estudio sobre el uso de convertidores dc-dc en instalaciones de almacenamiento de energía...
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Mster en Sistemas de Energa Trmica
Trabajo fin de Mster
ESTUDIO SOBRE EL USO DE
CONVERTIDORES DC/DC EN
INSTALACIONES DE
ALMACENAMIENTO DE ENERGA
ELCTRICA DE ORIGEN RENOVABLE
Autor: Luis Valverde Isorna.
Tutor: Dr. Manuel Felipe Rosa Iglesias.
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Autor: Luis Valverde Isorna. 2
Contenido 0. NOMENCLATURA .................................................................................................................. 4
1. INTRODUCCIN .................................................................................................................... 6
2. TOPOLOGAS EXISTENTES EN EL ESTADO DEL ARTE, CONVERTIDORES DC-DC Y
PROBLEMTICA ASOCIADA. ....................................................................................................... 13
1. Configuraciones existentes en el estado del arte .......................................................... 13
2. Optimizacin del acoplamiento directo......................................................................... 15
3. Mejoras en el diseo y acoplamiento cuando se emplean convertidores. .................. 17
4. Otras consideraciones sobre el uso o no uso de convertidores................................... 20
3. OBJETIVO DEL TRABAJO ..................................................................................................... 24
4. MODELO EN MATLAB DESARROLLADO ............................................................................. 26
5. DEFINICIONES DE RENDIMIENTOS Y PARMETROS DE EVALUACIN DE EFICIENCIA DE LA
PLANTA ....................................................................................................................................... 36
6. EFICIENCIA DE LOS CONVERTIDORES. ................................................................................ 38
7. MODOS DE FUNCIONAMIENTO ......................................................................................... 40
5.1 MODO 1. ......................................................................................................................... 40
5.2 MODO 2. ......................................................................................................................... 41
5.3 MODO 3. ......................................................................................................................... 41
8. ESTRATEGIA DE CONTROL .................................................................................................. 42
8.1. JUSTIFICACIN DE LOS NIVELES DE S.O.C. FCUP, FCLOW; EZUP, EZLOW ................................. 43
9. CONFIGURACIONES DEL SISTEMA ...................................................................................... 47
9.1. CONFIGURACIN ESTANDAR .......................................................................................... 47
9.1.1. RESULTADOS DE SIMULACIN MODO 1. S.O.C. (40%) ..................................... 55
9.1.2. RESULTADOS DE SIMULACIN MODO 2 SOC (80%) ......................................... 57
9.1.3. RESULTADOS DE SIMULACIN MODO 3 SOC (10 %) ........................................ 60
9.2. CONFIGURACIN DE ACOPLAMIENTO DIRECTO AL ELECTROLIZADOR .......................... 63
9.2.1. RESULTADOS SIMULACIN MODO 1. SOC (40%) .............................................. 71
9.2.2. RESULTADOS DE SIMULACIN MODO 2. SOC (80%) ........................................ 72
9.2.3. RESULTADOS SIMULACIN MODO 3.- SOC (10%) ............................................... 74
9.3. CONFIGURACIN DE CONVERTIDOR EN BATERA .......................................................... 76
9.3.1. RESULTADOS DE SIMULACIN MODO 1. SOC (40%) ........................................ 80
9.3.2. RESULTADOS DE SIMULACIN MODO 2.- SOC (80%) .......................................... 83
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Autor: Luis Valverde Isorna. 3
9.3.3. RESULTADOS DE SIMULACIN MODO 3. SOC (10%) ........................................ 85
10. COMPARATIVA DE RESULTADO ......................................................................................... 87
11. CONCLUSIONES ................................................................................................................... 94
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0. NOMENCLATURA
Eemax Promedio de energa elctrica diaria solicitada por la instalacin receptora (En el mes
de mximo consumo.
Eez Energa consumida por el electrolizador.
Epila Energa cedida por la pila.
Ersav Energa real salvada.
Esav Energa salvada.
EZlow Estado de carga de las bateras para el cual se apaga el electrolizador.
EZup Estado de carga de las bateras para el cual se enciende el electrolizador.
FClow Estado de carga de las bateras para el cual se enciende la pila de combustible.
FCup Estado de carga de las bateras para el cual se apaga la pila de combustible.
G Irradiancia en W/m2
Ipila Intensidad cedida por la pila de combustible
Isc Intensidad de corto circuito del mdulo fotovoltaico.
Isc_sf Intensidad de corto circuito del generador fotovoltaico.
Isf Intensidad del generador fotovoltaico.
MPPT Maximum power point tracking.
ND Das de autonoma especificados para el banco de bateras.
PDmax Profundidad de descarga.
PMP Punto de mxima potencia.
Req Resistencia equivalente.
Rp Resistencia paralelo del generador fotovoltaico.
Rs Resistencia serie del generador fotovoltaico.
SOC State of Charge (Estado de carga de las bateras).
Vbus Tensin del bus de corriente continua.
Vn Tensin nominal del campo fotovoltaico.
Vocsf Tensin a circuito abierto del campo fotovoltaico.
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VT Tensin dependiente de la temperatura.
VTacu Tensin bateras.
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1. INTRODUCCIN
COYUNTURA MEDIOAMBIENTAL
En el mundo actual, existe una demanda continua de energa de crecimiento
exponencial, al mismo tiempo, esta energa tiene que ser ms limpia que la energa producida
a partir de la generacin de tecnologas tradicionales. Esta necesidad ha facilitado la creciente
penetracin de lo que se denomina generacin distribuida y principalmente de las tecnologas
renovables. El amplio uso de fuentes de energa renovables puede indiscutiblemente
minimizar la amenaza del calentamiento global y el cambio climtico. Sin embargo, la potencia
de salida de estas fuentes de energa no es tan fiable ni tan fcil de ajustar a los ciclos de
evolucin de la demanda como la produccin de la de las fuentes de energa tradicionales. Este
inconveniente slo se puede superar de forma efectiva mediante el almacenamiento del
exceso de energa producida por las fuentes de energa renovables. Por lo tanto, para que
estas nuevas fuentes puedan ser completamente fiables como fuentes primarias de energa, el
almacenamiento de energa es un punto crucial a resolver.
El almacenamiento de energa es un mundo completamente nuevo por descubrir y de
gran atractivo comercial dado que la venta se produce siempre en los niveles ms altos de
precios de la energa, cuando es ms demandada (Indus Corporation, 2008).
As estos sistemas conectados a red proveern una potencia comercial en los periodos
de escasez de energa. No est muy lejos el da en que tanto los hogares como las compaas
contribuyan a la generacin de energa, lo que implicar un clculo ms complejo del precio de
la energa. Tanto hogares como compaas dispondrn de sistemas de almacenamiento y
gestin de energa para administrar la compra y el suministro de la misma en los momentos
ms adecuados. (Indus Corporation, 2008)
Existen numerosas tecnologas de almacenamiento de energa en la actualidad, por lo que
sera interesante comparar entre ellas los distintos aspectos econmicos: inversin, demanda
de espacio, eficiencia, costes de operacin y los costes de intereses.
Est claro que la energa que se suministra cerca de las centrales, no crea demasiados
problemas, pero en ocasiones existen zonas donde debe ser transportada hasta casi 20.000
Km de distancia, con unas prdidas medias del 3% por cada 1000 Km, est claro tambin que la
diferencia entre la oferta y la demanda, principalmente de noche podra ser salvada mediante
el almacenamiento de energa.
Entre los sistemas de almacenamiento de energa, se pueden diferenciar entre: los que
ceden grandes picos de potencia pero tienen una capacidad de almacenamiento baja (ms
aptos para controlar la calidad de la potencia elctrica generada), y los sistemas con gran
capacidad de almacenamiento de energa.
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Dentro del primer grupo se pueden destacar los condensadores, los sper-
condensadores, los sper-condensadores magnticos, las bateras y los volantes de inercia.
Estos presentan un tiempo de actuacin que va desde los microsegundos hasta varios minutos
(Korpas, 2004) (McDowall, 2006) (Haisheng Cheng, 2009)
En el segundo grupo se englobara los sistemas de almacenamiento mediante
Hidrgeno, hidroelctrico y gas comprimido entre otros.
La demanda energtica de la sociedad
actual conlleva problemas asociados a
contaminacin y cambio climtico, adems de las
tensiones internacionales que se generan por el
acceso a los recursos, que se encuentran en
continuo agotamiento. Esto lleva a las principales
potencias mundiales a buscar soluciones. Una parte
de esa posible solucin podra pasar por el uso del
hidrgeno como medio de almacenamiento y
transporte energtico.
Una diferencia fundamental entre la estructura actual de suministro energtico y la que se
puede considerar en un futuro, es que, actualmente se obtienen combustibles con pequeas
prdidas de energa primaria, mientras que se genera electricidad con grandes prdidas en la
conversin realizada (50 70 %). A largo plazo, esta relacin probablemente se invierta. En tal
caso, las energas renovables podran alcanzar el estatus de energa primaria por excelencia,
aceptando pequeas prdidas en su conversin hacia energa elctrica; como contrapartida,
habra que aceptar grandes prdidas para obtener combustibles.
Las razones que pretenden sustentar el uso de hidrgeno como combustible son
varias, entre las que destacan:
La tecnologa del hidrgeno tiene una gran eficiencia energtica, ya que la energa
qumica del hidrgeno puede ser convertida de forma directa en electricidad, sin necesidad de
emplear un ciclo termodinmico intermedio. Esta transformacin directa se puede llevar a
cabo en pilas de combustible. Para cualquier sistema de conversin de energa existe un lmite
mximo de eficiencia alcanzable, determinado por el segundo principio de la termodinmica.
