Desarrollo de un modelo de integración solar fotovoltaico con almacenamiento de hidrógeno en instalaciones aisladas

Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva TRABAJO FIN DE GRADO EN INGENIERÍA DE DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DEL PRODUCTO E INGENIERÍA MECÁNICA DESARROLLO DE UN MODELO DE INTEGRACIÓN SOLAR FOTOVOLTAICO CON ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO EN INSTALACIONES AISLADAS D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 2 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 3 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva AGRADECIMIENTOS Trasmitir mi agradecimiento a todas las personas que me han acompañado durante esta etapa contribuyendo a mi desarrollo profesional y personal. En primer lugar, agradecer el apoyo y la colaboración en este Trabajo de Fin de Grado a mi tutor D. José Antonio Becerra Villanueva, cuya ayuda ha sido fundamental en su óptimo desarrollo y organización. En segundo lugar, agradecer el apoyo incondicional de mi familia, sobre todo a mis padres, que me han animado a seguir siempre adelante y a mis amigos, que me han hecho disfrutar de esta experiencia compartiendo conocimientos y brindado su ayuda para poder alcanzar los objetivos marcados a largo de toda mi carrera. También agradecer a todos los profesores y profesoras, que han contribuido a mi formación, su implicación y dedicación, que ha sido fundamental para motivar al alumnado y fomentar la curiosidad sobre las diversas materias. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 4 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva TÍTULO “Desarrollo de un modelo de integración solar fotovoltaico con almacenamiento de hidrógeno en instalaciones aisladas”. ORGANISMO AL QUE SE DIRIGE EL PROYECTO Escuela Politécnica Superior - Universidad de Sevilla. TUTOR ACADÉMICO José Antonio Becerra Villanueva. EMPLAZAMIENTO GEOGRÁFICO DEL PROYECTO Se ha realizado el estudio de la instalación solar aislada tomando como base una vivienda unifamiliar ubicada en Morón de la Frontera (Sevilla). AUTOR Beatriz Retamosa Ruiz, Doble Grado en Ingeniería de Diseño Industrial y Desarrollo del Producto e Ingeniería Mecánica. RESUMEN Modelado del sistema híbrido de una instalación fotovoltaica con almacenamiento de energía a base de hidrógeno, considerando datos meteorológicos y variables eléctricas para evaluar los sistemas en términos de carga, niveles de capacidad de almacenamiento y costos de dos procesos electroquímicos diferenciados, electrólisis de agua y electrólisis de reformado de etanol. Análisis de costos para evaluar la viabilidad de ambos sistemas, dimensionados para producir la misma cantidad de hidrógeno almacenado acumulado (SOC), operando en el punto de máxima potencia (MPP). El sistema híbrido con electrólisis de reformado de etanol tiene un mayor costo de inversión inicial y mayores costos anuales, debido a los requisitos de una mayor superficie de electrodo, así como al consumo de etanol. Sin embargo, el proceso convencional requiere un tamaño mucho mayor de la instalación fotovoltaica como consecuencia de sus tensiones más elevadas. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 5 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva Análisis de sensibilidad en un intento de optimizar la configuración en el acoplamiento PV-EL, el tamaño, la eficiencia y los costos de los componentes del sistema. Se puede concluir que el criterio de optimización más importante es la reducción del tamaño del electrolizador, debido al costo de los componentes y al voltaje característico del electrolizador. Los sistemas híbridos PV-H2 pueden desempeñar un papel eficaz en la implementación de una fuente de alimentación distribuida autónoma en aplicaciones que requieren almacenamiento a largo plazo con dispositivos compactos. PALABRAS CLAVES Sistema híbrido, electrólisis, hidrógeno, agua, conformado de etanol, energía renovable, tecnología fotovoltaica, módulos fotovoltaicos, electrolizador, pila de combustible, acoplamiento PV-EL. ABSTRACT Hybrid system modeling of a photovoltaic installation with energy storage based on hydrogen, considering meteorological data and electrical variables to evaluate the systems in terms of load, storage capacity levels and costs from two differentiated electrochemical processes, water electrolysis and ethanol reforming electrolysis. Cost analysis to evaluate the viability of both systems, sized to produce the same amount of accumulated stored hydrogen (SOC), operating at the point of maximum power (MPP). The hybrid system with ethanol forming electrolysis has a higher initial investment cost and higher annual costs, due to the requirements for a larger electrode surface, as well as consumption of ethanol. However, the conventional process requires a much larger size of the photovoltaic installation as a consequence of its higher voltages. Sensitivity analysis in an attempt to optimize the configuration in the PV-EL coupling, the size, efficiency and costs of the system components. It can be concluded that the most important criterion for optimization is the reduction of D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 6 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva electrolyzer sizes, due to the cost of the components and the characteristic voltage of the electrolyzer. Hybrid PV-H2 systems can play an effective role in implementing an autonomous distributed power supply in applications requiring long-term storage with compact devices. KEY WORDS Hybrid system, electrolysis, hydrogen, water, ethanol reforming, renewable energy, photovoltaic technolgy, photovoltaic modules, electrolyzer, fuel cell, PVEL coupling. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 7 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva ÍNDICE 1 CONTEXTO Y OBJETIVOS ................................... 19 1.1 Introducción ..................................................................................... 19 1.2 Objetivo y alcance ............................................................................ 21 2 TECNOLOGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA Y ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA. ESTADO DEL ARTE. 23 2.1 Introducción. Pandemia y panorama energético global. .................. 23 2.2 Evolución de la tecnología solar fotovoltaica ................................... 33 2.3 Instalaciones de energía solar fotovoltaica ...................................... 38 2.4 Clasificación de instalaciones fotovoltaicas ..................................... 41 2.4.1 Instalaciones Fotovoltaicas Aisladas ......................................... 41 2.4.2 Instalaciones conectadas a la red eléctrica ............................... 42 2.5 Tecnologías para almacenamiento de energía ................................ 45 2.5.1 Bombeo Hidroeléctrico .............................................................. 47 2.5.2 Aire Comprimido ........................................................................ 48 2.5.3 Almacenamiento Térmico .......................................................... 49 2.5.4 Almacenamiento termoquímico ................................................. 50 2.5.5 Supercondensador .................................................................... 51 2.5.6 Baterías ..................................................................................... 52 2.5.7 Pilas de combustible de hidrógeno ............................................ 53 2.6 Estado del arte del hidrógeno como recurso energético .................. 57 D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 8 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva 3 COMPONENTES DE UNA INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA HÍBRIDA CON PILA DE COMBUSTIBLE 65 3.1 Esquema representativo modelo híbrido.......................................... 65 3.2 Módulos fotovoltaicos ...................................................................... 67 3.2.1 Módulos fotovoltaicos. Principio de funcionamiento .................. 67 3.2.2 Parámetros eléctricos y curvas características ......................... 70 3.2.3 Justificación del tipo de equipo utilizado .................................... 72 3.3 Inversores de corriente y reguladores de carga ............................... 77 3.4 Electrolizadores ............................................................................... 81 3.4.1 Electrolizadores alcalinos .......................................................... 83 3.4.2 Electrolizadores de membrana de intercambio de protones (PEM) 86 3.4.3 Electrolizadores de óxido sólido (SOEC) ................................... 89 3.4.4 Estado de evolución electrolizadores ........................................ 91 3.5 Almacenamiento de hidrógeno ........................................................ 92 3.5.1 Cavernas de sal ........................................................................ 96 3.5.2 Acuíferos ................................................................................... 97 3.5.3 Tanques de almacenamiento .................................................... 97 3.5.4 Hidruros metálicos ..................................................................... 98 3.5.5 Materiales basados en carbono ................................................ 99 3.6 Pilas de combustible ...................................................................... 100 3.6.1 Pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) 103 3.6.2 Pilas de combustible de metanol directo (DMFC) ................... 106 3.6.3 Pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) ......................... 108 D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 9 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva 3.6.4 Pilas de combustible alcalinas (AFC) ...................................... 111 3.6.5 Pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC) ............... 113 3.6.6 Pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC) ...................... 116 3.6.7 Estado actual del grado de implantación de la tecnología de la pila de combustible ........................................................................................ 119 4 CÁLCULO Y MODELADO DEL SISTEMA HÍBRIDO DE UNA INSTALACIÓN AISLADA FV CON PEM ....... 121 4.1 Propósito de estudio ...................................................................... 121 4.2 Antecedentes y configuración del sistema ..................................... 122 4.3 radiación solar y caracterización de los módulos fotovoltaicos ...... 124 4.3.1 Nomenclatura .......................................................................... 124 4.3.2 Energía primaria ...................................................................... 125 4.3.3 Caracterización módulos fotovoltaicos .................................... 129 4.4 Investigación y caracterización del proceso de electrólisis ............ 138 4.4.1 Electrólisis de Agua ................................................................. 139 4.4.2 Electrólisis de Etanol ............................................................... 140 4.5 Estimación de la demanda eléctrica en la vivienda. ....................... 142 4.5.1 Consumo de electricidad diario en función de las cargas eléctricas 142 4.5.2 Demanda anual de la vivienda ................................................ 144 4.6 Modelado del sistema híbrido ........................................................ 146 4.6.1 Selección del área y número de células del electrolizador ...... 146 4.6.2 Modelo de sistema híbrido ...................................................... 149 4.6.3 Escenarios para la obtención de resultados ............................ 152 5 ANÁLISIS DE RESULTADOS. ESTUDIOS DE VIABILIDAD ECONÓMICA ....................................... 155 D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 16 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 17 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1.- Características químicas y técnicas electrolizadores ................................................................... 82 Tabla 2.- Características y desempeño electrolizador alcalino................................................................... 86 Tabla 3.- Características y desempeño electrolizador PEM........................................................................ 88 Tabla 4.- Características y desempeño electrolizador SOEC ...................................................................... 90 Tabla 5.- Contenido energético de diferentes combustibles. .................................................................... 93 Tabla 6.- Tipos de almacenamiento de hidrógeno. .................................................................................... 95 Tabla 7.- Características químicas y técnicas FC y sus campos de aplicación ........................................... 103 Tabla 8.- Características y desempeño PEMFC ......................................................................................... 104 Tabla 9.- Características y desempeño DMFC .......................................................................................... 107 Tabla 10.- Características y desempeño SOFC .......................................................................................... 110 Tabla 11.- Características y desempeño AFC ............................................................................................ 112 Tabla 12.- Características y desempeño MCFC ......................................................................................... 115 Tabla 13.- Características y desempeño PAFC .......................................................................................... 117 Tabla 14.- Relación para el modelado fotovoltaico .................................................................................. 130 Tabla 15.- Cargas eléctricas de la vivienda ............................................................................................... 142 Tabla 16.- Distribución de cargas eléctricas de la vivienda para un día ................................................... 143 Tabla 17.- Resumen consumo mensual vivienda unifamiliar - Sevilla ...................................................... 145 Tabla 18.- Hoja de cálculo para determinar las condiciones de la electrólisis de agua............................ 147 Tabla 19.- Hoja de cálculo para determinar las condiciones de la electrólisis de conformado de etanol 147 Tabla 20.- Resultados de la simulación para acoplar el electrolizador de agua ....................................... 159 Tabla 21.- Resultados de la simulación para acoplar el electrolizador de agua ....................................... 164 Tabla 22.- Resultados de la simulación para acoplar el electrolizador de conformado de etanol ........... 166 Tabla 23.- Resultados de la simulación para acoplar el electrolizador de conformado de etanol ........... 170 Tabla 24.- Análisis de costes del sistema híbrido con electrólisis (a) convencional y (b) de conformado de etanol ....................................................................................................................................................... 192 Tabla 25.- Hoja de cálculo para calcular los perfiles diarios del sistema híbrido, Artículo ....................... 204 Tabla 26.- Resumen workspace de Matlab para el cálculo de perfiles diarios del sistema, Modelo híbrido .................................................................................................................................................................. 205 Tabla 27.- Veracidad de los modelos de simulación de estudio implementados .................................... 206 Tabla 28.- Datos recogidos de las simulaciones de los sistemas híbridos, EL agua y EL EtOH. ................ 207 Tabla 29.- Resumen análisis de viabilidad para electrólisis convencional ................................................ 212 Tabla 30.- Resumen análisis de viabilidad para electrólisis de conformado de etanol ............................ 215 D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 18 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 19 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva 1 CONTEXTO Y OBJETIVOS 1.1 Introducción Durante el siglo XX, el paradigma energético dominante estaba enfocado en cubrir el exponencial incremento en la demanda de energía mediante la producción de grandes cantidades de energía de calidad, relegando a un papel secundario las posibles consecuencias sobre el planeta, en muchos casos desconocidas aún. Ese modelo de producción de energía a partir fundamentalmente de fuentes de energía no renovables derivó en un incremento igualmente exponencial de las emisiones de gases de efecto invernadero. Entre ellos dos tercios del total de las emisiones de CO2 se deben a la quema de combustibles fósiles, según la Agencia Europea de Medio Ambiente, que suponen una grave amenaza para la salud del planeta y de toda la humanidad. El CO2 es el mayor contribuyente al cambio climático y las sociedades contemporáneas son conscientes del momento clave en el que nos encontramos. Para frenar el calentamiento del planeta deben tomarse acciones urgentes que permitan reducir estas emisiones de manera drástica, por ello los esfuerzos para luchar contra el cambio climático tienen en su centro al sector energético, y ello implica la sustitución de combustibles fósiles por energías renovables (energías descarbonizadas) y la formulación de políticas medioambientales dentro del sector. La transición de energías contaminantes a un sistema sostenible es un proceso lento y gradual que comenzó hace años y aún tiene mucho camino que recorrer. Las nuevas políticas ambientales impulsadas desde los países más avanzados reflejan la preocupación y compromiso de los organismos por desarrollar un sistema energético más sostenible y menos intensivo en carbono e ir evolucionando hasta alcanzar un sistema en el que toda la energía utilizada sea 100% renovable, aunque reconociendo que el mayor esfuerzo debe venir de los países más avanzados económicamente, principales culpables de la situación actual, sin coartar el derecho de otros países menos avanzados a mejorar sus economías. Son muchos los cambios que se esperan en los años venideros y afectarán decisivamente a la configuración energética futura de muchos países. