Dimensionamiento, modelado y control de los componentes de un sistema híbrido de generación de energía eléctrica basado en energías renovables e hidrógeno

Resumen

El calentamiento global es considerado como uno de los problemas ambientales a los que se enfrentarán las personas en los próximos 50 años. El uso de energías renovables para la producción de energía eléctrica puede contribuir significativamente a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, tales como dióxido de carbono y óxidos de nitrógeno, y proteger el medio ambiente de una mayor degradación. Una de las esperanzas de futuro es que las energías renovables puedan remplazar las fuentes convencionales de energía (carbón, petróleo, gas natural y energía nuclear), ampliamente empleadas en la actualidad en la generación de energía eléctrica. Fuentes de energía renovables tales como la eólica y la solar fotovoltaica son dos de las que más prometen a la hora de generar energía eléctrica. Estas están siendo ampliamente utilizadas, ya que son energías limpias, están disponibles en abundancia en la naturaleza y sus tecnologías están ahora bien desarrolladas. Sin embargo, una de sus principales desventajas es su naturaleza aleatoria y fluctuante, lo que las hace imprevisibles o incluso poco fiable en comparación con las fuentes convencionales de energía. Para diferentes localizaciones, las condiciones climáticas tales como irradiancia solar, velocidad del viento, temperatura, entre otras, cambian a diario. Por estas razones, deben combinarse e integrarse fuentes de energía y convertidores electrónicos de potencia, que permitan una adecuada gestión de la energía, con objeto de satisfacer las demandas de carga mientras varían esas condiciones meteorológicas. Integrar fuentes de energía renovables para formar un sistema híbrido es una excelente opción para la producción de energía. Se ha demostrado que los sistemas híbridos de energía pueden reducir significativamente el costo del ciclo de vida total de las fuentes de alimentación independientes en muchas situaciones, mientras que al mismo tiempo proporcionar un suministro más fiable de electricidad a través de la combinación de fuentes de energía. Los sistemas de almacenamiento de energía tales como baterías o supercondensadores son muy importantes para los sistemas de generación eléctrica solar/eólica. Las energías solar y eólica se almacenan durante los días soleados y con viento, siendo aprovechada más tarde, durante los días nublados o de noche, y para apoyar la demanda de potencia. Así, la energía eléctrica se acumula durante los períodos valle y más tarde se utiliza en los periodos pico. La optimización del tamaño puede garantizar una inversión más baja con un uso razonable y completo del sistema híbrido. La integración de la energía fotovoltaica y eólica con el uso del hidrógeno como sistema de almacenamiento de energía para sustituir a las baterías convencionales de plomo-ácido, conduce a una fuente de energía fiable, no contaminante y reduce los costes totales de mantenimiento. El hidrógeno es producido por un electrolizador alimentado por el exceso de energía eléctrica de la fuente de energía renovable. El hidrógeno se puede utilizar para alimentar una pila de combustible, que actuará como una fuente secundaria de energía en períodos de alta demanda. Las pilas de combustibles (en inglés, fuel cell, FC) de membrana de intercambio de protones (proton exchange membrane, PEM) son las células de combustible más prometedoras para aplicaciones de distribución de energía debido a su baja temperatura de funcionamiento, densidad de potencia elevada, potencia específica, eficiencia, alta durabilidad y la capacidad de adaptarse con rapidez a los cambios en demanda de potencia. Por otro lado, los electrolizadores de membrana de intercambio de protones son muy simples y compactos. Y además presentan como ventaja que pueden ser usados como pila de combustible para producir energía eléctrica a partir de hidrógeno y oxígeno como pequeñas modificaciones, de forma que estos electrolizadores representan la opción más prometedora para aplicaciones de pequeña escala. En los últimos años han proliferado los estudios sobre el modelado y simulación de sistemas híbridos integrados por pila de combustible y electrolizador, sobre todo para aplicaciones aisladas. Igualmente hay disponibles varios programas de simulación, los cuales permiten el dimensionamiento óptimo de los sistemas de energía híbridos. Sin embargo, son pocos los trabajos sobre la utilización del hidrógeno en aplicaciones de sistemas híbridos conectados a red, y en el caso de los sistemas aislados, existen ejemplos sobre todo en el contexto de la investigación o de proyectos de demostración, lo que pone de manifiesto la novedad de la línea de trabajo propuesta, así como el interés que ésta ha adquirido en los últimos años. Esta tesis se enmarca dentro del Proyecto de Investigación del Plan Nacional I+D del Ministerio de Ciencia e Innovación, titulado ¿Sistema híbrido de generación eléctrica compuesto por paneles fotovoltaicos, aerogenerador y pila de combustible con electrolizador (SOLEOPIL)¿, referencia ENE2010-19744. Este proyecto pretende desarrollar un sistema híbrido de generación eléctrica de alta eficiencia basado en energías renovables e hidrógeno, compuesto por sistema fotovoltaico (paneles solares), sistema eólico (aerogenerador), y sistema de hidrógeno (pila de combustible y electrolizador) y sistema auxiliar de almacenamiento de energía (batería), con objeto de maximizar la energía producida, satisfacer la demanda de energía, reducir las fluctuaciones en la potencia de salida u optimizar la producción. Con el fin de cumplir este objetivo principal, en esta tesis doctoral se han abordado los siguientes aspectos del sistema híbrido objeto de estudio, compuesto de paneles solares, aerogenerador, pila de combustible, tanque de hidrógeno, electrolizador y batería: - Se ha desarrollado un nuevo método de dimensionamiento de los componentes del sistema híbrido, siendo los resultados alcanzados con éste método validados por comparación con los alcanzados con programas de dimensionamiento de reconocido prestigio internacional, tales como HOMER y HOGA. - Se han modelado cada uno de los componentes del sistema híbrido adoptado en el entorno MATLAB-Simulink, empleándose modelos desarrollados por el propio doctorando y algunos de los modelos ya existentes en la librería SymPowerSystem de Simulink. De igual forma, se ha desarrollado un modelo completo del sistema híbrido, con objeto de poder evaluar la configuración adoptada y las estrategias de control desarrolladas en esta tesis. - Han sido desarrolladas nuevas estrategias de control para el sistema supervisor del sistema híbrido, con las que conseguir satisfacer la demanda de energía y una adecuada gestión de la energía de las fuentes integrantes del sistema. - Las diversas simulaciones realizadas ante diferentes condiciones meteorológicas, de carga demandada/operación, etc., y bajo diferentes estrategias de control empleadas durante la operación del sistema híbrido objeto de estudio ponen de manifiesto la efectividad de la configuración adoptada para el sistema híbrido y de las estrategias de control implementadas para proporcionar la energía demandada por la carga, mientras se consigue mantener una cierta reserva de energía en las fuentes de almacenamiento de energía (batería e hidrógeno). Los resultados alcanzados en esta tesis demuestran que el sistema híbrido diseñado es técnicamente viable, pues permite asegurar el suministro eléctrico en aplicaciones aisladas, si bien se trata de una opción que económicamente resulta cara, siendo precisa una mayor investigación en la tecnología de hidrógeno para conseguir equipos más eficientes y de menor coste que la hagan más competitiva.