Microrred con sistemas de almacenamiento híbrido (baterías de gel e hidrógeno) del Centro Nacional del Hidrógeno

Comunicación presentada al IV Congreso Smart Grids:

Autores

• Carlos Fúnez Guerra, Responsable Unidad Consultoría y Medioambiente, Centro Nacional del Hidrógeno
• Beatriz Nieto Calderón, Ingeniera Unidad Consultoría y Medioambiente, Centro Nacional del Hidrógeno
• María Jaén Caparrós, Gerente, Centro Nacional del Hidrógeno
• Emilio Nieto Gallego, Director, Centro Nacional del Hidrógeno

Resumen

En el presente trabajo se describe la microrred con sistema de almacenamiento híbrido (baterías de gel e hidrógeno) del que dispone el Centro Nacional del Hidrógeno. Se realiza una descripción detallada de los diferentes componentes que forman parte de la microrred (planta solar fotovoltaica, electrolizador, pila de combustible, baterías, parque de almacenamiento de hidrógeno, cargas electricas y sistema de aprovechamiento térmico). Adicionalmente, se explica el sistema de integración térmica de los diferentes componentes que forman parte de la microrred, utilizando como sistema de almacenamiento de la energía térmica, materiales de cambio de fase. Por último, se indica el modo de operación y funcionamiento de la microrred con sistema de almacenamiento de energía eléctrica híbrido y con sistema de almacenamiento térmico mediante materiales de cambio de fase.

Introducción al concepto de microrred

La producción eléctrica en un sistema centralizado, independientemente si esté regulado o no, se basa en las grandes centrales y en la red de la transmisión y de distribución. Todas las centrales están interconectadas con esta red formando un sistema eléctrico. Este sistema tiene que satisfacer la demanda según se genere cada día. Además, el control del sistema está centralizado, de forma que las centrales se activan en función del precio de la unidad eléctrica que se oferte en el mercado (sistema no regulado), o con la central que genera con los costes menores, en el sistema regulado. Este sistema de producción eléctrica centralizada tiene los siguientes inconvenientes:

• Casi la totalidad de la energía eléctrica producida se hace fuera de los puntos de consumo.
• La generación se hace en grandes instalaciones de generación.
• Se requieren grandes líneas de alta tensión para transportar y distribuir la energía generada hasta los puntos de consumo, normalmente muy alejados.
• Pérdida de eficiencia energética del sistema por las elevadas pérdidas de las redes de transporte y distribución 10-13%.
• La construcción de más líneas eléctricas de transporte y distribución suele generar amplio rechazo social.

Los avances en las tecnologías de generación han hecho que el coste mínimo, por unidad de potencia generada, se obtenga en centrales de menor tamaño y potencia generada. Este hecho sumado al elevado nivel de eficiencia conseguido en centrales de menor tamaño, la disponibilidad de tecnología de generación energética renovable y la liberación del mercado eléctrico han promovido la transición a un sistema de generación eléctrica distribuida. Esta transición conlleva un cambio de topología del sistema eléctrico.

La generación distribuida (GD), también conocida como generación in-situ, generación embebida, generación descentralizada, generación dispersa o energía distribuida, ha surgido en los últimos años debido a la evolución que ha tenido el sistema eléctrico. Su definición se puede aproximar a la de generación de energía eléctrica a pequeña escala y próxima al consumidor. Las crisis energéticas y los impactos medioambientales provocan la aparición de nuevos problemas que influyen de forma definitiva en el desarrollo de la industria energética. En los últimos 20 años, las innovaciones tecnológicas, el incremento de los costos de transporte y distribución, la economía cambiante, la preocupación por el cambio climático y la publicación de normativa reguladora han dado como resultado un interés renovado por la GD. La Agencia Internacional de la Energía (IEA), enumera cinco factores que contribuyen a la evolución de la GD, siendo estos factores el desarrollo de tecnologías de GD, las restricciones en la instalación de nuevas líneas de transporte, el crecimiento de la demanda energética, la liberalización del mercado eléctrico y el cambio climático. Los principales beneficios de la GD son los siguientes:

• Impulsa las energías renovables que pueden escalarse fácilmente permitiendo la diversificación energética con fuentes de energía autóctonas y limpias.
• Reducción de las pérdidas en las redes eléctricas al producir energía en el lugar de consumo, reduciendo el tránsito de cantidades importantes de energía.
• Permitirá dar respuesta a incrementos en la demanda eléctrica, reduciendo la necesidad de incrementar las infraestructuras eléctricas, optimizando el uso de las redes existentes.
• Puede ofrecer energía a los consumidores a costes competitivos con los ofrecidos por el modelo centralizado.
• Permite el ahorro de energía primaria reduciendo las emisiones de GEI.
• Desde el punto de vista de la operación puede descargar a la red en horas punta sobre todo con la generación fotovoltaica.
• Incremento de la seguridad de suministro.