Sin embargo las pilas de combustible no requieren de dos reservorios de temperatura para
funcionar (foco caliente y foco fro); y estas pueden operar isotrmicamente a una
temperatura lo suficientemente baja como para que no haya limitaciones impuestas por los
materiales (los materiales permiten alcanzar la temperatura idnea) y lo suficientemente
prxima a la temperatura ambiente como para que el grado de irreversibilidad
correspondiente a la refrigeracin sea mucho menor que el correspondiente a los motores
trmicos; siendo por tanto la eficiencia de las pilas de combustible mayor que la eficiencia de
los motores trmicos.
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La dependencia actual del crudo, que se encuentra localizado en regiones muy especficas,
es motivo de tensiones polticas y conflictos internacionales. Tensiones, que podran ir en
aumento a medida que las reservas de crudo escaseen. Ante ello, la ventaja que puede
presentar el uso de hidrgeno como medio de almacenamiento/aprovechamiento energtico
es la capacidad de obtenerlo a partir de una fuente ms accesible y disponible para todos.
No hay que olvidar el problema que presenta la
emisin de CO2 a la atmsfera como consecuencia
de la actividad humana, siendo cada vez mayor su
presencia en la atmsfera alterando los balances
trmicos de nuestro planeta y provocndose
alteraciones climatolgicas. Se atribuyen a las
emisiones de CO2 generadas por la actividad del
hombre la principal causa del aumento de la
temperatura global del planeta mediante el
conocido efecto invernadero (hay gases cuyo efecto
invernadero es ms potente, como metano (CH4) o clorofluorocarbonos CFCl3).
Como sabemos, el hidrgeno no es un recurso energtico que se encuentre disponible en
la naturaleza como tal, sino que ha de ser producido, siendo necesario para ello partir de otras
fuentes de energa. Para que la no emisin de contaminantes como consecuencia del uso del
hidrgeno fuese real es necesario considerar el proceso global ya que para ello se hace
necesario el producirlo mediante mtodo limpios (energa solar, elica, etc.). Por todo ello,
segn el mtodo que se utilice para producir hidrgeno, se podr considerar que se trata de
un modo de uso de la energa contaminante o no contaminante.
A pesar de que existen diferentes formas de almacenar energa elctrica. El hidrgeno se
considera de especial inters debido entre otros factores a que el hidrgeno producido a partir
de agua mediante electrolizadores que empleen energa elica o solar fotovoltaica, es un
combustible tan flexible y til como lo son los derivados del petrleo, sin los inconvenientes
medioambientales, geopolticos y de escasez de recursos asociados a estos, que puede ser
usado tanto en aplicaciones de generacin estacionarias como en el transporte. Adems, el
uso a gran escala del hidrgeno podra suponer el desplazamiento estratgico del control del
suministro energtico del sector transporte de pases inestables, al dominio local, mediante la
produccin propia del hidrgeno.
Para el almacenamiento del hidrgeno producido por el mtodo que fuere, actualmente
existen 4 tipos de tecnologas principales, de las cuales dos son las que estn ms
desarrolladas: la presurizacin del hidrgeno y la absorcin en hidruros metlicos, y dos son las
que se encuentran ms en fase de investigacin y desarrollo: son la absorcin mediante
nanotubos de carbono y la licuefaccin del hidrgeno.
Figura 1. BMW H2R
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ALMACENAMIENTO DE HIDROGENO A PRESIN
Dado que los sistemas y mtodos de produccin generan hidrgeno gaseoso en lugar de
lquido, parece adecuado almacenar y transportar el hidrgeno en dicho estado.
Como cualquier otro gas, el hidrgeno se puede comprimir para reducir su volumen especfico.
La Figura 2 muestra la densidad del hidrgeno en funcin de la presin a una temperatura de
0 C. En ella se puede ver que aumentos progresivos de presin cada vez consiguen aumentos
menores de densidad. Ahora bien, en qu zona de la curva se mueve la tecnologa?
Figura 2. Evolucin de la densidad del hidrgeno con la presin vs gas ideal
El transporte y suministro convencional de hidrgeno se efecta desde hace tiempo en
botellas de acero a una presin de 200 bar para ser utilizado en procesos de soldadura y para
inertizar atmsferas, entre otras aplicaciones. En los proyectos de demostracin de vehculos
movidos con hidrgeno se han empleado presiones superiores: los autobuses de Madrid y
Barcelona (proyecto CUTE, ao 2003) almacenan el hidrgeno a 350 bar, mientras que los ms
recientes proyectos (por ejemplo Nissan X-Trail SUV, ao 2005) han llegado a 700 bar. Sin
embargo, la tecnologa empleada en la fabricacin de las botellas es muy diferente.
La base de la tecnologa de presurizacin del hidrgeno reside en la tolerancia de los
materiales empleados frente al hidrgeno y de su capacidad de mantener una integridad
estructural bajo presin. Actualmente los tanques de acero pueden almacenar hidrgeno a
200-250 bar, pero presentan un ratio muy bajo de hidrgeno almacenado por unidad de peso.
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Autor: Luis Valverde Isorna. 10
La capacidad de almacenamiento aumenta con presiones an ms altas, pero tiene la
contrapartida de que se requieren materiales ms caros y resistentes.
A modo de ejemplo, los tanques de almacenamiento con revestimientos de aluminio y de
fibra de carbono con matriz de polmeros pueden almacenar el hidrgeno a 350 bar,
consiguiendo un ratio de almacenamiento de hidrgeno por unidad de peso de hasta un 5%, lo
cual representa un valor bastante alto.
Pero como ya se ha dicho, actualmente se estn investigando materiales que pueden
aguantar presiones de hasta 700 bar, con lo que se obtendran unos ratios de almacenamiento
de H2 por peso muy elevados, obviando el gasto de energa que supondra comprimirlo, estos
materiales supondran un gran avance (Ioannis Hadjipaschalis, 2009).
ALMACENAMIENTO MEDIANTE HIDRUROS METLICOS
El almacenamiento de hidrgeno en hidruros metlicos es atractivo porque permite el
almacenamiento de hidrgeno a presiones relativamente bajas, consiguiendo adems una
densidad volumtrica alta. Los sistemas de hidruros metlicos son especialmente beneficiosos
en sistemas estacionarios o de pequea escala, donde la necesidad de almacenar gran
cantidad de hidrgeno en poco volumen prima sobre el peso de los depsitos de metal
hidruro (Brendan D. MacDonald, 2007)
Estos compuestos, obtenidos a travs de la reaccin directa de determinados metales o
aleaciones de metales con el hidrgeno, son capaces de absorber el hidrgeno y restaurarlo
cuando sea necesario. Tienen como caracterstica una baja presin de equilibrio a temperatura
ambiente (inferior a la presin atmosfrica), a fin de evitar fugas y garantizar la integridad de
la contencin y el bajo grado de sensibilidad a las impurezas en el hidrgeno almacenado.
ALMACENAMIENTO EN FORMA DE HIDRGENO LQUIDO
Una posible estrategia para aumentar la densidad del hidrgeno y facilitar su
transporte consiste en enfriarlo por debajo de su punto de ebullicin, de forma que pase a
estado lquido.
La densidad del hidrgeno lquido es de 70,8 kg/m3 a -253 C y 1 bar, superior a la del
hidrgeno gaseoso incluso a presiones tan elevadas como 1.000 bares (60,4 kg/m3), pero muy
inferior a los valores de densidad de lquidos a los que estamos ms habituados como el agua
(1.000 kg/m3) o la gasolina (700 kg/m3). El proceso de licuefaccin del hidrgeno es muy
intensivo energticamente (entre el 30% y el 40% del contenido energtico del hidrgeno
licuado) y tecnolgicamente complejo (slo existen veinte plantas de este tipo en el mundo, de
las cuales cuatro estn en Europa: dos en Alemania, una en Holanda y otra en Francia). Para
mantener el hidrgeno en estado lquido, es necesario almacenarlo en depsitos fuertemente
aislados trmicamente.
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Los tanques que se emplean a bordo de los vehculos contienen una mezcla bifsica de
hidrgeno que se mantiene a una presin de entre 3 y 10 bar aproximadamente. Si la presin
es demasiado baja, parte del hidrgeno se vaporiza por medio de una resistencia elctrica o
permitiendo el intercambio de calor con el exterior, y si la presin es demasiado alta, se
expulsa parte del hidrgeno gaseoso.
El aislamiento trmico es la parte fundamental de la tecnologa de estos tanques y est
formado por varias capas de vaco separadas por capas de fibras. Este aislamiento permite que
los depsitos permanezcan hasta 10 das antes de que sea necesario expulsar hidrgeno al
exterior y, una vez que se empiezan a producir expulsiones, el ritmo de prdida diaria es
aproximadamente un 1% de la capacidad del tanque. Los tanques para vehculos se fabrican en
forma cilndrica, no tanto por la presin interior sino para maximizar el volumen interno frente
a la superficie de intercambio de calor con el exterior. Por ello, la longitud y el dimetro se
intentan hacer parecidos, pero las necesidades de cada proyecto concreto pueden forzar a
utilizar otras geometras con peores prestaciones. El uso de unas temperaturas tan reducidas
no slo tiene el problema del aislamiento, sino tambin otros como la contraccin y la
fragilizacin de los materiales, la posibilidad de congelacin del oxgeno del aire circundante, el
posible derrame en caso de accidente y su rpida expansin en contacto con el aire.
