Comunicación presentada al III Congreso Smart Grids:
Autores
- Daniel Hidalgo Serrano, Ingeniero Unidad Simulación y Control, CNH2
- Mónica Sanchez Delgado, Responsable Unidad de Desarrollo y Validación de Sistemas, CNH2
- Gonzalo Manjavas Ortiz, Ingeniero Unidad de Desarrollo y Validación de Sistemas, CNH2
Resumen
Con el aumento del uso de las energías renovables, cada vez se hace más necesario el desarrollo de algoritmos de control más específicos, capaces de gestionar múltiples tecnologías de almacenamiento. Para el desarrollo y validación de dichos algoritmos es necesario el desarrollo de plataformas de simulación que permitan validar el algoritmo, interactuando con los equipos físicos para poder validar cuál sería su respuesta real, siguiendo la filosofía Hardware in the Loop (HIL), ante perfiles renovables de generación eléctrica. La plataforma que se presenta en este trabajo permite reproducir diferentes perfiles reales fotovoltaicos y eólicos, pudiendo el sistema interpolar los datos para obtener resoluciones de 1 segundo en los perfiles reproducidos. A su vez, la plataforma permite incluir en la simulación un sistema auxiliar de almacenamiento basado en supercondensadores. Los diferentes escenarios se reproducen en tiempo real en un entorno simulado al cual es conectado el equipo físico y sometido realmente a las fluctuaciones de energías simuladas en el entorno virtual. Todo este proceso está monitorizado y los datos son almacenados para su posterior análisis.
Palabras clave
Microrredes, Power to Gas, Gardware in the Loop, Electrolizador, Renovables
Introducción
Esta plataforma ha sido desarrollada y utilizada en el proyecto RENOVAGAS , con número de expediente RTC-2014-2975-3 financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad, cuyo objetivo general (dentro del concepto Power to Gas PtG) es el desarrollo de una planta de producción de gas natural sintético (GNS) a partir de la producción electrolítica de hidrógeno mediante energías renovables y su metanación a través de la combinación de ese hidrógeno con una corriente de biogás, de manera que el gas natural obtenido sea totalmente renovable. El concepto de este conjunto de procesos permite una conexión y gestión inteligente entre la red eléctrica y la red de gas natural, que son las dos principales redes de distribución energética existentes en la mayoría de países desarrollados, y con las energías renovables, que suponen en muchos casos un problema para los gestores de dichas redes por las anomalías potenciales que pueden introducir en las redes con su implantación masiva. Para el proyecto RENOVAGAS se ha trabajado en un sistema de control y monitorización avanzado, dentro del cual se ha desarrollado esta plataforma virtual cuyo objetivo es la implementación y validación de un algoritmo de control que permita la integración óptima del electrolizador con energías renovables y con el resto de la planta PtG. El algoritmo de control busca maximizar el aprovechamiento de las energías renovables intentando minimizar el deterioro del electrolizador.
Desarrollo de plataforma virtual de validación
El desarrollo de la plataforma virtual de validación ha estado asociado al montaje de una planta piloto junto con la puesta a punto de un sistema de control apropiado para ésta, ambos descritos en los siguientes apartados.
Descripción de la instalación
El diseño, montaje y operación de la planta piloto desarrollada dentro del proyecto Renovagas ha tenido como objetivo el disponer de una planta de producción de gas natural sintético (GNS) a partir de la producción electrolítica de hidrógeno mediante energías renovables y su metanación a través de la combinación con una corriente de biogás de manera que el gas natural obtenido sea totalmente renovable. En la Figura 1 se muestra un detalle de la planta piloto la cual se ha montado en un container marítimo de 20 ft.
En lo relacionado con el equipamiento, los equipos más representativos son un sistema de generación de hidrógeno (electrolizador) junto con un sistema de almacenamiento de hidrógeno asociado, un sistema de compresión de biogás y un reactor de metanación. Los servicios auxiliares se componen de un sistema de alimentación de agua desionizada, un sistema de nitrógeno como inerte y un sistema de alimentación eléctrica que suministra al electrolizador la potencia necesaria para su funcionamiento, mediante un bus de alterna en trifásica dimensionado para una potencia pico consumida por el equipo a 400 V de 11,6 kW. Prestando especial atención al caso del electrolizador, éste se corresponde con un electrolizador alcalino avanzado de la empresa ACTA SPA, basado en membranas de intercambio aniónico, capaz de generar un caudal de hidrógeno de hasta 2 Nm3/h con un consumo nominal de 4,8 kWh/Nm3.