En el contexto de la generación distribuida, surge el concepto de microrred. Una microrred es un sistema eléctrico constituido por generadores distribuidos e interconectados, cargas y unidades distribuidas de almacenamiento de energía eléctrica que cooperan entre sí comportándose colectivamente como un único sistema consumidor o productor. La coordinación del sistema incluye coordinación de los dispositivos de control y protección, así como funcionalidades de gestión energética y control inteligente. Las microrredes suelen estar formadas por los siguientes sistemas:

• Sistemas de generación de energía (energía solar fotovoltaica, energía eólica, grupos de cogeneración, generador diésel, pilas de combustible, etc.).
• Sistemas de almacenamiento de energía (baterías, volantes de inercia, supercondensadores, hidrógeno, etc.).
• Sistemas de distribución de energía (transformadores, inversores, rectificadores, protecciones de media y baja tensión, etc.).
• Inteligencia, gestión y control del sistema (infraestructura interoperable de comunicaciones, centro de control, puntos de recarga para vehículos eléctricos, contadores inteligentes, etc.).

En relación a la tipología de red eléctrica de una microrred, ésta puede ser una red de corriente continua, una red de corriente alterna o incluso una red de corriente alterna de alta frecuencia. El sistema puede ser monofásico o trifásico y puede conectarse en nivel de baja o media tensión a la red eléctrica general. Respecto a los modos de operación, la microrred puede operar interconectada a la red eléctrica general, a través de uno o varios PCC (Point of Common Coupling) o bien puede operar de forma aislada. Los requisitos operacionales de cada uno de estos modos de operación son diferentes y las especificaciones de control y estabilidad también divergen.

La creciente integración de microrredes en el sistema eléctrico no se concibe sin la transformación de la red eléctrica actual en una red eléctrica inteligente, o también denominada Smart Grid. El concepto de Smart Grid hace referencia a una red eléctrica capaz de integrar de forma inteligente las acciones de todos los usuarios conectados a ella, generadores, consumidores, y sistemas generadores/consumidores como las microrredes. El objetivo de esta integración inteligente es suministrar la energía eléctrica de forma eficiente, sostenible y económicamente rentable.

La integración inteligente de las microrredes en la red eléctrica requiere el conocimiento del estado actual y de la previsión de operación de los elementos de la microrred y de las posibles interacciones de la microrred con la oferta / demanda de la red eléctrica general. Por todo esto, resulta imprescindible la implantación de un sistema de intercambio de comunicación interno, entre los elementos que constituyen la microrred, y con la red eléctrica general para optimizar su integración y control coordinado.

Descripción de la microrred

En la presente comunicación, se describe la microrred de la que dispone el Centro Nacional del hidrógeno, tratándose de una microrred de corriente alterna trifásica, aislada de la red eléctrica, formada por los siguientes componentes:

• Instalación solar fotovoltaica de 100 kWn.
• Pila de combustible polimérica de 30 kWn.
• Electrolizador alcalino de 60 kWn.
• Parque de almacenamiento de hidrogeno a diferentes presiones.
• Estación de repostaje de hidrógeno o hidrogenera.
• Parque de baterías de gel.
• Cargas eléctricas de varios laboratorios.

Figura 1. Microrred con sistema de almacenamiento híbrido del CNH2.

Un aspecto diferenciador de esta microrred con respecto a otras microrredes de la misma tipología, es el aprovechamiento de calor residual de los equipos del ciclo de hidrógeno (electrolizador y pila de combustible fundamentalmente) para su uso en el sistema de climatización del CNH2, previo almacenamiento en materiales de cambio de fase. Este almacenamiento intermedio en materiales de cambio de fase permite desacoplar las curvas de generación y consumo de calor, con el beneficio que ello implica. En la figura 2 se puede observar el sistema de aprovechamiento de calor residual implementado.

A continuación, se especifican los detalles de cada uno de los componentes que forman parte de la microrred con sistema de almacenamiento híbrido del Centro Nacional del Hidrógeno.

Instalación solar fotovoltaica de 100 kWn

La instalación solar fotovoltaica del CNH2 está compuesta por un total de 432 paneles de 250 W de potencia pico, de la marca EXIOM, estando dispuestos dichos paneles en estructuras metálicas fijas, con una inclinación de 25º, y disponiéndose los paneles sobre la estructura metálica en 4 filas horizontales. Los paneles fotovoltaicos se agrupan en diferentes series que alimentan a tres inversores de la marca KACO de 60, 30 y 10 kW de potencia. Tras los inversores, se dispone de un cuadro de alterna que hace la suma de los 3 inversores e inyecta la energía fotovoltaica generada a los embarrados del cuadro general de baja tensión para autoconsumo o al embarrado en alterna de la microrred.

