Producción de hidrógeno a partir de energía solar fotovoltaica. Análisis de sensibilidad de parámetros de diseño

Trabajo Fin de Máster Máster Universitario en Ingeniería Industrial Autora: Yolanda González Besa Tutor: Francisco Javier Pino Lucena Departamento de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2016 PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 2 PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 3 Trabajo Fin de Máster Máster Universitario en Ingeniería Industrial PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Autora: Yolanda González Besa Tutor: Francisco Javier Pino Lucena Doctor Ingeniero Industrial. Profesor contratado Departamento de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2016 PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 4 Trabajo Fin de Máster: PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Autora: Yolanda González Besa Tutor: Francisco Javier Pino Lucena El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2016 El Secretario del Tribunal PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 5 PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 6 Agradecimientos Primeramente agradezco a mi Tutor del Trabajo de Fin de Máster, Don Francisco Javier Pino Lucena, por haber tenido toda la paciencia del mundo para guiarme durante todo el desarrollo del Trabajo y porque sin su ayuda y conocimiento no hubiese sido posible realizar este proyecto. Y en segundo lugar a mi familia y amigos por haberme apoyado siempre y haberme aguantado en momentos de agobio y estrés. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 7 Índice 1 OBJETIVOS............................................................................................................ 13 1.1 Introducción ..................................................................................................... 13 1.2 Objetivos del trabajo ........................................................................................ 13 2 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA .............................................................................. 14 2.1 Introducción del panorama energético actual .................................................. 14 2.2 Estado del arte de la Energía Fotovoltaica ....................................................... 15 2.3 Estado del arte de la producción de hidrógeno ................................................ 27 2.4 Estado del arte de los sistemas integrados fotovoltaica-hidrógeno ................. 37 2.4.1 Instalaciones con sistemas integrados en el mundo.................................. 38 3 MODELOS MATEMÁTICOS ............................................................................... 55 3.1 Célula Fotovoltaica .......................................................................................... 55 3.1.1 Principio de Funcionamiento .................................................................... 55 3.1.2 Parámetros de caracterización de una célula solar ................................... 57 3.1.3 Circuito Equivalente de Partida ................................................................ 61 3.1.4 Circuito Equivalente ................................................................................. 68 3.2 Electrolizador ................................................................................................... 72 3.2.1 Conceptos básicos de la electrólisis del agua ........................................... 72 3.2.2 Característica voltaje-intensidad............................................................... 78 3.2.3 Eficiencia de Faraday y Eficiencia de Voltaje.......................................... 79 3.2.4 Rendimiento energético global ................................................................. 82 4 ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD ............................................................................ 83 4.1 Punto de funcionamiento nominal ................................................................... 83 4.1.1 Electrolizador............................................................................................ 83 PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 8 4.1.2 Módulos Fotovoltaicos ............................................................................. 89 4.1.3 Acople de ambos sistemas ........................................................................ 92 4.2 Desarrollo del análisis y valores numéricos..................................................... 99 4.2.1 Para acople Directo ................................................................................. 100 4.2.2 Para acople Indirecto .............................................................................. 115 4.2.3 Comparación del acople directo y del acople indirecto .......................... 118 5 CONCLUSIONES ................................................................................................ 120 6 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................... 125 7 ANEXOS ............................................................................................................... 127 7.1 ANEXO A: Código EES ................................................................................ 127 7.1.1 Modelo Fotovoltaica: Cálculo de parámetros iniciales y curva característica .......................................................................................................... 127 7.1.2 Electrolizador: Cálculo de Vrev y Vtn y curva característica ................ 128 7.1.3 Acople Directo: Cálculo de módulos en serie y módulos en paralelo .... 130 7.1.4 Acople Indirecto: Cálculo de módulos en serie y módulos en paralelo . 131 7.1.5 Acople Directo: Producción de Hidrógeno ............................................ 132 7.1.6 Acople Indirecto: Producción de Hidrógeno .......................................... 135 PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 9 Índice de Figuras Ilustración 2-1: Células solares producidas en el 2010 según la tecnología empleada. (Borja Galán, 2012) ............................................................................................................................................. 19 Ilustración 2-2: Desarrollo de la eficiencia de las celdas de silicio cristalino (Rekioua, 2012) ....... 22 Ilustración 2-3 Radiación global diaria para un año en Freiburg, Alemania (Lotsch, Goetzberger, 2005) .......................................................................................................................................................... 23 Ilustración 2-4 Radiación global diaria para un año en Khartoum, Sudán (Lotsch, Goetzberger, 2005) .......................................................................................................................................................... 23 Ilustración 2-5 Esquema del funcionamiento de un electrolizador alcalino (López, 2010) ............. 33 Ilustración 2-6 Esquema básico de la célula electrolítica de un electrolizador PEM (García- Valverde, 2011) ........................................................................................................................................ 34 Ilustración 2-7 Esquema de conexión de un electrolizador unipolar (Ulleberg, 2003) .................... 36 Ilustración 2-8 Esquema de conexión de un electrolizador bipolar (Ulleberg, 2003) ...................... 36 Ilustración 2-9 Esquema del segundo experimento llevado a cabo en Madrid (Ulleberg, 2007) .. 41 Ilustración 2-10 Esquema del sistema de Takasago (Ulleberg, 2007) .............................................. 43 Ilustración 2-11 Esquema del proyecto HARI, con los principales componentes instalados (Ulleberg, 2007) ....................................................................................................................................... 45 Ilustración 2-12 Esquema del sistema PV/H2 en Brunate, Italia (Ulleberg, 2007)........................... 47 Ilustración 2-13 Esquema de la estación de hidrógeno de las Vegas (Ulleberg, 2007) .................. 48 Ilustración 2-14 Esquema de la estación de abastecimiento de combustible hidrógeno del proyecto ECTOS de Reykjavik, Islandia (Ulleberg, 2007) ................................................................. 50 Ilustración 2-15 Esquema de la estación de abastecimiento de hidrógeno y gas natural en Malmö (Ulleberg, 2007) ....................................................................................................................................... 52 Ilustración 2-16 Diagrama de flujo de la Estación de Espíritu Pacífico de Vancouver (Ulleberg, 2007) .......................................................................................................................................................... 54 Ilustración 3-1 Unión tipo p-n cogido (Borja Galán, 2013) ................................................................... 56 Ilustración 3-2 Esquema de los componentes físicos y principio de funcionamiento de una célula solar ........................................................................................................................................................... 57 Ilustración 3-3 Efecto de la irradiancia en las curvas características de un módulo fotovoltaico (Rekioua, 2012)........................................................................................................................................ 59 Ilustración 3-4 Efecto de la temperatura en las curvas características de un módulo fotovoltaico (Rekioua, 2012)........................................................................................................................................ 59 Ilustración 3-5 Circuito equivalente del principio de funcionamiento ideal de una célula fotovoltaica (Townsend, 1989) ............................................................................................................... 61 Ilustración 3-6 Curva Voltaje-Intensidad del diodo y de la célula fotovoltaica (Townsend, 1989) . 63 Ilustración 3-7 Circuito equivalente distribuido (Townsend, 1989) ..................................................... 64 PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 16 En 1946 el ingeniero estadounidense Russel Ohl patentó lo que se considera la célula solar moderna, aunque otros investigadores habían avanzado en su desarrollo con anterioridad: el físico sueco Sven Ason Berglund había patentado en 1914 un método que trataba de incrementar la capacidad de las células fotosensibles, mientras que en 1931 el ingeniero alemán Bruno Lange había desarrollado una fotocélula usando seleniuro de plata en lugar de óxido de cobre. La primera célula que fue capaz de convertir la luz del sol en energía eléctrica fue desarrollada por Chapin, Fuller y Perarson en 1954. Estas células comenzaron a ser útiles en aplicaciones aeroespaciales debido a la necesidad de proveer a los vehículos espaciales de potencia, ya que la tecnología fotovoltaica permite trabajar de manera fiable y sin mantenimiento para largos periodos. Dichas aplicaciones fueron por ejemplo la alimentación de satélites artificiales, la fotosensibilización de algunos equipos electrónicos o la alimentación de pequeñas cargas en lugares remotos o de difícil acceso. En 1958 la primera célula solar se usó para suministrar el satélite “Vanguard” que fue puesto en órbita. Esta célula desempeñó su papel incluso mejor de lo provisto y alimentó al satélite mucho más tiempo de lo esperado. Gracias a esto, la demanda de las células solares aumentó rápidamente en los años siguientes. La consecuencia más inmediata no fue solo una mejora de los parámetros eléctricos de las células, sino también una disminución de los precios. Las primeras células tenían una eficiencia de conversión de solo un 1 % pero ya en 1954 se había logrado incrementar la eficiencia al 6 % en condiciones normales de operación, siendo cercanas a 15 % en laboratorio. Además se evoluciona en los procesos de fabricación y tratamiento de los materiales. La aplicación de los sistemas fotovoltaicos ha estado desarrollándose muy lentamente. Sin embargo, hay diversas ventajas que la posicionan entre los sistemas de producción de energía del futuro: - Conversión directa de la radiación solar en electricidad. - No contamina. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 17 - No se alcanzan altas temperaturas. - Los módulos fotovoltaicos tienen un ciclo de vida largo. - La fuente de energía, el sol, es gratis e inagotable. - Es una fuente de energía muy flexible, ya que el rango de potencia va de microvatios a megavatios. A partir de 1975 la tecnología empieza a considerarse lo suficientemente madura para utilizarse en aplicaciones industriales y en el ámbito doméstico. Los expertos en el campo de la industria empezaron a buscar alternativas a la escasez de petróleo y al alto precio que tenían que pagar por él, y la fotovoltaica pareció un buen candidato para el futuro. Estados Unidos, Europa y Asia empezaron a desarrollar la tecnología de las células solares, los sistemas y sus componentes. El precio disminuyó enormemente debido a el desarrollo de mejores células y sistemas solares, programas de demostración para la comprobación y optimización de sistemas y, finalmente, programas de apoyo al mercado para generadores conectados a la red eléctrica. Como resultado, la producción fue aumentando a una rapidez de un 20-40 % al año, suponiendo esto una reducción en los costes. Las demostraciones y programas de apoyo al mercado más importantes fueron (H.K.V. Lotsch, Professor Dr. Adolf Goetzberger 2005): - Programa de análisis y medida de los 1000 tejados alemanes. - El programa de los 100000 tejados en Alemania. - El programa del millón de tejados en los Estados Unidos (este programa también incluye los sistemas térmicos). - El programa del mejor tejado italiano. - Introducción de programas más pequeños en Austria y Suiza. Ya en 1980 la producción de paneles fotovoltaicos alcanzó la cifra de 1500 kW anuales y en 2013 aumentó hasta los 128 GW, si bien la eficiencia aún no fue demasiado alta (14 % en módulo de células de silicio monocristalino y 13 % en módulo de células de silicio policristalino). PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 18 Hasta hace pocos años, desde un punto de vista práctico, se utilizaban módulos de 36 células y aproximadamente con una superficie de 0.4 . Actualmente los módulos que se utilizan son mayores y disponen de 108 o más células asociadas en serie o en serie-paralelo. Cuanto mayor sea el módulo, mejor relación precio/potencia tendrá y además requerirá menos mano de obra en las labores de instalación e interconexionado. En cuanto a la vida útil, pueden llegar a durar más de treinta años siempre que se cumpla con la normativa en cuanto a la homologación, aunque a partir de los 25 años sus prestaciones se reducen en un 20-25 % respecto al primer día. Los materiales utilizados suelen ser silicio, germanio y selenio, si bien las de silicio son las más comunes. Aun así, el silicio no es el material ideal para la conversión fotovoltaica, al ser un material con poca absorción de la radiación solar y, además, se necesita una capa de silicio gruesa para una absorción eficiente. Debido a los inconvenientes que poseen algunos de los materiales utilizados, las investigaciones para encontrar un material adecuado lleva siendo una prioridad desde que se comenzó a explotar esta tecnología, siendo los materiales prioritarios aquellos que posee finas capas de material. Aunque como se ha dicho anteriormente la elección del material aún sigue siendo un problema, se están empezando a encontrar materiales y tecnologías prometedoras. El primer material en aparecer fue el Silicio amorfo (a-Si), que tiene diferentes propiedades fundamentales que el Silicio cristalino. Sin embargo, la baja eficiencia obtenida y la degradación de luz inducida de este tipo de celdas solares hicieron que pronto pasaran a utilizarse solo en interiores. Una vez resueltos los problemas de la degradación de luz inducida, el silicio amorfo está volviendo a entrar en el mercado, llegando a tener una eficiencia de alrededor de 13 %. Además del silicio amorfo hay otros materiales que son adecuados para las celdas solares. Algunos pertenecen a la clase de los semiconductores compuestos, como el GaAs or InP, que son de los grupos III-V de acuerdo con PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 19 su posición en la tabla periódica. Otros grupos importantes son los II-VI y I-III- VI2. A continuación se muestra en la ilustración 2.1 las células solares producidas durante el año 2010 según la tecnología empleada. Como se observa, de la producción total de las células solares, que corresponde a 23889 MW, el 83 % lo produjeron células cristalinas estándar. El 17 % restante corresponde a células de Teleniuro de Cadmio en un 6 %, a células finas de Silicio en un 5 %, a células súper monocristalinas de Silicio en un 4 % y, el 2 % restante, pertenece a células de la tecnología CIGS y CIS. Ilustración 2-1: Células solares producidas en el 2010 según la tecnología empleada. (Borja Galán, 2012) La nueva tecnología se basa en los semiconductores compuestos ternarios CuInSe2, CuGaSe2 CuInS2, y su aleación Cu(InGa)(S,Se)2 (también llamada tecnología CIGS). Los primeros resultados con CuInSe2 (tecnología CIS) fueron muy prometedores y, al ser dicha tecnología tan flexible, al añadir Ga y S se ayuda a aumentar la eficiencia. Las eficiencias que se han alcanzado en los laboratorios recientemente han sido de 18,9 %. Así pues, los módulos CIS/CIGS se pueden encontrar ya en el mercado en pequeñas cantidades. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 20 Las células solares de CdTe tienen una larga tradición y se encuentra también en el mercado. Después de un largo desarrollo han llegado a eficiencias del 16 %. A pesar de que poseen una manufactura complicada y un alto coste, las celdas de silicio cristalino son las que dominan el sector y las que lo seguirán haciendo en un futuro inmediato. Esto se debe a que es un recurso muy abundante, tiene altas eficiencias y el impacto ambiental es pequeño. Se pasará ahora a hablar de las células de silicio monocristalino, policristalino y amorfo, además de otras nuevas tecnologías que están aún en desarrollo. La producción de módulos en potencia de un 55 % en módulos de silicio policristalino, un 30 % de silicio monocristalino y un 5 % de silicio amorfo. a) Células de silicio monocristalino: se obtienen a partir de barras cilíndricas de silicio monocristalino producidas en hornos especiales. Su eficiencia en conversión de luz solar en electricidad es superior al 12 % (la eficiencia más alta está en torno al 23 %). En este caso el silicio que compone las células de los módulos es un único cristal, por lo tanto la red cristalina es la misma para todo el material y posee pocas imperfecciones. El proceso de cristalización es complicado y costoso pero, sin embargo, es el que proporciona la mayor eficiencia de conversión de luz en energía eléctrica. El silicio monocristalino se obtiene cuando el policristalino producido en la forma descrita, su funde y se deja solidificar de tal forma que los átomos de silicio se arreglan en una red perfecta. En la ilustración 2.2 se observa el desarrollo de la eficiencia de las celdas de silicio cristalino desde 1877 a 2010. b) Células de silicio policristalino: estas celdas se obtienen a partir de bloques de silicio obtenidos por fusión de trozos de silicio puro en moldes especiales, en los cuales se enfría lentamente hasta que se solidifica. En este proceso, los átomos no se organizan formando un PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 21 único cristal sino que se forma una estructura policristalina con superficies de separación entre los cristales. Este proceso es más barato que el anterior pero los rendimientos son algo inferiores. c) Células de silicio amorfo: estas celdas se obtiene mediante la deposición de capas muy delgadas de silicio sobre superficies de vidrio o metal. El silicio amorfo absorbe 40 veces más luz que el silicio cristalino y es más económico, ya que las células solares de silicio amorfo son muy delgadas, sin embargo las eficiencias de conversión de luz solar a electricidad son menores. d) Otras nuevas tecnologías (Djamila Rekioua 2012): a. Células solares orgánicas (OSC): hechas de finas capas de materiales orgánicos. Hay tres tipos diferentes de celdas solares orgánicas: los materiales semiconductores orgánicos pueden estar compuestos de pequeñas moléculas (celdas solares SM) o de polímeros (celdas solares de polímeros). El tercer tipo de celdas solares orgánicas es la celda Grätzel. b. Células tándem: hechas de diferentes materiales semiconductores que cubren distintos rangos espectrales. c. Células de concentración que usan espejos y lentes: Este sistema usa solo radiación directa y necesita un mecanismo adicional para el seguimiento del sol. La eficiencia está en torno al 42,2 % de radiación directa. d. Células MIS: el campo eléctrico interior es producido por el cruce de una capa fina de óxido y un semiconductor. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 22 Ilustración 2-2: Desarrollo de la eficiencia de las celdas de silicio cristalino (Rekioua, 2012) Aunque el potencial teórico de fotovoltaica alrededor del mundo es muy alto, es difícil decir una cifra exacta de éste. De toda la radiación solar que llega a la superficie de la tierra solo una pequeñísima parte (alrededor del 0,003 %) equivale a la demanda global de electricidad actual. Comparándola con la energía eólica, que es una energía renovable presente más económica, la fotovoltaica tiene como ventaja la no limitación a ciertas localizaciones geográficas. Aun así, la cantidad de radiación sí que depende del clima y la geografía, principalmente en la latitud. Hay una diferencia en el factor de energía radiante de 2,5 entre la zona del desierto más árida y Europa Central. Un problema muy importante en muchas localizaciones es la naturaleza intermitente de la energía solar. Como ejemplos se muestran el caso de Freiburg, en la ilustración 2.3, en el sur de Alemania, donde hay una gran diferencia entre la fuerte radiación solar en verano y la poca radiación solar en invierno. En contraste con Alemania se tiene la ciudad de Khartoum, Sudán, con un clima desértico, ilustración 2.4, en el que se muestra una radiación solar más uniforme y escala diaria y anual (H.K.V. Lotsch, Professor Dr. Adolf Goetzberger 2005). PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 23 Incluso en Europa Central, que no tiene demasiado sol, una parte de la demanda de electricidad (más del 50 %) podría ser suministrada por electricidad solar teóricamente pero, en la realidad, hay muchos problemas estacionales de desequilibrio entre el suministro y la demanda. Ilustración 2-3 Radiación global diaria para un año en Freiburg, Alemania (Lotsch, Goetzberger, 2005) Ilustración 2-4 Radiación global diaria para un año en Khartoum, Sudán (Lotsch, Goetzberger, 2005) PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 24 En zonas climáticas con una radiación solar menos variable harán posible un mayor uso de la electricidad fotovoltaica, ya que la misma célula solar instalada en un área del desierto cercana al ecuador generará 2,0-2,5 veces más electricidad que en