC

𝑛𝐹𝐶 es la eficiencia de PEMFC varía entre 40-60 por ciento

𝐹 es la constante de Faraday y su valor es de 96485 (C/mol)

𝑀𝐹𝐶 es el hidrógeno administrado por (mol/hora)

𝑃𝐹𝐶 y 𝐸𝐹𝐶 son potencia y energía que entrega la PEMFC respectivamente
Modelado de electrolizadores
Costa de varias celdas en serie, dos electrodos se encuentran separados por una
membrana que puede ser polímero líquido o sólido, la corriente eléctrica ocasiona que el agua se
descomponga en hidrógeno y oxígeno, la cual se indica a continuación (Khelfaoui, 2020):
1
𝐻2𝑂 + 𝐸𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 → 𝐻2 + 𝑂2
2
Durante la producción de hidrógeno por le electrolizador, debemos de tener que la
diferencia de voltaje entre los dos electrodos es superior al valor mínimo para la separación del
agua, el cual se puede hallar (Jang et al., 2021; Larminie y Dicks, 2003):
𝑉𝐻 = −
∆𝐻
285.84
=
= 1.48
2𝐹
2(96485)

∆𝐻 es el valor de mayor energía del hidrógeno (𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙)

𝑉𝐻 es el voltaje

Se puede hallar la eficiencia de voltaje del electrolizador con la siguiente formula:
𝑛𝑉 =

1.48
∗ 100%
𝑉𝑒𝑙𝑧
𝑉𝑒𝑙𝑧 voltaje del electrolizador
Se considera que la eficiencia es del 74% (Agbossou et al., 2005). Por lo que
𝑉𝑒𝑙𝑧 = 2𝑣.
Con el uso de la Ley de Faraday encontramos la cantidad de hidrógeno que un
electrolizador produce teniendo como potencia 𝑃𝑒𝑙𝑧 , por el lapso de UNA hora. (Ameri y
Yoosefi, 2016):
𝑀𝑒𝑙𝑧 =
(𝑃𝑒𝑙𝑧 ∗ 3600)
(2 ∗ 𝑉𝑒𝑙𝑧 ∗ 𝐹)
𝐸𝑒𝑙𝑧 = 2 ∗ 𝑉𝑒𝑙𝑧 ∗ 𝐹

3600 es área de fuel cell (cm2)

𝑀𝑒𝑙𝑧 cantidad de hidrógeno producido en (mol/hora)

La energía utilizada por el electrolizador para la producción en cualquier momento de
hidrógeno es igual a la diferencia entre la energía eléctrica suministrada por los módulos FV
y la energía eléctrica demandada por hora al mismo tiempo.
𝐸𝑒𝑙𝑧 + 𝐸𝐶𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟 = (𝐸𝐹𝑉(𝑡) − 𝐸𝐿(𝑡) )
Modelado de compresores de hidrógeno
Mediante un proceso adiabático, es la forma con mayor eficiencia para comprimir un gas
(Li et al., 2009). Normalmente la eficiencia de los compresores mecánicos (𝑛𝑐 ) está entre el 40 y
el 75 %, mediante la siguiente ecuación se establece la relación entre la potencia del compresor
WC (W) y el caudal másico de hidrógeno 𝑚𝐶 (kg/s) (Li et al., 2009):
𝑟−1
𝑟
𝑇1
𝑃2
𝑊𝐶 = 𝐶𝑃 ∗
∗ (( )
𝑛𝐶
𝑃1
− 1) ∗ 𝑚𝐶

𝐶𝑃 es calor específico del hidrógeno a presión constante (14 304 kj/kg.K)

𝑇1 es temperatura de admisión de hidrógeno (293 °K)

𝑃1 𝑦 𝑃2 presión de entrada y presión de salida del hidrógeno al compresor

𝑟 es la constante isentrópica del hidrógeno (1.4)
Modelado del tanque de hidrógeno
Si acumulamos hidrógeno en un tanque, podemos hacer uso de su energía cuando lo
necesitemos, para determinar la energía que este gas nos brinda, hacemos uso de una formula, la
cual a continuación explicaremos (Li et al., 2009):
𝑀𝑡𝑎𝑛𝑘 ∗ 2 ∗ 𝐿𝐻𝑉
1000
𝑀𝑡𝑎𝑛𝑘 ∗ 𝑇𝑡𝑎𝑛𝑘 ∗ 𝑅
=
𝑃𝑡𝑎𝑛𝑘
𝐸𝑡𝑎𝑛𝑘 =
𝑉𝑡𝑎𝑛𝑘