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 20 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva El hidrógeno presenta aparentemente un gran potencial para la reducción de emisiones ya que es un vector de energía versátil que puede producirse a partir de una gran cantidad de recursos energéticos, no produce emisiones directas de contaminantes y ofrece formas de descarbonizar diversos sectores a la vez que mejora la calidad del aire y la seguridad energética. A esto hay que unir la fenomenal apuesta política por la investigación asociada al hidrógeno realizada por la Unión Europea. Entre las diferentes aplicaciones del hidrógeno, el interés por el hidrógeno electrolítico está creciendo notablemente, en parte debido a la reducción de costos de la generación fotovoltaica y eólica, y se considera una opción prometedora como sistema de almacenamiento de energía que permitiría adaptar las variabilidad de la generación renovable y del consumo eléctrico asegurando los requerimientos energéticos de los consumidores y conformando un sistema sostenible con un menor impacto medioambiental. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 21 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva 1.2 Objetivo y alcance En este proyecto se establece como objetivo el desarrollo de un modelo que permita caracterizar el funcionamiento de un sistema acoplado de placas fotovoltaicas y electrolizadores, que en combinación con un depósito de H2 y una pila de combustible permita de manera fiable predecir las prestaciones de este tipo de sistemas en edificaciones residenciales aisladas. El modelo se evaluará con datos meteorológicos de un año en Sevilla. El modelo utilizará las características eléctricas de los componentes seleccionados para el estudio y mediante balances energéticos calculará la eficiencia del sistema, en términos de niveles de energía almacenada y requerimientos de carga. El modelado del sistema se ha realizado haciendo uso del software “Matlab” y su módulo gráfico “Simulink” añadiendo a la instalación fotovoltaica un electrolizador, un sistema de almacenamiento de H2 y una pila de combustible y tomando los datos de un año meteorológico tipo de la zona donde queda situada la vivienda (Sevilla, España) y la demanda media de carga anual de la vivienda de estudio. Cabe señalar que el objeto del proyecto es analizar el acoplamiento directo de PV y EL de los sistemas híbridos, por tanto, no se entrará en detalles de toda la topología eléctrica del sistema, por ello se han investigado los subsistemas electrolíticos de agua convencional y reformado electroquímico de etanol, en busca del mejor compromiso entre tensión mínima y tamaño de los electrolizadores. Un último objetivo será el análisis de la viabilidad económica de la implementación de sistemas híbridos PV-H2. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 22 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 23 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva 2 TECNOLOGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA Y ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA. ESTADO DEL ARTE. 2.1 Introducción. Pandemia y panorama energético global. El uso y explotación de las diversas fuentes de energía disponibles en la tierra ha permitido el desarrollo de las sociedades modernas, pero como contrapartida es responsable de la emisión de gran cantidad de contaminantes perjudiciales para el planeta, que entre otros efectos provoca un deterioro de la calidad del aire que respiramos. El panorama energético se ha visto afectado en los últimos tiempos debido a la crisis provocada por la pandemia global de Covid-19. Como resultado de la crisis las emisiones globales de CO2 han disminuido un 8%, casi 2,6 millones de toneladas [1], sin duda una caída sin precedentes tal y como puede observarse en los registros históricos, Ilustración 1. Este descenso de las cantidades producidas de dióxido de carbono es seis veces mayor al descenso récord de 0,4 millones de toneladas provocado en 2009 por la crisis financiera mundial y casi duplica la suma de todas las reducciones anteriores desde el final de la Segunda Guerra Mundial. Ilustración 1.- IEA, Emisiones globales de CO2 relacionadas con la energía, 1900-2020, IEA, París D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 24 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva Las estadísticas muestran que el repunte de las emisiones tras la disminución de estas puede llegar a ser superior [1], por ello es necesario que la inversión para reactivar la economía esté basada en el compromiso por alcanzar un desarrollo sostenible. Actualmente la lucha contra el cambio climático está a la orden del día y es un asunto primordial para tener en cuenta a la hora de establecer políticas energéticas. La UE y todos sus Estados miembros firmaron el Acuerdo de París, Noviembre de 2016, y están firmemente comprometidos con su aplicación. El 17 de Diciembre de 2020, el Consejo presentó a la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (CMNUCC) la comunicación sobre la contribución de la UE y sus Estados miembros a nivel nacional (CDN) donde se recoge el objetivo de reducción de las emisiones de efecto invernadero al menos un 55% respecto a los niveles de 1990 de aquí a 2030. Ilustración 2.- IEA, Demanda global total de energía primaria por combustible, 2019, IEA, París D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 25 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva Ilustración 3.- IEA, Cambio en la demanda de energía primaria por combustible en 2020 en relación a 2019, IEA, París Como se puede observar en la Ilustración 2 la demanda de energía primaria por combustible está sufriendo un importante descenso, esto está directamente relacionado con las restricciones impuestas en la lucha contra la pandemia [1]. El confinamiento ha supuesto la reducción promedio de aproximadamente un 25% en la demanda de energía para bloqueos totales y en torno al 18% en bloqueos parciales. Como consecuencia todos los combustibles se verán en mayor o menor medida afectados [1], siendo la demanda de petróleo la que muestra una caída más acentuada en el primer trimestre de 2020, esta situación deriva de las restricciones de movimiento ya que aproximadamente el 60% de este recurso es destinado al transporte y las proyecciones de este recurso no son nada favorables para el año 2021. A su vez, el carbón como recurso energético tiene una proyección de descenso en la demanda de un 7,7% en comparación con los datos recopilados en el año 2019, Ilustración 3, esta gran caída en la demanda se debe en gran parte a las repercusiones de la crisis económica en China, puesto que su economía se basa en el carbón, junto con el crecimiento continuo de las energías D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 32 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva En el escenario de Desarrollo Sostenible (SDS) presentado por la IEA [5], que asume que los estados implantarán políticas e incentivos a inversiones de energía limpia para alcanzar energía sostenible, se proyectan unos valores de energía generada para 2025 y 2030 que suponen un crecimiento anual promedio de esta tecnología en un 15% entre el 2019 y 2030, es decir pasar de 720 TWh en 2019 a casi 3300 TWh en 2030 tal y como se observa en la Ilustración 8. Los valores actuales de energía generada por tecnologías fotovoltaicas están en el buen camino para alcanzar los valores previstos, pero se requiere una continuación del desarrollo de la tecnología y un aumento de la competitividad para lograr los datos previstos por la IEA. Ilustración 8.- IEA, Generación de energía solar fotovoltaica en el escenario de desarrollo sostenible, 2000-2030, IEA, París D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 33 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva 2.2 Evolución de la tecnología solar fotovoltaica La apuesta por las energías renovables con la finalidad de reducir el uso de combustibles fósiles, especialmente contaminantes, tiene una tendencia creciente motivada por diversos factores como la reducción de sus costes, su rápido progreso tecnológico, la expansión del mercado de autoconsumo en determinados países, la concienciación en temas ecológicos y de sostenibilidad de las sociedades contemporáneas. La energía solar fotovoltaica presenta uno de las mayores ratios de crecimiento anual dentro de las tecnologías de generación de energía de fuentes renovables. Una revisión de las publicaciones científicas de los últimos años permite detectar la efervescencia de este tema en la comunidad científica. Las dos vías más significativas de desarrollo de la tecnología [6] detectadas en la literatura son el uso de nuevos materiales (perovskita, etc.) y el incremento de la eficiencia de paneles de materiales ya comerciales silicio monocristalino y policristalino y lámina delgada. Por otro lado, los fabricantes de paneles tienen abiertos continuos proyectos de investigación que buscan como objetivo la reducción de los costes de fabricación. Los módulos fotovoltaicos están compuestos de elementos de menor dimensión denominados células o celdas fotovoltaicas, y el principio de funcionamiento de la energía fotovoltaica es el denominado efecto fotoeléctrico que consiste en la conversión de la energía lumínica, es decir los rayos de sol que inciden sobre el módulo, en energía eléctrica al interactuar con un material conductor o semiconductor. Las células fotovoltaicas pueden fabricarse con diversos materiales y como consecuencia las células tendrán características particulares que afectarán a las prestaciones de los módulos en términos de rendimiento y temperatura máxima de trabajo. En la Ilustración 9 se representa un gráfico publicado por el NREL (National Renewable Energy Laboratory, EE. UU.) donde se representa el desarrollo cronológico de las diferentes tecnologías de células fotovoltaicas desde su presentación científica hasta el año 2021 [6], donde algunas de ellas ya se encontraban en una fase de madurez y disponibles en el mercado. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 34 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva Ilustración 9.- NREL, Mejores investigaciones de la eficiencia de las células fotovoltaicas, 2019 Los dispositivos incluidos en este cuadro del estado actual de la técnica tienen eficiencias que son confirmadas por laboratorios de pruebas independientes y reconocidos, por ejemplo, NREL, AIST, JRC-ESTI y Fraunhofer-ISE, y se informan de manera estandarizada. En el gráfico de la Ilustración 9 se clasifican los resultados de eficiencia de las células mediante una clasificación de familias de semiconductores: células multifunción, de arseniuro de galio de unión simple, de silicio cristalino, tecnologías de película delgada y tecnologías emergentes. Y existe una subdivisión de las diferentes familias que se diferencian a partir de símbolos y colores. Para mostrar la tecnología reciente que aporta mayor eficiencia a los módulos dentro de cada familia se destaca en una etiqueta en el borde derecho de la gráfica, donde aparece el porcentaje de eficiencia y el color de la familia y el símbolo de la tecnología. El récord mundial más reciente para cada tecnología se destaca a lo largo del borde derecho en una bandera que contiene la eficiencia y el símbolo de la tecnología. La empresa o grupo que fabricó el dispositivo para cada registro más reciente aparece en negrita en el gráfico. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 35 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva El Silicio es sin duda el material más utilizado para la fabricación de células fotovoltaicas debido a sus valores de eficiencia y la abundancia del material en la corteza terrestre. Actualmente se están llevando a cabo investigaciones con otros materiales fotosensibles, entre los que se destacan el Cobre, el dióxido de Titanio y la perovskita[7]. Entre estos materiales con potencial existen ciertas limitaciones como por ejemplo en el Cu se requieren temperaturas muy elevadas para la obtención de una buena eficiencia, mientras que el dióxido de Titanio y la perovskita pueden ser moldeadas a bajas temperaturas, lo que facilita su manipulación. Por otra parte, tienen conductividades muy dispares, mientras que el dióxido de Titanio tiene conductividad eléctrica reducida la perovskita tiene un nivel alto y el Cu aún más elevado, esto significa que la eficiencia de las celdas fotovoltaicas de cobre se ve positivamente influenciada por este fenómeno, por ello parecería ser el material con futuro más prometedor, sin embargo, se tienen que considerar múltiples factores como puede ser la facilidad de implementación a nivel industrial. En el gráfico de la Ilustración 10 se observa qué porcentaje de la producción anual global de electricidad se genera utilizando diferentes tecnologías PV existentes[7] y cómo esta tendencia ha variado durante los años hasta llegar a la situación actual donde la tecnología más utilizada en las células fotovoltaicas es el Silicio monocristalino. Para el año 2019 un 65% de la generación de electricidad a partir de paneles fotovoltaicos se realizó utilizando este material, el 30% deriva del silicio policristalino y el restante se ha producido mediante materiales Thin Film. Ilustración 10.- PSE Projects GmbH, Porcentaje de la producción anual global, 2020 D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 36 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva El Silicio monocristalino presenta una estructura completamente ordenada, dicho comportamiento uniforme lo convierte en un buen conductor y por tanto los paneles que usan esta tecnología son más eficientes, permitiendo que se alcancen mayores valores de potencia con la misma superficie ocupada. Además, a nivel operativo la vida útil de los paneles es mayor que la de aquellos que usan Silicio multicristalino. En contrapartida, el proceso de calentamiento es más lento, al igual que su fabricación, que además implica alto coste energético. Las placas de silicio multicristalino tienen una fabricación más rápida y económica, y un proceso de calentamiento más rápido, sin embargo, los enlaces irregulares de las fronteras cristalinas disminuyen el rendimiento de la célula, minorando la eficiencia de estas placas frente a las monocristalinas. En la Ilustración 11 se observa la variación de la tendencia anual en la producción de electricidad a partir del sol mediante diferentes tecnologías existentes[8], pudiendo comprobar que el Silicio es sin duda el material más utilizado para este tipo de aplicaciones debido a los valores de eficiencia que se alcanzan y al alto contenido de este material en la corteza terrestre. Gracias a la base de datos de IRENA (International Renewable Energy Agency) y al seguimiento del progreso para acelerar la implantación de la solar fotovoltaica con el fin de cumplir los objetivos climáticos de París las previsiones[8], podemos observar en la Ilustración 11 la situación actual y futura de la energía solar fotovoltaica (FV). D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 37 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva Ilustración 11.- IRENA, El futuro de la energía solar fotovoltaica, 2019 D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 38 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva 2.3 Instalaciones de energía solar fotovoltaica Las instalaciones fotovoltaicas pueden utilizarse en generación de electricidad a gran escala o en escalas más pequeñas en busca de un modelo de generación distribuida donde se tiende a la generación en instalaciones de baja potencia, pero cercanas al punto de consumo, reduciendo de esta forma los costes de distribución. Una de las fortalezas de esta fuente de energía es la capacidad para brindar acceso a la electricidad a aquellas personas que no viven cerca de líneas de transmisión de electricidad de manera limpia, mediante la alimentación de electricidad a mini redes o mediante instalaciones totalmente independientes de la red eléctrica, es decir, instalaciones aisladas, donde se utiliza la totalidad de la energía lumínica junto con dispositivos de almacenamiento de energía para abastecer los requerimientos de carga, las instalaciones de aisladas se implementan particularmente en aquellos países con excelentes recursos de energía solar. Otra posible fuente de alimentación para viviendas aisladas sería el uso de un grupo electrógeno, sin embargo, se precisa utilizar combustible contaminante para la obtención de la energía. La fuente de energía solar encuentra su oportunidad en el descenso que actualmente está sucediendo en los costos de las tecnologías de módulos fotovoltaicos, gracias a la reducción de costos la aplicación de energía solar fotovoltaica permite generar electricidad de la forma más económica. A este hecho se añade que los módulos de Silicio tienen un ritmo de degradación muy bajo superando hasta los 30 años de vida útil. En la Ilustración 12 se ha representado el coste nivelado de la electricidad (LCOE) medio de las plantas construidas en España entre los años 2010 y 2019 [9], es decir, el coste medio estimado de la energía producida en estas instalaciones. Como se observa en la gráfica, el descenso es muy acentuado en los primeros años y tiende a estabilizarse en los últimos. