Comunicación presentada al II Congreso Smart Grids:
Autores
- Daniel Hidalgo Serrano, Ingeniero de la Unidad de Simulación y Control
- Jesús Javier Martín Pérez, Ingeniero de la Unidad de Coordinación de Proyectos
- Carlos Merino Rodríguez, Responsable de la Unidad de Simulación y Control Centro Nacional del Hidrógeno (CNH2)
Resumen
Los sistemas eléctricos aislados basados en energías renovables están adquiriendo cada vez más relevancia y penetración para dar respuesta a situaciones de falta de suministro e incluso en sistemas basados en autoconsumo con o sin red eléctrica de respaldo. Los sistemas de almacenamiento de energía son de gran importancia para el soporte de redes tan débiles y dependientes de fuentes no gestionables. El Centro Nacional del Hidrógeno ha desarrollado una red experimental donde se evalúa estrategias sobre el almacenamiento energético en forma de hidrógeno. La microrred desarrollada cuenta con hibridación del almacenamiento en hidrógeno y baterías. Dispone de generadores fotovoltaicos y minieólico y del lado del consumo un entorno de cargas domésticas y un punto de recarga para vehículo eléctrico desarrollado para esta instalación.
Introducción
Los beneficios en cuanto a impacto ambiental y reducción de gases de efecto invernadero que las fuentes de origen renovable traen consigo, junto con la necesidad de aumentar la eficiencia energética forma parte de los objetivos de la iniciativa “20-20-20” para 2020. La transición a este nuevo escenario energético pasa por una redefinición de la concepción de la red eléctrica del sistema eléctrico de potencia que permita dividir a la red en unidades más simples de gestión. Se genera el concepto de generación distribuida donde la generación se hace a pequeña escala y cerca del punto de consumo.
Una SmartGrid es una red que integra de manera inteligente las acciones de los usuarios que se encuentran conectados a ella: generadores, consumidores y aquellos que son ambas cosas a la vez, con el fin de conseguir un suministro eléctrico eficiente, seguro y sostenible. Las SmartGrids utilizan equipos y servicios innovadores, que ayudarán a conseguir objetivos tales como mejorar la integración de la generación renovable y de nuevas tecnologías de almacenamiento. El hidrógeno dentro del denominado ciclo de hidrógeno, como vector energético, es pieza clave para el éxito futuro de la generación distribuida en nuestro país. Por tanto se pretende ofrecer como alternativa viable, factible y demostrable la acumulación energética vía hidrógeno, junto con sistemas complementarios en baterías, como hibridación adecuada al carácter fluctuante de la generación renovable como son la fotovoltaica y la minieólica. El uso de estas energías intermitentes de origen renovable busca soluciones tecnológicas que permitan obtener mayores rendimientos energéticos que solventen las barreras que se encuentran con las actuales tecnologías comerciales de generación y almacenamiento.
Esta instalación pretende servir como plataforma demostradora de sistemas de almacenamiento de energía híbridos, baterías y pilas de combustible, como complemento de las energías renovables a disposición del sector científico e industrial para la experimentación y validación.
Proyecto
La microrred dispuesta en el Centro Nacional del Hidrógeno para la experimentación del almacenamiento de hidrógeno en sistemas aislados cuenta con sistemas de generación, almacenamiento y consumos. Los sistemas de generación están basados en energías renovables de tipo fotovoltaico con una potencia de 3 kWp y minieólica de 800W. Para el sistema de almacenamiento son utilizadas dos tipos de tecnologías, almacenamiento en baterías de gel y almacenamiento en ciclo de hidrógeno formado por un electrolizador de tecnología PEM de 1 kW, almacenamiento de hidrógeno en hidruros metálicos y una pila de combustible de tecnología PEM de 1,2 kW. Del lado de la demanda se cuenta tanto con una carga electrónica programable donde implementar distintos tipos de perfiles como con cargas reales domesticas o un punto de recarga de vehículo eléctrico.
La forma de interconexión elegida es mediante el uso de convertidores comerciales conectados entre sí a través de un bus de corriente continua.
Se dispone de un completo sistema de comunicaciones y de adquisición de datos y la implementación de un sistema de control SCADA donde controlar y monitorizar la instalación. Sobre este sistema SCADA y control basado en PLC, se pueden implementar las distintas estrategias de operación a ensayar con el fin de evaluar estrategias óptimas y metodologías de control.
Las capas implementadas tienen cabida en el modelo de la arquitectura SGAM de referencia para microrredes.
Resultados
Se presentan y discuten a continuación resultados de operación de la microrred presentada. Los ensayos realizados se han efectuado sobre un sistema de almacenamiento en baterías de tipo gel y almacenamiento en hidrógeno en sistemas químicos reversibles de hidruros metálicos usando equipos comerciales para el electrolizador, la pila de combustible y la electrónica de potencia implicada. Para una mejor comprensión de las posibles estrategias de almacenamiento se ha ensayado primero la microrred permitiendo que solo se pueda almacenar energía en las baterías para posteriormente comparar con el caso de priorizar el almacenamiento en hidrógeno. El caso de almacenamiento sólo en baterías queda representado en la Figura 4.