𝐸𝑡𝑎𝑛𝑘 es energía del tanque (kWh)

𝑀𝑡𝑎𝑛𝑘 es la cantidad de hidrógeno en el tanque (mol)

𝑉𝑡𝑎𝑛𝑘 es el volumen del tanque en litros (L)

𝑇𝑡𝑎𝑛𝑘 es la temperatura del gas en el tanque (°K)

𝑃𝑡𝑎𝑛𝑘 es la presión (MPa)

𝑅 es la constante del gas (0.8211 atm/mol.K)

𝐿𝑉𝐻 es la baja capacidad calorífica del hidrógeno (33 kWh/kg)

La masa molar del hidrógeno gaseoso es 2 (gr/mol)
La Figura 1 nos muestra el esquema con el que se trabajó, el cual describe el
procedimiento de funcionamiento del sistema planteado, así mismo, es importante saber que los
paneles solares irán colocados en exteriores (en zonas específicas para mayor aprovechamiento
de la luz solar), los fuel cells irán posterior al suministro de agua dulce de la unidad y posterior a
la electrólisis que tiene el fin de generar hidrógeno (necesario para el funcionamiento de los fuel
cells), obteniendo como resultado electricidad, toda esta electricidad producida será dirigida a
una fuente de baterías, las cuales alimentarán al electrolizador con la energía sobrante para la
generación de hidrogeno, teniendo como prioridad el suministro de energía al sistema que se
desea alimentar, como la red de luminosidad en el buque, aliviando la carga energética de la
unidad. Por otro lado, nos da como resultado vapor de agua, el cual será aprovechado por la
unidad.
Figura 1
Esquema de la configuración del sistema hibrido de generación de energía propuesto
Resultados
La Tabla 1 nos muestra los resultados obtenidos con respecto a publicaciones que
plantearon sistemas de generación de energía, estos temas escogidos son los que tienen mayor
relevancia con mi investigación, los resultados nos muestran el interés y la necesidad por
investigar este tema, debido a los beneficios económicos y ambientales que tanto necesitamos.
Tabla 1
Métodos de sistemas híbridos de generación de energía con fuentes renovables
Tema
Objetivo
Resultados
Producción óptima de hidrógeno
Producir y almacenar hidrógeno La eficiencia de la producción de hidrógeno es
en un sistema autónomo de
con el fin de satisfacer
del 56 % para potencias < 1 kW, 59 % entre 1
energía renovable
requisitos energéticos
y 2kW, y 62,5 % > 2,5 kW
Ref.
Agbossou et
al. (2005)
Optimización del tamaño del
sistema de batería FV-FC con
Algoritmo híbrido optimización
de enjambre de partículas (PSO)Extrema Optimización (EO)
Mejorar la eficiencia
energética y contribuir en
reducir las emisiones de GEI
(gases de efecto invernadero)
Los tamaños óptimos de los componentes del
sistema obtenidos por PSO-EO satisfacen
todas las restricciones con un costo total
anualizado mínimo
Biswas et al.
(2012)
Red inteligente y energías
renovables en Argelia
Analizar el potencial de energía
renovable de Argelia
Es viable, sin embargo se necesita el uso de
una fuente de baterías, que carguen al haber
excedente y alimenten cuando exista poco
suministro de energía
Harrouz et
al. (2017)
Investigación experimental del
rendimiento del electrolizador
FV/PEM de producción de
hidrógeno solar en el Regiones
del Sáhara argelino
Desarrollar un estudio
paramétrico sobre el
rendimiento del sistema
Se tuvo una alta producción de hidrógeno (284
L) en un día. La eficiencia energética PEM
con sistema solar fotovoltaico estuvo entre 18
y 40%. La eficiencia del panel fotovoltaico
fue entre 9 y 12%
Khelfaoui et
al. (2020)
Modelado dinámico y
optimización del
dimensionamiento de sistemas de
energía fotovoltaica autónomos
utilizando tecnología híbrida de
almacenamiento de energía
Consideraciones económicas para
la energía solar y renovable en los
países en desarrollo
Estudio de tres sistemas de
energía fotovoltaica
autónomos que utilizan
diferentes tecnologías de
almacenamiento de energía
Se encuentra que el sistema híbrido
FV/FC/Batería propuesto es la configuración
con menor costo, mayor eficiencia y menos
módulos FV en comparación con cualquier
sistema de almacenamiento único
Li et al.