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 39 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva Ilustración 12.- LCOE medio ponderado de proyectos fotovoltaicos solares en España, 2010-2019 Con el uso de la energía solar se promueve la transformación energética basada en el uso de energía limpia y sostenible y la lucha contra las emisiones que están causando un grave daño ambiental en nuestro planeta, es decir es una oportunidad para cumplir los objetivos climáticos internacionales y al mismo tiempo impulsar el crecimiento económico. Esta fuente de energía junto con otras fuentes renovables como son la energía eólica o la energía mareomotriz, juegan un papel importante en la reducción del uso de energía de combustibles fósiles y emisiones contaminantes[10], como son el carbón, el petróleo o el gas natural. Una de las debilidades de esta fuente de energía es su impacto medioambiental cuando se trata de instalaciones de gran potencia que requieren de amplias extensiones de terreno. Por otro lado, la dependencia con las condiciones meteorológicas y su variabilidad es una de las mayores amenazas de la tecnología de generación a partir de recurso solar o eólico. El desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía a gran escala y de alta eficiencia que permitan un diferimiento temporal significativo entre la carga y la descarga de energía aparece como un elemento clave para este tipo de instalaciones. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 40 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva La producción de electricidad en los paneles fotovoltaicos que componen este tipo de plantas está estrechamente ligada a la radiación del sol, pero también a la temperatura de operación de las células. Para obtener la producción máxima de electricidad las células deben estar a una temperatura de operación de 25ºC, por lo que al fluctuar la temperatura continuamente aparece una pérdida de potencia que se estima en un 0,5% por cada grado de diferencia. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 41 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva 2.4 Clasificación de instalaciones fotovoltaicas Las instalaciones fotovoltaicas se pueden clasificar en dos grupos generales [11], por un lado, tenemos las instalaciones aisladas, orientadas fundamentalmente al autoconsumo en zonas aisladas o alejadas de las redes de distribución eléctrica, y las instalaciones conectadas a la red, orientadas a la venta y/o autoconsumo de energía eléctrica. El autoconsumo consiste en usar la energía que genera la instalación fotovoltaica para consumo propio. Esta es por ello una alternativa respetuosa con el medio ambiente que contribuye a reducir las emisiones de gases perjudiciales para el planeta. El uso de energía fotovoltaica incide positivamente en la independencia energética de aquellos países energéticamente dependientes. Por otro lado, los avances en la tecnología de placas fotovoltaicas han permitido alcanzar mejoras muy significativas en los últimos años respecto a la eficiencia y rentabilidad de estas instalaciones. En concreto el coste de los módulos fotovoltaicos ha descendido más del 70% respecto a la década pasada [9]. A través de una instalación de energía renovable, el consumidor genera y consume su propia energía eléctrica al mismo tiempo que contribuye a reducir el consumo de fuentes de energía no renovables, la emisión de gases nocivos para el planeta, así como mejorar la calidad del aire en el entorno. El autoconsumo brinda una amplia independencia energética y contribuye al desarrollo tecnológico y a la innovación. Incluso cuando la producción no permite la desconexión de las redes convencionales, llevará asociada una reducción de los precios finales de la energía, que permitirá amortizar la inversión en la instalación directamente mediante ahorros en la factura de suministro eléctrico. 2.4.1 Instalaciones Fotovoltaicas Aisladas Las instalaciones aisladas son instalaciones de autoconsumo donde la energía eléctrica disponible proviene únicamente de los módulos fotovoltaicos, es decir, es una instalación aislada de la red eléctrica[11]. Este tipo de instalaciones requieren de baterías o acumuladores para almacenar los excedentes de energía producidos durante las horas de sol que garantice el D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 48 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva Una vez concluido el ciclo el agua queda almacenada en el embalse inferior, el agua será impulsada nuevamente hacía el embalse superior en aquellas horas de bajo consumo de electricidad aprovechando el bajo coste en el mercado. Es el tipo de almacenamiento de energía más económico y usado en el mundo debido a su simplicidad junto con su alta eficiencia. La tecnología es rentable y proporciona estabilidad al sistema eléctrico además de generar cantidades significativas de energía limpia con cortos tiempos de respuesta, además se combina fácilmente con sistemas eólicos. Hay más de 170 GW de capacidad de almacenamiento por bombeo en todo el mundo, Europa es la segunda zona con mayor capacidad almacenando hasta 57 GW, que representan aproximadamente el 33% del mercado[15]. Las oportunidades se centran, principalmente, en regiones montañosas de Suiza, Austria, Alemania, España y Portugal. La Energía Internacional de la energía (IEA) espera alcanzar un mínimo de 91 GW de capacidad en Europa en el año 2050 mientras que la estimación más alta sería de 188 GW, esto refleja un crecimiento medio de 1,2 a 3,6 GW/año. Ilustración 14.- Principio de carga de PHS, EASE 2.5.2 Aire Comprimido Este sistema de almacenamiento mecánico consiste en el almacenamiento de aire a altas presiones bajo tierra [16] en antiguas minas, pozos petrolíferos, etc, o en cubículos subterráneos construidos para tal fin, tal como se muestra en la Ilustración 15. Es una tecnología que permite almacenar energía a una escala de hasta 1000 MW por periodos de tiempo anuales sin pérdidas considerables. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 49 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva Este método cuenta con un motor reversible que aprovecha las horas de bajo costo de la energía (horas de poca demanda) para comprimir aire en grandes cavidades subterráneas y de este modo tener energía disponible para usarla en horas pico de demanda. El aire que se extrae se calienta usando gas natural en cámaras de combustión para accionar un generador. La capacidad de almacenamiento de este sistema es comparable al bombeo hidráulico. El auge de las energías renovables probablemente desencadene la necesidad de almacenamiento de energía a gran escala, así como generación descentralizada a pequeña escala. Esta tecnología junto con las bombas hidráulicas son las únicas que pueden ofrecer disponibilidad de energía a escala comercial en Europa. Hoy en día se está investigando una alternativa de CAES que no precisa del uso de gas natural para recalentar el aire, esta tecnología se denomina “CAES adiabáticos” y se encuentra en fase de desarrollo. La tecnología se basa en almacenar el exceso de calor generado al comprimir el aire en el subsuelo y usarlo en la expansión del aire. 2.5.3 Almacenamiento Térmico Esta tecnología de almacenamiento de energía térmica consiste en acumular la energía en aquellos materiales que permitan retenerla y liberarla de manera controlada a través de métodos que consisten en variaciones de temperaturas. Ilustración 15.- Principio de carga del sistema D-CAES (Compressed Air Energy Storage), EASE D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 50 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva Por un lado, tenemos el almacenamiento de calor sensible donde se aprovecha la energía que el material libera al disminuir su temperatura [17]. Las propiedades que condicionan este tipo de almacenamiento son entre otras la temperatura, el calor específico, la conductividad térmica y la presión de vapor. Esta tecnología de almacenamiento se aplica a centrales térmicas con turbinas de vapor o en instalaciones de climatización, siendo este último donde más extendida está su aplicación. Por otro lado, encontramos el almacenamiento de calor latente [18] que se basa en la energía que se almacena en los cambios de fase de sólido a líquido o de líquido a gas. La densidad de energía almacenada con este método es mayor que la almacenada con el calor latente. 2.5.4 Almacenamiento termoquímico Estos sistemas de almacenamiento emplean la energía térmica para disociar los compuestos en productos reactivos capaces de almacenar calor de manera independiente. Una posterior recombinación de ambos reactantes genera una reacción exotérmica liberando el calor almacenado. Estas reacciones pueden darse entre gas-sólido o gas-gas. Los sistemas de almacenamiento termoquímico pueden operar mediante reacciones químicas reversibles, mediante absorción y disolución de un material, o mediante reacciones de adsorción, en las que los reactantes se separan durante la carga de energía y se libera el calor de la reacción tras la recombinación. Estos sistemas tienen aplicaciones dentro del sector industrial, como las máquinas de absorción de amoníaco-agua o de bromuro de litio-agua, aunque no son una alternativa madura a gran escala en el mercado. Pese a su potencial, es preciso mejorar ciertos aspectos como el coste de la tecnología, así como las propiedades de los materiales para lograr alcanzar un sistema con mayor estabilidad. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 51 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva 2.5.5 Supercondensador Un condensador electrónico de potencia (PEC) es un sistema de almacenamiento de energía basado en efectos electrostáticos que ocurren entre dos electrodos [19]. Es decir, el condensador se compone de dos placas conductoras de la electricidad que suelen ser aluminio puro o aleaciones de zincaluminio (ZnAl), estas películas metálicas se sitúan una paralela a la otra y están separadas por un material aislante conocido como dieléctrico que normalmente es de polímero de polipropileno de alta temperatura evitando que la electricidad circule entre ambas placas metálicas. Al conectar aplicar un diferencial de potencial a través del condensador tenemos que las cargas negativas de una de las placas se trasladan bombeadas por la batería hacia la otra quedando una placa con carga neta positiva y la otra con una carga neta negativa, pero la carga total es cero puesto que el condensador no acumula cargas eléctricas sino energía potencial eléctrica entre las dos placas. Es decir, lo que ocurre cuando se carga el condensador es que las cargas negativas y las positivas se separan al aplicar una diferencia de potencial, y el condensador se descarga mediante el flujo de corriente eléctrica, es decir el intercambio de electrones entre las placas hasta que las cargas se equilibran en ellas. Es un dispositivo capaz de almacenar grandes cantidades de energía eléctrica en forma de carga electrostática, el tiempo de respuesta es de apenas segundos siendo idóneos para responder altas demandas de carga o interrupciones en el suministro. Los supercondensadores o condensadores electroquímicos son una combinación entre condensadores y baterías que permiten el almacenamiento de energía en periodos cortos de tiempo, Ilustración 16. Estos dispositivos pueden cargarse y descargarse un elevado número de veces conservando el buen estado de los materiales que lo componen. Los PEC son parte de sistemas que mejoran el control de la energía de flujo, confiabilidad y calidad de energía. Entre las principales aplicaciones de estos dispositivos se encuentran las energías renovables, especialmente los campos de energía solar fotovoltaica D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 52 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva donde los ultra condensadores se disponen en paralelo para estabilizar la tensión de salida de las células permitiendo además nivelar los picos de tensión. Entre las ventajas de estos dispositivos para la aplicación en instalaciones solares encontramos que la vida útil y la eficiencia de carga son superiores en comparación con el uso de baterías. Además del amplio rango de temperaturas de trabajo al que se pueden someter, factor clave para la elección de estos dispositivos. A contraposición la densidad de energía es relativamente baja en comparación con las baterías, por tanto, para el mismo espacio de almacenamiento tendríamos una cantidad mucho menor de energía acumulada, y a esto también se le une el mayor coste de los ultra condensadores. Sin embargo, la combinación de estos dispositivos para el almacenamiento tiene efectos positivos como la mejora de la vida útil de las baterías consiguiendo un almacenamiento de alta densidad de energía. Este sistema es muy adecuado para almacenamiento en microrredes. Ilustración 16.- Principio de carga PEC (Condensador Electrónico de Potencia), EASE 2.5.6 Baterías Las baterías representan actualmente los dispositivos principales para el almacenamiento de energía a pequeña escala, y mediante conexiones de estos elementos en serie/paralelo se está abriendo paso a su utilización con escalas de mayor dimensionamiento pudiéndose aplicar cuando se requiere almacenar hasta más de 1 MWh para ser descargados al ser requeridos. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 53 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva El principio de funcionamiento de las baterías son las reacciones químicas que se generan en su interior capaces de generar carga eléctrica, concretamente se trata de un proceso reversible de reducción-oxidación, es decir es un proceso basado en el intercambio de electrones donde no hay consumo de componentes. Las cualidades como la capacidad de carga y descarga de la batería, la densidad de energía, capacidad de almacenamiento, etc. quedan determinadas por los materiales de los componentes que la conformen. Existe un amplio abanico de pilas tal y como podemos observar en la figura 13. Por otro lado, en la Ilustración 17 se ha representado el principio de carga de una de las baterías más usadas como sistema de almacenamiento en instalaciones fotovoltaicas[20], las principales ventajas de estos dispositivos son la rápida respuesta ante demandas de carga, alta densidad, su facilidad de instalación y la buena integración con fotovoltaicas entre otras. Ilustración 17.- Principio de carga de LI-ION, EASE 2.5.7 Pilas de combustible de hidrógeno Las pilas de combustibles o células de combustible son dispositivos basados en reacciones electroquímicas para la conversión y el almacenamiento de energía, son similares a las baterías, pero a diferencia de estas las pilas de combustible permiten el reabastecimiento continuo de los reactivos puesto que la electricidad se produce a partir de una fuente externa de combustible por tanto no cuenta con la limitación en la capacidad de almacenamiento como es el caso D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 54 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva de las baterías. Además, las pilas de combustible transforman de forma directa el combustible a energía eléctrica. Hay distintas variedades de pilas de combustibles, pero el combustible más usado para estos dispositivos es el Hidrógeno teniendo H2 en el cátodo y O2 en el ánodo, es decir el principio de funcionamiento consiste en la oxidación de H2 en el ánodo y la reducción del oxígeno en el cátodo creando una diferencia de potencial entre los electrodos, esta tensión se aplica a una carga conectada a la salida de la pila de combustible [21]. Los productos resultantes de las pilas de combustible de hidrógeno son calor, electricidad y agua. Es una tecnología con un futuro prometedor gracias al estrecho compromiso entre el hidrógeno y el medio ambiente y al carácter inagotable de este recurso, aunque no se encuentre directamente en estado puro. Esta tecnología puede combinarse con cualquier fuente de energía o actuar directamente como fuente de energía, el sistema permite el almacenamiento de energía a pequeña o gran escala. Esta tecnología para el almacenamiento de energía está en plena fase de investigación y desarrollo, pero tiene un futuro prometedor como vía para la transición a un futuro limpio pudiendo llegar a convertirse en una forma principal de almacenamiento. Su lado más prometedor es la integración con las energías renovables, en concreto con plantas de energías eólicas y fotovoltaicas, donde se están realizando diversos progresos. La producción de hidrógeno a través de fuentes de energías renovables podría aumentar hasta un punto que se impusiera el hidrógeno como fuente principal de energía. El almacenamiento de este combustible puede darse en los tres estados de la materia, el H2 se produce en estado gaseoso pero el almacenamiento de este no es competitivo puesto que tiene una densidad muy baja y los depósitos de almacenamiento son bastante caros al precisar presiones elevadas. Normalmente el almacenamiento del H2 se suele dar en estado líquido, es decir criogenizado, debido al menor volumen ocupado. La otra alternativa sería almacenar el H2 en estado sólido permitiendo que sea absorbido por otro material como hidrocarburos metálicos o materiales porosos. El almacenamiento de H2 suele usarse para su posterior uso para la generación de energía eléctrica. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 55 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva Actualmente, están surgiendo muchos proyectos de generación de energía utilizando H2 en pilas de combustible en Alemania y otros países de la Unión Europea [21]. La mayor parte de estos proyectos emplean electrolizadores de tipo PEM, son electrolizadores alcalinos que transforman la energía eléctrica en hidrógeno que se almacenará para posteriormente poder usarlo en pilas de combustibles para generar energía eléctrica cuando su uso sea necesario. Los electrolizadores y las pilas de combustible de H2 son el mismo dispositivo trabajando en sentido inverso. El tamaño de estos componentes está disponible desde pocos kW hasta varios cientos de MW. La tecnología de almacenamiento de hidrógeno está adecuada para facilitar la integración del gran número de instalaciones de energía renovable que se instalarán en Europa en el futuro. Existe un abanico de aplicaciones para el H2 como son la inyección directa en la red de gas, usarse con fines de movilidad para vehículos eléctricos, convertirse en etanol y ser usado como mezcla para combustibles, ser utilizado en la industria química como un producto básico, etc. En este trabajo nos dedicaremos a estudiar la aplicación del H2 para el almacenamiento de energía mediante electrólisis en una instalación fotovoltaica aislada de la red, cuyo sistema de almacenamiento para electrólisis convencional corresponde al esquematizado en la Ilustración 18, y estudiaremos la viabilidad técnica, económica y posibles futuras mejoras de una tecnología en auge que se encuentra aún en fase desarrollo. Entre los futuros desarrollos podemos destacar la intención por escalar la reducción de costes de los electrolizadores para bajar los precios y hacer de la tecnología una fuerte base competitiva en el panorama del suministro y almacenamiento de energía. Por otro lado, se está estudiando el uso de las cavernas de sal como vía para el almacenamiento de H2 en gran escala para analizar la viabilidad de aplicación en grandes parques eólicos marinos o en lugares con alta discrepancia entre la producción y el consumo de energía. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 56 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva Ilustración 18.- Electrólisis de agua y Pila de combustible de hidrógeno, EASE D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 57 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva 2.6 Estado del arte del hidrógeno como recurso energético El hidrógeno limpio está experimentando un impulso sin precedentes, impulsado por los gobiernos que comercian con la energía, el auge de las energías renovables, otros sectores como la automoción y la cantidad de políticas y proyectos que se están desarrollando, los cuales están creciendo de forma exponencial. A este impulso se le debe unir la ampliación de tecnologías y reducción de costos para permitir que el uso de este elemento se expanda rápidamente. El hidrógeno es ligero, denso en energía y versátil, las tecnologías existentes permiten producir, almacenar, transportar y utilizar este recurso como energía de numerosas formas. Este recurso se usa ampliamente en algunos sectores, pero para alcanzar los niveles de transición de energía limpia debe introducirse este recurso en sectores donde apenas está presente o incluso no tiene aplicación, como es el caso de la edificación, transporte o generación de energía. El hidrógeno tiene un papel fundamental como base para abordar los desafíos medioambientales a los que nos enfrentamos, puesto que no produce contaminantes de forma directa, y ofrece formas de descarbonizar diversos sectores industriales, reduciendo las emisiones de manera significativa mejorando la calidad del aire. El hidrógeno se puede extraer a través de una gran variedad de fuentes de energía como son los combustibles fósiles y biomasa, del agua o mezcla de ambos. En la actualidad, la mayor parte del Hidrógeno mundial producido se obtiene a partir de combustibles fósiles [22], destacando la producción de H2 a partir del gas natural, este recurso representa alrededor de 3⁄4 partes de la producción anual de H2 en el mundo se generan a partir de gas natural representando el 6% de las aplicaciones mundiales del gas natural. El carbón viene a continuación, debido a su papel dominante en China, este combustible representa cerca del 23% de la producción anual de hidrógeno en el mundo, representado el 2% del uso mundial de carbón. El petróleo ocuparía el tercer puesto detrás del carbón como combustible generador de hidrógeno. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 64 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 65 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva 3 COMPONENTES DE UNA INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA HÍBRIDA CON PILA DE COMBUSTIBLE 3.1 Esquema representativo modelo híbrido En el presente trabajo se desarrolla una metodología para diseñar sistemas híbridos fotovoltaicos/pila de combustible con almacenamiento de hidrógeno para viviendas aisladas de la red eléctrica. Considerando la demanda de energía eléctrica, los datos meteorológicos de la ubicación y las propiedades técnicas de los equipos se realizan los correspondientes balances energéticos y se evalúan los sistemas en términos de cobertura de la demanda, energía almacenada y costes del sistema. El esquema representativo del modelo híbrido adaptado a una vivienda unifamiliar aislada de la red se muestra en la Ilustración 20. Este sistema está formado por la instalación fotovoltaica, que incluye un número variable de módulos fotovoltaicos en función de la carga que se necesite suplir, un sistema de control de potencia, integrado por diferentes dispositivos auxiliares (acondicionamiento de potencia, baterías, etc.), cuyo objetivo es optimizar la eficiencia global del sistema y la disminución de los costes de operación [23]. Por otro lado, los elementos que conforman el sistema de almacenamiento de hidrógeno incluyen un electrolizador, depósitos para almacenamiento de hidrógeno y una pila de combustible. Una de las ventajas de los sistemas con almacenamiento de energía es el aprovechamiento de la totalidad de la energía excedente. Si la energía generada por el sistema primario (instalación fotovoltaica) es mayor que la demanda eléctrica, el excedente de energía se transforma en H2 mediante un electrolizador para su posterior conversión en energía eléctrica mediante una pila de combustible cuando la energía generada por el PV no sea suficiente para cumplir con la demanda, como puede ser el caso de periodos de tiempo nocturnos, días nublados o que presenten un incremento anormal en la demanda eléctrica. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 66 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva d Ilustración 20.- Sistema híbrido PV-H2 para el suministro de energía fuera de la red, 2020 Para este trabajo se han estudiado dos sistemas electrolíticos (separación de agua y reformado electroquímico de etanol) [23] en un intento de encontrar la mejor compensación entre el tamaño y los voltajes de los electrolizadores. El sistema objeto del proyecto consta de módulos fotovoltaicos (PV) acoplados a un electrolizador (EL) y una pila de combustible, y debe cumplir los siguientes requisitos: • El sistema debe suministrar un voltaje mínimo al electrolizador para llevar a cabo la electrólisis, es decir el proceso químico por el cual una sustancia en disolución se descompone por la acción de una corriente eléctrica continua. • Cada subsistema generador de hidrógeno (PV + EL) debe trabajar cerca de su punto de máxima potencia (MPP) para una irradiancia y temperatura determinadas, con objeto de maximizar la eficiencia del sistema. • La capacidad nominal de cada subsistema generador de hidrógeno (PV + EL) debe ser cuidadosamente seleccionada para satisfacer las demandas eléctricas, pero sin sobredimensionar el sistema. En este trabajo el estudio del sistema se ha realizado sin tener en cuenta electrónica de potencia compleja ni almacenamiento de energía en baterías químicas, lo que demuestra que un buen conocimiento del comportamiento fotovoltaico y la conexión y el comportamiento del electrolizador permite la optimización de un sistema energético autónomo que satisfaga las necesidades eléctricas a lo largo del tiempo. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 67 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva 3.2 Módulos fotovoltaicos 3.2.1 Módulos fotovoltaicos. Principio de funcionamiento Los módulos fotovoltaicos consisten en un conjunto de celdas o células fotovoltaicas conectadas eléctricamente entre sí que se rigen por el efecto fotoeléctrico donde la energía lumínica que incide en la superficie del panel se convierte en energía eléctrica al interactuar con un material conductor o semiconductor. Es necesario disponer de un semiconductor de tipo P, es decir un semiconductor extrínseco que haya sido dopado con átomos aceptores de electrones y por otro lado precisamos de un semiconductor de tipo N, es decir, dopado con átomos donantes de electrones creando de este modo un conjunto PN. Cuando la radiación solar incide sobre el módulo se genera el efecto fotoeléctrico, Ilustración 21, que consiste en la emisión de electrones por el material al ser iluminado con radiación electromagnética, por tanto la carga negativa del semiconductor de tipo N aumenta derivando una diferencia de potencial entre los semiconductores de tipo N y P, si conectamos los semiconductores mediante un conductor sin resistencia los electrones circulan entre ambos semiconductores generando la Icc, es decir, corriente de cortocircuito. La energía solar se puede aprovechar situando una carga entre la conexión de los semiconductores. Se tiene que mediante el efecto fotoeléctrico hay un flujo de electrones que genera una corriente eléctrica continua al pasar de la celda del panel cargada negativamente hacia la parte con carga positiva, por tanto, la cantidad de energía solar transformada es directamente proporcional al tamaño del módulo fotovoltaico. Por ello, si necesitamos más energía, únicamente debemos instalar una mayor superficie de celdas fotovoltaicas. Esto conlleva a que la cantidad de energía solar que se transforme en energía eléctrica sea directamente proporcional al tamaño del módulo, pudiéndose conectar estos en serie/paralelo para conseguir mayor energía, hasta alcanzar la necesaria para la instalación pertinente. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 68 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva Ilustración 21.- Efecto fotoeléctrico en el panel fotovoltaico Mediante las diferentes conexiones entre células se pueden obtener distintas combinaciones de valores de voltaje y corriente, específicos para cada configuración. La caracterización de las células dependerá del material del que estén fabricadas afectando este a los parámetros de trabajo del módulo, entre los que destaca la eficiencia en la conversión de energía. El material más utilizado para la fabricación de las células es sin duda el silicio, debido a la abundancia del material y a los exitosos valores de eficiencia registrados. Actualmente el uso de diversos materiales fotosensibles para la fabricación de células está siendo investigado, entre ellos se encuentra el cobre, el dióxido de titanio o la perovskita. A la hora de seleccionar un panel fotovoltaico debemos realizar un estudio exhaustivo de las necesidades que se deben satisfacer para optimizar la conversión energética en función de parámetros como el clima habitual de la zona en la cual será implantada la instalación fotovoltaica y superficie útil de la que se dispone. Las células fotovoltaicas se montan en sistemas que le proporcionan aislamiento eléctrico, rigidez y estanqueidad suficientes con el fin de proteger el material de agentes atmosféricos externos que pueden afectar al equipo al estar instalados a la intemperie. En la Ilustración 22 podemos encontrar un esquema representativo de la sección transversal de un módulo fotovoltaico donde se visualiza la posición de las células que normalmente se conectan entre sí mediante contactos metálicos de aluminio o acero inoxidable soldados. Estas células se sitúan entre dos encapsulados que suelen ser de acetato de D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 69 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva etilenvinilo (EVA), polímero que presenta una gran resistencia a la fatiga térmica y a la abrasión. Los paneles fotovoltaicos están protegidos por uno de los lados con una lámina de vidrio templado, y por el otro con una lámina de polímero o de vidrio templado. El conjunto de las diversas láminas se adhiere mediante un sellante, que suele ser un compuesto de polietileno, a un marco metálico para garantizar la estanqueidad en los laterales del panel. La función del marco es aportar rigidez, siendo capaz de superar tensiones generadas por agentes externos como el viento, sin embargo, no es un componente obligatorio en los paneles solares, por ejemplo, no está presente en los módulos de capa fina. La radiación solar que incide en el panel penetra las láminas hasta alcanzar a las células solares. En la caja de conexiones se encuentran los terminales para combinar módulos en serie/paralelo. Esta caja debe poseer como mínimo una protección IP-54, que, aunque no puede evitar completamente la entrada de polvo/partículas sólidas en el módulo si la limita para que no interfiera con el correcto funcionamiento del equipamiento. Por otro lado, el panel está expuesto a diversas condiciones meteorológicas como puede ser la lluvia, por ello se debe asegurar que no entre el agua impulsada desde cualquier ángulo a un promedio de 10 litros por minuto y a una presión de 80-100 kN/m² durante un tiempo que no sea menor a 5 minutos. Además, para proteger la entrada de polvo y de agua, en los pasos de los cables se añaden prensaestopas. Dentro de la caja de conexión se incluyen diodos de bypass que se encargan de provocar un cortocircuito en las zonas del módulo que puedan sufrir algún daño o puedan empeorar el funcionamiento general del sistema. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 70 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva Ilustración 22.- Componentes de un panel fotovoltaico 3.2.2 Parámetros eléctricos y curvas características Los módulos fotovoltaicos vienen caracterizados en su hoja de datos “Datasheet”, donde se muestran los valores eléctricos específicos. Se trata de una hoja técnica de características donde se recoge información sobre el fabricante, modelo del panel, propiedades, características del módulo, una descripción funcional, esquema de conexiones, condiciones de operación recomendadas, etc. Entre los parámetros eléctricos a destacar en la caracterización de un módulo fotovoltaico se encuentran: -Isc: La intensidad de cortocircuito es la intensidad que se genera en el módulo cuando la tensión entre los terminales es cero, es decir es la intensidad máxima que puede producir el panel cuando no hay resistencia entre la conexión de los elementos semiconductores. Suele ser del orden del 5-15% mayor que el valor de la intensidad en el punto de máxima potencia (IMPP). -Voc: La tensión de circuito abierto es la que proporciona el módulo cuando no hay carga conectada, es decir cuando la I=0A. -PMPP: La potencia en el punto de máxima potencia es la máxima potencia que puede generar el panel, esta potencia se alcanza al trabajar con la intensidad y voltaje de máxima potencia (IMPP y VMPP). D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 71 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva -IMPP: La intensidad en el punto de máxima potencia es la intensidad que recorre el panel cuando se genera la potencia máxima, este valor siempre es inferior a la Isc. -VMPP: El voltaje en el punto de máxima potencia es la tensión que se genera cuando el panel está generando su potencia máxima, su valor siempre es inferior a Voc. Estos valores vienen representados en las curvas Voltaje / Intensidad del módulo en el datasheet, y en las curvas de Potencia / Voltaje, tal como se muestra en la Ilustración 23. La representación de dichas curvas se realiza tomando como base las condiciones estándar de medida o STC, donde tenemos una irradiancia estándar de 1000 W/m2 y una temperatura del módulo de 25ºC. Las curvas de los módulos fotovoltaicos están caracterizadas por los materiales de las células, la configuración de estas, y otros parámetros de operación que hacen variar las curvas características de los módulos. Estos parámetros de operación son la temperatura de la célula y la radiación que incide en el panel. En cuanto a la radiación incidente, cuanto mayor es esta, mayor es la potencia generada por el panel. Además, la curva se desplaza hacia valores recientes tanto de I como de V, donde el valor de Isc varía notoriamente, mientras que Voc varía levemente. Ilustración 23.- Curvas características de un módulo fotovoltaico en función de la irradiación D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 72 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva Por otro lado, se tiene la variación por la temperatura de las células. Esta variación afecta principalmente a los valores de voltaje de la curva característica obteniéndose que, a mayor valor de temperatura, mayor es la Voc del módulo. No obstante, también varía el punto de máxima potencia y la Isc aunque ligeramente. La tendencia de las variaciones de las curvas características de los módulos en función de la temperatura (T) queda reflejada en la Ilustración 24. Ilustración 24.- Curvas características de un módulo fotovoltaico en función de la temperatura 3.2.3 Justificación del tipo de equipo utilizado En la elección de los módulos para la instalación fotovoltaica objeto del proyecto se tienen en cuenta tanto el precio, la eficiencia, la potencia máxima y el coeficiente de temperatura, siendo este un indicador facilitado por el fabricante en el datasheet que refleja la variación de la tensión en circuito abierto Voc en función de la temperatura. El precio queda determinado por varios factores como lo son la potencia del panel, la eficiencia, la tecnología utilizada y las garantías. El precio de un panel solar policristalino está entre 120-200€ y entre 180-400€ para paneles monocristalinos. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 73 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva Por otro lado, se tiene que la eficiencia de las placas solares determina la producción de energía eléctrica. Cuando hablamos de eficiencia en los módulos podemos referirnos a la eficiencia de las células, la eficiencia del sistema o la propia eficiencia del panel. La eficiencia de una célula se entiende por la cantidad de energía solar que se puede convertir en energía eléctrica, para paneles policristalinos la eficiencia de las células suele encontrarse entre el 14 y el 18% y para paneles monocristalinos entre el 19 y el 23%. El porcentaje máximo teórico conseguido en laboratorio es de un 29% [23]. La eficiencia del sistema hace referencia a la energía que es capaz de convertir el sistema teniendo en cuenta las pérdidas del inversor, contando que estos dispositivos tienen unas pérdidas menores del 2-3%. Y la eficiencia del panel refleja la eficiencia teniendo en cuenta todo el conjunto de células fotovoltaicas que lo conforman, representando el porcentaje de energía que el panel es capaz de transformar. La eficiencia del panel puede fluctuar durante el día en función de parámetros como la temperatura, orientación, inclinación, o presencia de sombras. Por otro lado, se tiene que a mayor irradiación solar la potencia máxima del módulo será mayor, es decir el módulo será capaz de generar mayor potencia. Sin embargo, se debe considerar que cuanto mayor sea la temperatura del módulo, el rendimiento de este será peor, por lo que se buscan bajos coeficientes de temperatura, es decir, se persigue la mínima variación de la tensión de circuito abierto Voc en función de la temperatura. Para facilitar las tareas de evaluación previas de los paneles solares, una herramienta útil es “Tier 1” [24] (Ilustración 25) realizada por la compañía Bloomberg. Esta lista permite identificar las empresas proveedoras de paneles solares con mayor número de paneles vendidos y con mayor solvencia en el mercado actual, es decir es un listado que mide el nivel de aceptación en la industria, aunque esto no siempre sea sinónimo de calidad sino solo un indicador, por ello es recomendable el estudio de los test de rendimiento realizados a los paneles por diversas empresas y laboratorios independientes. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 80 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva vida útil bastante larga. No encontramos reguladores únicos por encima de los 60 A para corriente continua, por lo que tenemos una capacidad limitada para sistemas que requieran altas potencias. No tiene sentido poner por ejemplo un panel de 72 células en un sistema a 12V, ya que como hemos dicho el panel trabajará en el punto que le marque la tensión de la batería y estaríamos desperdiciando mucha potencia. Tampoco debemos utilizar nunca paneles de 60 células con estos reguladores, ya que por ejemplo si lo utilizamos para un sistema a 12V estaríamos malgastando potencia tal y como hemos dicho anteriormente (además de poder quemarlo), y si lo utilizamos para un sistema a 24V tendremos problemas para cargar completamente la batería, ya que en verano con el calor los paneles dan menos tensión y la tensión que nos da este panel no llega al valor necesario para que la batería pueda entrar en absorción. El MPPT consiste en un convertidor (reductor) DC/DC. Este regulador pone a los paneles a trabajar en el punto de máxima potencia independientemente de la tensión a la que se encuentre la batería, por lo que a la entrada del dispositivo tendremos la tensión de los paneles que ese momento corresponda a su punto de máxima potencia y a la salida tendremos la tensión que el regulador MPPT ajuste para la carga de la batería. El regulador MPPT tiene un rendimiento de hasta un 30% superior al regulador PWM, y en este caso las configuraciones de paneles dependen de las tensiones de entrada máximas que soporte en MPPT. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 81 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva 3.4 Electrolizadores La producción de hidrógeno utilizando recursos renovables juega un papel crucial en la transformación sostenible de la energía, gracias a sus múltiples aplicaciones al actuar como vector energético, desde servir como almacenamiento de fuentes de energía renovables, facilitar la movilidad limpia en vehículos de pila de combustible, o como punto de partida para la producción de combustibles sintéticos. Existe un interés creciente en la electrólisis que ha llevado al desarrollo de varios tipos de electrolizadores. Los tipos más comunes incluyen celdas de electrolizador de óxido sólido (SOEC), celdas de membrana de intercambio de protones (PEM) y electrolizadores de electrólisis alcalina [25]. Los electrolizadores son dispositivos que permiten producir hidrógeno mediante un proceso químico denominado electrólisis, capaz de separar las moléculas de hidrógeno y oxígeno de las que se compone el agua haciendo uso de la electricidad para obtener hidrógeno mediante un proceso libre de emisiones contaminantes, propiciando una economía descarbonizada. La Tabla 1 resume las principales características y etapas de desarrollo de los tres métodos principales de electrólisis mencionados con anterioridad. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 82 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva ESPECIFICACIÓN UNIDADES ALCALINO PEM SOEC Madurez de la tecnología Comercialización extendida Comercialización media Investigación y desarrollo Tª celda ºC 60-80 50-80 900-1000 Presión celda bar <30 <30 <30 Densidad media Acm-2 <0.45 1.0-2.0 0.3-1.0 Voltaje celda V 1.8-2.4 1.8-2.2 0.95-1.3 Eficiencia del voltaje % 62-82 67-82 81-86 Consumo específico del sistema de energía KWh·Nm-3 4.2-4.8 4.4-5.0 2.5-3.5 Mínima carga parcial % 10-40 0-10 - Área celda m2 3.0-3.6 <0.13 <0.66 Producción de H2/electrolizador Nm3h-1 <1400 <400 <10 Vida útil Kh 55-120 60-100 8-20 Pureza del H2 % >99.88 99.999 - Tiempo de arranque en frío min 15 <15 >60 Coste de inversión € KW-1 800-1500 1400-2100 >2000 Eficiencia eléctrica % LHV 63-70 56-60 74-81 Tabla 1.- Características químicas y técnicas electrolizadores Los electrolizadores alcalinos son hoy en día los más vendidos, aunque los modelos PEM compiten con ellos al presentar importantes ventajas respecto al primero pues pueden ser dispositivos reversibles y además operar a voltajes de celda más bajos, densidades de corriente, temperaturas y presiones más altas que conducen a mayores eficiencias (80-90%) [28]. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 83 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva En contrapartida, la desventaja de los electrolizadores PEM radica en la durabilidad de los componentes y en los mayores costos asociados a elementos de contacto como las placas bipolares y colectores de corrientes fabricados a base de titanio, además de contar con la elevada carga de iridio presente en el electrocatalizador para la reacción de evolución de oxígeno (REA). Por ello, los esfuerzos de desarrollo se focalizan en la búsqueda de nuevos materiales. En comparación con la tecnología alcalina, la tecnología PEM es particularmente adecuada para acoplarse con fuentes de energía renovables [28] gracias a su alta capacidad para absorber la energía durante los regímenes transitorios. Es sin duda, una de las características más importantes solicitadas al acoplar con fuentes dinámicas como RES, por ello para la realización de este estudio se ha utilizado un electrolizador tipo PEM para el desarrollo de las diversas simulaciones y análisis de datos. Si comparamos las tecnologías citadas en el apartado previo, con los electrolizadores SOE, estos últimos ofrecen una mayor eficiencia, sin embargo, aún se están desarrollando para su comercialización. Su eficiencia cercana al 100% genera interés en los desarrollos relacionados con la mejora de la durabilidad y los costes. 3.4.1 Electrolizadores alcalinos El rango de funcionamiento de los electrolizadores alcalinos va desde una carga mínima del 10% hasta la capacidad total de diseño [22]. La conductividad del KOH acuoso es máxima cuando su concentración es cercana al 28% y, por lo tanto, la mayoría de los electrolizadores alcalinos utilizan el hidróxido de sodio como electrolito con una concentración del 25% al 35% en agua [29]. A medida que se aumenta la temperatura, la conductividad de este electrolito disminuye presentando un valor máximo de aproximadamente 150 ° C. Se pueden distinguir dos tipos de configuración para conformar un electrolizador alcalino: D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 84 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva - Configuración monopolar: las celdas electrolíticas se conectan en paralelo. Los cátodos de todas las celdas electrolíticas están conectados entre sí, al igual que los ánodos, pero ánodos y cátodos están físicamente separados mediante el electrolito (ver Ilustración 27). Ilustración 27.- Configuración monopolar electrolizador alcalino - Configuración bipolar: las celdas electrolíticas se conectan en serie. El cátodo de una celda electrolítica se conecta con el ánodo de la siguiente celda, siguiendo esta configuración hasta conectar todos los electrodos. En esta configuración el ánodo y el cátodo se montan juntos separados por un aislante eléctrico usualmente cerámico, es la configuración que suelen usar los electrolizadores que operan a sobrepresión (ver Ilustración 28). Ilustración 28.- Configuración bipolar electrolizador alcalino Las principales ventajas de los electrolizadores bipolares frente a los unipolares son el menor espacio requerido, sin embargo, presentan corrientes parásitas colaterales que disminuyen la eficiencia de Faraday. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 85 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva La Ilustración 29 muestra la configuración básica de una celda electrolítica alcalina. Los electrodos se encuentran inmersos en un electrolito de KOH separados por un diafragma cerámico o de polisulfonato, que permite fluir a la corriente, pero es impermeable a los gases. Durante la electrolisis, se forma oxígeno en el ánodo e hidrógeno en el cátodo. Los iones hidroxilo (OH−) disueltos atraviesan el diafragma portando la carga eléctrica, y se separan en agua líquida y oxigeno gaseoso al alcanzar el ánodo, liberando un electrón que es recogido por el ánodo debido a la diferencia de potencial inducida por la fuente de tensión continúa colocada entre los electrodos [30]. Cuando los electrones pasan al cátodo se combinan con las moléculas de agua líquida separándolas en hidrógeno gaseoso e iones hidroxilo que se ven obligados a migrar otra vez hacia el ánodo por la acción del campo eléctrico. Ilustración 29.- Principio de funcionamiento electrolizador alcalino Las reacciones químicas que tienen lugar en un electrolizador alcalino son: -Ánodo: 2OH- (aq) → 1 2O2 (g) + H2O (liq) + 2e- -Cátodo: 2H2O (liq)+ 2e- →H2 (g) + 2OH- (aq) D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 86 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva -Reacción general: 2H2O (liq) → 2H2 (g) + O2 (g) En la Tabla 2 se resume las características destacables de los electrolizadores alcalinos [26]: Características y desempeño Temperatura de Operación 60 – 80 ºC Presión de Operación <30 bares Eficiencia Eléctrica >60% (con hidrógeno puro) Voltaje actual 1,8 – 2,4 V Densidad actual <450 mA/cm2 Tiempo de puesta en marcha Pocos minutos Tiempo de respuesta ante una rápida variación en la demanda Relativamente rápido Producción de H2/electrolizador <1400 Nm3h-1 Tabla 2.- Características y desempeño electrolizador alcalino Se utilizan intercambiadores de calor y filtros para mantener una temperatura de funcionamiento constante, reducir los efectos de polarización derivados de la formación de burbujas y los gradientes de concentración, y eliminar posibles sólidos en suspensión. La concentración del electrolito se controla mediante la adición de agua de alta pureza según sea necesario, dependiendo de la tasa de producción de hidrógeno. 3.4.2 Electrolizadores de membrana de intercambio de protones (PEM) Un electrolizador PEM es un dispositivo convertidor de energía electroquímica que usa electricidad para oxidar el agua [31], las moléculas de agua se descomponen en oxígeno, protones y electrones en el ánodo. Los electrones se aíslan de los protones en la superficie de un catalizador a base de platino. Los protones pasan al cátodo atravesando la membrana a la vez que los electrones viajan en un circuito externo, generando la salida eléctrica de la celda. En el lado del cátodo, otro electrodo de metal precioso los electrones reducen los protones produciendo hidrógeno se combina con oxígeno para producir agua, que se D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 87 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva expulsa como el único producto de desecho. El oxígeno puede proporcionarse en forma purificada o directamente del aire. En la Ilustración 30 se representa el principio de funcionamiento del dispositivo. También se puede observar el diseño básico de un electrolizador, que consiste en dos medias celdas con un electrolito. Los electrolizadores PEM requieren un electrolito no líquido, es una membrana polimérica ácida de intercambio de protones (PEM). Hacia afuera de cada lado de la membrana, hay una capa de catalizador porosa, donde ocurren las reacciones. El conjunto de la membrana de intercambio de protones y la capa de catalizador doble conforman el “Electrodo de Membrana”. Envolviendo el MEA, está el colector de corriente que conecta física y eléctricamente la capa de catalizador a la placa bipolar. Ilustración 30.- Principio de funcionamiento electrolizador PEM Las reacciones químicas que tienen lugar en un electrolizador PEM son: -Ánodo: H2O → 1 2O2 (g) + 2H+ (aq) + 2e- -Cátodo: 2H+ (aq) + 2e- → H2 (g) D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 88 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva -Reacción general: H2O (liq) + Electricidad + Calor → H2 (g) +1 2O2 (g) En la Tabla 3 se resume las características destacables de los electrolizadores PEM [26]: Características y desempeño Temperatura de Operación 50 - 80 ºC Presión de Operación <30 bar Eficiencia Eléctrica 56– 60% Voltaje actual 1,8 – 2,2 V Densidad actual 100-200 A/cm2 Tiempo de puesta en marcha Prácticamente inmediato Tiempo de respuesta ante una rápida variación en la demanda Muy rápido Producción de H2/electrolizador <400 Nm3h-1 Tabla 3.- Características y desempeño electrolizador PEM El principio de funcionamiento de un electrolizador PEM es el inverso al de una pila de combustible PEM [31]. En una pila de combustible PEM, con el hidrógeno y el oxígeno se produce una corriente eléctrica de CC, agua y calor. Aunque el electrolizador y la pila de combustible trabajen con reacciones inversas, los dispositivos son diferente. Los materiales de carbono, como los soportes de catalizadores, estructuras porosas y placas bipolares, que se utilizan normalmente en pilas de combustible no se pueden utilizar en el ánodo del electrolizador debido a la corrosión por parte del oxígeno. Además de la celda electrolítica, un electrolizador debe tener una fuente de alimentación con regulador de tensión, un sistema para almacenamiento de agua, bomba de circulación de agua, separadores agua-gas para hidrógeno y opcionalmente para oxígeno, intercambiador de calor, controles e instrumentación. Las principales ventajas de los electrolizadores PEM son el diseño compacto, la alta conductividad de protones, bajo cruce de gas y la posibilidad de operar a altas presiones entregando el hidrógeno a alta presión al usuario final, requiriendo así, menor energía para comprimir y almacenar el hidrógeno. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 89 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva El inconveniente de este sistema es la limitación de la vida útil de membranas suponiendo un aumento en el coste de la tecnología. La baja tasa de cruce de gas de la membrana de electrolito de polímero permite que el electrolizador funcione con una amplia gama de entrada de energía. 3.4.3 Electrolizadores de óxido sólido (SOEC) Las celdas SOE utilizan electrolitos cerámicos sólidos (por ejemplo, zirconia estabilizada con itria) que son buenos conductores de iones de oxígeno (O2-) a temperaturas muy altas en el rango de 1000 ° C [27]. La temperatura de funcionamiento se decide por la conductividad iónica del electrolito. En la Ilustración 31 queda representado el principio de funcionamiento del electrolizador de óxido sólido. El gas de alimentación, vapor, pasa a través del cátodo donde se reduce para producir hidrógeno. Como el electrolito es impermeable al hidrógeno gaseoso, los iones O2- migran a través del electrolito hacia el ánodo bajo la acción del campo eléctrico, donde se recombinan formando oxígeno gaseoso y liberan electrones hacia el circuito exterior. Ilustración 31.- Principio de funcionamiento electrolizador SOEC D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 96 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva Es posible que en ubicaciones como terminales de exportación se precise del almacenamiento de H2 durante corto tiempo antes de su envío. En otras ubicaciones como es el caso de las estaciones de repostaje es necesario almacenar hidrógeno durante horas o incluso varios días si se pretende protegerse frente a desajustes en la oferta y la demanda. Si por otro lado pretendemos suplir los desajustes estacionales importantes en el suministro de electricidad o demanda de calor se debe recurrir a una opción de almacenamiento con mayor capacidad para acumular durante un largo periodo de tiempo. En general, el almacenamiento geológico es el más indicado para el almacenamiento de grandes cantidades de hidrógeno durante un periodo extendido en el tiempo, mientras que los tanques se adecuan mejor al almacenamiento de cantidades más reducidas de hidrógeno para un almacenamiento a corto plazo. Dentro de la clasificación de almacenamiento geológico para almacenar hidrógeno a gran escala y largo plazo encontramos las cavernas de sal, depósitos de gas natural o petróleo agotados y acuíferos. Estas alternativas se utilizan actualmente para el almacenamiento del gas natural proporcionando importantes economías de escala y altas eficiencias unido con los bajos costos operativos y costos del suelo, y son una buena opción para almacenar grandes cantidades de H2 a expensas de su menor densidad energética en comparación con el gas natural. 