Sistema de control
El sistema de control está integrado por un PLC software con sistema operativo en tiempo real, encargado de acondicionar todas las señales digitales y analógicas y suministrar las señales adecuadas para actuar sobre los elementos de control instalados en la instalación. Dichas señales se encuentran repartidas a lo largo de una periferia distribuida, cuya comunicación con el PLC se establece mediante EtherCAT (un protocolo para tiempo real), posibilitando frecuencias de muestreo y de actuación muy superiores a la dinámica de los elementos de la instalación.
Para los ensayos de integración del electrolizador con las energías renovables, objeto de este estudio, se ha creado un SCADA específico en el que se implementa un entorno virtual donde se introducen los datos reales del comportamiento del electrolizador, posibilitando el análisis de cómo sería la integración del electrolizador con unas energías renovables simuladas, pero utilizando datos reales de respuesta del electrolizador en la simulación. El entorno virtual está compuesto por una microrred en la que se incluyen paneles fotovoltaicos el aerogenerador el consumo del edificio, el electrolizador, un sistema de almacenamiento auxiliar en supercondensadores y la conexión a la red eléctrica. Para recrear un ensayo es necesario introducir los perfiles que deben seguir las fuentes de energía fotovoltaica y eólica, el perfil de consumo del edificio, estableciendo y a partir de qué hora del día se quiere comenzar la simulación a través del entorno virtual. En el SCADA se dispone de una representación visual (ver figura 3) del estado global de esta microrred simulada donde se puede ver en todo instante cual es el reparto de energía, determinando en que momentos es necesario que se aporte energía en la microrred desde la red eléctrica y en qué momentos se tienen excedentes de energía que son inyectados en la red eléctrica. La mejor o peor integración del electrolizador con los perfiles de energías renovables configurados se verá reflejada en participación de la red eléctrica durante el ensayo, cuanto menos participe mejor será esa integración, intentando evitar en todo momento que se produzca una inyección de potencia en la red eléctrica desde la microrred (provocada por excedentes de generación) y minimizando todo la posible la potencia requerida desde la red eléctrica para el funcionamiento de la microrred (provocado por defectos de generación).
Validación Algoritmo de Control
Algoritmo de control del electrolizador
Para el funcionamiento automático del electrolizador se desarrollado un algoritmo de control cuyo funcionamiento se quiere validar mediante el sistema. En dicho algoritmo se dispone de una serie de variables modificables desde el SCADA para configurar su comportamiento.
Para determinar cuándo encender el electrolizador existe un valor de potencia umbral (ON), de tal forma que cuando el excedente de potencia eléctrica generado supere dicho umbral durante un tiempo determinado el electrolizador se enciende. Este valor de potencia umbral está configurado de tal forma que sea superior al consumo de los sistemas de funcionamiento del BOP del electrolizador (el consumo mínimo que puede tener el electrolizador una vez encendido). Del mismo modo hay otro valor de potencia umbral (OFF) por el que una vez que el electrolizador está funcionando, si el excedente de potencia eléctrica es inferior a ese umbral durante un determinado tiempo, entonces el electrolizador se apagaría.
Una vez que el electrolizador está encendido y ha pasado la fase de arranque, el electrolizador pasaría a un modo de funcionamiento de máxima potencia. Electrolizador intentará establecer su consigna de funcionamiento de tal forma que aproveche todo el excedente de energía renovable disponible, sin llegar a consumir más de la energía disponible (lo que provocaría que la red eléctrica tuviera que suministrar el exceso de energía consumido por el electrolizador). Para establecer el punto de funcionamiento del electrolizador, se analiza el aporte de potencia desde la red eléctrica cada cierto tiempo (tiempo actualización salida) y si esta fuera de unos los límites (límites Smith Trigger, MAX, MIN) se modifica el valor de consigna de forma gradual hasta que el aporte de la red eléctrica se encuentre dentro de esos límites. El hecho de que la consigna vaya modificándose en incrementos cada cierto tiempo garantiza que al stack del electrolizador no se le apliquen cambios bruscos de consigna, lo cual supondría una degradación más rápida del electrolizador. Esto implica que utilizando únicamente el electrolizador como sistema de almacenamiento sea muy difícil seguir con precisión el excedente de energía, provocándose desviaciones tanto por exceso como por defecto, que provocan que se esté inyectando potencia y consumiendo pequeñas potencias de la red eléctrica, lo cual no es deseable. Para evitar esta situación es necesario integrar un sistema de almacenamiento auxiliar con una dinámica mucho mayor. La capacidad de dicho sistema auxiliar no tiene que ser muy alta, puesto que su función no será la de almacenar energía en sí, sino la de absorber las pequeñas desviaciones que se producen por culpa de la dinámica lenta del electrolizador. Para estos experimentos se ha decidido añadir como sistema auxiliar de almacenamiento unos supercondensadores.