(2009)
Buscar suministros de energía
renovables autóctonas para
controlar las alzas de los
combustibles tradicionales
Existe la certeza de que todas las naciones
necesitan establecer sistemas de suministro
basados en energías renovables, pero los
factores económicos indican que la aplicación
debe ser en las áreas rurales
Mackillop
(1980)
Hacia la energía sostenible: una
sistemática revisión de fuentes de
energía renovable,
tecnologías y opiniones públicas
Resaltar las necesidades
energéticas del mundo, la
importancia de las tecnologías
de ER para uso doméstico y
opiniones sobre las ER
Nuestra revisión de la literatura encontró que
el uso de energías renovables es esencial para
enfrentar los desafíos futuros relacionados con
la energía, es un buen reemplazo para
mantener limpio el medio ambiente
Qazi (2019)
Sistema de energía solar
fotovoltaica híbrido autónomo
integrado, pila de combustible y
generador diésel para sistemas de
almacenamiento de baterías o
supercondensadores en
Khorfakkan, Emiratos Árabes
Unidos
Análisis del rendimiento del
sistema de energía solar FV
híbrida autónoma integrada, FC
y DC con sistema de
almacenamiento de energía de
batería (BESS) o sistema de
almacenamiento de energía de
supercondensador (SCESS) en
Khorfakkan
Los resultados de la simulación muestran que
el uso de SCESS como un sistema de
almacenamiento de energía ayudará
al desempeño de sistemas de energía híbridos
(HES) en función del costo nivelado de
energía (LCOE) y las emisiones de gases de
efecto invernadero
Salameh
(2021)
La Tabla 2 nos muestra como los países se están orientando hacia una tendencia global, la
cual debemos considerar debido a que es a donde apunta el futuro y hacia donde debe de apuntar
nuestra Marina de Guerra del Perú, con el fin de no quedarnos atrasados, dicha tendencia nos
informa acerca del uso de FER en operaciones militares en distintas naciones del mundo (Global
Status Report, 2022).
Tabla 2
Objetivos de energía renovable en operaciones militares en países seleccionados, a fines de 2021
País y Alcance
Objetivo(s)
China:
Sistemas de micro red eléctrica (basado en la fuente
Ejército de Liberación del Pueblo Chino
de energía solar, eólicas con baterías y un diésel de
respaldo para más de 80 fronteras de defensa
Francia:
Ministerio de las Fuerzas Armadas
Poner a disposición 2000 hectáreas de tierra hasta
2022 para proyectos de energía solar fotovoltaica a
gran escala
India:
Marina de la India
24 MW de EFV para el 2022 es parte de la hoja de
ruta de conservación del medio ambiente
Estados Unidos:
Armada
Electricidad libre de carbono para las instalaciones
de la armada para el año 2030, con uso de energías
renovables en todos los puestos de las microrredes
para el año 2045. Desarrollo de vehículos tácticos
eléctricos para el año 2050
La Figura 2 nos muestra un estudio acerca de la demanda de electricidad mundial en
2017 viene siendo sosegada por combustibles fósiles y la producción de energía renovable, las
cuales comprende un total del 26.5 por ciento (26.5%) de la electricidad, teniendo como fuentes:
a) energía hidroeléctrica; b) bioenergía; c) energía solar fotovoltaica; y c) geotérmica (Qazi et al.,
2019).
Figura 2
Participación estimada en la producción mundial de electricidad
La Figura 3 nos muestra como la energía FV ha crecido a tal punto que, en el mercado
eléctrico global en el 2018, se convirtió en la energía renovable de mayor crecimiento en el
mundo, debido a ello, nuestro sistema se basa principalmente en que este tipo de energía asuma
la carga principal y con el exceso se alimenta al electrolizador o se cargan las fuentes de baterías
(Global Status Report, 2019).
Figura 3
Capacidad global de producción de energía solar fotovoltaica
La Figura 4 nos muestra la eficiencia del sistema FV/FC/Batería, sistema en el que se
basa nuestra investigación, podemos apreciar como este sistema gracias a la alta eficiencia de las