Europa. Aun así, para solucionar este problema, se espera que en el futuro los paneles fotovoltaicos se instalen en lugares desérticos y después la energía sea transportada a los consumidores de todo el mundo en forma de hidrógeno. El principal problema en la economía de esta tecnología es el alto coste de las células solares. Sin embargo, los costes están disminuyendo constantemente a medida que va aumentando el desarrollo del mercado. En 2002 el mercado fotovoltaico mundial era de más de 500 MWp al año, correspondiendo a un valor de 1 billón de dólares. El crecimiento del mercado en la última década ha sido de entre 15-25 % al año y sería positivo si se pudiese mantener 10-50 años, ya que el coste de la electricidad fotovoltaica caería rápidamente. Las células se agrupan en serie y/o en paralelo formando un módulo fotovoltaico. Estas células estarán protegidas y vinculadas al exterior con otros elementos: - Cubierta frontal: con alta trasmisividad en el rango de longitudes de onda que puedan ser aprovechas por una célula solar fotovoltaica y una baja reflexión de la superficie frontal, para aprovechar al máximo la energía solar incidente. El material deberá ser resistente a impactos, estable a una alta radiación ultravioleta y una baja resistividad térmica. Suele ser de vidrio templado. - Cubierta posterior: opaca a la radiación. Suele ser una lámina delgada de algún polímero. - Encapsulante: para dar adhesión entre las células solares, la superficie fronta y la posterior del módulo. Deberá ser impermeable al agua y resistente a la fatiga térmica y la abrasión. El más utilizado es el EVA (etilen-vinil-acetato). - Distintos tipos de diodo: se colocan diodos de paso en paralelo en asociaciones de células en serie para evitar, dado el caso, que todos los elementos descarguen su potencia sobre una célula sombreada y ésta PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 25 se deteriore. A su vez también se utilizan diodos de bloqueo con dos funciones, la de proteger sistemas fotovoltaicos aislados de intensidades inversas procedentes de la batería durante la noche y en ramas en paralelo, deterioradas o sombreadas, evitan las intensidades inversas. - Un marco y una caja de conexiones: el conjunto formado por células, cubiertas y encapsulante se enmarca en perfiles rígidos de aluminio a su vez sellados. La caja de conexiones suele ir en la cara posterior y en ella aparte del polo positivo y negativo se localizan los diodos de paso. Desde el punto de vista de la producción aparecen en escena otra serie de componentes indispensables:  El inversor, que tiene la labor de convertir la corriente continua proveniente de los módulos en corriente alterna  El transformador, que eleva el voltaje de la corriente alterna proveniente de los inversores al adecuado para su conexión a una subestación de distribución.  Protecciones y aparellaje eléctrico. Este tipo de paneles producen electricidad en corriente continua y aunque su efectividad depende tanto de su orientación hacia el sol como de su inclinación con respecto a la horizontal, se suelen montar instalaciones de paneles con orientación e inclinación fija, por ahorros en mantenimiento. Tanto la inclinación como la orientación, al sur, se fija dependiendo de la latitud y tratando de optimizarla al máximo usando las recomendaciones de la norma ISO correspondiente. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 32 - Electrólisis alcalina: El electrolito usado tradicionalmente en los electrolizadores alcalinos es una mezcla de agua con un hidróxido potásico (KOH) o hidróxido de sodio (NaOH), con una concentración entre el 20 y el 30 % para asegurar una conductividad iónica óptima de la disolución. La temperatura y presión típica de operación está entre los 70-100 ºC y de 1-30 bar respectivamente. En este tipo de electrólisis, el ánodo y el cátodo están separados por un diafragma cerámico o de polisulfonato impermeable a los gases pero que permite el paso de los líquidos y de la corriente eléctrica. Las semirreacciones que tienen lugar en cada uno de los electrodos son las mostradas a continuación: Reacción Catódica: Reacción Anódica: En el cátodo se disocian dos moléculas de agua en una de hidrógeno gas y dos iones hidroxilos. El hidrógeno generado abandona el compartimento por la superficie del compartimento catódico y el ión hidroxilo se mueve hacia el ánodo donde se disocia en una molécula de agua y media molécula de oxígeno. El oxígeno se recombina en la superficie del compartimento anódico y escapa del mismo en forma gaseosa. Por lo tanto es necesario el aporte continuo de agua para continuar el ciclo (Pino Lucena, 2010). En una solución alcalina es necesario que los electrodos sean resistentes a la corrosión a la vez que deben tener una buena conductividad eléctrica y propiedades catalíticas, además de una buena integridad estructural. Por otro lado, el diafragme debe tener una baja resistencia eléctrica. Estas características son posibles con el uso de ánodos basados en níquel, cobalto y PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 33 hierro; cátodos basados en níquel activados con platino y diafragmas de óxido de níquel. En la ilustración 2.5 se muestra el esquema del funcionamiento de un electrolizador alcalino: Ilustración 2-5 Esquema del funcionamiento de un electrolizador alcalino (López, 2010) - Electrólisis ácida: Esta electrólisis está basada en electrolizadores con membrana de intercambio protónico (PEM). Esta tecnología es menos madura pero posee ciertas ventajas que la hacen muy prometedora para su acople con distintas fuentes renovables, como son por ejemplo su mayor seguridad y fiabilidad al no existir un fluido en movimiento; una mayor pureza de los gases obtenidos al no haber arrastre de electrolito y unas pérdidas óhmicas de las membranas menores que las del electrolito líquido por lo que el voltaje de operación de la celda electrolítica es menor para la misma intensidad eléctrica. Con desventajas se tienen los mayores problemas de corrosión que presenta este tipo de electrólisis y la desactivación en los electrodos que hace que el mantenimiento de los electrolizadores deba ser mayor. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 34 El funcionamiento de este tipo de electrolizadores empieza con la inyección del agua por la zona del ánodo y se disocia en oxígeno, protones y electrones. Los protones son conducidos a través de la membrana (PEM) hacia el cátodo por el campo electrónico, donde se combinan con los electrones procedentes del circuito externo para formar hidrógeno gas. Las semirreacciones que tienen lugar en este proceso son: Ánodo: Cátodo: Ilustración 2-6 Esquema básico de la célula electrolítica de un electrolizador PEM (García- Valverde, 2011) Ahora se pasará a hablar del electrolizador, que es el equipo donde tiene lugar la electrólisis. Está constituido por varias células conectadas en serie, cada una de ellas con los siguientes elementos: - Electrodos, cátodo y ánodo. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 35 - Electrolito: tal y como se comentó anteriormente, según el tipo de electrolito así será el tipo de electrolizador, siendo los más usados los ácidos y los alcalinos. - Diafragma: membrana que limita el paso de los compuestos entre el ánodo y el cátodo, impidiendo la mezcla entre el hidrógeno y el oxígeno producido. Se distinguirán dos tipos de electrolizador:  Unipolar: electrodos negativos o positivos con conexión en paralelo de cada célula. El diseño es más simple y más robusto, y se obtienen menores gastos de manufacturación además de ser más fáciles de operar. Las presiones de trabajo que se alcanzan son menores, por lo tanto el consumo de la bomba de alimentación disminuye. Por el contrario, se necesita más espacio para una misma producción de hidrógeno y el embarrado eléctrico es más complejo. En la ilustración 2.7 se muestra el esquema de conexión de un electrolizador unipolar.  Bipolar: las células están conectadas en serie eléctrica y geométricamente. La distancia que recorren los electrodos y los cables por la corriente es menor, así que el diseño es más compacto, y las pérdidas por resistencia óhmica son menores. La eficiencia del electrolizador es mayor. Por el contrario, posee corrientes parásitas entre las distintas celdas que pueden causar problemas de corrosión, el diseño es más complejo debido a la compacidad y a las altas presiones, los costes también son mayores y se necesitan mayores protecciones eléctricas debido a la mayor diferencia de potencia. Son los electrolizadores más comunes. En la ilustración 2.8 se muestra el esquema de conexión de un electrolizador bipolar. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 36 Ilustración 2-7 Esquema de conexión de un electrolizador unipolar (Ulleberg, 2003) Ilustración 2-8 Esquema de conexión de un electrolizador bipolar (Ulleberg, 2003) El criterio para elegir un electrolizador unipolar o bipolar radica principalmente en las presiones de operación o de consumo deseadas. Si la presión de trabajo es la presión atmosférica se utilizarán electrolizadores unipolares y si la presión de trabajo va a ser hasta 30 bar se utilizarán bipolares. Desde el punto de vista PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 37 de la pureza, en un electrolizador alcalino se obtiene hidrógeno con una pureza de 99,8 % de en volumen, el resto es oxígeno y vapor de agua. Si se requiere una pureza superior se deberá incorporar una unidad de purificación adicional (secado y deoxo), que permite una pureza de 99,999 % en volumen (Pino, 2010). 2.4 Estado del arte de los sistemas integrados fotovoltaica-hidrógeno Las fuentes de energías renovables cada vez tienen más fuerza desde que la sociedad ha empezado a tener consciencia del impacto medioambiental que otras fuentes no renovables tienen. En este trabajo se estudiará la energía conseguida a través de la producción de hidrógeno de un electrolizador alimentado por la energía generada por células fotovoltaicas. La potencia solar como instrumento para producir energía fue introducida hace 50 años y la tecnología se ha ido desarrollando drásticamente después de la aparición de los recursos fotovoltaicos. Aunque la energía solar es la fuente de energía más grande del planeta, menos del 0,06 % de la demanda global de electricidad es abastecida por energía solar. Es por eso que se está intentando aumentar el número de sistemas que combinan la energía solar con los sistemas de hidrógeno, en los que la energía fotovoltaica rompe las moléculas de agua en oxígeno e hidrógeno, que será usado después cuando el sol no esté incidiendo en la superficie terrestre. Es decir, el sistema fotovoltaico generará electricidad que será utilizada para la conversión de agua en moléculas de hidrógeno y oxígeno. Dicho hidrógeno será utilizado como vector energético, es decir, servirá de sistema de almacenamiento de energía. De esta manera, si la potencia obtenida a través de los paneles fotovoltaicos es mayor a la demandada en la red, esa potencia eléctrica sobrante se utilizará para el proceso de electrólisis del agua. Una vez obtenidos el hidrógeno y el oxígeno, el hidrógeno se almacenará para su futura utilización y el oxígeno se destinará a la atmósfera. En el momento en el que la demanda de la red sea PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 38 superior a la obtenida a través de los paneles fotovoltaicos, el hidrógeno almacenado se utilizará para producir la potencia eléctrica necesaria. La transformación se realizará mediante la combustión del hidrógeno en motores de combustión interna alternativos conectados a generadores eléctricos o mediante el consumo de hidrógeno en pilas de combustible, entre otros procesos. La primera estructura fue en El Segundo, California en 1995. Un complejo sistema de células fotovoltaicas y electrolizador que generaban 50-70 de hidrógeno al día. Desde entonces se ha seguido estudiando la viabilidad de la producción de hidrógeno con un sistema fotovoltaico y las maneras de economizar esta tecnología. Si los sistemas de electrólisis de agua operan con un 70-75 % de eficiencia energética, la eficiencia de los sistemas que combinan la fotovoltaica y la electrólisis será de aproximadamente un 8-14 % para las células solares de silicio. La baja eficiencia de estos sistemas junto con el alto precio de las células fotovoltaicas son las barreras más importantes para el desarrollo comercial de estos sistemas. Aun así, se cree que gracias al desarrollo en los sistemas de electrólisis y en las células fotovoltaicas, los sistemas híbridos aumentarán su eficiencia a un 25-30 % e incluso más. Además, se están desarrollando técnicas para orientar las células fotovoltaicas para poder capturar la máxima radiación solar incluso en días nublados. La eficiencia de los sistemas híbridos se calcula multiplicando la eficiencia del sistema fotovoltaico con la eficiencia del electrolizador. 