El almacenamiento, es slo uno de los problemas que tiene que resolver la
investigacin. El otro gran caballo de batalla es aumentar la eficiencia energtica de los
sistemas. A pesar de que, como ya se ha dicho, la eficiencia de los equipos involucrados en la
tecnologa del hidrgeno es muy alta, superior a la de los motores de combustin interna, el
ciclo de conversin de la energa elctrica en hidrgeno y a su vez en energa elctrica para su
reutilizacin conlleva unas prdidas muy elevadas.
He aqu por ello, que se est realizando una gran labor investigadora con motivo de
aumentar la eficiencia de estos sistemas en todos los puntos posibles. Se estn realizando
grandes esfuerzos en aumentar la eficiencia de cada equipo involucrado y as mismo es
Figura 3. Depsitos de hidrgeno de Hidruros metlicos.
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necesario optimizar la propia configuracin y topologa de las instalaciones de tal manera que
haya el menor nmero de prdidas de energa en los flujos energticos entre los distintos
equipos.
Esta labor no es una tarea fcil, ya que los sistemas actuales tienden a combinar diversas
tecnologas de almacenamiento, denominndose sistemas hbridos. Es en estos sistemas
donde los algoritmos y estrategias de control cobran valor. Pero no hay que olvidar que si
estos algoritmos se implementan sobre una planta con un diseo que fsicamente implique
elevadas prdidas energticas en los flujos de energa, obtendr resultados mucho peores que
si se implementa sobre un sistema que tenga una estructura o topologa, simplificada u
optimizada para reducir al mnimo las prdidas de los flujos de energa que ordene el sistema
de control en cada momento.
Con este objetivo se ha desarrollado el siguiente trabajo, donde se estudian distintas
formas de optimizar el acoplamiento de los equipos de modo que la eficiencia global sea la
mxima posible. Sin duda, los convertidores electrnicos de potencia juegan un papel
fundamental, que pasamos a ver, pero hay otras alternativas tecnolgicas interesantes y
dignas de estudio.
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2. TOPOLOGAS EXISTENTES EN EL ESTADO DEL ARTE, CONVERTIDORES DC-DC Y
PROBLEMTICA ASOCIADA.
Uno de los elementos principales de las instalaciones de almacenamiento de energa son
los elementos de electrnica de potencia que requieren los diversos equipos para conectarse
entre s y permitir el flujo de energa elctrica. Dicha electrnica se encarga de la adecuacin
de los niveles de tensin e intensidad de los distintos equipos que se conectan entre s y la
adaptacin de la potencia entregada en los niveles de calidad necesarios. Sin embargo, con el
objetivo de minimizar costes y aumentar la eficiencia del conjunto, se han ido desarrollando
algunas ideas o conceptos para eliminar o minimizar el mximo nmero de convertidores
implicados, mediante la tcnica conocida como el acoplamiento directo.
1. Configuraciones existentes en el estado del arte
Se presentan a continuacin las diversas formas de configurar una instalacin de
almacenamiento de energa elctrica de forma hbrida mediante hidrgeno y bateras. Las
configuraciones determinaran directamente el nmero de convertidores a usar. Dichas
configuraciones dependen lgicamente de las caractersticas de los subgrupos tecnolgicos
que clasificaremos en: Generacin, almacenamiento y reconversin. La generacin de
electricidad puede ser mediante un campo fotovoltaico o aerogeneradores, la produccin de
hidrgeno englobada en este subgrupo se realiza mediante electrolisis, que puede ser a partir
de un electrolizador fabricado para operar en CC o AC, los niveles de tensin en que opera la
pila de combustible al reconvertir el hidrgeno en electricidad tambin son determinantes.
Particularmente, en este documento vamos a estudiar exclusivamente las instalaciones que
producen hidrgeno a partir de energa solar fotovoltaica.
Estos sistemas, de produccin de hidrgeno a partir de energa solar estn muy
extendidos y a su vez se pueden dividir en dos grupos, los conectados a la red elctrica o los
sistemas que se encuentran aislados:
Los sistemas de conexin a red permiten eliminar los problemas relacionados con la
operacin intermitente del electrolizador mediante la combinacin de la energa fotovoltaica y
la conexin a red. El acondicionamiento de potencia ayuda a que el electrolizador reciba una
alimentacin constante (DC o AC de entrada). Con este sistema se busca operar el
electrolizador a la potencia nominal de manera continua.
En el caso de instalaciones renovables situadas en zonas remotas, donde la red
elctrica no est disponible, los sistemas deben ser totalmente autnomos y deben ser
dimensionados con la capacidad suficiente como para abastecer la carga, es decir, no disponen
del respaldo de la red elctrica para aumentar la fiabilidad del sistema.
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Sin embargo los sistemas conectados a red tienen otro tipo de inconvenientes, como la
adecuacin de la corriente elctrica destinada a ser inyectada en la red, es decir, se debe
suministrar la energa con unos niveles de tensin y frecuencia precisos.
Para el caso de una instalacin que dispone de la red elctrica, existen en la literatura,
tres configuraciones tpicas.
Figura 4. Configuraciones existentes en el estado del arte.
Observamos como dependiendo de la configuracin, cambia el numero de
convertidores dc/dc y dc/ac usados.
Las bateras en ningn caso emplean un convertidor para conectarse al bus y se
utilizan en este tipo de sistemas para abastecer la demanda de energa a corto plazo y
mantener la tensin en el bus dc.
En la configuracin A, el acoplamiento es directo en corriente continua y solo se
requiere un convertidor para abastecer a la carga en corriente alterna. Esto requiere un
electrolizador que pueda ser alimentado mediante corriente continua. Recordemos que la
mayora de electrolizadores comerciales no vienen preparados para operar en estas
condiciones, sino que estn diseados para alimentarse de la red elctrica bajo corriente
alterna.
En el caso B, el acoplamiento no es directo, se emplean dos convertidores, al igual que
en el caso anterior uno para la conectar pila de combustible y carga, pero adems se emplea
un convertidor para conectar el electrolizador al bus de corriente continua, permitiendo as el
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funcionamiento del electrolizador a carga variable y una mayor flexibilidad a la hora de
dimensionar el campo fotovoltaico. Tambin requiere un electrolizador de funcionamiento en
CC y no en AC.
En el caso C, se emplean nuevamente dos convertidores, en este caso particular seran
dos inversores, de continua a alterna. El electrolizador en este caso, puede operar en corriente
alterna.
En la mayora de los sistemas a pequea escala, el electrolizador se suele conectar de
manera directa al campo fotovoltaico. El principal inconveniente de este procedimiento se
halla en la dificultad de disear el campo fotovoltaico de tal manera que las curvas de
funcionamiento del campo y del electrolizador se solapen para obtener la mxima potencia del
campo fotovoltaico a travs del electrolizador. (A. Yilanci, 2009)
2. Optimizacin del acoplamiento directo
Estos sistema consisten en general en el suministro de energa elctrica a un generador de
hidrgeno (electrolizador) por un disposicin de los paneles solares (fotovoltaicos (PV) del
sistema). Este acoplamiento deber cumplir las condiciones siguientes:
Se debe suministrar una tensin mnima necesaria para el electrolizador para la
llevar a cabo la descomposicin del agua.
El nmero de equipos auxiliares debe ser mnimo para que la eficiencia global pueda
ser mayor.
Cada sistema (electrolizador y paneles de energa solar fotovoltaica) debe trabajar a su
punto de mxima potencia (MPP) con el fin de obtener la mxima eficiencia global.
Se debe tener especial cuidado en el diseo del campo fotovoltaico de tal manera que la curva
se acople con la curva de funcionamiento del electrolizador lo mejor posible, como se observa
en la figura:
Figura 5. Acoplamiento de la curva del electrolizador y la curva del campo fotovoltaico en diferentes condiciones de irradiancia y temperatura.
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Se observa en la figura de arriba que el electrolizador puede generar hidrgeno a
partir de irradiancias bajas, independientemente de la temperatura, sin embargo para
irradiancias bajas (200 W/m2) el punto de trabajo est lejos de la PMP, provocando que la
eficiencia global del sistema disminuya. Por otro lado, en condiciones de irradiancias de entre
600 y 800W/m2, el punto de trabajo est cerca de la PMP. Y para valores de irradiancia por
encima de 800W/m2, el punto de trabajo est muy distante del PMP para este caso. (L.G.
Arriaga, 2007)
Para el ajuste de las curvas es necesario por tanto una caracterizacin del
electrolizador y un conocimiento preciso del funcionamiento del mismo. Tambin se hace
necesario el estudio previo de manera terica con modelos lo ms precisos posibles. La idea de
este sistema es disear el campo fotovoltaico de tal modo que las diferentes curvas de
funcionamiento del campo fotovoltaico, producto de las variaciones meteorolgicas se
acoplen de la mejor manera posible a la curva de funcionamiento del electrolizador.
Para esto hay que encontrar la mejor combinacin de paneles conectados en serie y en
paralelo que transfieran la mayor cantidad de energa al electrolizador. La curva caracterstica
del electrolizador debe seguir lo ms fiel posible la lnea de los puntos de mxima potencia del
campo fotovoltaico para cada nivel de irradiancia. La interconexin de los paneles solares se
debe hacer de tal modo que produzcan 48 Vdc (para este ejemplo), como se muestra en la
figura siguiente.