baterías y los bajos costos de los tanques de almacenamiento de hidrógeno ayudan a que dicha
configuración tenga un costo más bajo, una mayor eficiencia del sistema y menos módulos FV si
lo comparamos con cualquier otro sistema de almacenamiento único (Li et al., 2009).
Figura 4
Eficiencia del sistema: costo del sistema FV/FC/Batería
Discusión
Con la necesidad de implementar una nueva forma de abastecernos de energía sin
contaminar el medio ambiente, nos vemos impulsados a optar por un sistema híbrido de
generación de energía, ya que estos sistemas nos permiten complementar las fuentes de energía
renovable, las cuales se han venido desarrollando con el transcurrir de los años, volviéndose más
eficientes al momento de satisfacer las necesidades de energía eléctrica. En esta investigación, se
analizaron 33 artículos, los cuales nos permiten explicar la importancia de estos sistemas, los
beneficio brindados y los procedimientos a seguir para la implementación de estos. El estudio
Shafiullah (2016) reveló que el sistema integración de energía renovable en gran medida
(Eólico/FV/Red) es mucho más recomendable económicamente en comparación con un sistema
solo conectado a la red, por lo altos costos iniciales. El estudio de Li et al. (2009) mostró que la
mejor configuración al momento de implementar un sistema híbrido de generación de energía
fue FV/FC/Batería debido su menor costo, mayor eficiencia y menos módulos FV, en
comparación con configuraciones como PV/FC, el cual tiene un costo mínimo mayor que del
sistema PV/Batería. En el estudio de Pfenninger y Keirstead 2015 mostró que, en cuestión de
montos, la energía renovable, la energía nuclear y los combustibles tradicionales son casi lo
mismo, con a respecto a emisiones es una gran cantidad por parte de los combustibles fósiles en
comparación con las otras fuentes de energía.
Si bien es cierto, estos sistemas en un futuro próximo son inevitables, hoy en día no en
todos los países es viable, en países donde los combustibles fósiles abundan, no se ve viable la
implementación de estos sistemas, debido a que su costo inicial es mayor en comparación a los
combustibles tradicionales (Ameri y Yoosefi, 2016). En malasia se realizó el trabajo de
investigación Zakaria et al., (2018), el cual nos indica que las personas tienen conocimiento
acerca de las FER, pero la mayoría no cuenta con el monto económico para poner en práctica
estos sistemas, debido a su alto costo inicial, si bien es cierto el gobierno viene ideando una
forma de promover su uso, aún no viene siendo una opción por lo que mantienen a los
combustibles fósiles como fuente de energía. La implementación de FER es muy recomendable,
pero se consta de ciertas desventajas, debido a que la disponibilidad de esta varía, se ha
comparado un sistema de energía renovable conectada a una forma de almacenar energía con
otra que cuenta con esta, se aprecia como la eficiencia del sistema con almacén de energía
aumenta considerablemente en comparación al otro sistema, ya que esta nos permite cargar la
fuente con el excedente y alimentar con este cuando exista poco suministro de energía (Harrouz
et al., 2017).
Para analizar el almacenamiento más eficiente de energía, la opción más común es pensar
en baterías, sin embargo, hoy en día se ha visto a las fuel cells como una opción recomendable,
debido a la producción de agua que nos brinda en comparación a una betería, pero debemos de
trabajar en base a su eficiencia de la producción de hidrógeno del electrolizador, el cual es del 56
% para potencias menores a 1 kW, 59 % para potencias que van de 1 a 2 kW, y 62,5 % para
potencias mayores a 2,5 kW (Agbossou et al., 2005). Para obtener un buen suministro de
hidrógeno, el cual será utilizado por las fuel cells, se compara la eficiencia energética PEM con
sistema solar FV y la eficiencia del panel FV en una alta producción de hidrógeno (284 L) al día,