3.5.1 Cavernas de sal Las cavernas de sal se han utilizado para almacenar hidrógeno en el sector químico en Reino Unido desde 1970 y en EEUU desde 1980. Las altas presiones a las que se encuentra el gas permiten altas tasas de descarga haciéndolas atractivas para aplicaciones industriales y el sector energético. Actualmente, EEUU posee la mayor capacidad en cavernas de sal en funcionamiento pudiendo almacenarse alrededor de 30 días de producción de H2 por parte de un reformador de metano a vapor, es decir entre 10 y 20 D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 97 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva mil toneladas de H2, para apoyar la oferta y la demanda de productos químicos [22]. Por otra parte, Reino Unido tiene tres cavernas de sal con capacidad para 1KtH2, y Alemania ha lanzado un proyecto de demostración para almacenar 3,5KtH2 en una caverna de sal (previsto para 2023). 3.5.2 Acuíferos Los depósitos de gas natural y petróleo agotados tienen mayor capacidad que las cavernas de sal, en contrapartida son permeables y contienen contaminantes que se deben eliminar para su posterior uso para almacenamiento de hidrógeno. La alternativa de utilizar acuíferos como almacenamiento geológico de hidrógeno es la opción menos madura de las mencionadas con anterioridad aunque, se tienen evidencias de su idoneidad para almacenar gas ciudad con entre el 50 y 60% de hidrógeno [22]. Al igual que con los depósitos agotados de petróleo y gas natural las barreras naturales atrapan la mayor parte del hidrógeno en el subsuelo, pero hay riesgo de pérdidas de hidrógeno al producirse las reacciones con microorganismos, fluidos y rocas. La viabilidad y costo de utilizar acuíferos agotados aún no está probada. Como se comentó el almacenamiento geológico ofrece las mejores perspectivas para almacenamiento a gran escala y largo plazo, sin embargo, la distribución geográfica, el tamaño elevado y los requisitos de mínima presión los hacen poco adecuados para almacenamiento a menor escala y de corto plazo. 3.5.3 Tanques de almacenamiento Los tanques de almacenamiento de hidrógeno comprimido o licuado tienen altas tasas de descarga con eficiencias cercanas al 99% lo que los hace atractivos para aplicaciones de menor escala donde es necesario disponer fácilmente de una reserva local de combustible. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 98 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva Las dimensiones de los tanques de almacenamiento de hidrógeno se encuentran con la problemática de la baja densidad que este combustible posee. En la actualidad continúa la investigación con el objetivo de reducir el tamaño de los tanques [22]. Entre otras vías de investigación se estudia el alcance de los tanques subterráneos puesto que pueden tolerar mayores presiones (hasta 800 bar) permitiendo una mayor compresión del hidrógeno. Los tanques que almacenan hidrógeno comprimido suelen ser de acero o tanques ligeros de fibra de carbono con geometría cilíndrica o esférica que han demostrado su capacidad de operación hasta presiones de 700 bares. A mayor presión mayor cantidad de hidrógeno queda almacenado por unidad de volumen. Por otro lado, los tanques de almacenamiento de hidrógeno líquido precisan de temperaturas criogénicas ya que su temperatura de ebullición a Tamb es de -253ºC. La densidad energética por unidad de volumen del hidrógeno líquido es mucho más elevada a la del hidrógeno gaseoso, pudiendo almacenar mayores cantidades de H2 en el mismo volumen. Sin embargo, también presenta desventajas como la pérdida de entre el 30 y 40% de la energía cuando el hidrógeno pasa al proceso de licuefacción. A estas desventajas se unen las pérdidas por evaporación en aquellos instantes de tiempo en los que no se utiliza el sistema resultando imprescindible utilizar tanques aislados. 3.5.4 Hidruros metálicos Otra alternativa para el almacenamiento de hidrógeno es el almacenamiento en estado sólido, para ello el hidrógeno se puede incorporar a la estructura cristalina de determinados metales formando hidruros, consiguiendo mayor densidad, o se puede hacer uso de materiales porosos por adsorción de superficie como los nanotubos de carbono. El hidrógeno reacciona con varios metales de transición como pueden ser el cromo, hierro, litio, magnesio o níquel, formando hidruros. Estos compuestos tienen una eficiencia para absorber y liberar hidrógeno que se establece en función de la presión y temperatura a la que se encuentra el D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 99 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva compuesto. Si estas condiciones son adecuadas las reacciones serán reversibles, y, por tanto, la masa metálica podría usarse como depósito de almacenamiento de hidrógeno sólido que podría cargarse y descargarse de forma ilimitada. Con este tipo de almacenamiento el hidrógeno queda liberado al aplicar calor a los materiales y mediante la reducción de la temperatura. Dentro de los hidruros recargables el magnesio es uno de los materiales más atractivos para el almacenamiento de hidrógeno puesto que posee alta capacidad y tiene un bajo coste, pudiendo llegar a almacenar un 7,6% de peso de hidrógeno [22]. Este tipo de almacenamiento es seguro y permite almacenar mayor cantidad de hidrógeno por unidad de volumen que con hidrógeno líquido. Sin embargo, el peso es elevado no siendo adecuados para aplicaciones móviles, y siendo especialmente útil para aplicaciones estacionarias aisladas con energía procedente de fuentes renovables. 3.5.5 Materiales basados en carbono Dentro de los materiales basados en carbono se encuentran los nanotubos y las nanofibras de grafito. Los nanotubos están conformados por redes hexagonales de carbono. Estos son ligeros y porosos y están caracterizados por poseer una alta resistencia mecánica. Además, estos materiales han despertado mucho interés en gran cantidad de aplicaciones tecnológicas. Estos materiales se consideran muy eficientes debido a su gran capacidad de adsorción permitiendo almacenar hidrógeno con el doble de densidad que cuando se encuentra en estado líquido [22]. No obstante, para utilizar los nanotubos como alternativa de almacenamiento de hidrógeno se precisan temperaturas muy bajas (inferiores a -196ºC), además si la muestra se deja a temperatura ambiente la mayor parte del hidrógeno se evaporará. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 100 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva 3.6 Pilas de combustible El desarrollo del hidrógeno está ligado en gran medida a la investigación y desarrollo de la tecnología de pilas de combustible presentándose como la una posible solución en sectores de generación de energía eléctrica y automoción [34]. Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico que transforma la energía química en electricidad y calor. Estos dispositivos constan de dos electrodos, ánodo y cátodo, separados por medio de un electrolito que puede ser de naturaleza líquida o sólida. La celda es el elemento básico de un sistema basado en pilas de combustible, que se compone de los elementos descritos a continuación [34]: Electrolito: Conductor iónico, aislante eléctrico y separador del cátodo y el ánodo. Los electrolitos de naturaleza líquida precisan utilizar electrodos porosos con los que está en continuo contacto. Los reactivos gaseosos se difunden a través de una delgada capa de electrolito y reaccionan electroquímicamente en las superficies de los electrodos. Por otro lado, las pilas de combustible que hacen uso de electrolitos sólidos contienen un alto número de catalizadores en la interfaz conectados eléctrica e iónicamente tanto a los electrodos como al electrolito para difundir los reactivos gaseosos. Electrodos: Las reacciones electroquímicas tienen lugar en la superficie de los electrodos. En el ánodo tiene lugar la oxidación del combustible y es en el cátodo donde aparece la reducción del oxígeno. Entre las funciones de estos elementos se pueden destacar la conducción de iones, asegurar la distribución uniforme de los reactivos gaseosos en el electrolito y asegurar la eficiencia de la reacción en el recorrido de los productos hacia la fase gaseosa. El combustible oxidado en el ánodo, libera electrones que fluyen por el circuito externo hasta el cátodo. El circuito se completa con el flujo de iones en el electrolito, que además separa las dos corrientes de gases, combustible y oxidante. En la reacción se genera calor que puede emplearse como coproducto o utilizarse para obtener mayores cantidades de electricidad. Las celdas se conectan en serie o paralelo para suministrar el voltaje y la potencia necesaria, de ahí la nomenclatura de pilas de combustible. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 101 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva Los electrodos de la pila de combustible y las condiciones de operación de las celdas están condicionados por el electrolito. Será la separación entre electrodos, y la superficie de estos los condicionantes que determinen el voltaje de celda y la energía producida. Por ello se puede concluir que los procesos van a estar influenciados por la estructura de los electrodos, el electrolito, las dimensiones geométricas y las condiciones termodinámicas de operación. La relevancia de las pilas de combustibles deriva de sus múltiples ventajas, como puede ser la amplia gama de condiciones de funcionamiento que ofrecen, pudiendo seleccionar el tipo de pila de combustible que mejor se adecue a las condiciones de operación. Son dispositivos eco amigables, con la finalidad de conseguir generación de electricidad sin emisiones contaminantes. Estos dispositivos pueden trabajar con varios tipos de combustible y no necesitan ser recargadas, siendo una fuente de energía segura. La eficiencia de la pila de combustible estará determinada por condicionantes como la temperatura, presión y humedad durante su funcionamiento, por ello mediante la variación y optimización de los parámetros anteriormente mencionados y/o la variación de ciertas variables de la celda se puede mejorar la eficiencia de los dispositivos. Un aspecto a considerar es que la modificación de estas variables para incrementar la eficiencia está íntimamente ligada a consideraciones en el peso, tamaño y/o costo. Además de su amplio rango de operaciones, las pilas de combustible ofrecen altos rendimientos energéticos (40-70% rendimiento eléctrico) [28], a esto se suman bajos niveles de ruido y bajas emisiones de gases nocivos en función del combustible utilizado y el tipo de aplicación. Otra ventaja que destacar es la estructura modular del dispositivo y la posibilidad de operar a varias temperaturas de funcionamiento permitiendo utilizar el calor mediante el acoplamiento con una turbina. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 102 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva A parte de las ventajas que las pilas de combustible aportan se tiene una serie de problemas a superar. Entre otros encontramos el coste de la tecnología (destacando el catalizador, membranas y placas bipolares), el volumen y el peso del dispositivo, la vida útil y la correcta integración térmica asegurando la recuperación de calor hasta la evacuación de calor según aplicación y tipo de pila de combustible. Hoy en día, continúa la investigación de varios tipos de pilas de combustible. La clasificación de las pilas se realiza generalmente en función a la naturaleza del electrolito, pues es el que determina la temperatura de operación y el tipo de ión que asegura la conducción iónica. En la Tabla 7 se recogen las categorías de pilas de combustibles en función del tipo de electrolito, otras características de interés y el ámbito de aplicación. Cabe destacar que el principio de funcionamiento de las pilas de combustible varía en función de los reactivos (H2, metanol, etc.), la naturaleza del electrolito (sólido o líquido), los residuos de la reacción electroquímica y la temperatura de funcionamiento [34]. • Celda de combustible de membrana de polímero-electrolito o celda de combustible de membrana de intercambio de protones ~ 80 ° C (PEMFC); • Pila de combustible de metanol directo ~ 60–100 ° C (DMFC); • Pila de combustible alcalina ~ 100 ° C (AFC); • Pila de combustible de ácido fosfórico ~ 200 ° C (PAFC); • Pila de combustible de carbonato fundido ~ 700 ° C (MCFC); • Pila de combustible de óxido sólido ~ 800–1.000 ° C (SOFC). D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 103 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva TIPO DE CÉLULA AFC PEMFC DMFC PAFC MCFC SOFC Electrolito Solución KOH (Solución alcalina) Membrana de polímero conductor de protón Membrana de polímero conductor de protón Ácido fosfórico Carbonatos fundidos Óxido sólido Iones del electrolito OH- H+ H+ H+ CO32- O2- Temperatura 60-80ºC 60-100ºC 60-100ºC 180-220ºC 600-660ºC 700- 1000ºC Combustible H2 H2 (puro / reformado) Metanol H2 (puro / reformado) H2 (puro / reformado) Dominios de aplicación Espacial Transporte Portátiles y residencias Portátiles Generación eléctrica distribuida y calor Generación eléctrica distribuida y calor Generación eléctrica distribuida y calor Rango de potencia 5-150KW 5-250KW 5KW 50KW-11MW 100KIW- 2MW 100-250KW Ventajas ·Mayor eficiencia ·Reacción catódica más rápida ·Baja Tª ·Arranque rápido ·Baja corrosión ·Fácil manten. ·No necesita reformador de combustible ·Acepta hidrógeno puro ·Reformado interno ·Cogeneración ·Reformado interno ·Cogeneración Tabla 7.- Características químicas y técnicas FC y sus campos de aplicación 3.6.1 Pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) La pila de combustible de membrana de polímero-electrolito también conocida como pila de intercambio de protones (PEM) proporciona alta densidad de potencia y bajo peso, costo razonable y bajo volumen. La pila se compone por un electrodo con carga negativa (ánodo), otro de carga positiva (cátodo) y un electrolito (la membrana). Se introduce hidrógeno en el ánodo y oxígeno en el cátodo. Los protones se transportan del ánodo al cátodo a través de la membrana del electrolito y los electrones fluyen a través de un circuito externo representado por la carga. Una pila de combustible PEM típica tiene las siguientes reacciones: D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 104 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva -Ánodo: H2 (g) → 2H+ (aq) + 2e- -Cátodo: 1 2O2 (g) + 2H+ (aq) + 2e- → H2O -Reacción general: H2 (g) +1 2O2 (g) → H2O (liq) + Electricidad + Calor Las pilas de combustible PEM operan a temperaturas inferiores a 100 ºC para alcanzar rendimientos de aproximadamente 50% [34]. La baja temperatura de funcionamiento les permite arrancar con relativa rapidez. Estas pilas se utilizan para alimentar instalaciones estacionarias y vehículos pequeños y el rango de potencia de las pilas de combustible PEM varía desde unas pocas decenas de vatios hasta alrededor de 10 megavatios. Todas estas especificaciones se muestran recogidas en la Tabla 8 que resume el comportamiento de las pilas de combustible PEM. Características y desempeño Temperatura de Operación 60 - 80 ºC Presión de Operación 1 – 3 bar Eficiencia Eléctrica 40 – 50% Voltaje actual 0,6 – 0,95 V Densidad actual Hasta A/cm2 Tiempo de puesta en marcha Prácticamente inmediato Tiempo de respuesta ante una rápida variación en la demanda Muy rápido Tiempo de vida Hasta 4000h (HFC consulting group) Tabla 8.- Características y desempeño PEMFC Las ventajas que destacar de las pilas de combustible PEM es que tienen tiempos de puesta en marcha y de respuesta muy rápidos. A su vez son dispositivos compactos que funcionan a temperatura baja, compactos e insensibles al CO2. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 105 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva El electrolito es sólido eliminando el riesgo de fugas asociados a los líquidos y presenta una densidad de potencia que puede alcanzar la pila es de 1 kW/kg. Sin embargo, existen algunas desventajas como el alto costo de la membrana, el alto mantenimiento de la membrana para favorecer el transporte de protones y la sensibilidad al CO que envenena los sitios catalíticos. En la Ilustración 34 se representa un esquema con el principio de funcionamiento de la pila PEM donde se utiliza una membrana de polímero ácido a base de agua como electrolito, con electrodos a base de platino. La temperatura de operación está por debajo de los 100 ºC. Debido a las temperaturas relativamente bajas y al uso de electrodos a base de metales preciosos, estas células deben funcionar con hidrógeno puro. El combustible de hidrógeno se procesa en el ánodo donde los electrones se aíslan de los protones en la superficie de un catalizador a base de platino. Los protones pasan al cátodo atravesando la membrana a la vez que los electrones viajan en un circuito externo, generando la salida eléctrica de la celda. En el lado del cátodo, otro electrodo de metal precioso combina los protones y electrones con oxígeno para producir agua, que se expulsa como el único producto de desecho. El oxígeno puede proporcionarse en forma purificada o directamente del aire. Por otro lado, tienen una densidad de potencia alta y pueden satisfacer potencias dinámicas gracias al corto tiempo de respuesta variando rápidamente su potencia eléctrica. Existe una variante que opera a temperaturas elevadas conocida como pila de combustible PEM de alta temperatura (HT PEMFC) [29]. Esta vez el electrolito es un sistema a base de ácido mineral en lugar de a base de agua, de esta forma los PEMFC HT pueden operar hasta 200 ºC. Este tipo de pilas presentan algunas ventajas como puede ser la mayor tolerancia a contaminantes o el agua formada como producto en fase vapor, sin embargo, también presenta inconvenientes como la menor vida útil característica de la membrana. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 112 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva No se precisa emplear un catalizador de platino en el sistema y, en cambio, se puede utilizar una amplia variedad de metales no preciosos como catalizadores para acelerar las reacciones que ocurren en el ánodo y el cátodo. Las reacciones químicas que tienen lugar en una pila de combustible alcalina son: -Ánodo: 2H2 (g) + 4OH- (aq) → 4H2O (liq)+ 4e- -Cátodo: O2 (g) + 2H2O (liq) + 4e- → 4OH- (aq) -Reacción general: 2H2 (g) + O2 (g) → 2H2O (liq) La Tabla 1 resume las características operativas de una AFC: Características y desempeño Temperatura de Operación 60 – 90 ºC Presión de Operación 1 – 5 bares Eficiencia Eléctrica >60% (con hidrógeno puro) Voltaje actual 0,7 – 1,0 V Densidad actual 100 - 200 mA/cm2 Tiempo de puesta en marcha Pocos minutos Tiempo de respuesta ante una rápida variación en la demanda Relativamente rápido Tiempo de vida 5000 h (medido en 2006) Tabla 11.- Características y desempeño AFC Las pilas de combustible alcalinas tienen la ventaja de permitir el uso de una amplia variedad de metales no preciosos como catalizadores, tienen buen rendimiento funcionando a presión atmosférica y a baja temperatura, los costes de catalizadores y del electrolito son bajos, estos dispositivo se caracterizan por costos de capital relativamente bajos en comparación con otras tecnologías de electrolizadores / pilas de combustible, tanto el tiempo de inicio como los tiempos de respuesta son rápidos, poseen alta eficiencia eléctrica y también son capaces de funcionar a temperaturas por debajo de los 0ºC. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 113 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva La principal desventaja que presenta este tipo de baterías es su sensibilidad al dióxido de carbono, esta sensibilidad implica una profunda purificación del hidrógeno (eliminación total de CO2) cuando se obtiene reformando un combustible hidrocarbonado. Por esta razón, la batería alcalina se ha abandonado para aplicaciones de transporte. A esta desventaja se le une el hándicap debido al estado líquido y corrosivo del electrolito que, sujeto a las limitaciones de transporte (vibraciones, aceleraciones, etc.), puede escaparse de la batería. Ilustración 37.- Esquema pila de combustible tipo AFC 3.6.5 Pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC) Las pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC) se utilizan principalmente en aplicaciones estacionarias. Un ejemplo es una miniplanta de gas natural de 2 MW en Estados Unidos que ha estado operando cerca de 4.000 horas. El rango de potencia está entre 500 kW y 10 MW. Las MCFC utilizan un electrolito de naturaleza corrosiva, una sal de carbonato fundido suspendida en una matriz cerámica porosa. Las sales comúnmente utilizadas incluyen carbonato de litio, carbonato de potasio y carbonato de sodio [34]. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 114 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva A través del electrolito atraviesan iones carbonato (CO3 2–) desde el ánodo al cátodo, asegurando la conducción iónica. Una de las características especiales de las baterías MCFC es que la elevada temperatura de funcionamiento, 600 – 700 ºC, a esta temperatura los carbonatos se funden y se mantienen por capilaridad en la matriz. La elevada temperatura de operación permite el uso de monóxido de carbono (CO) como combustible. Es importante destacar que el monóxido de carbono se considera un veneno para las baterías de baja y media temperatura, puesto que son las altas temperaturas de operación las que hacen que la célula sea menos propensa al envenenamiento por monóxido de carbono. Esto puede provenir del proceso de reformado de un hidrocarburo. Como consecuencia, los sistemas MCFC pueden operar con una variedad de combustibles diferentes, incluyendo gas combustible derivado del carbón, metano o gas natural, eliminando la necesidad de reformadores externos. En resumen, se pueden generar dos tipos de reacciones electroquímicas en el ánodo. La primera es la reacción principal de convertir la energía contenida en el hidrógeno en electricidad. La segunda es una reacción que puede tener lugar si hay monóxido de carbono presente en el combustible (por lo tanto, no ocurre si la batería se alimenta con hidrógeno puro), es favorable para la batería ya que también permite producir electricidad. En este tipo de células, las reacciones implicadas son más complejas que en las células de combustible de membrana de intercambio de protones, alcalinas o de ácido fosfórico. Las reacciones internas son las siguientes: -Ánodo: H2 (g) + CO32- → H2O (g) + CO2 (g) + 2e- -Cátodo: 1 2O2 (g) + CO2 (g) + 2e- → CO32- D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 115 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva -Reacción general: H2 (g) + 1 2O2 (g) + CO2 (g) → H2O (g) + CO2 (g) La Tabla 12 resume las características operativas de una AFC: Características y desempeño Temperatura de Operación 650 – 700 ºC Presión de Operación De 1 a varios bares Eficiencia Eléctrica 55% Voltaje actual 0,75 – 0,90 V Densidad actual Hasta 200 mA/cm2 Tiempo de puesta en marcha Hasta varias horas Tiempo de respuesta ante una rápida variación en la demanda Dependiendo del tamaño Tiempo de vida Varios miles de horas Tabla 12.- Características y desempeño MCFC En la Ilustración 38 se representa el esquema de funcionamiento de una pila MC. Las pilas de combustible de carbonato fundido tienen la ventaja de presentar una mejor tolerancia a los compuestos que contaminan el hidrógeno, en particular el monóxido de carbono (CO), que puede utilizarse como combustible junto con el hidrógeno, a su vez, el reformado de hidrocarburos (metano, propano, etc.) o de metanol puede realizarse dentro de la propia celda a alta eficiencia, y existe la posibilidad de cogeneración. Al trabajar a altas temperaturas de operación, alrededor de 650ºC, se mejora drásticamente la cinética de reacción, por lo que no es necesario aumentarlas con un catalizador de metal noble, pudiéndose utilizar Ni. El efecto adverso asociado a las celdas de carbonato fundido surge del uso de un electrolito líquido en lugar de un sólido y el requisito de inyectar dióxido de carbono en el cátodo a medida que los iones de carbonato se consumen en las reacciones que ocurren en el ánodo. En definitiva, la principal desventaja que presenta este tipo de baterías es la complejidad en el control del CO2 extraído del ánodo y reinyectado en el cátodo. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 116 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva A esta limitación se une la corrosión del óxido de níquel por el electrolito, el largo tiempo de puesta en marcha, la disolución del cátodo (Ni) y la baja densidad de corriente. Ilustración 38.- Esquema pila de combustible tipo MCFC 3.6.6 Pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC) Las pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC) representan la tecnología de baterías más madura en términos de desarrollo y comercialización. De hecho, se han creado instalaciones estacionarias de hasta 50 MW [34]. Aproximadamente 200 instalaciones de prueba han estado en funcionamiento en todo el mundo. La principal aplicación de estas baterías es la cogeneración y el rango de potencia de las baterías PAFC está entre 200 kW y 50 MW. Este tipo de pila de combustible se utiliza en generadores de energía estacionarios con una potencia en el rango de 100 kW a 400 kW para alimentar muchas instalaciones comerciales en todo el mundo, y también están encontrando aplicación en vehículos grandes como autobuses. Las PAFC utilizan un electrolito de ácido fosfórico. Su temperatura de funcionamiento es moderadamente elevada, estando comprendida entre 150 y 300 ° C [13]. Dada la temperatura de funcionamiento de la celda de PAFC, ciertos D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 117 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva componentes están sujetos a modificaciones, como el electrolito, por ejemplo, que tiende a degradarse o evaporarse; el catalizador también pierde su actividad catalítica durante el envejecimiento. Además, se debe considerar que los PAFC son malos conductores de iones a bajas temperaturas, el electrolito solidifica a bajas temperaturas, alrededor de los 40 ° C, y el monóxido de carbono (CO) tiende a envenenar gravemente el platino en el catalizador. Las reacciones químicas que tienen lugar en una FC de ácido fosfórico son: -Ánodo: H2 (g) → 2H+ (aq) + 2e- -Cátodo: 1 2O2 (g) + 2H+ (aq) + 2e- → H2O (liq) -Reacción general: 1 2O2 (g) + H2 (g) + CO2 → H2O (liq) + CO2 La Tabla 13 resume las características operativas de una PAFC: Características y desempeño Temperatura de Operación ~ 200 ºC Presión de Operación Presión atmosférica o hasta 8 bares Eficiencia Eléctrica 40 – 55% Voltaje actual 0,60 – 0,80 V Densidad actual Hasta 800 mA/cm2 Tiempo de puesta en marcha 1 – 3 horas Tiempo de respuesta ante una rápida variación en la demanda Muy rápido Tiempo de vida >40000 horas (medido en 2005) Tabla 13.- Características y desempeño PAFC En la Ilustración 39 se representa el esquema de funcionamiento de una pila PA. Las pilas de combustible de ácido fosfórico consisten en un ánodo y un cátodo fabricado de un catalizador de platino finamente disperso sobre carbono D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 118 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva y una estructura de carburo de silicio que contiene el electrolito de ácido fosfórico. Son bastante resistentes al envenenamiento por monóxido de carbono, pero tienden a tener una eficiencia menor que otros tipos de celdas de combustible en la producción de electricidad. Generan electricidad con una eficiencia del 40% y cerca del 85% si el vapor producido es empleado en cogeneración [28]. Las pilas de combustible de ácido fosfórico tienen la ventaja de presentar una mejor tolerancia al monóxido de carbono (tolera ~ 1%), la posibilidad de cogeneración (calor - electricidad) y no presentan sensibilidad frente al CO2. La principal desventaja que presenta este tipo de baterías es la temperatura a la que se debe de mantener la batería para impedir la solidificación del electrolito, que solidifica alrededor de los 40 ° C, para de este modo no dañar los electrodos. Por otro lado, la fuerte corrosividad del ácido provoca el deterioro de los electrodos, la batería tiene un tiempo de puesta en marcha relativamente elevado, sensibilidad al azufre y el catalizador es de elevado coste (platino). Ilustración 39.- Esquema pila de combustible tipo PAFC D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 119 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva 3.6.7 Estado actual del grado de implantación de la tecnología de la pila de combustible El año 2019 fue un año histórico para las celdas de combustible. La industria de las pilas de combustible comercializó más de 1GW de potencia. En la Ilustración 40 se representan los MW comercializados / año por tipo de pila de combustible [35], donde se observa que alrededor de 1.1 GW fueron comercializados. Al observar el gráfico se puede observar el elevado crecimiento total de unidades suministradas a nivel mundial durante 2018-2019 manteniéndose cerca de 70.000 unidades. Ilustración 40.- Megavatios por tipo de pila de combustible 2015-2019 Un indicador más importante es el incremento de megavatios (MW) suministrados, la Ilustración 41 muestra el número de envíos de pilas de combustible (en miles) en todo el mundo entre 2015 y 2019, desglosado por tipo de pila de combustible. En el año 2019, se pronosticó que habría alrededor de 44.100 envíos de celdas de combustible tipo PEM. El número de MW instalados creció un 40%, de 800 MW en 2018 a más de 1.100 MW al inicio de 2019. Dos tercios de los MW suministrados lo fueron por dos compañías: Toyota y Hyundai. Ilustración 41.- Ventas por tipo de pila de combustible 2015 - 2019 D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 120 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 121 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva 4 CÁLCULO Y MODELADO DEL SISTEMA HÍBRIDO DE UNA INSTALACIÓN AISLADA FV CON PEM 4.1 Propósito de estudio El trabajo aquí descrito se refiere a una metodología integral para dimensionar, analizar y evaluar sistemas PV-H2. El modelo considera los datos meteorológicos y las características técnicas de los componentes para realizar balances energéticos y calcular la eficiencia del sistema. Se desarrolla el estudio con dos sistemas electrolíticos (electrólisis de agua y electrólisis de reformado electroquímico de etanol) en un intento para encontrar la mejor compensación entre el tamaño del sistema y los voltajes de los electrolizadores. Para ello, se han realizado diversos análisis para establecer la dimensión y funcionamiento de sistemas PV-EL con acople directo, con objeto de optimizar la transferencia de energía, considerando la cantidad de hidrógeno producido y la rentabilidad del sistema. En cuanto al análisis se consideró una conexión directa PV-EL, en la que la energía de salida de los paneles fotovoltaicos se alimenta completamente al electrolizador durante todo el tiempo de funcionamiento. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 128 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva En las siguientes Ilustraciones, 45-50, se muestra una ampliación del gráfico global representado en la Ilustración 44, escogiéndose dos días del año de distintas épocas para que se observen claramente las diferencias entre los parámetros G y T. Ilustración 45.- Perfil de ración solar y temperaturas de los PV durante el mes de enero de 2018 Ilustración 46.- Perfil de ración solar y temperaturas de los PV durante el mes de julio de 2018 D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 129 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva Se ha graficado, a su vez, un día característico para cada estación, específicamente se han obtenido los valores de G y T para el día 21 de los meses siguientes a la entrada de cada una de las estaciones del año, comprobando que las gráficas siguen un comportamiento. 4.3.3 Caracterización módulos fotovoltaicos Las células solares más comunes están hechas de películas de silicio dopadas, y se clasifican en mono y policristalinas. Los módulos fotovoltaicos son conjuntos de células con diferentes tamaños de tal manera que permiten la generación de energía eléctrica. Las células de silicio monocristalinas son más eficientes que las células policristalinas, presentando mejores resultados en climas fríos. Para el estudio en cuestión, se ha realizado previamente un análisis de viabilidad comparando Ilustración 48.- Perfil diario de G y T de los PV 21/01/2018 Ilustración 47.- Perfil diario de G y T de los PV 21/04/2018 Ilustración 49.- Perfil diario de G y T de los PV 21/07/2018 Ilustración 50.- Perfil diario de G y T de los PV 21/10/2018 D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 130 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva las características tecno-económicas de los diversos módulos fotovoltaicos disponibles en el mercado. La instalación fotovoltaica utilizada en este trabajo para el estudio de las simulaciones se compone de módulos fotovoltaicos compuestos por células de silicio monocristalino (c-Si) interconectados en una configuración de 38,7 V de corriente continua y potencia pico de 340W. La producción de energía de la instalación fotovoltaica está determinada por la curva I-V de los módulos fotovoltaicos. Estas curvas dependen de la irradiancia, temperatura y de parámetros característicos de los módulos fotovoltaicos como son la corriente de cortocircuito (Isc), la tensión a circuito abierto (Voc), la intensidad y voltaje en el punto de máxima potencia (Impp, Vmpp), el diferencial de energía (Eg), asociado al material de las células que componen el módulo fotovoltaico) y el número de módulos conectado en serie o en paralelo (Ns, Np). Los parámetros de circuito de los módulos fotovoltaicos vienen reflejados en la hoja de datos, facilita por el fabricante. Conocer los parámetros de los módulos solares utilizados para la instalación es crucial para la evaluación del desempeño, el control y el cálculo de la eficiencia, y la determinación del punto de máxima potenciade los sistemas fotovoltaicos. El modelo presentado por Duffie & Beckmann [23], fue seleccionado para la caracterización de los módulos fotovoltaicos en este estudio (ec. 4), junto con las relaciones para calcular los parámetros recogidas en la Tabla 14 y características técnicas recogidas de la hoja de datos para la tecnología fotovoltaica (c-Si). 𝑉 =𝛼𝑙𝑛[(𝐼𝑠𝑐 −𝐼)/𝐼𝑂⁡+1]−𝐼𝑅𝑠,𝑟)] (ec. 4) Parámetros STC Variación desde STC 𝛂𝐫=(𝛍𝐕𝐨𝐜𝐓𝐫−𝐕𝐨𝐜,𝐫 +𝐄𝐠𝐍𝐬)/(𝛍𝐈𝐬𝐜𝐓𝐫 𝐈𝐬𝐜,𝐫 −𝟑) (ec.5) α=αr·(𝑇 Tr)⁡ (ec.6) 𝑰𝒔𝒄 =𝐆/𝐆𝐫[𝐈𝒔𝒄,𝒓 +𝛍𝐬𝐜(𝐓−𝐓𝐫)] (ec.7) Io,r =(Isc,rexp[−Voc,r/αr] (ec.8) 𝑰𝒐=(𝑰𝒐,𝒓(𝑻 𝐓𝐫)𝟑𝐞𝐱𝐩[(𝟏−𝑻𝒓/𝐓)𝑬𝒈𝑵𝒔/𝛂) (ec.9) Rs,r =[αrln(1−IMPP,r Isc,r )−VMPP,s+Voc,s] IMPP,r (ec.10) Tabla 14.