Figura 6. Asociacin de paneles
Este nivel de tensin es uno de los ms empleados por electrolizadores, al permitir un buen
acople con el generador fotovoltaico.
Otras estrategias proponen variar el nmero de paneles en serie-paralelo y adems
cambiar el nmero de celdas serie-paralelo del electrolizador (Biddyut Paul, 2008) como se
observa en la figura:
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Figura 7. Ajuste de paneles y celdas propuesto.
La curva de funcionamiento del electrolizador se debera desplazar a lo largo del eje de
tensin mediante la adicin de las celdas PEM en serie, o se extendera verticalmente en la
direccin actual en la adicin de celdas en paralelo.
Esto es una tecnologa an experimental. Y requiere que toda una tecnologa de
fabricacin de electrolizadores se adapte. Sin embargo, los resultados de eficiencia que se
pueden obtener son bastante buenos.
Figura 8. Cuadro de resultados de optimizacin del acoplamiento directo (Biddyut Paul, 2008)
3. Mejoras en el diseo y acoplamiento cuando se emplean convertidores.
En esta sub-seccin se estudia la posibilidad de mejoras del acoplamiento
mediante convertidores y las ventajas que ofrecen frente al acoplamiento directo.
El objetivo sigue siendo maximizar la produccin de energa del generador
fotovoltaico, que debera funcionar siempre en su punto de mxima potencia (MPP) con el fin
de obtener una mxima eficiencia global.
Como sabemos, algunos autores han apoyado la conexin directa entre el generador
fotovoltaico y el electrolizador. Si bien es cierto que las curvas de funcionamiento del
generador fotovoltaico y del electrolizador ofrecen buenas posibilidades de acoplamiento,
dado que si el tamao relativo del electrolizador y el generador fotovoltaico estn
optimizados, el punto de trabajo, en el acoplamiento directo, se puede situar muy cerca del
PMP del generador fotovoltaico, por lo que la eficiencia global del sistema es aceptable. Sin
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embargo, el acoplamiento directo restringe y reduce la flexibilidad en el dimensionado de la
instalacin, ya que el rango de tensin del electrolizador debe coincidir con la gama de
tensiones posibles en el PMP en el generador fotovoltaico.
Por ello, otros autores mantienen que el uso de convertidores otorga una mayor
eficiencia gracias al control seguidor de PMP. Esta opcin ofrece una mayor flexibilidad de
diseo, pero slo el punto ptimo de trabajo del generador fotovoltaico se tiene en cuenta en
el diseo del seguidor del PMP y sabemos que la curva I-V en un generador fotovoltaico
cambia con la irradiancia y la temperatura.
Existen varios mtodos y algoritmos para el seguimiento del punto de mxima
potencia, pero la curva de V-I en un electrolizador tambin vara con la temperatura y la
presin de trabajo. Esta situacin implica la necesidad de algoritmos especfico que busque el
mejor PMP que acople el generador FV y el electrolizador.
Los convertidores dc/dc controlados con estos algoritmos muestran una adaptabilidad
mejor a las condiciones de radiacin cambiantes que los sistemas basados en acoplamiento
directo, adems de permitir una mayor flexibilidad en el dimensionado del generador
fotovoltaico. (R. Garca-Valverde, 2008)
Para demostrar esto los investigadores comparan ambas configuraciones:
a) Acoplamiento directo
b) Acoplamiento mediante dc-dc con algoritmo MPPT especifico para
electrolizador.
Para cada caso adems se contemplan dos sub-casos con dos tipos de electrolizadores:
Opcin 1: electrolizador de 7 celdas, rea celda: 300 cm2
Opcin 2: electrolizador de 30 celdas, 70 cm2 de rea. (Especifico para trabajar acoplado con
el generador fotovoltaico)
En los dos casos los electrolizadores del ejemplo que se presenta, tienen una potencia de
4.2KWp. Se presenta a continuacin los niveles de irradiancia a los que se va a someter el
sistema:
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MSTER EN SISTEMAS DE ENERGA TRMICA
Autor: Luis Valverde Isorna. 19
Figura 9. Perfil de Irradiancia al que se va someter el sistema.
Y los resultados de las pruebas fueron los siguientes:
-
MSTER EN SISTEMAS DE ENERGA TRMICA
Autor: Luis Valverde Isorna. 20
Se observa que en el caso de usar convertidores se obtiene mayor produccin de energa e
hidrgeno, aunque no muestran una ventaja clara en la produccin con respecto a la segunda
opcin de acoplamiento directo optimizado mediante variacin de celdas.
En la ltima grfica si se muestra una diferencia clara en la adaptacin a las condiciones
cambiantes, ya que el controlador dc-dc permite adaptar paulatinamente la produccin del
electrolizador con la radiacin, protegindolo de los cambios bruscos provocados por las
condiciones atmosfricas variables y prolongando su vida til.
4. Otras consideraciones sobre el uso o no uso de convertidores.
Anteriormente se ha visto una muestra de los numerosos estudios en sistemas basados en
acoplamiento directo que arrojan cierta esperanza ya que los resultados de optimizacin de
acoplamiento directo son solo ligeramente inferiores a los resultados de rendimiento de los
sistemas que emplean convertidores. Como se ha expresado en las lneas anteriores, la
flexibilidad en el diseo del generador fotovoltaico se ve reducida en el acoplamiento directo,
pero esto no parece ser una desventaja muy significativa. S lo es ms el hecho de que los
convertidores permiten una mejor adaptacin y respuesta de los equipos a las condiciones
atmosfricas cambiantes, lo que incrementara la vida til de los equipos.
-
MSTER EN SISTEMAS DE ENERGA TRMICA
Autor: Luis Valverde Isorna. 21
Pero aparte de todo esto, an no se han tenido en cuenta otros factores de notable inters:
El electrolizador y pila de combustible, as como las bateras, operan normalmente a
bajos voltajes, si consideramos un acoplamiento directo, el voltaje del bus de continua
debe ser tambin bajo. Como consecuencia de esto, las corrientes en los circuitos han
de ser mayores para transferir la misma potencia. Si evaluamos esto en una planta
real, donde el cableado elctrico puede constar de cientos de metros, es obvio, que las
perdidas Joule deberan ser tenidas en cuenta ya que podran causar un grave
descenso en la eficiencia.
Bajo esta nueva consideracin existe un estudio (H. Solmecke, Comparison of solar
hydrogen storage systems with and without converters, 2000) ensayado sobre la planta
PHOEBUS (Alemania) donde se comparan eficiencias y costes. Considerando adems el coste
del cableado en el caso de acoplamiento directo, ya que para conducir las altas densidades de
corriente se necesitara adems mayor cantidad de cobre.
As por ejemplo, el estudio muestra en la siguiente figura el incremento en los costes de
cableado en trminos porcentuales sobre la instalacin para cada configuracin:
Figura 10 (H. Solmecke, Comparison of solar hydrogen storage systems with and without converters, 2000)
En el estudio se expresa adems, que el empleo de un convertidor bidireccional, en
lugar de dos separados (uno para la pila y otro para el electrolizador) puede reducir an ms
los costes.
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MSTER EN SISTEMAS DE ENERGA TRMICA
Autor: Luis Valverde Isorna. 22
A la vista de esto, parece que la consideracin del acoplamiento directo queda en
desventaja. Sin embargo. Qu ocurre con la eficiencia? Parece claro que el empleo de
convertidores conlleva una prdida de eficiencia frente al acoplamiento directo.
Pero si se analiza este hecho ms detalladamente, sabemos que en un sistema sin
convertidores, a la hora de conectarnos a la red elctrica o una vivienda, se hace necesario el
uso de un inversor. Para un tamao real, por ejemplo un inversor de unos 15 KVA habra dos
posibilidades:
- Un convertidor auto-conmutado que genere el voltaje AC. Pero esto implica,
desafortunadamente, que el tamao del equipo requerido sea enorme, debido a la
frecuencia de 50 Hz que se quiere conseguir a partir de bajo voltaje y altas corrientes.
Esto adems conlleva que solo se puedan conseguir unas eficiencias en estos equipos
de entre el 75 y el 92 % para el transformador necesario, y del 90 % para el
convertidor, lo que resulta en un 68-84% de eficiencia.
- Un inversor con un convertidor interno para elevar el bajo voltaje previamente a
realizar la inversin DC-AC. Pero en realidad esto equivaldra a usar un convertidor en
el sistema de almacenamiento de energa para electrolizador y pila, siendo adems
ms eficiente instalarlo en el camino del almacenamiento de energa y no en el camino
directo, ya que no se hace pasar tanta energa por estos convertidores, como se hara
pasar por el convertidor instalado junto al inversor.
Por el contrario, si se emplea un bus de voltaje elevado (30-50 V), permitira partir de unas
tensiones ms altas antes de elevarlas y convertirlas en AC, siendo los inversores en este caso,
ms eficientes. (Lindemann, 1993)
Adems, si eliminamos el convertidor de la pila, se ha de instalar en la misma un diodo o algn
elemento semiconductor que bloquee la corriente inversa, lo que conlleva perdidas
adicionales de entre el 2 y el 3 %.
Tambin se ha de tener en cuenta en un acoplamiento directo, que realmente necesitaramos
dos interruptores para conectar el electrolizador y pila para regular la entrada en
funcionamiento de los equipos y controlar de algn modo los puntos de trabajo de los mismos,
lo que puede introducir mayores prdidas.