obteniendo que con el sistema se tiene entre 18 y 40% de eficiencia, mientras que solo con el
panel se obtiene entre 9 y 12% (Khelfaoui et al., 2020). Se estudia una simulación realizada que
compara el uso de supercondesadores (SCESS) y baterías (BESS) como sistema de
almacenamiento de energía conectadas a un sistema híbrido de energía solar FV autónomo
integrado, fuel cells y diésel generador, donde se determinó que uso de SCESS como
almacenamiento ayudará al desempeño de sistemas de energía híbridos (HES) en función al
costo nivelado de energía (LCOE) y las emisiones de gases de efecto invernadero en contraparte
con BESS.
Se compara la aplicación de sistemas de energías renovable en zonas rurales y en zonas
urbanas, teniendo que este tipo FER se aplica mejor en redes rurales, ya que estas necesitan un
mayor esfuerzo en investigación y desarrollo (I+D), además se encontró una relación positiva
que confirma que al implementar las zonas rurales se incrementan las zonas urbanas, en especial
la capital (Mackillop, 1980). Datos importantes al comparar con el estudio de Qazi (2019), que
nos habla sobre el uso doméstico esencial para de este tipo de sistemas que nos permiten
enfrentar los desafíos a futuro y mantener el medio ambiente limpio.
Este trabajo de investigación es de mucha importancia para la Marina de Guerra del Perú,
debido a que: a) es una oportunidad de ahorro en el consumo de combustible; b) por su
versatilidad de ejecución; c) cuidado del medio ambiente; y d) fortalece I+D en la institución.
Con la aplicación de la data detallada en este artículo, gracias a la revisión de literatura de
calidad, nos permite poder aplicar este sistema en múltiples unidades y dependencias de la
institución que cumplan con los requisitos de sustento de energía eléctrica detallada en el
modelado del electrolizador, mientras este abastecimiento de energía se mantenga positivo, no
existe otra posible condición que se presente. Así mismo, este trabajo nos ayuda a conocer la
relación entre beneficios encontrados en esta recopilación de información y la aplicación de
sistemas híbridos de generación de energía en nuestro país, el cual se encuentra atrasado si lo
comparamos con otros países.
Las limitaciones encontradas en esta investigación es que este estudio no nos permite
conocer la relación existente con respecto al Ejercito del Perú y la Fuerza Aérea del Perú, ni
mucho menos con otras instituciones nacionales públicas ni privadas, la falta de investigaciones
previas en nuestro país, el desconocimiento de la población con respecto a las FER, el temor de
migrar a nuevas fuentes de energía y la falta de apoyo por parte del estado para la motivación a
este cambio. Por lo que se recomienda a futuras investigaciones estudiar la relación de los
beneficios brindados con un sistema de generación de energía eléctrica integrando otras FER,
otras instituciones militares, la Policía del Perú, instituciones del estado, colegios públicos,
colegios privados y empresas privadas con distintos rubros.
En conclusión, el objetivo de esta investigación fue resaltar la importancia de la
aplicación de sistemas híbridos de generación de energía con FER como: a) paneles FV; y b) fuel
cells. Con el fin de generar un ahorro de combustible en la Marina de Guerra del Perú destinado
a la generación de energía eléctrica. Los paneles FV aprovechan la energía solar, y siendo esta
una energía que encontramos en todo el mundo, además de que han venido desarrollándose más
en comparación con otros sistemas, es la que soporta la carga principal de nuestro sistema, las
fuel cells trabajan en conjunto con la batería, las cuales en momento de energía residual
alimentan los electrolizadores para la generación de hidrógeno, y en el momento en que se
necesita energía y no se da abasto con los paneles FV, se utiliza las FC, obteniendo como
