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Incorporación de hidrógeno al gas natural en un sistema de cogeneración con turbina de gas diseñado para suministrar energía a comunidades conectadas mediante redes urbanas de calor

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Treballs Finals del Màster d’Energies Renovables i Sostenibilitat Energètica, Facultat de Física, Universitat de Barcelona. Curs: 2022-2023. Tutora: Mariana Catalina Jiménez Martínez

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El ámbito urbano es el mayor consumidor de energía en la actualidad, contribuyendo con el 70% de las emisiones totales de dióxido de carbono, mientras que el sector eléctrico conlleva grandes pérdidas energéticas y económicas. Para subsanar ambas problemáticas se cuenta con sistemas de eficiencia energética, como las redes urbanas de calor y la cogeneración, las cuales incrementan su eficiencia cuando trabajan en conjunto.  
Sin embargo, el principal combustible empleado en la cogeneración es el gas natural, por lo que, alineados con los objetivos climáticos del Acuerdo de París, se debe empezar a buscar nuevas alternativas libres de emisiones. Aquí ingresa el rol del hidrógeno, un combustible limpio y con alto potencial energético. No obstante, su producción es limitada y tiene un precio poco competitivo. Por tanto, para evitar el desabastecimiento energético, un aumento de emisiones e incremento del precio de la energía en la actualidad; la mezcla de hidrógeno y gas natural parece ser la opción más conveniente.  
En tal contexto, el presente documento muestra un estudio de viabilidad técnica, ambiental y económica de la incorporación de hidrógeno al gas natural en un sistema de cogeneración con turbina de gas diseñado para suministrar energía eléctrica y agua caliente sanitaria a comunidades conectadas mediante redes urbanas de calor. 
Para llevar a cabo el estudio, se realiza una investigación documental con el fin de evaluar la compatibilidad de utilizar diferentes mezclas de hidrógeno y gas natural en sistemas compuestos por cogeneración con turbina de gas y redes urbanas de calor. Una configuración que involucra estos elementos se propone en una red urbana de calor teórica ubicada en Logroño (España). Posteriormente, se desarrolla un modelo matemático para simular la operación de la cogeneración en condiciones fuera de diseño, variando el porcentaje de hidrógeno de 0% a 60%, límite establecido por la turbina de gas SGT-400 de la marca Siemens empleada para el caso de estudio. 
Mediante los datos obtenidos por el modelo, se efectúa el análisis para encontrar el mejor escenario usando como indicadores la eficiencia, la contribución a la demanda, las emisiones de dióxido de carbono, el valor actual neto, la tasa interna de retorno y el tiempo de recuperación de la inversión. Buscando un equilibrio entre el ámbito técnico, ambiental y económico en el 2022, el 40% de hidrógeno se posiciona como la opción más viable. En adición, se efectúa un análisis de sensibilidad económica en los años 2030 y 2050, en los cuales el 60% de hidrógeno se posiciona como la mejor alternativa.  
Para concluir se comprueba que la adición de hidrógeno en la propuesta planteada permite obtener menores emisiones de dióxido de carbono, con un buen rendimiento energético y buena rentabilidad, la cual se incrementa en escenarios futuros.

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Màster Oficial - Energies Renovables i Sostenibilitat Energètica

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Incorporación de hidrógeno al gas natural en un sistema de cogeneración con turbina de gas diseñado para suministrar energía a comunidades conectadas mediante redes urbanas de calor