Pila de combustible Polimérica de 30 kWn

El sistema de pila de combustible polimérica de alta potencia refrigerada por agua que forma parte de la microrred es de la marca Heliocentrics, en concreto el modelo HyPM LAB HD30. Los datos más relevantes de la pila de combustible son los siguientes:

• Potencia eléctrica nominal de 30 kW.
• Intensidad de funcionamiento, de 0 a 500 ACC.
• Tensión de funcionamiento de 60 a 120 VCC.
• Refrigeración mediante agua desionizada.
• Pico de eficiencia eléctrica: 53%.
• Pico de eficiencia global, considerando la parte térmica y eléctrica: 80%.
• Calidad del hidrógeno de alimentación mayor o igual a 99,99%.
• Dimensiones 60 cm de ancho, 120 cm de fondo y 170 cm de alto, con un peso total aproximado de 300 kg. Se ubica en el interior de un rack de 19” 42 U.
• Carga eléctrica regenerativa con una capacidad mínima de 30 kW CC.

Electrolizador alcalino de 60 kWn

El electrolizador alcalino es de la marca ERREDUE, en concreto el modelo G16D, incluyendo un sistema de purificación Deoxo y Secador, lo cual permitirá la obtención de hidrógeno de alta pureza. Todos los materiales en contacto con el hidrógeno serán de acero inoxidable. Las principales características técnicas del equipo son las siguientes:

• Flujo obtenido por el sistema: 10,66 Nm3/hr. de Hidrógeno.
• Grado de O2 final: < 5 ppm de O2.
• Pureza total mejor a 99,9995%.
• Presión máxima: 10 bar.
• Contenido de Humedad: < 5 ppm de H2O.
• Punto de Rocío: < -65 ºC.
• Potencia eléctrica: 3x400VAC+N, 50 Hz.
• Consumo eléctrico máximo: 58 kW.
• Amperios: 90 A.
• Línea de protección eléctrica: 125 A.
• Dispone de un sistema de gestión del calor, para refrigeración del equipo.
• Purificador mediante tecnología deoxo y secado integrado en el equipo.
• Permiten ser conectados a sistemas de energía renovable con alimentación eléctrica variable entre el 20 y el 100% del total admisible.

Parque de almacenamiento de hidrógeno a diferentes presiones

El hidrógeno una vez generado por el electrolizador ERREDUE se almacena en 16 botellas de 50 l de capacidad y en un tanque de 7500 l de capacidad a una presión de 10 bar. Mediante el uso de un booster neumático se puede almacenar hidrógeno en dos jaulas de botellas, cada una de las cuales formada por 16 botellas de 50 l de capacidad cada una de ellas a la presión de 200 bar. Mediante el uso de un compresor mecánico de membrana, se puede almacenar hidrógeno en tres jaulas de botellas, formada cada una de ellas por 16 botellas de 85 l cada una de ellas, a la presión de 450 bar. Los almacenamientos a diferentes presiones están interconectados entre sí, de forma que se puede obtener hidrógeno para su uso en la pila de diferentes almacenamientos, siendo el predefinido el hidrógeno almacenado a 10 bar. Desde el almacenamiento de 450 bar de presión, se alimenta un surtidor de hidrógeno, el cual repostará vehículos alimentados por hidrógeno hasta una presión de 350 bar. En concreto, el dispensador es el modelo TK17-TSA1-A suministrado por Idromeccanica S.p.a.

Parque de baterías de gel

Las baterías disponibles son 24 unidades de baterías SONNENSCHEIN, modelo A‐602/3270 SOLAR, con C120 = 3266 Ah. Cada uno de los vasos da una tensión de 2V, lo que supone 48 V tras su conexión en serie. Si multiplicamos los 48V por los 3266Ah, obtenemos 156,768 kWh de energía almacenada a C120. Para el correcto funcionamiento del parque de baterías es necesario contar con inversores cargadores. Se han elegido 6 unidades del inversor/cargador SCHNEIDER, modelo CONECT XW+ 8548, con una potencia nominal a 25ºC de 6800 W, de onda senoidal pura, flexible para poder utilizarlo tanto en sistemas monofásicos como trifásicos, con 2 entradas de AC y con capacidad de interactuar con la red gracias a los controles avanzados de interacción. Para controlar las baterías se dispone del dispositivo de comunicación Conext ComBox, el Conext Battery Monitor y el panel de control del sistema Conext.