resultado energía eléctrica y vapor de agua, también se tiene en cuenta que al ser una institución
militar, se debe tener un respaldo de suministro de energía, el cual lo brindan las fuentes de
alimentación tradicional. El desarrollar este tipo de sistemas es de mucha importancia, ya que al
volvernos autosuficientes energéticamente hablando, podemos desarrollarnos
independientemente, sin sufrir por el aumento de combustible fósil, el cual se estima una
creciente del 50 %. También apoyamos con la disminución de la huella de carbono, la cual
ocasiona los cambios climáticos y aumento gradual de temperatura en el mundo, lo cual afecta a
todo tipo de vida en la Tierra incluyéndonos.
Referencias
Agbossou, K., Doumbia, M.L., y Anouar, A., (2005). Optimal hydrogen production in a standalone renewable energy system. IEEE Industry Applications (IAS) Conference, Vol. 4,
2932–2936. https://doi:10.1109/IAS.2005.1518876
Al-Chaderchi, M., Sopain, K., Alghoul, M. A., y Salameh, T. (2017). Experimental study of the
effect of fully shading on the Solar PV module performance. E3S Web of Conferences,
23, 01001. https://doi.org/10.1051/e3sconf/20172301001
Al-Chaderchi, M., Sopian, K., Salameh, T., Zhang, D., y Alghoul, M. (2018). International
Journal of Power Electronics and Drive System (IJPEDS). Enhancing the Performance of
PV Panel Undergoing Shading Effects, 9(4), 1937-1943.
https://doi.org/10.11591/ijpeds.v9.i4.pp1937-1943
Al-Maamary, H., Kazem, H., y Chaichan, M., (2017). Renewable energy and GCC States energy
challenges in the 21st century: A review. International Journal of Computation and
Applied Sciences, 2(1), 11-18. https://doi.org/10.24842/1611/0018
Ameri, M., y Yoosefi, M. (2016). Power and fresh water production by solar energy, fuel cell,
and reverse osmosis desalination. Journal of Renewable Energy and Environment, 3(1),
25-34.
Bastida, L., Cohen, J. J., Kollmann, A., Moya, A., y Reichl, J. (2019). Exploring the role of ICT
on household behavioural energy efficiency to mitigate global warming. Renewable and
Sustainable Energy Reviews, 103, 455–462. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.01.004
Biswas, I., Dash, V., y Bajpai, P. (2012). Sizing optimization of PV-FC-Battery system with
hybrid PSO-EO algorithm. 2012 Annual IEEE India Conference (INDICON), 869-874.
https://doi.org/10.1109/INDCON.2012.6420739
Debnath, D., y Bhowmik, S. (2020). Comparative study on different types of grid independent
hybrid power system. International Journal for Research in Applied Science &
Engineering Technology (IJRASET), 8(5). http://doi.org/10.22214/ijraset.2020.5316
Duffie, J.A., y Beckman, W.A. (2013). Solar engineering of thermal processes, 4th ed. Solar
Energy Laboratory, University of Wisconsin-Madison. Wiley.
Elimelech, M., y Felipe, G. (2011). The future of seawater desalination: energy, technology, and
the environment. Science, 333,712. https://doi.org/10.1126/ciencia.1200488
Friede, W., Rael, S., y Davat, B. (2004). Mathematical model and characterization of the
transient behavior of a PEM Fuel Cell. IEEE Transactions on Power Electronics, 19(5),
1234–1241. https://doi.org/10.1109/tpel.2004.833449
Global Status Report. (2019). Renewables 2019 Global Status Report-REN21. Global Status
Report. https://www.unenvironment.org/resources/report/renewables-2019-globalstatusreport
Global Status Report. (2022). Renewables 2022 Global Status Report-REN21. Global Status
Report. https://www.ren21.net/gsr-2022/
Greenlee, L., Lawler, D., Freeman, B., Marrot, B., y Moulin, P. (2009). Reverse osmosis
desalination: Water sources, technology, and today's challenges. Water Research, 43(9),
2317-2348. https://doi.org/10.1016/j.watres.2009.03.010
Grubb, W. T., y Niedrach, L. W. (1960). Batteries with solid ion-exchange membrane
electrolytes. Journal of The Electrochemical Society, 107(2), 131.
https://doi.org/10.1149/1.2427622
