Optimización de la producción de hidrógeno desde energía solar fotovoltaica
[SPA] Nuestro planeta afronta en este comienzo de siglo un gran reto, la transición desde un sistema energético masivamente dependiente de los combustibles fósiles hacia un sistema libre o al menos con un menor dependencia de estos. La cada vez más cercana escasez de las reservas tradicionales de recursos fósiles y el alto impacto sobre el medioambiente de su combustión masiva, son dos de los principales motivos que nos empujan hacia esa transición. Las energías renovables están jugando y van a jugar un papel clave en este cambio. Sin embargo todavía han de superar dos importantes inconvenientes desde el punto de vista tecnológico para su implantación masiva: 1) su naturaleza variable e intermitente implicaría en un futuro cercano el uso de sistemas de almacenamiento energético eficientes y baratos y 2) su integración en sector del transporte, altamente dependiente del petróleo. La introducción del hidrógeno como vector energético se ha considerado como una de las posibles soluciones para "descarbonizar" el sistema energético. El H2 en su forma molecular es muy escaso en la superficie terrestre y por tanto debe ser generado a partir de hidrocarburos o agua principalmente, aplicando una energía externa para forzar la disociación molecular. El H2 podría utilizarse como almacenamiento energético en plantas de generación eléctrica y también como combustible para el transporte (acompañado de la introducción de vehículos con pila de combustible o motores de combustión interna modificados). Tanto la combustión directa como la utilización electroquímica (pila de combustible) del H2 están libres de emisiones de CO2, sin embargo al igual que la electricidad, la huella de CO2 dependería del método de generación usado. En la actualidad, la electrólisis del agua utilizando electricidad de origen renovable es el único método comercial de generación de H2 libre de emisiones de CO2. En particular el acoplamiento a sistemas fotovoltaicos es una de las opciones más prometedoras de generación de H2 a partir de energías renovables. Propiciado por las políticas medioambientales de primas y ayudas a la generación eléctrica de origen renovable, muchos países entre ellos España, han experimentado un crecimiento masivo de la capacidad fotovoltaica instalada. Esto ha provocado un ampliación del mercado con una tendencia actual a la reducción del precio por Wh generado, y en un futuro a medio plazo abre nuevas oportunidades para la generación de H2 desde fotovoltaica. Tanto la fotovoltaica como la electrólisis del agua son tecnologías bien conocidas y con dispositivos comerciales disponibles. Sin embargo el acoplamiento de ambas en sistemas de producción de H2 a partir de fotovoltaica (FV-H2) presenta todavía algunas limitaciones a mejorar. El objetivo de esta tesis es el desarrollo de herramientas de ingeniería destinadas a la optimización de este tipo de sistemas FV-H2. El documento esta organizado de la siguiente manera: en el capítulo1 se realiza una breve introducción en la que se presenta la situación energética actual y los posibles roles que podrían desempeñar la energía solar fotovoltaica y el hidrógeno como vector energético en la transición hacia un sistema energético más limpio. En el capítulo 2 se lleva a cabo una profunda revisión de la modelización de dispositivos fotovoltaicos como herramienta para la simulación de sistemas FVs y para la detección automatizada de fallos en plantas fotovoltaicas. Los modelos seleccionados son analizados y comparados usando datos experimentales de cuatro tipo de tecnologías FVs: dos plantas monitorizadas en la UMU (basadas en módulos de c-Si y CdTe) y medidas I-V realizadas la UPCT sobre células III-V tipo tándem y un módulo de p-Si. El capítulo 3 se centra en la modelización de electrolizadores tipo PEM, una reciente y muy prometedora tecnología de electrolizadores. La primera sección contiene una revisión actualizada del estado del arte de electrolizadores para la generación de H2, analizando los fundamentos teóricos para la modelización de electrolizadores. Se propone un modelo para electrolizadores tipo PEM y se detalla su validación usando datos experimentales de dos electrolizadores diferentes. Uno de estos electrolizadores junto con el sistema de monitorización y control diseñado al efecto fue instalado en la UPCT como banco de pruebasLos puntos críticos y las alternativas de acoplamiento en sistemas FV-H2 constituyen el eje central del capítulo 4. Desde el punto de vista eléctrico un sistema FV puede ser visto como un fuente de corriente continua (CC) y un electrolizador como una carga en continua, por tanto el acoplamiento directo es posible. Sin embargo el uso de convertidores CC/CC como interfaz entre ambos dispositivos ofrece una series de ventajas. Se expone también un nuevo método desarrollado para optimizar el dimensionado relativo entre el generador fotovoltaico y el electrolizador y ambas opciones de acoplamiento (directo y a través de convertidor CC/CC) son comparadas experimentalmente con el electrolizador tipo PEM instalado en la UPCT. En la segunda parte del capítulo se presenta un algoritmo de control específico para el acoplamiento a través de convertidor CC/CC, que introduce nuevas mejoras con respecto a los usado actualmente en instalaciones fotovoltaicas. Su comportamiento es evaluado y discuto