2.4.1 Instalaciones con sistemas integrados en el mundo La Agencia de Energía Internacional (IEA) ha publicado una tarea en “Sistemas Integrados: Evaluación de Proyectos de la Demostración de Hidrógeno” en PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 39 relación a la implementación de Hidrógeno (HIA). La Frase 1 va desde 2004 hasta 2006 y la Frase 2 continua hasta 2009. Dentro de la Frase 1 habrá dos subtareas: - Subtarea A: Con objetivo de desarrollar toda la información se ha creado una recopilación de la información obtenida en las bases de dato, incluyendo documentos nacionales, capacidades nacionales, una agrupación de proyectos de demostración y información asociada a los costes de la tecnología de los recursos del hidrógeno. - Subtarea B: “Evaluación de Proyectos de Demostración”. Herramientas para guiar y evaluar el diseño de una variedad de proyectos de demostración de hidrógeno integrado. A continuación se describirán varios de los sistemas tratados en la Subtarea B, divididos en dos grupos: Sistemas Energéticos basados en Hidrógeno y Estaciones de Abastecimiento con Hidrógeno (Ulleberg, 2007). 2.4.1.1 Sistemas Energéticos con Hidrógeno 2.4.1.1.1 Sistema de Producción de Potencia Autónomo con Fotovoltaica e Hidrógeno en Madrid (España) Este sistema consta de dos sistemas experimentales construidos y probados en Madrid durante los 4 años que duró el proyecto. El diseño de éste se basó en un consumo de energía promedio de 3,6 kWh/día y una demanda de potencia promedio de 150 W, que son los parámetros de diseño típicos para las unidades de abastecimiento de potencia en las telecomunicaciones. El primer sistema demostrado fue un sistema híbrido con fotovoltaica-batería- almacenamiento de hidrógeno-pilas de combustible, donde el objetivo principal con las pilas de hidrógeno era el de proporcionar potencia en caso de que las PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 40 baterías no pudiesen proporcionar toda la energía necesaria. El hidrógeno se enviaba al sistema desde una fuente externa. El objetivo de esta demostración era el de probar la fiabilidad y la complicidad en el mantenimiento que requería la configuración del sistema. El segundo sistema demostrado fue un sistema con fotovoltaica-sistema de hidrógeno que consistía en un electrolizador de agua PEM, un sistema de almacenamiento de hidrógeno con hidruro metálico y una pila de combustible PEM con aire-hidrógeno. El principal objetivo de este segundo sistema era demostrar la producción de hidrógeno a través de la electrólisis del agua durante los periodos más calurosos con un exceso de energía solar, almacenando el hidrógeno en un sistema de almacenamiento de energía a largo plazo y posterior generación de electricidad a través de la pila de combustible. Para poder cumplir con los estrictos requerimientos de las comunicaciones en términos de tamaño y fiabilidad fue necesario desarrollar el estado del arte de los siguientes componentes principales: el electrolizador, el almacenamiento de hidruro metálico, la pila de combustible y el sistema de control de energía. El sistema básico de diseño y las especificaciones de los componentes principales en el segundo experimento son los siguientes: - Sistema Fotovoltaico: 1,5 kWp, 22 módulos, células tipo CIS (CuInSe2). - Electrolizador de agua: 1,0 kW, tipo PEM, 30 células, área del electrodo de 30 . - Almacenamiento de hidrógeno: 70 Nm3 , hidruro metálico tipo AB5, 700 kg. - Pila de combustible: 0,3 kW, tipo PEM, 48 pilas, área del electrodo de 50 . - Batería: 48 V, 400 Ah. - Carga eléctrica: 133-197 W. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 41 En la ilustración 2.9 se muestra el esquema del segundo experimento llevado a cabo en Madrid: Ilustración 2-9 Esquema del segundo experimento llevado a cabo en Madrid (Ulleberg, 2007) 2.4.1.1.2 Sistema de Almacenamiento de Hidrógeno en Atsugi (Japón) El almacenamiento de electricidad en forma de hidrógeno solo es rentable y por tanto solo se puede justificar si los sistemas de almacenamiento de hidrógeno se desarrollan con altas eficiencias energéticas. La necesidad de almacenamiento eléctrico varía con la aplicación, desde almacenamiento de energía estacional en sistemas fotovoltaicos en áreas remotas a almacenamiento de energía diario en sistemas conectados a la red eléctrica. El sistema de almacenamiento de la energía del hidrógeno explica como un sistema integrado electrolizador-hidruro metálico-pila de combustible puede PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 48 se han ido añadiendo funciones a dicho sistema, incluyendo el uso del hidrógeno tanto en una pila de combustible estacionario para producir electricidad para la ciudad como para una estación distribuida donde ese hidrógeno puede ser introducido en vehículos. El generador de hidrógeno está formado por un reformador, un compresor de gas y un sistema de purificación y adsorción por cambio de presión (PSA), todo esto incluido en un espacio pequeño. Dicho sistema está controlado para garantizar un acceso seguro, incluyendo detección de gas ultravioleta/infrarrojo con capacidad para cerrar el sistema. El espacio está ventilado, y el grado de ventilación se determina cuantitativamente. Siguiendo esta línea también hay un compresor de aire en el sistema y también existe un panel principal de control, que integra todas las operaciones. El sistema de control está monitorizado por personal cualificado de Allentown o Sacramento. El reformador trabaja mejor bajo demanda constante, así que bajo condiciones ideales la célula de combustible cogería sobre el 50-60 % de la salida y el resto iría a almacenamiento o a mezclarse con el gas natural. A continuación, en la ilustración 2.13 se encuentra un esquema de la estación de hidrógeno de Las Vegas: Ilustración 2-13 Esquema de la estación de hidrógeno de las Vegas (Ulleberg, 2007) PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 49 2.4.1.2.2 Estación de Abastecimiento con Combustible Hidrógeno en Reykjavik (Islandia) La electrólisis de agua basada en la potencia hidroeléctrica es uno de los métodos más limpios para la producción de hidrógeno. Los electrolizadores de agua distribuidos son para muchos la mejor forma de cimentar el futuro mercado de la economía del hidrógeno. En 1997 un comité llevado a cabo por el Ministerio de Energía de Islandia empezó a investigar en la posibilidad de invertir en la producción de hidrógeno. Como resultado, se estableció una compañía y comenzaron a preparar un proyecto de demostración llamado ECTOS. Los dos objetivos principales de este proyecto eran: - Construir una estación de abastecimiento de combustible hidrógeno completamente integrada en el marco urbano. - Alimentar autobuses de Reykjavik por un periodo de al menos dos años con tres pilas de combustible alimentadas por hidrógeno. La preparación de la infraestructura implicó la construcción de dicha estación para la producción de hidrógeno, su compresión y una estación de repostaje. La estación de hidrógeno fue equipada con un electrolizador alcalino de Hydro funcionando con potencia tomada de la red eléctrica municipal y con agua obtenida de la red de agua municipal. El sistema puede emitir hidrógeno gaseoso después de la compresión a 440 bares. La capacidad de producción total de la planta está en torno a los 200 kg/día y el dispensador es capaz de producir 40 kg de hidrógeno cada 7 minutos. Un monitor regula el llenado automático y mantiene la presión dentro de los límites. Las capacidades y características de los componentes del proyecto ECTOS son los siguientes:  Electrolizador de agua: 60 (128 kg/día), 15 bar, alcalino PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 50  Compresor: 15-500 bar, dos escalonamientos  Depósito de almacenamiento de hidrógeno: 27 , 440 bar  Dispensador: 40 kg/7 minutos  Pilas de combustible en autobuses: 3 x 250 kW, pilas de combustible PEM En la ilustración 2.14 se muestra el esquema de la estación de Reykjavik: Ilustración 2-14 Esquema de la estación de abastecimiento de combustible hidrógeno del proyecto ECTOS de Reykjavik, Islandia (Ulleberg, 2007) 2.4.1.2.3 Estación de Abastecimiento con Combustible Hidrógeno en Malmö (Suecia) En 1985 Sydkraft y el Municipio de Malmö empezaron una colaboración a largo plazo en la conversión del diesel al gas natural comprimido (CNG) en los autobuses. Actualmente, más de 330 autobuses, 80 camiones y 1000 coches funcionan con gas natural comprimido CNG y biogás en la región de Skäne, incluida Malmö. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 51 La investigación de estos combustibles alternativos para los vehículos aún sigue en Malmö. Este esfuerzo ha dado lugar al desarrollo de una estación de hidrógeno capaz de producir hidrógeno puro para la prueba de vehículos y mezclas de gas natural e hidrógeno para los autobuses de la ciudad. La estación de hidrógeno fue originariamente desarrollada, construida y puesta en marcha por Sydkraft en 2003. Los resultados después de dos años de operación han sido un éxito. El objetivo ahora es continuar aumentando los programas de pruebas y el uso óptimo de la mezcla de hidrógeno y gas natural en el mayor número de autobuses, y también aumentar el número de vehículos funcionando con hidrógeno puro en el proyecto. En Malmö el hidrógeno es producido a través de la electrólisis del agua y está en conexión directa con la estación de llenado. La electricidad es producida en una planta eólica de potencia cercana y se distribuye a la planta a través de la red eléctrica. Los datos técnicos del electrolizador son los siguientes. - Capacidad: 36 - Consumo de potencia del electrolizador: 4,2 - Consumo de potencia total: 5,5 - Consumo de agua: 36 L/h - Presión del electrolizador: 10 bar - Requisito de potencia: 210 kW PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 52 En la ilustración 2.15 se muestra el esquema de la instalación en Malmö. Ilustración 2-15 Esquema de la estación de abastecimiento de hidrógeno y gas natural en Malmö (Ulleberg, 2007) 2.4.1.2.4 Estación de Espíritu Pacífico (PSS) en Vancouver (Canadá) La Estación de Espíritu Pacífico (PSS) es una asociación entre varias instituciones y alianzas de Canadá y es la primera estación de abastecimiento de hidrógeno llevada a cabo entre varias alianzas. La estación fue diseñada para coches y camiones ligeros. Los primeros usuarios de la estación fueron vehículos del Programa de Vehículos de Pilas de Combustible de Vancouver (VFCVP). El diseño original era generar hidrógeno a través de la electrólisis del agua. Sin embargo, el electrolizador que se diseñó necesitaba unas mejoras muy caras y PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 53 se tuvo que diseñar otro que cumpliese con las especificaciones de la nueva estación. El sistema de almacenamiento de baja presión y compresión suministrado por BOC (el integrador de la estación y el proveedor del sistema de compresión) incluye dos compresores de diafragma. El primer escalonamiento del compresor comprime, en condiciones normales de operación, 29 kg de hidrógeno por día a aproximadamente 90 bar. El segundo compresor aumenta la presión de 90 bar a 250 bar, que es la presión de operación del segundo y tercer banco. El segundo compresor se usa también para aumentar la presión del hidrógeno desde 250 bar a 450 bar. El depósito de almacenamiento de 450 bar consiste en tres zonas separadas en las que se almacenan hasta 67 kg de hidrógeno y cuyas dimensiones son 1,8x2,4 m. En total la cantidad de hidrógeno dispensado durante un periodo de un año (desde el 1 de Abril de 2005 hasta el 31 de Marzo de 2006) fue de aproximadamente 900 kg. El dispensador se ha llevado a cabo con éxito siendo el llenado por cada coche de aproximadamente 4 kg de hidrógeno. Los vehículos Ford han estado en servicio durante un año viajando alrededor de 35000 km y cumpliendo las expectativas. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 54 En la ilustración 2.16 se muestra el diagrama de flujo de la estación de Vancouver: Ilustración 2-16 Diagrama de flujo de la Estación de Espíritu Pacífico de Vancouver (Ulleberg, 2007) PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 55 3 MODELOS MATEMÁTICOS 3.1 Célula Fotovoltaica La célula fotovoltaica es el dispositivo encargado de transformar la radiación que proviene del sol en electricidad. Las células fotovoltaicas se agrupan en configuraciones serie-paralelo para formar un módulo fotovoltaico y éstos a su vez se agrupan para obtener la potencia deseada. 3.1.1 Principio de Funcionamiento Los módulos fotovoltaicos funcionan por el efecto fotoeléctrico. La luz solar se compone de fotones (partículas energéticas), los cuales poseen distintas energías según las distintas longitudes de onda del espectro solar. Cuando dichos fotones inciden sobre la célula fotovoltaica, estos fotones pueden ser absorbidos, reflejados o pueden atravesar la célula. Cuando un fotón es absorbido, este produce una energía que traslada a un electrón de un átomo de la célula, consiguiendo así que este electrón escape de su posición y genere una corriente eléctrica. Para que esta energía pueda ser recirculada se generará la unión tipo p-n. Cada célula fotovoltaica posee dos láminas delgadas semiconductoras (normalmente de silicio), una positiva denominada P y otra negativa denominada N. Cuando los fotones procedentes de la fuente luminosa inciden sobre la superficie de la capa P interactúan con el material y liberan electrones que, en movimiento, atraviesan la capa del semiconductor pero no pueden volver. Esto provoca que entre la capa N y la capa P se genere una diferencia de potencial y, si se conectan dichas láminas a unos conductores eléctricos y estos, a su vez, se unen a un dispositivo consumidor de energía, se iniciará una corriente eléctrica continua. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 56 Este proceso no acabará hasta que el potencial eléctrico alcance un valor límite que impida la posterior difusión. Cuanto mayor sea la radiación solar mayor será el número de campos que pasen a anularse el uno al otro, hasta que se alcance un valor límite en el que no haya un campo interno que separe cada pareja electrón hueco. Es lo que se denomina circuito abierto. En la ilustración 3.1 se observa lo explicado en los párrafos anteriores, además de las distintas regiones que forman una célula fotovoltaica. Como se ve, una célula solar está formada por dos zonas de silicio (o, en su defecto, de otro semiconductor), una tipo n y otra tipo p, ambas en contacto. Cuando la célula se ilumina, la zona tipo n absorbe los electrones y la zona tipo p recoge los huecos de los pares creados, generando así la diferencia de potencial que genera la corriente eléctrica. Ilustración 3-1 Unión tipo p-n cogido (Borja Galán, 2013) PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 57 Para el desarrollo de un circuito equivalente con precisión, que se verá en el punto 3.1.3, es necesario entender la configuración física de los elementos de la célula, así como las características eléctricas de cada elemento. En la ilustración 3.2 se presenta un esquema de los componentes físicos y el principio de funcionamiento de una célula solar. Ilustración 3-2 Esquema de los componentes físicos y principio de funcionamiento de una célula solar 3.1.2 Parámetros de caracterización de una célula solar Para caracterizar a la célula fotovoltaica mediante una curva es necesario conocer los datos que nos proporciona el fabricante. Dicha curva reflejará el comportamiento eléctrico de la célula solar, conteniendo los puntos de trabajo en intensidad y tensión para un determinado valor de radiación incidente y temperatura de la célula, es decir, la curva representa las posibles combinaciones de corriente y voltaje para un dispositivo fotovoltaico bajo unas condiciones ambientales determinadas. El punto en concreto de corriente y voltaje en el que el dispositivo fotovoltaico trabajará vendrá determinado por la carga a la que esté conectado. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 64 del diodo no se crean a través de elementos aislados como indicaba la ilustración 3.6, sino que están distribuidos a los largo de toda la célula. La ilustración 3.6 mientras un circuito equivalente generalizado que aproxima mucho mejor la distribución natural de la célula fotovoltaica y la variación de los mecanismos de pérdidas. Las ecuaciones que definen los elementos del circuito equivalente generalizado son las mismas que para los del circuito ideal de la ilustración 3.7, pero hay más ecuaciones y la ecuación que define el voltaje es mucho más compleja. Ilustración 3-7 Circuito equivalente distribuido (Townsend, 1989) En la figura 3.8 se muestra una versión simplificada del circuito equivalente distribuido: Ilustración 3-8 Circuito equivalente de partida (Townsend, 1989) PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 65 Las ecuaciones que describen el circuito mostrado anteriormente son: ( ) ( ) - : corriente generada - corriente de saturación del diodo 1 y 2. - factor de forma del diodo 1 y del diodo 2. - resistencias en serie y en paralelo, respectivamente. Se pasará ahora a simplificar el circuito anterior para hacer los cálculos más accesibles. La primera simplificación asume que la resistencia en paralelo es infinita y que, por lo tanto, la corriente que la recorre es despreciable. Se justifica mediante el hecho de que la resistencia en paralelo es mucho mayor que las otras resistencias y solo afecta a la curva I-V si la irradiancia es extremadamente pequeña. Incluso cuando afecta a la curva I-V, el efecto en ella no es importante para bajos valores de voltaje. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 66 El circuito, tras la primera simplificación explicada, quedaría como se muestra en la ilustración 3.9: Ilustración 3-9 Circuito equivalente tras la primera simplificación (Townsend, 1989) La segunda simplificación asume que la resistencia en serie es despreciable y redice el circuito equivalente a solo cinco parámetros. El circuito, tras la segunda simplificación, quedaría como se muestra en la ilustración 3.10: Ilustración 3-10 Circuito equivalente tras la segunda simplificación (Townsend, 1989) La tercera simplificación asume que un diodo puede reunir las características de los dos diodos del circuito en la célula. El resultado es la obtención de un circuito con cuatro parámetros y denominado circuito “UP”. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 67 El circuito resultante de la tercera simplificación está representado en la ilustración 3.11: Ilustración 3-11 Circuito equivalente tras la tercera simplificación (Townsend, 1989) En este circuito resultante no es necesario asignar ningún valor de manera arbitraria ya que todos los parámetros pueden obtenerse a través del sistema de ecuaciones producto de los balances en el circuito. Como cuarta y última simplificación, Townsend vuelve a asumir que la resistencia en serie es despreciable. De este modo obtiene un circuito equivalente al circuito básico ideal excepto porque asume que el factor de forma no es ideal, puesto que se acepta que el comportamiento del diodo es no lineal. Este circuito tendrá tres parámetros. Este circuito se verá representado en la ilustración 3.12: Ilustración 3-12 Circuito equivalente tras la cuarta simplificación (Townsend, 1989) Al igual que para el circuito “UP”, no es necesario asignar valores arbitrarios a ninguno de los parámetros. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 68 3.1.4 Circuito Equivalente El circuito que se tomará para la definición de los parámetros y la curva característica del módulo fotovoltaico será el correspondiente a la figura 3.10, definida anteriormente. Las ecuaciones que definirán el circuito equivalente son las siguientes: ( ) Para definir la curva característica de la célula fotovoltaica lo primero que hay que hacer es definir los cuatro parámetros iniciales: - : corriente generada - : corriente de saturación inversa - : producto del factor de forma por el número de células conectadas en serie - : resistencia conectada en serie Dichos parámetros se obtendrán gracias a la información dada por el fabricante, el cual da el comportamiento I-V de la célula fotovoltaica en tres condiciones distintas: valor del voltaje en circuito abierto, intensidad en cortocircuito y el punto de máxima potencia, todos medidos en las condiciones de referencia. Por lo tanto, se tienen tres ecuaciones en tres puntos distintos de la curva:  Valor del voltaje en circuito abierto:  Valor de la intensidad en cortocircuito: PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 69  Valor de voltaje e intensidad en el punto de máxima potencia: Ya que se tienen cuatro incógnitas, se necesitarán cuatro ecuaciones para completar el sistema y poder resolverlo. Dichas ecuaciones son las siguientes: ( ( ) ) ( ( ) ) ( ( ( )) ) ( ( ( )) ( ( ( )) ) ) El sistema de ecuaciones que forman las ecuaciones anteriores es no lineal y por tanto se necesitará un proceso iterativo para su resolución. Como el objetivo del proyecto es el análisis de sensibilidad de los parámetros de diseño y no es necesaria su exactitud, se procederá a resolver dichas ecuaciones de manera simplificada. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 70 3.1.4.1 Resolución del sistema de ecuaciones simplificado Para la resolución del sistema de ecuaciones de una manera más sencilla que la anteriormente explicada, Townsend asume una serie de simplificaciones: ( ) ( ( ( )) ( ( ( )) ) ) Una vez que se resuelve este sistema de cuatro ecuaciones con cuatro incógnitas, se obtendrá la expresión que describe la curva I-V de un módulo fotovoltaico con unas condiciones de irradiancia y temperatura dadas. La ecuación que describe dicho comportamiento es la siguiente: Esta ecuación se tendrá que variar en el caso de que existan varios módulos fotovoltaicos conectados en serie o en paralelo. Para tal variación se utiliza la siguiente expresión: ( ( )) PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 71 - : número de paneles conectados en serie - : número de paneles conectados en paralelo En la ilustración 3.13 se muestra un esquema del conexionado eléctrico de un módulo fotovoltaico con varias celdas en serie y en paralelo: Ilustración 3-13 Esquema del conexionado eléctrico de un módulo fotovoltaico (Alonso, 2006) Si se quieren calcular dichos parámetros para otras condiciones de irradiancia y temperatura se hará uso de los coeficientes que el fabricante proporciona caracterizando así térmicamente al módulo fotovoltaico. Para una nueva condición de temperatura, dichos coeficientes ayudarán a calcular los nuevos valores de voltaje en circuito abierto, intensidad en cortocircuito y punto de máxima potencia. Una vez calculados los parámetros descritos anteriormente, se volverá a resolver el sistema de ecuaciones anterior, obteniendo los parámetros objetivos en las nuevas condiciones. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 72 Para una nueva condición de irradiancia, se variará dicho parámetro con la siguiente expresión: - temperatura ambiente (ºC) - Temperatura de Operación Nominal de la Célula. Descrita anteriormente en el capítulo 3.1.1. - nueva irradiancia ( ) 3.2 Electrolizador El modelo matemático de un electrolizador se basa fundamentalmente en la curva de polarización de Stack (relación entre el voltaje en bornas y la intensidad que circula en la celda electrolítica), la cual depende de la temperatura del electrolito. 3.2.1 Conceptos básicos de la electrólisis del agua 3.2.1.1 Conceptos básicos en las reacciones químicas: Ecuaciones Redox Sabiendo que una reacción química se da siempre que el sistema no se encuentre en equilibrio, se comenzará desarrollando las ecuaciones de las reacciones de oxidación-reducción (reacciones Redox): PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 73 En equilibrio: [ ] [ ] [ ] [ ] Utilizaremos la Ecuación de Nernst para calcular el potencial de reducción de un electrodo fuera de las condiciones estándar (1 M, presión de 1 atm, temperatura de 298 K). Esta ley dará la relación entre el potencial electroquímico y las concentraciones implicadas. Como se observa, el potencial electroquímico depende de la constante de equilibrio, por lo tanto se puede concluir diciendo que la electrólisis continuará hasta que se consiga el equilibrio. - E: potencial corregido del electrodo - : potencial en condiciones estándar - R: constante de los gases - T: temperatura absoluta (K) - n: cantidad de mol de electrones que participan en la reacción - F: constante de Faraday (96485 C/mol) PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 80 - 󰇗 : producción de hidrógeno (mol/s). - : eficiencia de Faraday. - : número de celdas conectadas en serie. - I: intensidad de corriente que circula por la celda electrolítica. - z: número de electrones intercambiados (2). - F: constante de Faraday (96485 C/mol). En los electrolizadores en los que no hay celdas electrolíticas conectadas en serie (electrolizador unipolar), la eficiencia de Faraday es la unidad, ya que no hay corrientes parásitas entre las distintas celdas del electrolizador. La fracción de corrientes parásitas respecto a la cantidad total de corriente aumenta cuando disminuye la densidad de corriente. Además, al aumentar la temperatura del electrolito la resistencia eléctrica disminuye y esto provoca un aumento de las pérdidas por corrientes parásitas, lo que supone una disminución en la eficiencia de Faraday. Se definirá la eficiencia de Faraday en función de la densidad de corriente y dos coeficientes experimentales (Ullberg, 2003): ( ⁄ ) ( ⁄ ) - : eficiencia de Faraday - : parámetros experimentales, que dependen de la temperatura. - : intensidad que circula por la celda del electrolizador, (A). - : área del electrodo ( ). PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 81 Como se observa en la ilustración 3.15 a partir de un valor de intensidad, la eficiencia de Faraday permanece prácticamente constante: Ilustración 3-15 Influencia de la temperatura en la eficiencia de Faraday (Pino, 2010) Por otro lado, la eficiencia de voltaje se define como el cociente entre el voltaje termoneutro y el aplicado a la celda electrolítica: - : voltaje termoneutro. - : voltaje aplicado a la celda electrolítica. Como se observa, un aumento en la producción de hidrógeno implica que el sobrevoltaje aumente y por lo tanto la eficiencia del voltaje disminuirá. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 82 3.2.4 Rendimiento energético global El rendimiento energético global es la relación entre la variación de la entalpía del proceso y la energía que se aporta al sistema por mol de hidrógeno: Si suponemos que el único aporte de energía que se le da al proceso es la energía eléctrica en bornas del electrolizador, la expresión anterior quedaría como: PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 83 4 ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD 4.1 Punto de funcionamiento nominal 4.1.1 Electrolizador El electrolizador que se ha escogido para el análisis de sensibilidad es el utilizado en la Tesis Doctoral de Francisco Javier Pino (Pino Lucena, 2010). Las características técnicas del electrolizador y del Stack están recogidas en la tabla 4.1. Fabricante CASALE CHEMICALS Potencia nominal 25 kW Rango de operación en potencia 20-110 % Rango de operación en voltaje 0-275 A Presión nominal de trabajo 20 bar Producción de nominal ⁄ ⁄ Pureza del 99,98 % (en volumen) Electrolito Solución de KOH al 30 % Consumo nominal de agua desmineralizada ⁄ Tabla 4-1 Características técnicas del electrolizador PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 84 El electrolizador está dividido en tres partes: stack electrolítico, convertidor AC/DC y el sistema de control y supervisión local. La parte que será importante para el desarrollo del trabajo es el stack electrolítico, cuyas características vienen definidas en la tabla 4-2: Tipo de celdas Níquel puro Número de celdas 48 Superficie del electrodo Intensidad máxima admisible 275 A Activación de electrodos Níquel Raney depositado Presión máxima de operación 20 bar Temperatura máxima de operación 80 ºC Tabla 4-2 Características técnicas del Stack del electrolizador El stack está formado de un apilamiento de celdas bipolares conectadas en serie entre dos conectores elétricos. Como están conectados en serie, la intesidad de corriente que circula por cada una de las celdas es la misma, y es en cada compartimento anódico y catódico donde tiene lugar las reacciones electroquímicas. Se pasará ahora a calcular la tensión termoneutra, la tensión reversible y la curva característica de dicho electrolizador. 4.1.1.1 Cálculo de la tensión termoneutra y de la tensión reversible Para el cálculo de dichas tensiones es necesaria la termodinámica explicada en el capítulo 3.2.1.2. Para la reacción de electrólisis de agua: PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 85 Primero se obtendrá la variación de entalpía, entropía y energía libre de Gibbs de la reacción para las condiciones de referencia (25 ºC y 1 atm), teniendo en cuenta que los valores de entalpía de formación y de entropía de formación para cada uno de los componentes son recogidos en la tabla 4.3: Compuesto Oxígeno ( 0 205,00 Hidrógeno ( 0 130,70 Agua ( -285,84 69,90 Tabla 4-3 Entalpía y entropía de formación para distintos compuestos Se pasará ahora a calcular la variación de entalpía, entropía y energía libre de Gibbs para las condiciones de referencia: PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 86 Una vez que se tienen dichos parámetros en las condiciones de referencia, se deberán calcular para las condiciones de operación del electrolizador (80 ºC y 20 atm): ( ) ( ) ( ) donde R es la constante universal de los gases ideales. Resolviendo las ecuaciones anteriores obtenemos los valores recogidos en la tabla 4.4: Compuesto ( ) Oxígeno ( 1,61 214,20 Hidrógeno ( 1,57 138,90 Agua ( -281,70 17,64 Tabla 4-4 Variaciones de entalpía y entropía para distintos compuestos PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 87 Una vez obtenidos los valores de las entalpías y entropías para cada uno de los compuestos, pasamos a calcular las variaciones de entalpía, entropía y energía libre de Gibbs para la reacción: Una vez obtenida la termodinámica del sistema, se calculará la tensión termoneutra y la tensión reversible: PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 88 4.1.1.2 Curva característica del electrolizador Una vez que se ha obtenido el valor de la tensión reversible, se pasará al cálculo de la expresión que determina el comportamiento del electrolizador. Como se desarrolló en el capítulo 3.2.2 la expresión que determina la curva característica del electrolizador es la siguiente: Sabiendo que, tal y como se describió anteriormente, los coeficientes son coeficientes experimentales, se tomarán como dato y sus valores serán los recogidos en la Tesis Doctoral de Francisco Javier Pino (Pino, 2010): PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 89 En la ilustración 4.1 se muestra la gráfica correspondiente al electrolizador a una temperatura de funcionamiento de 80ºC, una vez obtenidos los parámetros experimentales: Ilustración 4-1 Curva característica del electrolizador a temperatura de 80 ºC 4.1.2 Módulos Fotovoltaicos Para el análisis se ha elegido un módulo fotovoltaico comercial del fabricante Yingli Solar, perteneciente a los modelos “PANDA 60 CELL series 2”. Los parámetros los facilitará el fabricante tomando como temperatura de operación la temperatura de las condiciones estándar de referencia. 0200 400 50 60 70 80 90 100 Ielec Velec PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 96 En la tabla 4.9 se han recogido los datos de las tres combinaciones finales, incluyendo la potencia de corte y la potencia máxima que daría el sistema fotovoltaico: Nserie Ipmp (A) Vpmp (V) Pmax (W) Icorte (A) Vcorte (V) Pcorte (W) 3 277,8 93,9 26082 287,6 88,82 25546 3 268,8 93,9 25240 278,7 88,55 24674 3 259,8 93,9 24399 269,7 88,26 23802 Tabla 4-9 Potencia máxima y potencia de corte para cada una de las combinaciones de módulos fotovoltaicos en acople directo Una vez calculadas analíticamente la potencia máxima del módulo fotovoltaico y la potencia de corte de ambos sistemas, se obtiene que la mejor combinación para dicho sistema es la correspondiente a 31 módulos en paralelo y 3 en serie. Será por tanto esta combinación la que se utilizará para el resto del trabajo. 