Para el comportamiento del sistema de energía auxiliar basado en supercondensadores, se puede establecer cuál es la capacidad máxima de almacenamiento en Watios hora, cual es la potencia máxima que es capaz de absorber o entregar el sistema auxiliar, la eficiencia entre la energía almacenada y la energía que se recupera del sistema auxiliar. Además, se puede configurar una energía mínima de arranque la cual impide que el electrolizador se encienda mientras no haya suficiente energía almacenada en el sistema auxiliar capaz de proporcionar la potencia consumida por el electrolizador durante el arranque.
Ensayo en entorno simulado
Se ha realizado una serie de ensayos enfocados en la optimización de los valores del algoritmo de control, con el objetivo de validar el funcionamiento en diferentes situaciones (perfiles EERR y curva demanda en verano/ invierno, funcionamiento de fotovoltaica en MPPT o a demanda, operación con y sin sistemas auxiliares de almacenamiento).
En este artículo se presenta el resultado para una situación de invierno y otra de verano. En la Figura 4 se muestra el resultado de un ensayo de invierno con la instalación y en la Figura 5 un ensayo de verano, partiendo de perfiles de renovables correspondientes para fotovoltaica y eólica. Como consideraciones previas debe tenerse en cuenta que la línea en color negro representa la intervención de la red eléctrica durante el ensayo, que idealmente debería de estar marcando todo el rato el valor cero. El resto de líneas indican la potencia aportada para el caso de la fotovoltaica (línea naranja) y la eólica (línea verde), y la potencia consumida para el caso del electrolizador (línea azul), las cargas del edificio (línea roja) y el comportamiento del supercondensador (línea rosa). En el caso de la potencia de la red eléctrica, valores positivos indican que la red eléctrica está inyectando potencia en la microrred y valores negativos suponen que es la microrred quien inyecta potencia en la red eléctrica. Al haber penalizaciones en el caso de inyección de potencia en la red eléctrica, se debe de evitar que la línea que representa la red eléctrica tenga valores negativos. Para el sistema de supercondensadores valores positivos indican que el sistema auxiliar está inyectando potencia en la microrred y valores negativos indican que se está almacenando energía en el sistema auxiliar, absorbiendo por tanto potencia de la microrred.
Conclusiones
La plataforma virtual desarrollada permite simular una microrred para caracterizar el comportamiento de sistemas de electrolisis frente a perfiles reales y optimizar el funcionamiento del mismo mediante algoritmos de control avanzados. En este caso específico se ha validado las variables de un algoritmo de control específico para la aplicación de un sistema de electrolisis que forma parte de una planta PtG, optimizándose el correcto funcionamiento del mismo, de manera que se minimice los ciclos arranque/parada y se maximice la eficiencia del sistema de almacenamiento, intentando tender a cero la necesidad de la red. Además, esta plataforma nos permite dimensionar de manera óptima los sistemas auxiliares de almacenamiento que son necesarios en función de la aplicación.
Agradecimientos
Proyecto RENOVAGAS, con número de expediente RTC-2014-2975-3 financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO) en el marco de la convocatoria proyectos I+D Retos y Colaboración 2014. Los participantes del consorcio son Enagás, FCC-Aqualia, Gas Natural Fenosa, Abengoa Hidrógeno, Consejo superior de Investigaciones Científicas (CSIC), Centro Nacional del Hidrógeno (CNH2) y Tecnalia R&I.
Referencias
- Amores E., Rodríguez J., Oviedo J., Operation Strategy for Hydrogen Production by Water Electrolysis Powered by Solar Photovoltaic Energy, en International Conference on Renewable Energies and Power Quality, Madrid 2016.
- Kanchev, H., Lu, D., Colas, F., Lazarov, V., & Francois, B. Energy management and operational planning of a microgrid with a PV-based active generator for smart grid applications. Industrial Electronics, IEEE, 2011.
- Lehner M., Tichler R., Koppe M., Steinmüller H., Power-to-Gas: Technology and Business Models, SpringerBriefs in Energy, 2014.
- Sánchez M., Manjavacas G., Olavarrieta J., Hidalgo D., Funez C., RENOVAGAS PROJECT: getting synthetic natural gas from renewable energy sources, en V Iberian Symposium on Hydrogen Fuel Cells and Advanced batteries, Tenerife Julio 2015.