Finalmente, los resultados del estudio comparativo sobre la planta PHOEBUS son los
siguientes:
Eficiencia del 65.2 % para el sistema sin convertidores
Eficiencia del 69.6 % para el sistema con convertidores
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MSTER EN SISTEMAS DE ENERGA TRMICA
Autor: Luis Valverde Isorna. 23
Figura 12. Esquema flujos energticos planta Phoebus sin convertidores
Bajo este estudio, parece haber quedado demostrado que el empleo de convertidores
en un rango de potencia media es ventajoso. El sistema total parece ser menos costoso y
eficiente. Nuevos convertidores de eficiencias mayores pueden respaldar ms aun esta
topologa. De tal modo que un sistema hibrido de almacenamiento de energa mediante
hidrgeno para aplicaciones aisladas debera tener al menos dos convertidores, un inversor
DC-AC y un convertidor bidireccional DC-DC que se emplee para la pila y el electrolizador.
Hay que tener en cuenta que el presente estudio sobre la planta Phoebus se simul
ayudndose de datos experimentales de la instalacin con convertidores de que dispone la
planta. No son resultados experimentales.
Como se ha visto, hay gran cantidad de factores y variables que vienen a aumentar la
complejidad del problema. Por este motivo, se ha desarrollado el presente trabajo, donde se
van a intentar arrojar luz sobre este problema y obtener conclusiones definitivas sobre el uso
de convertidores de potencia.
Figura 11. Esquema flujos energticos planta Phoebus con convertidores
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MSTER EN SISTEMAS DE ENERGA TRMICA
Autor: Luis Valverde Isorna. 24
3. OBJETIVO DEL TRABAJO
El objetivo del trabajo se centra en estudiar la topologa ms eficiente en cuanto al uso
de convertidores de corriente continua en este tipo de instalaciones.
Es un estudio realizado para el Laboratorio de Hidrogeno y Pilas de combustible del
grupo de Termotecnia (http://tmt.us.es) de la Universidad de Sevilla.
El laboratorio que se encuentra en el mdulo L2 est destinado a la evaluacin y
desarrollo de estrategias de control de sistemas de almacenamiento de energa mediante
diversas tecnologas, adems de los diferentes trabajos relacionados con el uso de las
tecnologas de hidrgeno que se puedan llevar a cabo.
El funcionamiento de la instalacin es el siguiente: Se persigue almacenar la energa
sobrante producida por un campo de paneles fotovoltaicos en los periodos en los que la
demanda es inferior a la generacin. Este campo es simulado por una fuente de alimentacin
programable. La energa elctrica en exceso se enva a un electrolizador con el fin de producir
hidrgeno, que ser almacenado. Posteriormente este hidrgeno puede ser transformado en
energa elctrica mediante una pila de combustible, en el momento ms conveniente.
Los diferentes equipos se conectan entre s elctricamente a travs de un bus de
corriente continua, cuya tensin se establece a 48 V. La tensin de dicho bus es mantenida por
unas bateras, lo que implica que la tensin no se mantendr constante, si no que oscilar
levemente en torno a ese valor de 48 V en funcin del estado de carga de las bateras.
Con el objetivo de analizar en profundidad las distintas configuraciones se realiz un
modelo matemtico de la parte elctrica de la instalacin para as estudiar el comportamiento
del voltaje del bus, el correcto funcionamiento de la instalacin, eficiencias de los flujos de
energa y posibles configuraciones alternativas.
El objetivo del trabajo no es dimensionar la instalacin, ni estudiar posibles mejoras en
su dimensionado, sino, partiendo de un sistema establecido, estudiar qu es ms beneficioso:
si instalar convertidores o realizar un acoplamiento directo.
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MSTER EN SISTEMAS DE ENERGA TRMICA
Autor: Luis Valverde Isorna. 25
Dentro de todas las topologas, no se discute la inclusin de las bateras, es algo que se
asume como necesario ya que aporta grandes beneficios al funcionamiento del conjunto,
actuando como un buffer de energa, manteniendo la tensin, permitiendo estrategias de
control ms complejas y permitiendo el uso de los equipos electrolizador y pila a potencia
nominal, evitando as que se enfrenten directamente a perfiles irregulares de generacin y
demanda, perjudiciales para la vida de los equipos.
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MSTER EN SISTEMAS DE ENERGA TRMICA
Autor: Luis Valverde Isorna. 26
4. MODELO EN MATLAB DESARROLLADO
El modelo creado permite simular la parte elctrica de una instalacin de generacin de
energa elctrica procedente de renovable con almacenamiento de energa mediante
hidrgeno y bateras.
El funcionamiento como ya se ha explicado es el siguiente: Los paneles fotovoltaicos
alimentan una carga, que puede ser la red elctrica o una vivienda. Cuando la energa
generada por los paneles supera la demandada, el exceso de energa se almacena en las
bateras o en forma de hidrgeno a travs del electrolizador. El sistema de control debe decidir
que mtodo de almacenamiento de energa es ms adecuado emplear. Cuando se requiera
energa porque los paneles no puedan aportar la potencia demandada por la carga, la pila de
combustible y las bateras deben aportar el defecto de energa. En estas instalaciones un punto
clave son por tanto los convertidores y la eficiencia de los flujos energticos. La estrategia de
control y gestin mediante software, por buena que sea, debe estar respaldada por un sistema
fsico diseado lo ms eficientemente posible.
El modelo en Matlab-Simulink implementa de manera sencilla las ecuaciones de nodos y
mallas del circuito elctrico y lo resuelve mediante integracin.
Los elementos que se han modelado han sido los siguientes:
Generador Fotovoltaico:
Mdulo Isofoton I-106/12
Potencia pico del mdulo: 106 Wp
Intensidad en el punto de mxima potencia: 6.10 A
Voltaje en el punto de mxima potencia: 17.4 V
Nmero de paneles: 14
Paneles serie/paralelo: depende del esquema de la instalacin.
Potencia pico del generador: 1484 Wp
Electrolizador:
Potencia mxima: 1 kW
Tensin nominal 11 Vdc
Corriente: 10-80 A.
Pila de combustible:
Potencia: 1.5 kW
Tensin de operacin : 36-57 Vdc
Mxima corriente: 42 A
Bateras:
24 Bateras de 2 V cada una
C100=359 Ah
Tensin nominal 2 V
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MSTER EN SISTEMAS DE ENERGA TRMICA
Autor: Luis Valverde Isorna. 27
JUSTIFICACIN Y DESCRIPCIN DETALLADA DE LOS ELEMENTOS DEL MODELO:
Generador Fotovoltaico:
El generador fotovoltaico se ha modelado mediante una funcin .m de Matlab que
implementa el siguiente esquema elctrico:
Esquema del modelo:
Figura 13. Modelo elctrico de un panel fotovoltaico.
La ecuacin que nos da la corriente inyectada por el campo fotovoltaico es la siguiente:
Isc_sf , representa la intensidad de corto circuito (short-circuit) del campo fotovoltaico, la cual a
su vez se calcula previamente como.
Se divide por 1000, para calcular Isc en cualquier condicin distinta a las condiciones
estndar de medida. Isc representa la intensidad de cortocircuito para el mdulo fotovoltaico.
Recordemos que las condiciones Estndar de Medida (CEM): T = 25C AM = 1,5 E =
1.000 W/m2
Estas ecuaciones se han implementado en un programa en Matlab que permite
calcular la curva de funcionamiento del campo fotovoltaico a distintos niveles de Irrandiancia y
temperatura.
Para comprobarlo, veamos la curva I-V del panel fotovoltaico a distintos niveles de irradiancia:
-
MSTER EN SISTEMAS DE ENERGA TRMICA
Autor: Luis Valverde Isorna. 28
Figura 14.Curvas V-I panel Isofoton.
Y podemos ver tambin la influencia de la temperatura en la siguiente grfica
Figura 15. Curvas V-I panel Isofoton a distintas temperaturas
Como se observa, la dependencia de la temperatura es muy acusada, provocando que
a medida que aumenta la temperatura del panel disminuya la potencia elctrica que podemos
extraer del mismo.
El nmero de paneles en serie y en paralelo varia para cada esquema, y se justifica en
cada caso por tanto. Pero siempre manteniendo el mismo nmero de paneles totales, para as
comparar los flujos energticos partiendo de que todos los esquemas disponen de la misma
potencia instalada.
0 5 10 15 20 251
2
3
4
5
6
7
v (V)
I (A
)
1000 W/m2
800 W/m2
500 W/m2
0 5 10 15 20 252
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
tensin(V)
inte
nsid
ad(A
)
T=40C
T=25C
T=10C
-
MSTER EN SISTEMAS DE ENERGA TRMICA
Autor: Luis Valverde Isorna. 29
Electrolizador:
El electrolizador se ha modelado de manera simplificada como una carga resistiva en
paralelo con el sistema, que se conecta mediante un interruptor controlable. La librera de
Matlab Simpowers empleada permite usar un modelo de interruptor para observar lo que
ocurre con la tensin e intensidad en el sistema y en el electrolizador cuando se cierra y abre
el mismo.
Es muy importante tener en cuenta que el nmero de paneles del campo Fotovoltaico
se ha dimensionado con propsito de beneficiar el acoplamiento directo con el electrolizador
(cuando se analiza este caso), es decir, se han elegido los paneles de tal modo que la recta de
carga del electrolizador se encuentre lo ms cercana posible al punto de mxima potencia de
la curva de funcionamiento de los paneles a 1000 W/m2.