a partir de simulaciones realizadas en Simulink. El último capítulo aborda la integración de sistemas FV-H2 en microrredes. El capítulo propone un entorno de trabajo que combina los sistemas multi-agente con Matlab como herramienta para la simulación de microrredes. Inicialmente los conceptos de generación energética distribuida y de microrredes como sistemas de generación energética para el futuro son introducidos. Tras ello, se describen las oportunidades y potencialidades de los sistemas multi-agente para el control de microrredes. Por _ultimo una arquitectura multi-agente específica para el control de micrroredes es propuesta y validada mediante simulaciones en el entorno de trabajo creado de dos microrredes que incluyen sistemas FV-H2. Finalmente, se discuten las conclusiones y futuros trabajos.[ENG] Our planet is facing a great challenge, the transition to an energetic system free or at least less dependent on fossil fuels. Among the main reasons for this compulsory transition are the forthcoming scarcity of traditional fuels and more important the impact on the environment of their massive use. In this transition renewable energies will play a central role, however they have to overcome two important drawbacks: 1) their intermittent nature which claims for e cient and cheap energy storage and 2) their integration into the energy transport sector, highly dependent on oil. Introducing hydrogen as energetic vector into the energetic system has been regarded as a path to decarbonise it. H2 in its molecular form is rarely found in the Earth and it has to be generated from water or from hydrocarbons, applying an input energy for molecular dissociation. Because of that it can be used as energetic bu er in intermittent electricity generation plants and it can be also used as CO2 emission-free fuel for transport (fuel-cells based vehicles or modi ed internal combustion engines). H2 combustion and electrochemical use are free from CO2 but attention must be paid into the H2 generation process, which must also be independent of fossil-fuels. Nowadays, water electrolysers supplied from renewable electricity sources are the only commercial way to obtain H2 almost free of CO2 emissions. In particular coupling water electrolysers with photovoltaic generation systems is one of the most promising choices for obtaining H2 from a clean renewable energy source. Pushed by environmental policies (feed-in tari s and subsidies), some countries have seen and are seeing a massive growth of the number of photovoltaic systems during the past few years. That opens new opportunities and makes H2 generation from PV a very attractive option. Both photovoltaics and water eletrolysis are well known technologies, however coupling both technologies still presents some challenges. In general this thesis is devoted to the development of engineering tools which could be useful to overcome the main issues related to H2 generation from photovoltaics. The document is organised as follows: chapter one makes a brief introduction to present energetic situation and the photovoltaics and hydrogen possible roles into the transition to a cleaner energy production system. Chapter 2 revises photovoltaic modelling as a tool for simulation purposes and for automatic PV error detection in conventional photovoltaic plants. Experimental data from four kind of photovoltaic technologies are used to compare models. c-Si and CdTe from monitorised PV facilities at UMU and III-V tandem cells and p-Si module from laboratory I-V measurements. Chapter 3 focuses on modelling a recent and very promising water electrolyser technology (PEM water electrolyser technology). An updated review of the state of art on water electrolyser is presented and the fundamentals for modelling PEM water electrolysers are addressed. A complete PEM water electrolyser model is proposed and it is experimentally validated within two di erent PEM water electrolysers. One of these electrolysers and their respective testing facility was set up at the UPCT. Main issues and alternatives for photovoltaic and water electrolyser coupling are worked out on Chapter 4. Due to the DC electrical nature of photovoltaics and water electrolysers, direct coupling is possible, however coupling through a DC/DC converter o ers some interesting possibilities. A novel method to optimise relative sizing for direct coupling is presented and both coupling option are experimentally compared within the PEM water electrolyser at the UPCT. In the second section of the chapter, a speci c control algorithm for DC/DC converter coupling option is proposed, simulated and discussed. The last chapter deals with the integration in Microgrids of H2 production from photovoltaic systems. The chapter proposes a framework that combines a Multi-Agent System (MAS) with MATLAB as a tool for simulating Microgrids. Firstly, the Distributed Energy Resources and the Microgrid concepts as future power systems are introduced. Then, opportunities of Multi-Agent approaches for controlling microgrids are described. A simple speci c MAS architecture for Microgrids is proposed and used in simulations of Microgrids with PV-H2 production integration. Finally, conclusions and future works are discussed.
Inteligencia artificial, Energía solar, Ingeniería de control, Fuentes no convencionales de energía
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