4.1.3.2 Acople indirecto En el acople indirecto entra en juego el seguidor de máxima potencia, que actúa como intermediario entre el sistema fotovoltaico y el electrolizador, de tal manera que el sistema fotovoltaico trabajará a su máxima potencia y, tras una penalización en dicha potencia debido al rendimiento del seguimiento de máxima potencia, se pondrá en funcionamiento el electrolizador. De esta forma, la ecuación que regirá el comportamiento de la instalación será: PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 97 Suponiendo un rendimiento del seguidor de máxima potencia del 90%, se pasará, de la misma manera que se hizo en el apartado 4.1.3.2 para el acople directo, a obtener la mejor combinación de paneles serie-paralelo para el óptimo funcionamiento de la instalación. Una vez obtenida la mejor combinación serie-paralelo se obtendrá la potencia máxima a la que trabajarán los paneles fotovoltaicos y, por tanto, la intensidad y el voltaje de operación del electrolizador. En la tabla 4.10 se presentan las combinaciones serie-paralelo que alcanzan una potencia nominal cercana a 25000 W: Nserie Nparalelo Ncaptadores Pnominal (W) Vcorte (V) Icorte (A) 2 49 98 24736 88,57 279,3 2 50 100 25240 88,73 284,5 2 51 102 25745 88,88 289,7 3 33 99 24988 88,65 281,9 3 34 102 25745 88,88 289,7 3 35 105 26502 89,12 297,4 4 25 100 25240 88,73 284,5 4 26 104 26250 89,04 294,8 5 20 100 25240 88,73 284,5 Tabla 4-10 Combinaciones serie-paralelo con potencia cercana a 25000 W en acople indirecto Una vez obtenidas las distintas combinaciones posibles que dan una potencia nominal de en torno a 25000 W, se elegirá aquella combinación que se quiera, ya que el único requisito necesario en dicho sistema es el de la potencia máxima que puede dar el sistema. De esta manera se cogerá, por ejemplo, aquel sistema compuesto por 4 paneles en serie y 25 paneles en paralelo. Una vez que se ha decidido el número de paneles en serie y en paralelo que se usará en el sistema, se pasará a calcular el punto de corte entre la curva que define el comportamiento del electrolizador y la recta que define la ecuación de PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 98 la potencia nominal. En la ilustración 4.5 se representa el punto de corte entre la curva del electrolizador y la curva que representa aquellos puntos en los que la potencia nominal es de 25000 W: Ilustración 4-5 Punto de corte entre la curva del electrolizador y la potencia nominal Teniendo como potencia nominal 25240 W (anteriormente penalizados por el rendimiento del seguidor de máxima potencia), el punto de corte de ambas curvas es: 020 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 100 200 300 400 500 600 Velec Ielec Pnominal=25000 W Curva electrolizador PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 99 4.2 Desarrollo del análisis y valores numéricos La curva característica V-I del sistema fotovoltaico está definida por cuatro parámetros iniciales dados por el fabricante: Dichos parámetros varían según la irradiancia que se tenga en cada momento del día, por lo tanto, para cada nivel de irradiancia se tendrá una nueva curva característica y, a su vez, un nuevo punto de corte entre la curva del módulo fotovoltaico y del electrolizador que dará lugar a un nuevo punto de funcionamiento del sistema. Dicho esto, el planteamiento en este capítulo será el de analizar la dependencia de la irradiancia en la producción de hidrógeno. Para ello, se calculará la producción de hidrógeno en un día tipo soleado y en un día tipo nublado. En la ilustración 4.6 se muestra el nivel de radiación, medido sobre la superficie del módulo fotovoltaico, en un día soleado y en un día nublado. En dicha ilustración está representada la radiación en en cada minuto del día. Se observa que la radiación en un día soleado, además de ser mayor, es más estable. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 100 Ilustración 4-6 Perfil de radiación en W/ en un día soleado y en un día nublado Además, también se estudiará la influencia que tienen los parámetros iniciales . , en dicha producción de hidrógeno, calculando dicha producción con un aumento o disminución de dichos parámetros en un 10 %. 4.2.1 Para acople Directo Se tomarán como datos de partida los valores de irradiancia en cada minuto de un día soleado y de un día nublado. Para cada minuto cada valor de irradiancia hará que varíen los parámetros iniciales dados por el fabricante y, como consecuencia, también variarán los parámetros: . Para cada valor de irradiacia se obtendrán unos valores intensidad y voltaje, y una vez obtenidos dichos valores se obtendrá para cada valor de intensidad 0 200 400 600 800 1000 0:00 2:24 4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 0:00 Perfil de radiación (W/m2) Radiación día soleado (W/m2) Radiación día nublado (W/m2) PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 101 una producción de hidrógeno. En la ilustración 4.7 se ha representado la gráfica I-V en acople directo: Ilustración 4-7 Gráfica I-V para el sistema en acople directo Para cada minuto se obtendrá la cantidad de hidrógeno que se produce y, a su vez, se podrá calcular la cantidad de hidrógeno que se producirá en un día. En la ilustración 4.8 se representa la producción de hidrógeno en para cada minuto del día, en un día soleado y en un día nublado, para las condiciones de operación base. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 050 100 150 200 250 300 350 Gráfica I-V en acople directo PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 102 Ilustración 4-8 Producción de hidrógeno en para un día soleado y para un día nublado en acople directo en las condiciones de partida En la tabla 4.11 se recogen los datos de irradiancia y de producción de hidrógeno tanto para un día soleado como para un día nublado: Día Soleado Día Nublado E (W/ ) 423,48 128,53 (mol/día) 2453,02 736,51 (Nm3/día) 54,95 16,5 Tabla 4-11 Datos de irradiancia y producción de hidrógeno para un día soleado y un día nublado en un acople directo Se observa que en un día soleado se produce alrededor de 3,33 veces más cantidad de hidrógeno que en un día nublado, siendo la irradiancia en un día soleado alrededor de 3,3 veces la irradiancia en un día nublado. Por lo tanto se puede decir que la producción de hidrógeno es prácticamente directamente proporcional a la cantidad de irradiancia que incide en la superficie terrestre, y 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 0:00 4:48 9:36 14:24 19:12 0:00 Producción de Hidrógeno (Nm3/min) mH2 día Soleado (Nm3/min) mH2 día Nublado (Nm3(min) PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 103 que la diferencia entre un día soleado y un día nublado es, como se ha dicho anteriormente, de 3,33 veces más en relación a la producción de hidrógeno. A continuación se pasará a analizar el efecto de los cuatro parámetros iniciales: en la producción de hidrógeno: 4.2.1.1 Influencia de Para analizar la influencia del parámetro en la producción de hidrógeno, se variará un 10% el valor de dicho parámetro para cada uno de los niveles de irradiancia en cada uno de los escenarios elegidos (día soleado y día nublado), obteniendo nuevos puntos de corte entre la nueva curva del sistema fotovoltaico y la curva del electrolizador. La producción de hidrógeno tanto para el valor de original como para los dos nuevos valores en un día soleado y un día nublado se muestra en las ilustraciones 4.6 y 4.7: PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 104 Ilustración 4-9 Representación de la producción de hidrógeno frente a la irradiancia para Rs, Rs+10% y Rs-10% en un día Soleado Ilustración 4-10 Representación de la producción de hidrógeno frente a la irradiancia para Rs, Rs+10% y Rs-10% en un día Nublado 0200 400 600 800 1000 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 E (W/m2) mH2 (Nm3/min) Rs+10% Rs-10% Rs 0100 200 300 400 500 600 700 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 E (W/m2) mH2 (Nm3/min) Rs+10% Rs-10% Rs PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 105 Ya que no se aprecia con mucha claridad debido a la poca variación de dichos valores, en la tabla 4.12 se detallan con más exactitud dichos valores: Día Soleado Día Nublado ( /día) 54,95 16,5 ( /día) en +10% 54,77 16,48 ( /día) en -10% 55,09 16,51  +10% (%) -0,33 -0,09  -10% (%) 0,26 0,07 Tabla 4-12 Datos de producción de hidrógeno para Rs, Rs+10% y Rs-10% Como se observa, la variación del parámetro influye muy poco en la producción de hidrógeno en ambos escenarios, si bien para un día nublado la variación es aún más insignificante. Esto es debido a que como se observa en la ilustración 4.7, a bajos niveles de irradiancia la influencia del parámetro Rs es prácticamente nula, haciéndose un poco más influyente a medida que aumenta los valores de irradiancia. Por tanto, como los valores de irradiancia en un día nublado son menores que para un día soleado, la influencia del parámetro en la producción de hidrógeno es menor. Por otro lado, también se puede afirmar que aunque esta variación sea muy pequeña, la producción de hidrógeno aumenta a medida que el valor de disminuye. Para comprobar que, efectivamente, la influencia del parámetro en la producción de hidrógeno es muy pequeña, se va a variar en lugar de un 10 % un 20 %. En las ilustraciones 4.8 y 4.9 están representadas la producción de hidrógeno para cada nivel de irradiancia en un día soleado y un día nublado: PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 112 Ilustración 4-17 Representación de la producción de hidrógeno frente a la irradiancia para γ, γ+10% y γ-10% en un día Soleado Ilustración 4-18 Representación de la producción de hidrógeno frente a la irradiancia para γ, γ+10% y γ-10% en un día Nublado 0200 400 600 800 1000 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 E (W/m2) mH2 (Nm3/min) gamma+10% gamma-10% gamma 0100 200 300 400 500 600 700 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 E (W/m2) mH2 (Nm3/min) gamma+10% gamma-10% gamma PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 113 Tanto en la ilustración 4.14 como en la 4.15 se observa que para valores bajos de irradiancia la influencia del parámetro γ en la producción de hidrógeno es muy pequeña, si bien dicha influencia va aumentando a medida que los valores de irradiancia van aumentando. Por otro lado, también se puede observar mirando las gráficas que la producción de hidrógeno aumenta cuando aumenta el parámetro inicial γ, y que dicho parámetro influye más cuando es un 10% menos del valor que cuando es un 10 % más. En la tabla 4.16 se muestran dichos valores con más exactitud: Día Soleado Día Nublado (mol/día) 54,95 16,5 (mol/día) en γ+10% 55,48 16,54 (mol/día) en γ-10% 50,38 16,06  +10% (%) 0,98 0,25  -10% (%) -8,31 -2,68 Tabla 4-16 Datos de producción de hidrógeno para γ, γ+10% y γ-10% Como se observa en la tabla 4.16 y se ha dicho anteriormente, la producción de hidrógeno aumenta cuando lo hace el parámetro γ, si bien dicho parámetro tiene más influencia para los días soleados que para los días nublados. Esto es debido a que, como se explicó para los parámetros e , el parámetro γ es más influyente a niveles altos de irradiancia, así que tendrá más influencia en días soleados que en días nublados. Para ver dicha influencia con mayor claridad, se va a exponer dicha producción de hidrógeno a un aumento y a una disminución del 20 % del parámetro γ. En las ilustraciones 4.16 y 4.17 se muestra la variación de dicho parámetro para un día soleado y un día nublado: PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 114 Ilustración 4-19 Representación de la producción de hidrógeno frente a la irradiancia para γ, γ+20% y γ-20% en un día Soleado Ilustración 4-20 Representación de la producción de hidrógeno frente a la irradiancia para γ, γ+20% y γ-20% en un día Nublado 0200 400 600 800 1000 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 E (W/m2) mH2 (Nm3/min) gamma gamma+20% gamma-20% 0100 200 300 400 500 600 700 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 E (W/m2) mH2 (Nm3/min) gamma gamma+20% gamma-20% PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 115 En la tabla 4.17 se recogen con más detalle los valores de producción de hidrógeno para dichos valores de γ: Día Soleado Día Nublado (mol/día) 54,95 16,5 (mol/día) en γ+20% 55,55 16,54 (mol/día) en γ-20% 35,49 13,19  +20% (%) 1,09 0,28  -20% (%) -35,41 -20,02 Tabla 4-17 Datos de producción de hidrógeno para γ, γ+20% y γ-20% Comparando con los resultados obtenidos anteriormente, se observa que si bien al aumentar el valor de γ apenas hay variación de la producción de hidrógeno, para disminuciones de dicho valor, la disminución en la producción de hidrógeno es prácticamente exponencial. Por lo tanto, para pequeñas disminuciones del valor de γ la disminución en la producción de hidrógeno es muy grande, siendo mayor cuanto mayor sea el valor de la irradiancia. 