Resumen de Análisis e implementación de tecnologías de hidrógeno, para la optimización de microrredes renovables, integrando supercondensadores

Julio José Caparrós Mancera

• español

  Esta Tesis se concibe como un trabajo integrado dentro de las investigaciones del Grupo de Investigación TEP-192, en el Centro de Investigación en Tecnología, Energía y Sostenibilidad (CITES) de la Universidad de Huelva, junto al Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA), en el Centro de Experimentación de El Arenosillo (CEDEA). Se centra en analizar diferentes alternativas energéticas para realizar una serie de propuestas específicas y análisis experimentales, en base a implementaciones operativas, en relación a las tecnologías del hidrógeno y las microrredes basadas en fuentes de energía renovables. Comienza con un análisis crítico a lo largo del tiempo de las principales tecnologías de producción sostenible de hidrógeno a partir de agua. Como resultado, se han ordenado todas las técnicas haciendo posible comprender cómo los nuevos materiales han impulsado a nuevas técnicas, más eficientes y menos costosas. En la electrólisis se ha alcanzado un alto nivel de madurez, mientras que otras técnicas todavía tienen un largo camino por recorrer, aunque a lo largo de los años se han ido realizando muchas mejoras y avances relevantes. El análisis ofrece una visión global y comparativa de cada tecnología, haciendo posible identificar los diferentes caminos en los que se necesitan esfuerzos. Una vez realizado el análisis se constatan las ventajas de los electrolizadores PEM, todavía con gran potencial de desarrollo. Es necesario centrar esfuerzos en mejorar características de los sistemas basados en hidrógeno, como la eficiencia, el tiempo de arranque, la vida útil y el rango de potencia de operación, entre otros. Los dos elementos claves a mejorar en los electrolizadores PEM son los stacks y el balance de planta. En esta línea, se desarrolla el diseño, implementación y experimentación práctica de un balance de planta para un electrolizador PEM de tamaño medio. Se basa en la realización del diseño óptimo del balance de planta, prestando especial atención a los subsistemas que la componen. En base a esto se ha desarrollado una lógica de control que garantiza un funcionamiento eficiente y seguro. Los resultados experimentales validan la lógica de control diseñada en varios casos operativos, incluidos casos de advertencia y fallo. Además, los resultados experimentales muestran el correcto funcionamiento en los diferentes estados de la planta, analizando la evolución de la presión y temperatura del flujo de hidrógeno. La capacidad de la planta de electrólisis PEM desarrollada se valida en cuanto a su tasa de producción, amplio rango de potencia operativa, tiempo de presurización reducido y alta eficiencia. Se espera el progresivo aumento de las tecnologías del hidrógeno en la generación local de energías renovables. Las microrredes juegan un papel fundamental en la gestión de la energía basadas en fuentes de energía renovable. Sin embargo, el uso de la electricidad para la generación de hidrógeno propone una serie de retos previos en la dinámica de funcionamiento, debido a la naturaleza intermitente de los recursos renovables, así como en los requisitos de potencia a la hora de gestionar diferentes sistemas de almacenamiento energético, que bien pueden ser influenciados con la hibridación de nuevas alternativas como es el uso de supercondensadores. Se presenta un análisis experimental sobre la influencia de supercondensadores en microrredes basadas en renovables con bus de DC de 400 V. El análisis incluye una comparación entre el rendimiento de la microrred en hibridación con supercondensadores. Se lleva a cabo el diseño, desarrollo, integración y ensayo experimental de un banco de supercondensadores conectado a una microrred basada en energías renovables. Los resultados del estudio demuestran una respuesta dinámica más suave de la microrred, una gestión de energía más eficiente y flexible, mayor estabilidad de voltaje, mayor vida útil del banco de baterías y protección operativa de los equipos afectados por picos de corriente.

• English

  This Thesis is conceived as an integrated work within the research of the TEP-192 Research Group, in the Center for Research in Technology, Energy and Sustainability (CITES) of the University of Huelva, together with the National Institute of Aerospace Technology (INTA), at the El Arenosillo Experimentation Center (CEDEA). It focuses on analyzing different energy alternatives to make a series of specific proposals and experimental analyses, based on operational implementations, in relation to hydrogen technologies and microgrids based on renewable energy sources. It begins with a critical analysis over time of the main technologies for sustainable hydrogen production from water. As a result, all techniques have been organized, making it possible to understand how new materials have driven new, more efficient and less expensive techniques. A high level of maturity has been reached in electrolysis, while other techniques still have a long way to go, although many relevant improvements and advances have been made over the years. The analysis offers a global and comparative vision of each technology, making it possible to identify the different paths in which efforts are needed. Once the analysis has been carried out, the advantages of PEM electrolyzers are confirmed, still with great development potential. It is necessary to focus efforts on improving characteristics of hydrogen-based systems, such as efficiency, start-up time, lifetime and operating power range, among others. The two key elements to improve in PEM electrolyzers are the stacks and the balance of plant. In this line, the design, implementation and practical experimentation of a balance of plant for a medium-sized PEM electrolyzer is developed. It is based on the realization of the optimal design of the balance of plant, paying special attention to the subsystems that compose it. Based on this, a control logic has been developed that guarantees efficient and safe operation. The experimental results validate the designed control logic in various operational cases, including warning and fault cases. Furthermore, the experimental results show the correct operation in the different states of the plant, analyzing the evolution of the pressure and temperature of the hydrogen flow. The capacity of the developed PEM electrolysis plant is validated in terms of its production rate, wide operating power range, reduced pressurization time and high efficiency. The progressive increase in hydrogen technologies is expected in the local generation of renewable energy. Microgrids play a fundamental role in energy management based on renewable energy sources. However, the use of electricity for the generation of hydrogen poses a series of prior challenges in the dynamics of operation, due to the intermittent nature of renewable resources, as well as in the power requirements when managing different energy systems. energy storage, which may well be influenced by the hybridization of new alternatives such as the use of supercapacitors. An experimental analysis is presented on the influence of supercapacitors in renewable-based microgrids with a 400 V DC bus. The analysis includes a comparison between the performance of the microgrid in hybridization with supercapacitors. The design, development, integration and experimental testing of a bank of supercapacitors connected to a microgrid based on renewable energy is carried out. The study results demonstrate a smoother dynamic response of the microgrid, more efficient and flexible energy management, greater voltage stability, longer battery bank life, and operational protection of equipment affected by current peaks.