Estudio de viabilidad técnica para la integración de un sistema de refrigeración con bomba de calor geotérmica en un sistema de electrolizador y pila de combustible de hidrógeno

Abstract

En el contexto del cambio climático y la transición energética hacia fuentes sostenibles, el hidrógeno verde se consolida como un vector energético estratégico. No obstante, su despliegue a gran escala enfrenta desafíos importantes, especialmente relacionados con los elevados costos de producción, operación y eficiencia. Este Trabajo Final de Graduación (TFG) plantea un estudio de viabilidad técnica para la integración de un sistema de refrigeración basado en una bomba de calor geotérmica, a un electrolizador y una pila de combustible de hidrógeno, elementos parte de la microrred del edificio demostrador del Centro Nacional del Hidrógeno (CNH2), en Puertollano, España. El análisis se centra en la determinación y caracterización de variables clave del sistema de refrigeración con bomba de calor geotérmica, el electrolizador y la pila de combustible, conforme a los lineamientos de las normas ISO 22734, UNE-EN 378 e IEC 62282 y otros insumos de relevancia técnica y legal, con el objetivo de definir criterios técnicos que permitan establecer la viabilidad del uso de una bomba de calor geotérmica como sistema principal de refrigeración del conjunto electrolizador–pila. Se desarrollaron los planos electromecánicos del sistema propuesto, y se validaron los parámetros críticos mediante ensayos experimentales realizados sobre una pila de combustible de 30 kW, un electrolizador alcalino de 60 kW y una bomba de calor geotérmica. Paralelamente, se llevaron a cabo simulaciones para analizar la dinámica térmica del sistema integrado, y se formuló un presupuesto detallado orientado hacia su posible implementación en futuras aplicaciones. A partir de lo anterior, se establecen conclusiones sobre la viabilidad técnica de la integración de un sistema de refrigeración con bomba de calor geotérmica en el sistema de electrolizador y pila de combustible de hidrógeno en función a los criterios previamente definidos. Este trabajo aporta una solución innovadora para la mejora de la eficiencia térmica en sistemas de producción y aprovechamiento de hidrógeno en el contexto de microrredes, con potencial para reducir los costos operativos y avanzar en la consolidación del hidrógeno como vector clave en la descarbonización de la economía.

In the context of climate change and the ongoing energy transition toward more sustainable sources, green hydrogen is emerging as a strategic energy carrier. However, deploying it on a large scale still faces significant challenges, particularly related to high production costs, operational complexity, and efficiency limitations. This Final Graduation Project (TFG) presents a technical feasibility study for the integration of a geothermal heat pump–based cooling system, coupled with a hydrogen electrolyzer and fuel cell, as part of the microgrid of the demonstration building at the Spanish National Hydrogen Centre (CNH2) in Puertollano, Spain. The analysis focuses on the characterization of key variables of the geothermal heat pump system, the electrolyzer, and the fuel cell, following the guidelines of standards such as ISO 22734, UNE EN 378, and IEC 62282, along with other relevant technical and legal references. The goal is to define technical criteria to evaluate whether a geothermal heat pump can serve as the main thermal dissipation mechanism for the combined electrolyzer–fuel cell system. Electromechanical blueprints were developed for the proposed configuration, and critical system parameters were validated through experimental testing on a 30 kW fuel cell, a 60 kW alkaline electrolyzer, and a geothermal heat pump. In parallel, dynamic simulations were carried out to understand the thermal behavior of the integrated system under various operating conditions. A detailed cost estimate was also prepared to assess the potential for real-world implementation. These efforts support conclusions regarding the technical viability of integrating a geothermal heat pump–based cooling system into the hydrogen electrolyzer and fuel cell setup, which operates as part of the CNH2 demonstration building’s microgrid. This work offers an innovative approach to improving thermal efficiency in hydrogen production and utilization systems in the context of microgrids. It has the potential to reduce operational costs and strengthen the role of hydrogen as a cornerstone in building a decarbonized economy.