Cargas eléctricas de varios laboratorios

Existen varios laboratorios que forman parte del Centro Nacional del Hidrógeno, en concreto el laboratorio de edificio demostrador eficiente energéticamente y el taller de fabricación de prototipos, que son susceptibles de ser alimentados eléctricamente por la microrred que se describe en el presente documento (disponen de selectores mediante los cuales se puede elegir si son alimentados eléctricamente desde la red eléctrica convencional o desde la microrred). Ambos laboratorios tienen cargas variables, de diferentes potencias, monofásicas y trifásicas, pudiendo alcanzar una potencia superior a los 100 kW en momentos determinados.

Sistema de aprovechamiento de calor residual

El electrolizador y la pila de combustible de la microrred, tienen implementados sistemas de refrigeración, los cuales se activan cuando es necesario refrigerar el equipo. Con el objeto de aprovechar ese calor, se ha instalado un sistema de recuperación de calor, el cual permite usar el calor que anteriormente se disipaba en al ambiente, en el sistema de climatización del Centro Nacional del Hidrógeno. El sistema de recuperación de calor residual transfiere el calor desde los equipos que lo generan hasta el sistema de climatización, pasando por materiales de cambio de fase como sistema de almacenamiento de energía. La implementación de este sistema de aprovechamiento de calor residual hace que la eficiencia global de la microrred sea mayor, ya que se aprovecha la parte térmica, que en la mayor parte de las microrredes se desprecia.

Modo de funcionamiento microrred con sistema de almacenamiento híbrido

El modo de funcionamiento de la microrred descrita en el punto anterior es el siguiente:

• Siempre que existe energía solar fotovoltaica se van a alimentar los laboratorios preparados para ello.
• Si una vez alimentados los laboratorios mediante energía solar fotovoltaica existen excedentes, se van a utilizar para generar hidrógeno mediante el electrolizador, el cual será almacenado en el parque de almacenamiento.
• Si una vez alimentados los laboratorios y el electrolizador, siguen existiendo excedentes de energía solar fotovoltaica, se va a almacenar en las baterías de gel.
• En los momentos en que la generación fotovoltaica no es suficiente para alimentar los laboratorios, se va a utilizar la pila de combustible para generar la energía eléctrica necesaria para que los laboratorios puedan funcionar de forma correcta.
• Si entre la energía solar fotovoltaica y la pila de combustible no pueden satisfacer la demanda de los laboratorios, se va a hacer uso de las baterías de gel para poder satisfacer la demanda de los laboratorios.
• Durante el funcionamiento del electrolizador y la pila de combustible, se va a aprovechar el calor residual de las mismas para su uso en el sistema de climatización del Centro Nacional del Hidrógeno, pasando previamente por un almacenamiento intermedio en materiales de cambio de fase.

Como se puede observar, se trata de una microrred con un sistema de almacenamiento de energía híbrido, donde en primer lugar se utiliza el hidrógeno como almacén energético y posteriormente las baterías de gel, aprovechando de esta forma las ventajas de cada uno de los sistemas de almacenamiento y minimizando los aspectos negativos de cada uno de ellos. Un tema de vital importancia es el aprovechamiento térmico de los calores residuales, lo cual hace que la eficiencia de la microrred pueda aumentar en varios puntos porcentuales.

Agradecimientos

Los diferentes componentes de la microrred han sido cofinanciados con Fondos Feder_ICTS_2005, según informe Favorable recibido por parte de la Comisión de Selección de Proyectos Cofinanciados a través del “Programa Operativo Fondo Tecnológico” de Infraestructuras Científicas y Técnicas Singulares(ICTS) con fecha 19/12/2013 y número de documento de salida 2013-00428-S.

Referencias

Survey on Smart Grid. Radman, Ghadir. 2010, Proceedings of the IEEE SoutheastCon (SoutheastCon).

Smart Grid: Challenges, Research Directions. Beidou, F. Bagnan, y otros. 2010, IEEE International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems.

Review of Technologies and Implementation Strategies in the Area of Smart Grid. Khan, Hammad A, y otros. 2009, Power Engineering Conference, AUPEC.

Gellings, C.W. The smart grid: enabling energy efficiency and demand response. Lilburn: Fairmont Press: Taylor & Francis, 2009. ISBN 1439815747.

Majumder, R. Microgrid: stability analysis and control: modeling, stability analysis and control of microgrid for improved power sharing and power flow management. Saarbrücken: VDM, 2010. ISBN 978-3-639-24769-5.