Cuando cambie el nivel de irradiancia, nos alejaremos del punto de funcionamiento
para el que se ha diseado, sin embargo lo ms adecuado sigue siendo disear el acoplamiento
para este nivel de irradiancia, ya que el electrolizador funcionar normalmente en un nivel
muy alto, o mximo de irradiancia, que ser cuando tengamos mayor cantidad de energa
sobrante tambin.
El comportamiento elctrico del electrolizador se observa a travs de su curva I-V de
funcionamiento, la cual presenta un aspecto de este tipo:
Figura 16. Curvas tericas I-V de un electrolizador alcalino a distintas temperaturas.
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
0 500 1000 1500
Vo
ltaj
e d
ela
ce
lda
(V)
Densidad de corriente (A/m2)
Curva Caracterstica I - U
80 C
50 C
20 C
P = 7 bar
-
MSTER EN SISTEMAS DE ENERGA TRMICA
Autor: Luis Valverde Isorna. 30
A medida que asciende el nivel de corriente en el eje de abscisas, la tensin va
subiendo, primero de manera muy acusada y despus alcanza rpidamente un punto de
inflexin donde sigue aumentando, pero de manera poco pronunciada, manteniendo un
comportamiento lineal.
El electrolizador del presente trabajo muestra un comportamiento de este tipo.
Adems, el electrolizador no puede funcionar a una corriente inferior a una mnima
establecida por el fabricante. Dicha corriente mnima se establece por seguridad, para evitar
que la corriente de hidrgeno generada presente un contenido de oxigeno inadecuado o
peligroso.
Como se estudia el funcionamiento del sistema a una corriente superior a la mnima de
10 A. La curva de funcionamiento es casi lineal, tambin podemos observar esto en la curva
experimental obtenida para el electrolizador tipo PEM, Hamilton Standard, que es el modelo
de electrolizador de que dispone el Laboratorio.
Figura 17. Curva experimental I-V del electrolizador PEM Hamilton Standard.
Por tanto, suponiendo que siempre operamos muy cerca del punto nominal, se puede
simplificar el modelo. Y considerar que se comporta como una resistencia. Por tanto, de
acuerdo con esto, se puede modelar el electrolizador como una carga resistiva constante que
se representar mediante una recta. Al igual que se hace en otros estudios y publicaciones
cientficas como por ejemplo: (A. Garrigos, 2010)
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
16,0
18,0
0 20 40 60 80
Te
ns
in
(V
)
Intensidad (A)
Curva V-I Electrolizador a 26C
-
MSTER EN SISTEMAS DE ENERGA TRMICA
Autor: Luis Valverde Isorna. 31
Figura 18. Curva de funcionamiento de un electrolizador modelada de forma lineal.
El clculo de la carga resistiva que representa el electrolizador se explica para cada
caso, pero sigue el principio de conservacin de energa, debe consumir 1kW ms otras
prdidas (como convertidores acoplados) al conectarse a la tensin del bus de continua. Lo
que significa que funciona a potencia constante, consumiendo el mximo posible. La
justificacin del funcionamiento a potencia nominal se realiza dentro del apartado estrategias
de control.
Bateras:
El modelo matemtico de batera que se emplea se ha obtenido de la librera de Matlab
Simpowers, del cual podemos destacar que incorpora una resistencia interna y por tanto se ha
modelado con un rendimiento y unas prdidas.
Las bateras se han elegido de plomo-cido, por ser las ms extendidas en la industria,
sin embargo el modelo tiene la capacidad de ser modificado fcilmente para simular otras
tecnologas (in-litio, niquel-metal hidruro).
La motivacin de la inclusin de bateras ha sido, la visin de las posibilidades de
control involucradas al introducir estos elementos. Tras realizar distintos estudios, los
resultados indican que la inclusin de bateras como sistema auxiliar de potencia otorga un
mejor funcionamiento de estas instalaciones, y permite que las tcnicas de control ms
modernas optimicen el funcionamiento del sistema.
Se ha comprobado en que el uso de bateras para absorber los picos de generacin y
cubrir a su vez los picos de demanda cuando sea necesario, mejora el rendimiento de estas
instalaciones (Agbossou, 2004).
Como est previsto instalar un bus de corriente continua de 48 VdC, el dimensionado
del banco de bateras necesarios es el siguiente:
-
MSTER EN SISTEMAS DE ENERGA TRMICA
Autor: Luis Valverde Isorna. 32
As conociendo que la capacidad de las bateras en Ah viene dada por:
1max
max
1.1 D en
D Tacu
N E Wh diaC
P V
(0.1)
Y sabiendo que:
ND = Das de autonoma especificados
Eemax = Promedio de energa elctrica diaria solicitada por la instalacin receptora (En el mes de
mximo consumo.
PDmax = Profundidad de descarga.
VTacu= Tensin bateras.
Podemos dimensionar el grupo de bateras que necesitaremos para cada situacin.
a) Instalacin aislada de la red elctrica (Vivienda).
Se ha supuesto que el consumo se realizar fundamentalmente por la noche y se
destinar a la iluminacin (desde las 18 h. hasta las 24 h. en otoo-invierno y desde las 22 h.
hasta las 1 h. en primavera-verano), y el consumo de la TV se estima que ser durante el
medioda (2h) y por la noche (4h).
Los fabricantes de bateras recomiendan no usar una profundidad de descarga no superior al
70% de su capacidad total, para as aumentar el nmero de ciclos de vida de la misma.
Para nuestro estudio vamos a ser ms conservadores y usaremos una profundidad de descarga
del 60% como mximo. Pronosticando adems un uso durante tres das. Obtenemos una
capacidad nominal de:
Cn= 333.47 Ah
Para abastecer ese nivel de Ah se ha seleccionado el grupo de bateras que se han
descrito anteriormente.
b) Instalacin conectada al sistema elctrico
En el caso de una instalacin renovable conectada al sistema elctrico, la inclusin de
bateras tiene unos costes evidentemente mayores y evidencian las ventajas de los sistemas de
almacenamiento basados en hidrgeno.
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MSTER EN SISTEMAS DE ENERGA TRMICA
Autor: Luis Valverde Isorna. 33
Segn Red Elctrica Espaola, la energa media diaria que puede solicitar el sistema
elctrico sigue la curva de demanda mostrada en la figura de abajo.
Figura 19. Demanda de energa elctrica.
Si la planta de Generacin (hablamos de una planta Fotovoltaica) sufriera demandas
de corriente siguiendo esa curva caracterstica (algo comn ya que la demanda y la generacin
de una planta fotovoltaica en un da soleado siguen curvas similares) y si suponemos que las
condiciones climticas son desfavorables a la generacin durante solo dos das (no cinco, como
en el caso anterior), necesitaramos, realizando los mismo clculos ms de 5800 Ah, lo que
implica una cantidad de energa inabordable por medio de bateras. El volumen del banco de
bateras resulta demasiado elevado, por eso en los sistemas de almacenamiento de gran
cantidad de energa, no se utilizan las bateras como sistema prioritario. El modelo matemtico para las bateras implementa una resistencia interna en las
bateras de R = 0.0046 Ohm. Y las curvas caractersticas son las siguientes:
Figura 20. Curvas capacidad frente a tensin de la batera
0 50 100 150 200 250 300 350 400
35
40
45
50
55
Ampere-hour (Ah)
Voltage
Nominal Current Discharge Characteristic at 0.05C (13A)
Discharge curve
Nominal area
Exponential area
0 50 100 150 200 250 300 350 400
40
45
50
55
E0 = 50.58, R = 0.0046154, K = 1.32, A = 2.64, B = 14.4231
Ampere-hour (Ah)
Voltage
-
MSTER EN SISTEMAS DE ENERGA TRMICA
Autor: Luis Valverde Isorna. 34
En estas dos grficas se representa la misma curva de descarga, pero en la superior se
sombrea el rea nominal de funcionamiento y en la de abajo slo se representa la curva de
descarga.
La curva de descarga da una medida de la energa que ha cedido la batera y por tanto,
sabiendo el mximo que puede dar la batera, es una medida de la energa que puede an
ceder a un voltaje dado. El voltaje es funcin del estado de carga de la misma. As a un voltaje
de 40 V, la batera ha cedido ya 230 Ah, multiplicado por el voltaje, es una medida de energa
cedida, y sabiendo el mximo de 250 Ah es una medida de la energa que le queda por ceder.
Del mismo modo si el voltaje es de 48 V, obtenemos, segn la curva, una medida de 50 Ah, lo
que significa que hemos cedido muy poca cantidad de energa, o que hemos absorbido mucha.
An quedaran por ceder 200 Ah y tendra una capacidad de absorber de solo 50 Ah hasta el
mximo.
Pila de combustible:
La pila de combustible se modela como una fuente ideal de intensidad conectada en
paralelo con un diodo que impida la corriente en sentido inverso. El modelo del diodo e
interruptor de la pila contempla prdidas Joule. Del mismo modo que el electrolizador, la pila
funciona a potencia mxima, aportando toda la corriente que puede dar. Este modo de
funcionamiento se justificar ms adelante en el apartado de estrategias de control.
Es decir, la pila ser el equipo que se encargue de inyectar corriente al bus de la
instalacin. El funcionamiento a potencia variable de los equipos es posible de estudiar, pero
enturbia bastante los ensayos sin aportar nada significativo para el objetivo de este trabajo. Y
el funcionamiento a potencia nominal es una estrategia muy empleada ya que aumenta la vida
de los equipos, aunque disminuya la eficiencia global del sistema.