4.2.2 Para acople Indirecto Al igual que se ha hecho para el acople directo, se tomarán como datos de partida los valores de irradiancia en cada minuto de un día soleado y de un día nublado. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 116 Para el acople indirecto, cada valor de irradiancia hará que varíe la intensidad de cortocircuito ( y la tensión y la intensidad en el punto de máxima potencia ( respectivamente). Al variar estos valores, cambiará la tensión y la intensidad máxima que produce la célula fotovoltaica y, de esta manera, variará la potencia máxima que dará dicha célula: Una vez que ha variado la potencia máxima alcanzada por la célula y teniendo en cuenta la penalización debida al rendimiento del seguidor de máxima potencia, cambiará el punto de funcionamiento del electrolizador, tal y como se muestra en la siguiente ecuación y tal y como se explicó en el apartado 4.1.3.2: Cada uno de los puntos de funcionamiento del electrolizador dará una intensidad de corte, que servirá para calcular la producción de hidrógeno. En la ilustración 4.21 se representa la producción de hidrógeno para cada minuto del día en un día soleado y en un día nublado en las condiciones de partida. Se observa que en un día nublado la producción de hidrógeno es menor y más irregular. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 117 Ilustración 4-21 Producción de hidrógeno en para un día soleado y para un día nublado en acople directo en las condiciones de partida En la tabla 4.18 se muestran los valores medios de irradiancia para un día soleado y para un día nublado y los valores de la producción de hidrógeno para ambos escenarios: Día Soleado Día Nublado E (W/ ) 423,48 128,53 (mol/día) 2482,86 793,71 ( /día) 55,62 17,78 Tabla 4-18 Datos de irradiancia y producción de hidrógeno para un día soleado y un día nublado en un acople indirecto Tal y como se ha explicado anteriormente, la variación de la irradiancia afecta al punto de máxima potencia del módulo fotovoltaico y esto hace que afecte al punto de funcionamiento del electrolizador y, por tanto, a la producción de hidrógeno. Sin embargo, para calcular el punto de funcionamiento del electrolizador solo se tiene en cuenta el punto de máxima potencia del módulo fotovoltaico, sin que influya la curva de funcionamiento del módulo y, por tanto, 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 0:00 4:48 9:36 14:24 19:12 0:00 Producción de Hidrógeno (Nm3/min) mH2 día Soleado(Nm3/min) mH2 día Nublado (Nm3/min) PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 118 sin que influya en dicha producción de hidrógeno los parámetros iniciales del cálculo de la curva característica . De esta manera no será posible el análisis de los parámetros iniciales en la producción de hidrógeno para el acople indirecto. 4.2.3 Comparación del acople directo y del acople indirecto A continuación se compararán los resultados obtenidos en el acople directo y en el acople indirecto, intentando sacar como conclusión cuál es el mejor acople en relación a la cantidad de hidrógeno que se produce. La tabla 4.19 servirá de comparación entre los datos obtenidos para ambos acoples: Acople Directo Acople Indirecto Día Soleado Día Nublado Día Soleado Día Nublado E (W/ ) 423,48 128,53 423,48 128,53 (mol/día) 2453,02 736,51 2482,86 793,71 ( /día) 54,95 16,5 55,62 17,78 Tabla 4-19 Datos de irradiancia y producción de hidrógeno para un día soleado y un día nublado en un acople directo y en un acople indirecto Se observa que con un rendimiento del seguidor de máxima potencia de un 90 %, el acople indirecto tiene mayor rendimiento que el acople directo, siendo esta mejora en la producción de hidrógeno de un 1,22 % en un día soleado y de un 7,76 % en un día nublado. Para terminar con la comparativa de ambos acoples, se buscará ahora el valor límite en el rendimiento del seguidor de máxima potencia a partir del cual el acople directo se hace más rentable que el acople indirecto. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 119 Partiendo de las ecuaciones usadas anteriormente: 󰇗 El rendimiento del seguidor de máxima potencia se definiría como sigue: 󰇗 Siendo , la ecuación quedaría: 󰇗 Finalmente se obtiene que para un rendimiento del seguidor de máxima potencia de 88,83 % la producción de hidrógeno para un día soleado es de 54,9497 Nm3/día, siendo éste el valor del rendimiento a partir del cual el acople directo es más eficiente que el acople indirecto. Para un día nublado, el valor del rendimiento del seguidor de máxima potencia que hace que el acople directo sea más eficiente que el acople indirecto es de 83,45 %, dando una producción de hidrógeno de 16,549 Nm3/día. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 120 5 CONCLUSIONES  En primer lugar, la influencia de los parámetros iniciales es la siguiente: o El parámetro tiene en cuenta el efecto de la resistencia en serie que presentan las conexiones, como el colector y la superficie. Tal y como se muestra en la ilustración 5.1, la variación de dicho parámetro apenas afecta a la curva característica y, por tanto, a la intensidad de corte. Debido a esto, la producción de hidrógeno apenas se ve afectada. Ilustración 5-1 Variación del parámertro Rs y curvas características (Delgado Fernández, 2015) PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 121 o El parámetro se corresponde con la corriente de saturación inversa del diodo. Tal y como se muestra en la ilustración 5.2, la variación de dicho parámetro apenas tiene influencia en la curva característica del módulo fotovoltaico y, debido a esto, la producción de hidrógeno apenas se ve afectada. Ilustración 5-2 Variación del parámetro Io y curvas características (Delgado Fernández, 2015) PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 128 7.1.2 Electrolizador: Cálculo de Vrev y Vtn y curva característica F=96485 z=2 Tref=25 T=80 pref=100 p=2000 {Propiedades termodinámicas a 25 ºC y 1 atm} H_H2=0 "J/mol" H_O2=0 "J/mol" H_H2O=-285840 "J/mol" S_H2=130,7 "J/molK" S_O2=205 "J/molK" S_H2O=69,9 "J/molK" H_Rref=H_H2+1/2*H_O2-H_H2O S_Rref=S_H2+1/2*S_O2-S_H2O G_Rref=H_Rref-S_Rref*(Tref+273,15) Vtn_ref=H_Rref/(z*F) Vrev_ref=G_Rref/(z*F) {Propiedades termodinámicas a 80 ºC y 20 bar/atm} Cp_H2=14240*2/1000 "J/molK" Cp_O2=917*32/1000 "J/molK" Cp_H2O=4181,3*18/1000 "J/molK" R=8,314 "J/molK" deltaH_H2=Cp_H2*(T-Tref)+H_H2 deltaH_O2=Cp_O2*(T-Tref)+H_O2 PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 129 deltaH_H2O=Cp_H2O*(T-Tref)+H_H2O H_R=deltaH_H2+1/2*deltaH_O2-deltaH_H2O deltaS_H2=Cp_H2*ln(T/Tref)-R*ln(p/pref)+S_H2 deltaS_O2=Cp_O2*ln(T/Tref)-R*ln(p/pref)+S_O2 deltaS_H2O=Cp_H2O*ln(T/Tref)-S_H2O S_R=deltaS_H2+1/2*deltaS_O2-deltaS_H2O G_R=H_R-S_R*(T+273,15) Vtn=H_R/(z*F) Vrev=G_R/(z*F) "Curva Característica: datos" Vtn=1,472 "V" {A 80ºC y 20 bar} Vrev=1,054 "V" {A 80 ºC y 20 bar} Temp=80 "ºC" f1=20000 "A2/m4" f2=0,93 A=0,06 "m2" I=50 "A" z=2 "número de electrones transferidos en la electrólisis" F=96485 "C/mol As/mol" nc=48 Pnom=25000 r=1,8791*10^(-3)-2,1166*10^(-5)*Temp s=0,2982 t=2,891-0,0707*Temp+0,0006*Temp^2 "Ecuación gráfica I-V" PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 130 Velec=nc*(Vrev+r*Ielec+s*log10(t*Ielec+1)) 7.1.3 Acople Directo: Cálculo de módulos en serie y módulos en paralelo "Datos previos FV" Vpmp=31,3 "V" Ipmp=8,96 "A" Voc=39,1 "V" Isc=9,5 "A" q=1,602*10^(-19) "C" k=1,381*10^(-23) "J/K" Tc=25+273,15 "K" IL=9,5 I0=3,403E-09 gamma=69,94 Rs=0,2952 "Datos previos Electrolizador" Vtn=1,472 "V" Vrev=1,054 "V" Temp=80 "ºC" f1=20000 "A2/m4" f2=0,93 z=2 "número de electrones transferidos en la electrólisis" F=96485 "C/mol As/mol" nc=48 r=1,8791*10^(-3)-2,1166*10^(-5)*Temp s=0,2982 t=2,891-0,0707*Temp+0,0006*Temp^2 "Curva característica del Electrolizador" Vcorte=nc*(Vrev+r*Icorte+s*log10(t*Icorte+1)) PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 131 "Curva característica del módulo FV" Icorte=IL*Np-I0*Np*exp(q*(Vcorte+Icorte*Rs*Ns/Np)/(gamma*Ns*k*Tc)) "Para la potencia máxima" Pmáxima=Vmaxima*Imaxima Vmaxima=Vpmp*Ns Imaxima=Ipmp*Np Ncaptadores=Ns*Np "Para la potencia de corte" Pcorte=Vcorte*Icorte 7.1.4 Acople Indirecto: Cálculo de módulos en serie y módulos en paralelo "Datos previos ELECTROLISIS" Vtn=1,472 "V" Vrev=1,054 "V" Temp=80 "ºC" f1=20000 "A2/m4" f2=0,93 A=0,06 "m2" I=50 "A" z=2 "número de electrones transferidos en la electrólisis" F=96485 "C/mol As/mol" nc=48 Rend_MPPT=0,9 r=1,8791*10^(-3)-2,1166*10^(-5)*Temp s=0,2982 PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 132 t=2,891-0,0707*Temp+0,0006*Temp^2 "Datos previos FV" Vpmp=31,3 "V" Ipmp=8,96 "A" Voc=39,1 "V" Isc=9,5 "A" Pmaxima=Vmaxima*Imaxima Vmaxima=Vpmp*Ns Imaxima=Ipmp*Np Ncaptadores=Ns*Np "ECUACIONES" Pnom=Pmaxima*Rend_MPPT Pnom=Vcorte*Icorte Vcorte=nc*(Vrev+r*Icorte+s*log10(t*Icorte+1)) 7.1.5 Acople Directo: Producción de Hidrógeno "Datos del Electrolizador" Vtn=1,472 "V" {A 80ºC y 20 bar} Vrev=1,054 "V" {A 80 ºC y 20 bar} Temp=80 "ºC" f1=20000 "A2/m4" f2=0,93 z=2 nc=48 F=96485 "C/mol" A=0,06 "m2" PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 133 r=1,8791*10^(-3)-2,1166*10^(-5)*Temp s=0,2982 t=2,891-0,0707*Temp+0,0006*Temp^2 "Datos del módulo FV" Ipmp=Isc*0,95 "A" Vpmp=Voc*0,8 Voc=39,1 "V" Isc1=9,5 "A" Isc=E*Isc1/1000 q=1,602*10^(-19) "C" k=1,381*10^(-23) "J/K" { Vpmp=31,3 "V" Ipmp=8,96 "A" Voc=39,1 "V" Isc1=9,5 "A" Isc=E*Isc1/1000 q=1,602*10^(-19) "C" k=1,381*10^(-23) "J/K" } "Influencia de la Irradiancia en la temperatura de la célula" Tamb=25 TONC=46 Tc=(Tamb+(TONC-20)/800*E)+273,15 { IL=Isc 0=IL-I0*exp(q/(gamma*k*Tc)*Voc) 0=-Ipmp+IL-I0*exp(q/(gamma*k*Tc)*(Vpmp+Ipmp*Rs)) PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 134 0=1-(exp(q/(gamma*k*Tc)*(Vpmp- Voc+Ipmp*Rs))*(1+((q*Vpmp)/(gamma*k*Tc))/(1+((Rs*q)/(gamma*k*Tc)*(Isc*q)/(gamm a*k*Tc))*exp(q/(gamma*k*Tc)*(Vpmp-Voc+Ipmp*Rs))))) } IL1=Isc gamma_may=(Isc/(Isc-Ipmp)+ln(1-Ipmp/Isc))/(2*Vpmp-Voc) Rs1=(1/gamma_may*ln(1-Ipmp/Isc)+Voc-Vpmp)/Ipmp I01=Isc*exp(-gamma_may*Voc) gamma1=q/(gamma_may*k*Tc) Rs=Rs1 gamma=gamma1*1,2 IL=IL1 I0=I01 Ns=3 Np=31 "Curva característica del Electrolizador" Vcorte=nc*(Vrev+r*Icorte+s*log10(t*Icorte+1)) "Curva característica del módulo FV" Icorte=IL*Np-I0*Np*exp((q/(gamma*Ns*k*Tc))*(Vcorte+Icorte*Rs*Ns/Np)) "Para la potencia máxima" Pmáxima=Vmaxima*Imaxima Vmaxima=Vpmp*Ns Imaxima=Ipmp*Np Ncaptadores=Ns*Np "Para la potencia de corte" Pcorte=Vcorte*Icorte PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 135 "Rendimiento de Faraday" rend_Faraday=f2*(Icorte/A)^2/((Icorte/A)^2+f1) "Producción de Hidrógeno" m_H2=(rend_Faraday*(nc*Icorte)/(z*F))*60 m_H2_normal=m_H2*22,4/1000 7.1.6 Acople Indirecto: Producción de Hidrógeno "Datos del panel fotovoltaico" Vpmp=Voc*0,8 "V" Ipmp=Isc*0,95 "A" Voc=39,1 "V" Isc1=9,5 "A" Isc=E*Isc1/1000 q=1,602*10^(-19) "C" k=1,381*10^(-23) "J/K" Tamb=25 TONC=46 Tc=(Tamb+(TONC-20)/800*E)+273,15 IL=Isc gamma_may=(Isc/(Isc-Ipmp)+ln(1-Ipmp/Isc))/(2*Vpmp-Voc) Rs1=(1/gamma_may*ln(1-Ipmp/Isc)+Voc-Vpmp)/Ipmp I0=Isc*exp(-gamma_may*Voc) gamma=q/(gamma_may*k*Tc) Rs=Rs1*0,9 Ns=4 Np=25 Pmaxima=Vmaxima*Imaxima PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS DE DISEÑO Yolanda González Besa Página 136 Vmaxima=Vpmp*Ns Imaxima=Ipmp*Np Ncaptadores=Ns*Np Pnom=Pmaxima*Rend_MPPT Rend_MPPT=0,8345 Pnom=Vcorte*Icorte "Datos previos ELECTROLISIS" Vtn=1,472 "V" Vrev=1,054 "V" Temp=80 "ºC" f1=20000 "A2/m4" f2=0,93 A=0,06 "m2" I=50 "A" z=2 "número de electrones transferidos en la electrólisis" F=96485 "C/mol As/mol" nc=48 r=1,8791*10^(-3)-2,1166*10^(-5)*Temp s=0,2982 t=2,891-0,0707*Temp+0,0006*Temp^2 Vcorte=nc*(Vrev+r*Icorte+s*log10(t*Icorte+1)) "Rendimiento de Faraday" rend_Faraday=f2*(Icorte/A)^2/((Icorte/A)^2+f1) "Producción de Hidrógeno" m_H2=(rend_Faraday*(nc*Icorte)/(z*F))*60 m_H2_normal=m_H2*22,4/1000