- Relación para el modelado fotovoltaico D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 131 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva Las características de potencia frente a voltaje de la celda fotovoltaica muestra un máximo y esto depende de la temperatura de la celda y la irradiación. Las curvas de corriente-voltaje (I-V) se muestran en la Ilustración 51 junto con el punto de máxima potencia MPP (IMPP, VMPP) para diferentes valores de irradiancia solar y temperatura. Para obtener las curvas características de los módulos fotovoltaicos a diferentes condiciones de irradiancia (G) y temperatura (T) se ha utilizado el módulo Simulink de Matlab, el script ejecutado para graficar las curvas características del módulo a partir del workspace se recoge en el anexo 9.1.2. Para el modelado de las expresiones presentadas se ha hecho uso de Simulink. Simulink es un módulo gráfico de Matlab capaz de representar esquemáticamente las ecuaciones y configuraciones necesarias para la ejecución y modelado de un determinado sistema. Se ha hecho uso de un par de constructores de señales que permiten definir un número variable de entradas y salidas para el sistema en cuestión, y de esta forma estudiar el comportamiento de los módulos en función de la irradiancia y temperatura. El sistema global, cuyo esquema se muestra en la Ilustración 52, representa los datos de entrada que se aportan al sistema y los datos de salida que se obtienen tras procesar y ejecutar los cálculos con la información que se facilita al software. Será en el subsistema de la Ilustración 53 donde se represente la ecuación 4 característica de los módulos fotovoltaicos. Datasheet (STC) 𝐕𝐌𝐏𝐏,𝐫⁡(𝑽) 38.7 𝑰𝐌𝐏𝐏,𝐫⁡(𝑨) 8.79 𝑰𝒔𝒄,𝐫⁡(𝑨) 9.24 𝐕𝒐𝒄,𝐫⁡(𝑽) 47.1 𝛍𝑰𝑺𝑪⁡(𝑨/𝑲) 0.048%/℃ 𝛍𝑽𝑶𝑪⁡(𝑽 /𝑲) -0.29%/℃ 𝐄𝒈⁡(𝒆𝑽) 1.12 𝑵𝑺,𝑵𝑷⁡ 72, 1 𝐍𝐎𝐂𝐓⁡(º𝐂) 45 Ilustración 51.- Curvas V-I EAGLE 72M-V 340 Watt a diferentes G y T D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 132 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva Ilustración 52.- Sistema global configuración módulo fotovoltaico Ilustración 53.- Subsistemas de variables del módulo fotovoltaico Es preciso conocer el valor de ciertas variables de la ecuación descrita anteriormente para obtener los resultados en función de una señal escalón que representa la intensidad del sistema. Esta señal toma valores de 0 hasta alcanzar el punto de corriente de cortocircuito (Icc), sistema ideal con una pendiente de 11/5. Entre las Ilustraciones 54 y 59 se encuentran los respectivos modelos de las variables en Simulink. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 133 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva • Cálculo α𝐫 (ec. 5): Ilustración 54.- Cálculo alpha_r módulo fotovoltaico • Cálculo α (ec. 6): Ilustración 55.- Cálculo alpha módulo fotovoltaico D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 134 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva • Cálculo ISC (ec. 7): Ilustración 56.- Cálculo Isc módulo fotovoltaico • Cálculo Io,r (ec. 8): Ilustración 57.- Cálculo Io,r módulo fotovoltaico • Cálculo Io (ec. 9): Ilustración 58.- Cálculo Io módulo fotovoltaico D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 135 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva • Cálculo Rsr (ec. 10): Ilustración 59.- Cálculo Rsr módulo fotovoltaico Haciendo uso de los datos característicos de los módulos fotovoltaicos reflejados en el Datasheet se ejecutan las ecuaciones previamente detalladas, obtenido los valores de las variables en cuestión, que serán almacenadas en el espacio de trabajo de Matlab, destinado al almacenamiento de datos para su posterior procesamiento. Las curvas P-V se muestran en la Ilustración 60 para diferentes irradiancias y temperaturas. Este gráfico se obtiene a través de la ejecución del script detallado en el apartado 9.1.3 del anexo. Ilustración 60.- Curvas P-V EAGLE 72M-V 340 Watt a diferentes G y T D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 136 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva La Ilustración 61 reproduce fielmente las curvas facilitadas por el fabricante en la hoja de datos. Ilustración 61.-Curvas I-V y P-V del fabricante Inicialmente se ha realizado el modelado de un artículo científico [23], comprobando que los resultados obtenidos son idénticos a los del artículo. De esta forma queda demostrada la veracidad y exactitud del modelo, y quedan asentadas las bases del trabajo, aplicándolas posteriormente a nuestro modelado. La exactitud del sistema queda reflejada en el apartado 6 de este estudio. Por otro lado, para comprobar la veracidad de los resultados obtenidos en la simulación para los módulos Jinko con G y T variables, se han realizado las simulaciones de las curvas I-V y P-V correspondientes a los valores de irradiancia representados en el Datasheet para una temperatura de 25ºC. En la Ilustraciones 62 y 63 se observan que las curvas simuladas haciendo uso de las ecuaciones del modelo presentado por Duffie & Beckmann [23] corresponden a las curvas facilitadas por el fabricante (Ilustración 61), quedando demostrada la veracidad de los datos adjuntos en la primera fase del estudio. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 137 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva Ilustración 62.- Curvas V-I EAGLE 72M-V 340 Watt del fabricante a diferentes G y T=25ºC Ilustración 63.- Curvas P-V EAGLE 72M-V 340 Watt del fabricante a diferentes G y T=25ºC D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 144 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva Cuando la instalación fotovoltaica no sea capaz de satisfacer la demanda, en periodos de irradiancia baja o nula, se alimentará la pila de combustible con el hidrógeno almacenado para abastecer la demanda. 4.5.2 Demanda anual de la vivienda Para extender el estudio a un intervalo de tiempo objetivo de 1 año, se precisa conocer la variación del consumo diario de la vivienda. Con este estudio, se obtendrán datos variables para los diferentes periodos del año y al utilizarse datos directos de una estación meteorológica, los datos representados estarán sujetos a las condiciones climatológicas del día en cuestión. Para el modelado del sistema, se utilizan los datos de consumo derivados de la facturación de una vivienda unifamiliar ubicada en Sevilla. El resumen de los datos recogidos correspondientes a temperatura, irradiación corregida y consumo anual de la vivienda aislada se muestra en la Tabla 17. La muestra de datos se recoge con frecuencia horaria para poder estudiar el comportamiento del sistema de forma exhaustiva. La tarifa está caracterizada por la discriminación horaria, como se muestra en la Ilustración 68, presentando dos precios diferentes para el consumo de electricidad en función de la hora del día. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 145 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva Ilustración 68.- Horarios de luz tarifa 2.0 DHA Tipo de Factura 2.0 DHA P1 (kWh) P2 (kWh) CONSUMO ANUAL (kWh) Noviembre 20-30/11/2017 41 28 69 Diciembre 127 132 259 Enero 158 216 374 Febrero 138 176 314 Marzo 140 141 281 Abril 97 61 158 Mayo 125 97 221 Junio 85 88 173 Julio 93 91 183 Agosto 138 102 239 Septiembre 103 61 164 Octubre 93 70 164 Noviembre 01-20/11/2018 82 55 137 Tabla 17.- Resumen consumo mensual vivienda unifamiliar - Sevilla D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 146 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva 4.6 Modelado del sistema híbrido El modelo general del sistema híbrido permitirá la evaluación de los parámetros característicos de un sistema aislado FV-EL. La generación de energía primaria está determinada por la irradiancia incidente sobre los módulos fotovoltaicos, la interconexión entre módulos y el acoplamiento de estos a los electrolizadores, encargados de producir hidrógeno a través de reacciones electroquímicas para su posterior uso en la pila de combustible cuando sea preciso cubrir la demanda de energía eléctrica que no es capaz de suplir la instalación fotovoltaica trabajando de forma autónoma. Por ende, los niveles de producción de hidrógeno y de potencia generada por la pila de combustible también están determinadas por las características de la radiación solar, las células fotovoltaicas y su acoplamiento a los electrolizadores. 4.6.1 Selección del área y número de células del electrolizador Para modelar la conexión directa del electrolizador con la instalación fotovoltaica trabajando en el punto de máxima potencia, MPP, en el momento de máxima radiación diaria (G=1000W/m2), se han representado las curvas características de los electrolizadores bajo electrólisis de agua y de conformado de etanol, Ilustración 69. A su vez, se han representado las curvas características de los módulos fotovoltaicos V-I y P-V para distintos niveles de irradiancia (G), Ilustración 70. Es necesario considerar que, al utilizarse este enfoque, la posición relativa y la forma de la curva del electrolizador están determinadas por el número de células conectadas en serie a los módulos fotovoltaicos y la superficie característica de las células, que debe seleccionarse convenientemente para conseguir el mejor acoplamiento del sistema al MPP en función del número de células que empleemos para configurar el electrolizador de estudio. Para optimizar el proceso se ha generado un fichero Excel que facilita el valor de la superficie que deben tener las células del electrolizador en función del número de células que conformen el electrolizador y de los valores IMPP y VMPP para electrólisis de agua y electrólisis de conformado de etanol. D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 147 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva • Hoja de cálculo para electrólisis de agua, Tabla 18: Para electrólisis convencional esto se puede lograr con NEL-1 =18 y con SEL-1=4,83 cm2 por módulo fotovoltaico, para la máxima radiación solar (G=1000W/m2) y una temperatura de 53.7ºC. • Hoja de cálculo para electrólisis de conformado de etanol, Tabla 19: En el caso de electrólisis de conformado de etanol se logra con NEL-1 =40 y con SEL-1=33,22 cm2 por módulo fotovoltaico, para las mismas condiciones de operación. Como se muestran en la Ilustración 69, donde el sistema se encuentra trabajando cerca de los MPP. Se aprecia que para electrólisis de etanol estos valores son mucho más altos y el acoplamiento es peor debido a las diferentes características I-V que hacen que estos electrolizadores funcionen a densidades de corriente bajas (J). IMPP Vmpp 2k REo 4KEo S (cm^2) I/S Vcel 8,68084657 36,081 55,6 0,15 1,4 155,68 4,83 1,79727475 2,00449711 VMPP 36,08 NEL 18,0 OPCIÓN 1 G=1000W/m^2 y T=51,2ºC Tabla 18.- Hoja de cálculo para determinar las condiciones de la electrólisis de agua I Vmpp 2k REo 4KEo S (m^2) I/S Vcel 8,6820087 36,076 2,4 0,3 0,4 1,92 33,22 0,26134722 0,90189984 VMPP 36,076 NEL 40,0 OPCIÓN 1 G=1000W/m^2 y T=53,7ºC Tabla 19.- Hoja de cálculo para determinar las condiciones de la electrólisis de conformado de etanol D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 148 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva Ilustración 69.- Acoplamiento de ELs al MPP en el momento de máxima radiación diaria Ilustración 70.- Acoplamiento de ELs con los módulos fotovoltaicos para diferentes niveles de insolación D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 149 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva 4.6.2 Modelo de sistema híbrido Una vez definidos el número de células que componen el electrolizador y la superficie de estas, se puede proceder con el modelado del sistema aplicando el procedimiento presentado en [23] para optimizar el dimensionamiento relativo del conjunto FV-EL para un acoplamiento directo. En la Ilustración 71 se encuentra el diagrama de flujo a seguir para desarrollar el modelado del sistema híbrido: Ilustración 71.- Diagrama de flujo modelado del sistema híbrido D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 150 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva 1. Se conoce el comportamiento de los módulos fotovoltaicos haciéndose uso del modelo presentado por Duffie & Beckmann, la caracterización de los módulos (ec. 13) depende de la intensidad de cortocircuito (Isc), corriente de saturación inversa de la celda fotovoltaica (Io) y la resistencia de la serie de células fotovoltaicas (Rs,r). Por otra parte, el comportamiento del electrolizador para los dos sistemas electrolitos PEM de estudio (ec.14) viene determinado mediante el voltaje termodinámico (Eo), el parámetro cinético (K), y el parámetro óhmico (R). Al basar la simulación en un acople directo FV-EL, la intensidad eléctrica del módulo fotovoltaico acoplado al electrolizador según el perfil de radiación (ec. 11), determinado por la irradiancia máxima (Gm), y el incremento de horas entre el amanecer y el atardecer (∆𝒕), el perfil de temperatura (ec.12), determinado por la temperatura ambiente (Ta), la irradiancia (G) y la temperatura de la celda de operación (NOCT) se determina resolviendo las ecuaciones (ec.13) y (ec.14) simultáneamente. 𝐺 =1 2𝐺𝑚[(1−cos⁡(2𝜋𝑡/∆𝑡)] (ec.11) 𝑇 =𝑇𝑎+𝐺(𝑁𝑂𝐶𝑇−20)/800 (ec.12) 𝑉 =𝛼𝑙𝑛[(𝐼𝑠𝑐 −𝐼)/𝐼𝑂⁡+1]−𝐼𝑅𝑠,𝑟)] (ec.13) 𝑉 =[(𝐽+2𝐾(𝐽𝑅+𝐸𝑂)+(𝐽2+4𝐾𝐸𝑂𝐽)1/2⁡/2𝐾]⁡ (ec.14) 2. Una vez determinada la intensidad que recorre el módulo fotovoltaico (ec.15) en función de la irradiancia y temperatura durante las horas del día, se suma la generación de energía determinando la potencia que se logra alcanzar con un único módulo fotovoltaico (ec. 16). La potencia generada por el módulo fotovoltaico PV1 se compara con el consumo (C) diario para determinar el número de módulos fotovoltaicos (ec. 17) requeridos para satisfacer la demanda, haciendo uso de un factor de tamaño adecuado en función del proceso electrolítico a estudiar (f) para dimensionar la instalación: D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 151 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva 𝐼𝑃𝑉1,𝑡(𝐺𝑡,𝑇𝑡)=0 (ec.15) 𝑃𝑃𝑉1=∑(𝐼·𝑉)𝑃𝑉1,𝑡 (ec.16) 𝑁𝑃𝑉 =𝑓·𝐶/𝑃𝑃𝑉1 (ec.17) 3. Una vez determinado el número de módulos fotovoltaicos conectados en serie para nuestra instalación, se determina la generación de potencia conjunta del campo fotovoltaico (ec.18). El electrolizador transformará, mediante procesos electroquímicos, la energía eléctrica generada por el campo fotovoltaico que no se utilice para suplir la demanda eléctrica en H2, que se almacenará en un depósito a presión para su posterior uso en aquellas horas de irrandiancia baja o nula mediante una pila de combustible. Para calcular las horas de potencia que se destinan al electrolizador (ec.19), se reduce la potencia que genera la instalación fotovoltaica con el consumo durante las horas de sol imputando el exceso de horas de potencia destinadas al electrolizador. 𝑃𝑃𝑉 =∑𝑁𝑃𝑉 ·𝑃𝑃𝑉1,𝑡 (ec.18) 𝑃𝐸𝐿 =∑|𝑃𝑃𝑉,𝑡 ·𝐶𝑡| (ec.19) 4. Una vez se conocen los valores de voltaje y potencia del electrolizador en función de la irradiancia, temperatura y consumo horario, se determina la corriente que llega al electrolizador (ec.20). Por otro lado, se determina el área de los electrodos (ec.21) para la potencia máxima (nominal) que está vinculada con el área de las células que posee el electrolizador (Sel) conectadas en serie, la potencia máxima del módulo fotovoltaico (PPV1) y la potencia máxima del electrolizador (PEL): 𝐼𝐸𝐿,𝑡 =𝑃𝐸𝐿,𝑡/𝑉𝐸𝐿,𝑡 (ec.20) 𝑆𝐶𝐸𝐿 =𝑆𝐸𝐿 ·(𝑃𝐸𝐿/𝑃𝑃𝑉1)max (ec.21) D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 152 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva 5. La producción de hidrógeno (QH) (ec.22) por parte del electrolizador se estima haciendo uso de la ley de Faraday (ℱ= 96,5 kC/gH2), utilizando una eficiencia de corriente neta (hEL = 0,90) para tener en cuenta las pequeñas pérdidas farádicas y el consumo de energía adicional externo al electrolizador: 𝑄𝐻=∑𝑁𝐸𝐿 ·3,6·𝜂𝐸𝐿 ·𝐼𝐸𝐿,𝑡/ℱ (ec.22) 6. Será en aquellos intervalos de tiempo, donde la potencia del campo no sea capaz de suplir la totalidad de la demanda de energía trabajando de forma autónoma, cuando se generé la energía eléctrica mediante un proceso termoquímico a partir del H2 almacenado, haciendo uso de la pila de combustible. La potencia que se precisa para soportar los déficits de potencia (ec.23) depende de la disponibilidad H2 en términos de diferencias de potencia (SOC) (ec.24), a su vez, hay que considerar un rendimiento del dispositivo a la hora de realizar los cálculos, se considera que el rendimiento de la pila de combustible es ηFC=0,60 (LHV). 𝑃𝐹𝐶 =∑|𝐶𝑡−𝑃𝑃𝑉,𝑡| (ec.23) 𝑆𝑂𝐶⁡=⁡∑|𝑄𝐻,𝑡 −𝑃𝐹𝐶,𝑡/𝜂𝐹𝐶| (ec.24) 4.6.3 Escenarios para la obtención de resultados En el desarrollo de este estudio se abordan varios escenarios de simulación tras realizar la validación del modelo (capítulo 6): • Simulación con el electrolizador a base de agua (EL-1) durante el día (24 h). • Simulación con el electrolizador a base de conformado de etanol (EL-2) durante el día (24 h). • Simulación con el electrolizador a base de agua (EL-1) durante la totalidad de un año (12 meses). • Simulación con el electrolizador a base de conformado de etanol (EL-2) durante la totalidad de un año (12 meses). D Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla 153 Autora: Beatriz Retamosa Ruiz Tutor: Dr. José Antonio Becerra Villanueva La simulación del modelo previamente detallado se ha realizado desarrollando dos vías de modelado alternativas, por un lado, se ha hecho uso de una hoja de cálculo para determinar los valores numéricos de las variables en las simulaciones con extensión de 24 h y, en adición, se ha realizado la simulación haciendo uso del software de programación “Matlab”. Los resultados obtenidos al desarrollar ambas vías de actuación se asemejan al modelo base, obteniéndose una mayor precisión en el modelo simulado a través de Matlab. Las simulaciones destinadas al estudio del sistema para la totalidad de un año se han desarrollado directamente utilizando Matlab al ser preciso manejar una base de datos extensa, y asegurar la exactitud de los datos procesados.