Demanda de energa elctrica
Finalmente para modelar la demanda se emplea otra resistencia elctrica, calculada para
cada caso que consuma la potencia prefijada. Para simplificar el estudio y centrarnos en los
objetivos del documento, no se ha considerado que la demanda de energa vare durante el
da.
El modelo incorpora una fuente de intensidad en serie, la cual permite ajustar la
intensidad de la corriente que circula por la carga en funcin del voltaje del bus, para as
mantener la potencia consumida constante. Funcin que desempeara el inversor final que se
debe colocar para pasar de corriente continua a alterna.
-
MSTER EN SISTEMAS DE ENERGA TRMICA
Autor: Luis Valverde Isorna. 35
Las simulaciones se realizan para 24 horas, como se ha dicho, que es un tiempo suficiente
para ver la evolucin del estado de carga de las bateras. Se utiliza el mtodo de integracin
ode23t, con paso de integracin variable y como base de tiempo en segundos.
- Nociones importantes del funcionamiento del conjunto elctrico:
La inclusin de bateras tiene una repercusin muy importante en el funcionamiento del
conjunto, de tal modo que el punto de funcionamiento elctrico de la instalacin queda
totalmente determinado por el estado de carga de las bateras.
Esto es, mientras las bateras se encuentren en un estado de carga intermedio, ni
totalmente cargadas ni descargadas, la tensin del bus es correcta y es controlada por las
bateras (en torno a 12 V por ejemplo) pero si se alcanzan los niveles mximos y mnimos en
las bateras estas no se mantienen a 15 V ni 9 V, sino que dejan de funcionar totalmente, y la
tensin del bus es la correspondiente a la interseccin del campo FV y la recta de la carga, la
cual puede ser muy distinta a la tensin de operacin normal del bus.
Esto tiene la grave repercusin de que los niveles tensin e intensidad para los que se
disea la instalacin en el funcionamiento normal de las bateras cambian radicalmente
cuando dejan de funcionar estas, sufriendo la instalacin unas corrientes y voltajes para los
que no est diseada.
Por tanto, hay que evitar siempre que las bateras dejen de funcionar, o que el punto de
funcionamiento, cuando las bateras no se encuentren operativas, no se aleje mucho del
funcionamiento normal cuando las bateras operan. Otra opcin es emplear algn medio
electrnico que controle la tensin, esto es un convertidor, regulador de carga, etc.
Las bateras se agruparn en serie hasta conseguir una tensin en el bus de corriente de 48
Vdc, por ser un valor lo suficientemente alto como para que las prdidas joule y las perdidas
en las eficiencias de los convertidores no sean demasiado elevadas. Esto es para todos los
casos, excepto para el acoplamiento directo, para el cual, se considera que se puede modificar
el banco de bateras para obtener la tensin de 12 V. requerida por el bus de tensin de esta
topologa en particular. Ya que de otro modo no se puede realizar el acoplamiento directo con
el electrolizador del Laboratorio de Hidrgeno.
-
MSTER EN SISTEMAS DE ENERGA TRMICA
Autor: Luis Valverde Isorna. 36
5. DEFINICIONES DE RENDIMIENTOS Y PARMETROS DE EVALUACIN DE EFICIENCIA DE LA
PLANTA
Para estudiar las caractersticas de cada configuracin y compararlas se han definido los
siguientes rendimientos y parmetros de evaluacin:
Energa extrada de los paneles: Es la energa elctrica que somos capaces de extraer del
campo fotovoltaico durante el tiempo de simulacin.
Rendimiento directo: Es la relacin entre la energa que se vierte a la carga final (demanda) y
la energa volcada al sistema por los paneles fotovoltaicos. (Slo tiene sentido para algunos
modos de operacin)
Rendimiento del electrolizador: Es la relacin entre el caudal de hidrgeno producido y la
potencia que cuesta producirlo.
Rendimiento de la pila: Es la relacin entre la potencia elctrica aportada por la pila y el
caudal de hidrgeno consumido para producirla.
Debido a que el anlisis de las configuraciones es complejo, se han considerado los
siguientes parmetros para ayudar en la toma de decisiones y a la evaluacin de la eficiencia
de las distintas topologas:
Energa volcada a carga (kWh): Medida real de la energa elctrica consumida por la carga.
Hidrgeno producido (Nm3): Cantidad de hidrgeno producido durante la operacin.
SOC final (%): Estado final de carga de las bateras.
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MSTER EN SISTEMAS DE ENERGA TRMICA
Autor: Luis Valverde Isorna. 37
Energa Salvada:
La energa salvada se ha definido como: La energa acumulada menos la energa cedida en las
bateras, ms la energa destinada al electrolizador por la eficiencia del electrolizador.
Energa real salvada:
Denominamos Energa real salvada a la Energa Salvada, menos la energa en forma de
Hidrgeno consumida por la pila de combustible
Para analizar el funcionamiento correcto del sistema, es muy importante observar
tambin las distintas grficas de tensin del bus, corriente suministrada-consumida por los
distintos equipos, estado de carga de bateras en cada instante de tiempo, etc. y con este fin
se presenta un grupo de grficas en cada simulacin representativas del estado del sistema,
dado que existen multitud de variables.
Es importante tener en mente que la energa extrada de los paneles depender del punto
de operacin del sistema acoplado a los paneles y por tanto de todo el sistema en s, cuya
configuracin cambia en cada caso.
La energa demandada debe ser igual en todos los casos. Por tanto la diferencia en el
rendimiento directo debe deberse a la energa extrada o demandada, por la carga de los
paneles. En algunos casos ser mayor y en otros menor, ya que adems de la carga, en el
camino entre paneles y la carga pueden existir uno o ms convertidores que introduzcan
prdidas. Decir que el rendimiento directo slo tiene interpretacin en un caso, que es cuando
en el sistema no opera el electrolizador ni la pila de combustible.
El objetivo de este parmetro es tener un indicador de las prdidas de energa en el
camino de los paneles hasta la carga final durante uno de los tres modos de operacin.
El rendimiento directo adquiere valor como parmetro de anlisis en el modo de
operacin donde no se desva o fluye la energa hacia o desde ningn otro equipo (pila,
electrolizador) excepto bateras. Tambin es importante cuando se desva la energa hacia
electrolizador, pero es ms claro y significativo su valor cuando se contempla el
funcionamiento ms simple del sistema. Por tanto, el rendimiento directo, slo se debe tener
en cuenta, cuando no operan ni electrolizador ni pila de combustible.
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6. EFICIENCIA DE LOS CONVERTIDORES.
En este apartado se definen las eficiencias de cada uno de los convertidores que se
consideran en el modelo. As mismo se contempla la eficiencia del inversor final y del
transformador.
La eficiencia de los convertidores es un tema de gran importancia y clave en el proyecto,
adems de problemtico, debido a que dichas eficiencias son difciles de conocer a priori. Para
este trabajo se han empleado valores para la eficiencia de los convertidores obtenidos de
publicaciones cientficas:
El rendimiento del inversor ms el transformador final para bajas tensiones (48 V) puede
alcanzar un mximo del 84 %. (H. Solmecke, 2000)
Denotar que este valor de eficiencia corresponde a inversores de potencias medias altas. Se
pueden encontrar inversores comerciales para los niveles de potencia que se ensayan en la
instalacin del laboratorio que presentan mejores valores de eficiencia. Sin embargo, con el
objetivo de que los resultados sean extrapolables a instalaciones reales, se emplean valores de
eficiencia correspondientes a estos niveles de potencia.
Las instalaciones de almacenamiento de energa son ms rentables para tamaos medios y
grandes (del orden de 15 KVA), por tanto para que resulte de inters el estudio, ha de ser
extrapolable y por ello se han de emplear valores de eficiencia para instalaciones medias-
grandes. (H. Solmecke, 2000)
Si se eleva la tensin a 240 V, puede alcanzar 92% (H. Solmecke, 2000), esto o implica usar 20
bateras en serie o un convertidor ms para las bateras (bidireccional). Perno no es el caso.
La eficiencia del convertidor del campo FV tambin aumenta si vuelca la tensin a nivel
alto, alcanzando 97 % (Woo-Young Choi, 2010).
La eficiencia del convertidor del campo FV con MPPT, desde los niveles de tensin del
campo a la tensin del bus de 48 V es aproximadamente de un 93 % (A. Garrigos, 2010),
se observa que tienen un mximo de 93 %, y un mnimo de 85 %, que en muchos casos se
da. Se va a tomar el valor ms favorable.
La eficiencia del convertidor del electrolizador ser del 93 % (A. Garrigos, 2010).
El convertidor de la pila tendr una eficiencia del 95 % (Yong Wanga, 2009).
Recordemos, que el objetivo del trabajo, es estudiar la idoneidad del uso de convertidores, y
en qu posicin usarlos, hallando as una determinada topologa de la instalacin que resulte
lo ms beneficiosa posible desde el punto de vista de la eficiencia.
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Decir, que los valores de eficiencia tomados corresponden a convertidores de instalaciones
de i+d, es decir, normalmente sern unos valores de eficiencia muy generosos para los
convertidores. Este es un dato a tener en cuenta. No obstante, dichos valores se podrn
modificar en el modelo Matlab, pudiendo as, estudiar otras posibilidades.
En base a estas eficiencias y el voltaje del bus, se calcula la resistencia del electrolizador
en el modelo y la intensidad que da la pila, as como la resistencia de la carga final.
Los rendimientos de los convertidores se han tomado como constantes por las siguientes
razones:
El rendimiento de los mismos no oscila considerablemente a la potencia de salida
MAXIMA. Todos los convertidores de este estudio operan a potencia mxima y constante.