Como se puede observar, la estrategia de operación es muy sencilla dada la rapidez de respuesta con la cual las baterías pueden pasar de almacenar energía a entregarla. De este modo en la Figura 4 se puede observar como el exceso de generación eléctrica de origen renovable con respecto a la demanda de los consumos domésticos es almacenado en las baterías y cualquier incremento en la demanda que supere la capacidad de generación eléctrica de las fuentes renovables en esos momentos, es proporcionado por las baterías.
En el caso de priorizar el uso del hidrógeno la situación cambia. Supongamos el caso extremo de querer prescindir de las baterías. En ese caso dado la aleatoriedad tanto de la demanda, por parte de los consumos domésticos, como de la generación, por parte de las fuentes de energía renovables, se hace necesario que tanto el electrolizador como la pila de combustible se encuentren en modo arranque al mismo tiempo, para poder absorber cualquier exceso de generación de energía como entregar cualquier defecto en la misma en todo momento.
No obstante en el caso de almacenamiento vía hidruros, donde la temperatura de operación a la que hay que mantener los recipientes varía en función de si queremos almacenar hidrógeno procedente del electrolizador o extraerlo para alimentar la pila de combustible, implicaría utilizar alguno de los recipientes de hidruros del sistema de almacenamiento para destinarlo al suministro de hidrógeno e ir alternando en ambas.
Sin embargo, en esa situación el papel de las baterías es muy importante puesto que la intensidad que es capaz de absorber el electrolizador, así como la intensidad que puede suministrar la pila de combustible, presentan ciertas limitaciones en vistas a prolongar la vida útil de dichos equipos y que por tanto impide que se ajusten perfectamente a la forma de las necesidades de la microrred.
Por lo tanto se hace necesario utilizar el almacenamiento de hidrógeno de manera conjunta con otro tipo de almacenamiento que no presente dichas limitaciones. En este artículo se ha hibridado con almacenamiento en baterías de gel.
El caso de almacenamiento en hidrógeno y baterías queda representado en la Figura 5.
Se puede observar que el almacenamiento en hidrógeno puede absorber la mayoría de los excedentes de energía que puedan producirse en la microrred consiguiéndose disminuir la intensidad que absorbe la batería a prácticamente cero durante todo el proceso. Del mismo modo la pila de combustible consigue aplanar el perfil de la intensidad que es necesario que entregue la batería para el funcionamiento de la microrred.
De esta forma, el uso del hidrógeno permitiría disminuir la cantidad de baterías que sería necesario para el funcionamiento de la microrred. Pudiéndose reducir todo lo que se quisiera siempre y cuando fuese capaz de suministrar los picos de intensidad que se observan en las gráficas.
No obstante para optimizar el funcionamiento de la microrred es recomendable disponer de una predicción de las fuentes renovables para optimizar su funcionamiento y determinar los periodos de priorización de almacenamiento en hidrógeno.
Discusión y Conclusiones
El uso de sistemas de almacenamiento energético en ciclo de hidrógeno es adecuado para sistemas basados en energías renovables tanto en configuraciones de conexión a red como en instalaciones más débiles y aleatorias como son pequeñas instalaciones aisladas o de autoconsumo. Disponer de hibridaciones de tecnologías de almacenamiento de hidrógeno y baterías permite dar respuesta tanto al corto, medio y largo plazo de entrega de la energía lo que permite estrategias de operación en distintos horizontes temporales pudiendo llegar a soluciones de almacenamiento estacional.
Reconocimientos
Los trabajos descritos en este estudio han sido realizados en las instalaciones del Centro Nacional del Hidrógeno con la financiación aportada por el Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO), la Junta de Comunidades de Castilla-La Mancha y la Unión Europea a través del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER).
Referencias
- Calderón, M., Ramiro, A., & González, J. F. (2008). Cálculo, Diseño y construcción de un banco de ensayo eólico-solar de laboratorio con apoyo de hidrógeno. In XIV Congreso Ibérico y IX Congreso Iberoamericano de Energía Solar (Vol. 1242, pp. 805-810).
- Copetti, J. B., Lorenzo, E., & Chenlo, F. (1993). A general battery model for PV system simulation. Progress in Photovoltaics: research and applications, 1(4), 283-292.
- De la Fuente, R. G., & Miguel, L. J. (2011, June). Model of Spanish electrical energy demand. In Proceedings of 9th International Conference of the European Society for Ecological Economics», página Electronic. Istanbul (Turkey).
- Garcia, F., & Bordons, C. (2013, November). Optimal economic dispatch for renewable energy microgrids with hybrid storage using Model Predictive Control. In Industrial Electronics Society, IECON 2013-39th Annual Conference of the IEEE (pp. 7932-7937). IEEE.
- Kanchev, H., Lu, D., Colas, F., Lazarov, V., & Francois, B. (2011). Energy management and operational planning of a microgrid with a PV-based active generator for smart grid applications. Industrial Electronics, IEEE Transactions on, 58(10), 4583-4592.
- Masoum, A. S., Deilami, S., Moses, P. S., & Abu-Siada, A. (2010, October). Impacts of battery charging rates of plug-in electric vehicle on smart grid distribution systems. In Innovative Smart Grid Technologies Conference Europe (ISGT Europe), 2010 IEEE PES (pp. 1-6). IEEE.