Harrouz, A., Abbes, M., Colak, I., y Kayisli, K. (2017). Smart grid and renewable energy in
Algeria. IEEE 6th International Conference on Renewable Energy Research and
Applications (ICRERA), 1166-1171. https://doi.org/10.1109/ICRERA.2017.8191237
Irena (2020). Renewable Power Generation Costs in 2019. Informe. International Renewable
Energy Agency. Abu Dhabi.
Jang, D., Cho, H.-S., y Kang, S. (2021). Numerical modeling and analysis of the effect of
pressure on the performance of an alkaline water electrolysis system. Applied Energy,
287, 116554. https://doi:10.1016/j.apenergy.2021.116554
Khelfaoui, N., Djafour, A., Ghenai, C., Laib, I., Danoune, M. B., & Gougui, A. (2020).
Experimental investigation of solar hydrogen production PV/PEM electrolyser
performance in the Algerian Sahara regions. International Journal of Hydrogen Energy.
https://doi:10.1016/j.ijhydene.2020.11.193
Larminie, J. y Dicks, A. (2003). Fuel cell systems explained, 2nd ed. John Wiley & Sons, 2(4),
34.https://doi:10.1002/9781118878330
Li, C-H., Zhu, X-J., Cao, G-Y., S-Sui y M-Hu. (2009). Dynamic modelling and sizing
optimization of stand-alone photovoltaic power systems using hybrid energy storage
technology. Renewable energy, 34(3), 815-826.
Liebhafsky, H. A. (1959). The fuel cell and the carnot cycle. Journal of The Electrochemical
Society, 106(12), 1068. https://doi.org/10.1149/1.2427213
Mackillop, A. (1980). Economic considerations for solar and renewable energy in developing
countries. Natural Resources Forum, 4(2), 165–179. https://doi.org/10.1111/j.14778947.1980.tb00974.x
Odingo, R.S. (1981). New perspectives on natural resource development in developing countries.
GeoJournal, 5(6), 521-530.
Panchal, H., Patel, K., Elkelawy, M., y Alm-Eldin, H. (2019). A use of various phase change
materials on the performance of solar still: a review. International Journal of Ambient
Energy, 42(13), 1575-1580. https://doi.org/10.1080/01430750.2019.1594376
Perry, M. L., y Fuller, T. F. (2002). A historical perspective of fuel cell technology in the 20th
century. Journal of The Electrochemical Society, 149(7).
https://doi.org/10.1149/1.1488651
Pfenninger, S. y Keirstead, J. (2015). Renewables, nuclear, or fossil fuels? Scenarios for Great
Britain's power system considering costs, emissions and energy security. Applied Energy,
152, 83-93. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.04.102
Qazi, A., Hussain, F., Rahim, N., Hardaker, G., Alghazzawi, D., Shaban, K., y Haruna, K.
(2019). Towards Sustainable Energy: A Systematic Review of Renewable Energy
Sources, Technologies, and Public Opinions. Intitute of Electrical and Electronics
Engineers (IEEE) Access,7, 63837-63851.
https://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2906402
Salameh, T., Ali, M., Olabi, A.G., Taha, E., Al-Chaderchi M., y Rezk, H. (2021). Integrated
standalone hybrid solar pv, fuel cell and diesel generator power system for battery or
supercapacitor storage systems in khorfakkan, united arab emirates. International Journal
of Hydrogen Energy, 46(8), 6014-6027. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.08.153
Shafiullah, G. M. (2016). Hybrid renewable energy integration (HREI) system for subtropical
climate in Central Queensland, Australia. Renewable Energy, 96(A), 1034-1053,
https://doi.org/10.1016/j.renene.2016.04.101
Tawfik, H., Hung, Y. y Mahajan, D. (2007). Metal bipolar plates for PEM fuel cell-A review.
Journal of Power Sources, 163(2), 755–767.
https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2006.09.088
Yoosefi, M., Zakavi, M., y Bafandeh, A.R. (2014). Using renewable energies for desalination
purposes. Journal of Environmentally Friendly Processes, 2(4).
Zakaria, S., Basri, S., Kamarudin, S., y Majid, N. (2019). Public awareness analysis on
renewable energy in malaysiahttps. IOP Conference Series: Earth and Environmental
Science, 268(1). https://doi.org/10.1088/1755-1315/268/1/012105