Obsrvese en la siguiente grfica, cmo cambia la eficiencia de un convertidor con la
tensin (o potencia) de operacin.
Figura 21. Evolucin de la eficiencia del convertidor en su rango de funcionamiento
Nuestra simulacin transcurrir para valores constantes de potencia de entrada y salida
de los convertidores, por tanto, no debe variar su rendimiento.
La eficiencia es prcticamente constante en la mayor parte del rango de funcionamiento.
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7. MODOS DE FUNCIONAMIENTO
Se parte de que la planta busca en todo momento satisfacer la demanda de energa
elctrica. El sistema opera de tal modo que cuando sobre energa, es decir, la energa generada
a travs de los paneles supere a la demandada, almacenar la energa mediante los sistemas
de almacenamiento de que dispone y acorde a una estrategia de control que se describir ms
adelante. Esta energa almacenada en periodos de supervit, servir despus para abastecer a
la demanda de energa elctrica cuando nos encontremos que la generacin de energa
elctrica a travs de los paneles es inferior a la demandada.
Dado que el sistema pos dos medios para almacenar la energa: mediante el
almacenamiento qumico en bateras y mediante la transformacin en Hidrgeno. Nos
encontraremos que podemos dividir el funcionamiento del sistema en tres modos de
funcionamiento de acuerdo a los equipos que se encuentran operando.
Como se muestra en numerosos estudios (Dimitris Ipsakis, 2008) (Ulleberg, 1998), la
opcin ms recomendable es, en caso de exceso leve de energa, cargar inicialmente las
bateras, y cuando se encuentran cargadas entra en funcionamiento el electrolizador para
almacenar grandes cantidades de energa. Del mismo modo, cuando necesitamos energa de la
que tenemos almacenada usamos las bateras en primera instancia y a continuacin la pila de
combustible, cuando ya se ha llegado a un nivel de carga bajo de las bateras. Los niveles de
profundidad de descarga de la batera, dependen del objetivo de optimizacin de la estrategia
de control, es decir, si interesa por ejemplo evitar muchos arranques y paradas de los equipos
electrolizador y pila a costa de disminuir la vida de las bateras, o a la inversa.
As, los niveles del estado de carga de las bateras, definen los arranques y paradas de
los dems equipos, configurando lo que seran los distintos modos de funcionamiento de la
planta.
Los modos de funcionamiento basados en el estado de carga (SOC) de las bateras, se
establecen a travs de una conocida y consolidada estrategia de control de la literatura,
reconocida bajo el nombre de control por banda de histresis (Ulleberg, 1998). Cuyas regiones
de funcionamiento establecen los modos de operacin y seran las que se explican ms abajo:
5.1 MODO 1.
En este modo de funcionamiento se estudia la instalacin cuando slo se
encuentran almacenando o cediendo energa las bateras. El electrolizador y
pila de combustible no se encuentran funcionando. Para estudiar el sistema en
este modo de funcionamiento se parte como condicin inicial de simulacin de
un estado de carga de las bateras del 40%. En este nivel no se encienden, de
partida, ninguno de los equipos auxiliares (ni electrolizador, ni pila). Este modo
consiste en definitiva en suplir los defectos o excesos leves de energa ya que
solo intervienen las bateras.
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5.2 MODO 2.
Este modo de funcionamiento se caracteriza porque se encuentra funcionando
el electrolizador para almacenar la energa sobrante, la batera ha llegado a un
nivel de carga muy elevado y para almacenar la gran cantidad de energa que
sobra se utiliza el electrolizador. La pila de combustible se encuentra
desactivada, lgicamente. Por tanto bajo este modo el sistema trata de
almacenar un gran exceso de energa que se est produciendo.
5.3 MODO 3.
En este ltimo modo, nos encontramos en la situacin en que hay dficit de
energa elctrica y con el objetivo de abastecer la demanda, se hace necesario
poner en funcionamiento la pila de combustible, la cual haciendo uso del
hidrgeno previamente almacenado, lo transformar en energa elctrica que
cubrir el dficit que las bateras tampoco han podido paliar. A este modo se
llega cuando las bateras han llegado a un nivel bajo de carga. En definitiva, en
este modo, la planta satisface la demanda de manera indirecta, usando la pila
de combustible.
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8. ESTRATEGIA DE CONTROL
La estrategia de control para todas las topologas de instalacin de este trabajo, ser la
denominada en la literatura como estrategia de control por histresis. Dicha estrategia se
basa en controlar la planta a travs del estado de carga de las bateras, las cuales se emplean
como buffer intermedio que permite solventar los desajustes leves entre generacin de
electricidad y demanda de la misma.
La estrategia tiene como objetivo satisfacer la demanda de energa elctrica siempre
que sea posible, gestionando los excesos y defectos de energa mediante los sistemas de
almacenamiento de que disponga.
La gestin de dichos excesos y defectos se realiza de manera indirecta, en base al
estado de carga de las bateras.
El exceso o defecto de energa durante largos periodos de tiempo, se compensa
mediante el empleo del electrolizador y pila de combustible, cuyo sistema de control detecta
dichos defectos o excesos en base al estado de carga de las bateras.
La tcnica de introduccin de una banda de histresis en los lmites del estado de
carga de las bateras otorga gran flexibilidad de operacin en el electrolizador, pila de
combustible y las propias bateras. En este sentido, los componentes pueden ser protegidos de
altos e innecesarios factores de utilizacin y de la operacin a carga variable, reduciendo los
encendidos y apagados frecuentes, prolongando notablemente la vida de los equipos. (Dimitris
Ipsakis, 2008)
Podemos ver un esquema de esta estrategia en la siguiente figura:
Figura 22. Estrategia de control por banda de histresis. (Ulleberg, 2004)
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De tal modo que: El electrolizador se enciende cuando el estado de carga de las
bateras se encuentra en un nivel alto, lo que significa que est sobrando tanta energa, que las
bateras estn casi al mximo de su capacidad. Una vez encendido haremos funcionar el
electrolizador hasta que el estado de carga de las bateras baje hasta cierto punto inferior al
punto de encendido del electrolizador.
La pila de combustible se enciende a su vez, cuando el estado de carga de las bateras,
en adelante: SOC (state of charge), est a un nivel bajo y se apaga cuando alcanza cierto nivel,
superior al nivel en el que se encendi la pila.
8.1. JUSTIFICACIN DE LOS NIVELES DE S.O.C. FCUP, FCLOW; EZUP, EZLOW
En primer lugar, hay que evitar siempre establecer unos niveles de SOC mnimos o
mximos demasiado drsticos (Dimitris Ipsakis, 2008) para evitar un uso excesivo de las
bateras que desemboque en una degradacin de las mismas. La vida de las bateras est
directamente ligada a la profundidad de descarga que sufren, a mayor profundidad de
descarga, menor ser el nmero de ciclos de recarga que resista la batera antes de ser
sustituida.
Sin embargo, unos niveles de SOC bajos, reducen el tiempo de operacin del
electrolizador y la pila de combustible. Resultando adems en que se mantienen unas mayores
reservas de hidrgeno en los depsitos.
De ah, que exista un ptimo entre el coste de reemplazar muy a menudo las bateras y
el coste evitado de remplazar la pila de combustible o el electrolizador. Es decir, se hace
necesario un estudio particularizado para la instalacin, para hallar los niveles de SOC ptimos.
Generalmente se usa una banda de histresis con los niveles de SOC optimizados
mediante tcnicas de anlisis de costes basados en variables del sistema. Las estrategias de
control ms avanzadas contienen una optimizacin de dichas bandas de histresis en lnea, a
medida que las variables de costes van cambiando.
Para tener una primera idea de los niveles de SOC, podemos citar algunos ejemplos
sobre plantas con mucha madurez, como los de una planta de este tipo en Finlandia, la cual
opera desde 1992, y ha establecido el encendido del electrolizador cuando las bateras
alcanzan el 92% y el paro del mismo, cuando baja el SOC del 85 %. Estos niveles se han
obtenido corroborados experimentalmente en la planta bajo test en los que se busca optimizar
la produccin de hidrgeno.
Otro de los investigadores ms reconocidos, el noruego Ullegerg, ha llevado a cabo
estudios similares para encontrar estos niveles de SOC adecuados. Sus pruebas se realizaron
sobre la planta PHOEBUS en Alemania. Y sus conclusiones fueron que:
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Un anlisis de la estrategia de control bsica de la pila de combustible muestra que la
eficiencia global del sistema puede depender de manera significativa de los umbrales de SOC
FCUP Y FCLOW. De hecho, los valores ptimos dependen esencialmente de tres importantes
cuestiones:
1. El nivel aceptable ms bajo de SOC para la batera. Bateras como las tpicas de plomo
cido pueden alcanzar entre un 30 y un 40 % de profundidad de descarga.
Mientras la estrategia de control mantenga a las bateras menos tiempo por debajo de
estos valores, ms favorable ser para las mismas.
2. El nmero de veces de encendido-apagado de la pila de combustible, est
directamente relacionado con la media de tiempo de funcionamiento y viceversa. Es decir, una
vez que la pila de combustible se ha encendido, debera permanecer as durante un
determinado periodo de horas tal que las prdidas durante el encendido y apagado se
minimicen.
El tiempo necesario para encender la pila de combustible hasta operacin normal es
de una hora aproximadamente, hasta que se encuentra en condiciones nominales. Mientras