Instal·lació fotovoltaica amb generació d’hidrogen

UPC UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA Escola Politècnica Superior d’Enginyeria de Manresa Instal.lació fotovoltaica amb generació d’hidrogen 7 de juliol de 2021 treball de fi de grau que presenta Clàudia Palà Giralt en compliment dels requisits per assolir el Grau en Enginyeria Química Direcció: José Juan de Felipe Blanch Aquesta obra està subjecta a una llicència Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Spain de Creative Commons. Per veure’n una còpia, visiteu https:// creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/es/deed.ca o envieu una carta a Creative Commons, 171 Second Street, Suite 300, San Francisco, California 94105, USA. A la meva família, a les meves amigues, a la gent que estimo i amb qui comparteixo la vida. A la ciutat de Manresa, a tots els col.lectius i persones que lluiten per transformar el món i fer-lo més just. Agraïments Aquest projecte no s’hagués pogut dur a terme sense l’ajuda de moltes persones. Petites i grans, totes les aportacions han sigut necessàries. Referent a la part tècnica, gràcies J.J. per acompanyar-me i encoratjar-me amb la idea del projecte. També al regidor de ciutat verda de Manresa Pol Huguet i el tècnic Joan Collado per facilitar-me les dades requerides. Especialment agraïda estic amb totes les persones de Sud, per aportar-me la majoria del coneixement tècnic que tinc sobre fotovoltaica, ajudar-me en temes tècnics del treball, i sobretot per transmetre’m la curiositat i entusiasme per les energies renovables. Referent a la part emocional, primer de tot vull donar les gràcies a la meva família per oferir-me sempre el suport que he necessitat. A la meva mare per animar-me i cuidar-me, al meu pare no només pel suport anímic, també tècnic. A la meva germana, gràcies per ser tan fantàstica, per les correccions, per fer-me costat i ser-hi sempre. Gràcies als tres també per transmetre’m l’interès per la tecnologia i les ganes d’aprendre més del meu voltant. Gràcies a totes persones que lluiten al meu costat. Per recomanar-me llibres, enviar-me articles, pels debats, xerrades i assemblees. Gràcies per ajudar-me a tenir una perspectiva global, a teoritzar i entendre la verdadera arrel de la problemàtica de l’emergència climàtica. Per últim però no menys important, vull agrair a les meves amigues i totes les persones que estimo i amb qui comparteixo el dia a dia. Gràcies per demanar-me com portava el treball, animar-me i confiar sempre en mi. Gràcies per oferir-me la vostra ajuda sempre que ho he necessitat, especialment les últimes setmanes amb la lesió del canell. Gràcies per seguir compartint aquest final d’etapa i tots els que queden. Gràcies a totes i cadascuna de les persones que hi heu col.laborat. Sense vosaltres, aquest document en què us esteu a punt de submergir no hagués estat possible. Resum L’augment sostingut de la temperatura ambiental les darreres dècades, fenòmens meteorològics extrems, elevats índexs de concentració de gasos d’efecte hivernacle en l’atmosfera, el desglaç dels pols, la pèrdua de biodiversitat pel descens d’oxigen dissolt en l’aigua degut a l’augment de la temperatura. . . Que el planeta Terra s’enfronta a una emergència climàtica es pot considerar pràcticament un consens en la societat. Moltes són les polítiques que s’estan implementant institucionalment per pal·liar les conseqüències dels danys ocasionats per centenars d’anys d’explotació dels recursos naturals per part dels humans. Per fer front a aquesta accelerada cursa a la deriva, s’està actuant en totes les esferes, des de les grans cimeres internacionals, fins a petits canvis a nivell local. Aquest projecte busca incidir en el primer nivell d’actuació: l’àmbit municipal. Es presenta un projecte de ciutat on existeixi una convergència entre les energies renovables a petita escala i el guany col·lectiu pels ciutadans de Manresa. El projecte plantejat és una instal·lació fotovoltaica en la nau de manteniment de l’Ajuntament de Manresa situada al polígon industrial Bufalvent. L’objectiu de la instal·lació és abastir d’electricitat la nau en les hores solars, i amb els excedents energètics, generar hidrogen in situ a través d’un electrolitzador de forma totalment renovable. Posteriorment s’estudia la viabilitat de dues alternatives d’ús de l’hidrogen: l’adquisició d’un autobús urbà que funcioni amb hidrogen, i la construcció de la primera hidrogenera de la Catalunya Central. i Abstract Abstract The steady rise of temperature in the last decades, extreme meteorogical phenomena, high rates of greenhouse gases concentration in the atmosphere, thawing of the poles, the loss of biodiversity because of the decrease of dissolved oxygen in water due to the increase of temperature. . . The fact that the Earth is facing a climate emergency can be considered practically a consensus of society. There are lots of policies that are being implemented institutionally to alleviate the consequences of the damage caused by hundreds of years of exploitation by humans. In order to deal with this accelerated drift race, action is being taken in all the spheres, from global climate summits to small changes at the local level. This project seeks to affect the first level of action: the local scene. This is a city project which goal is to achieve a convergence between small-scale renewable energies and the collective gain for the citizens of Manresa. The proposed project is a photovoltaic installation in a maintenance building located in the industrial estate of Bufalvent which owner is the city council of Manresa. The purpose of the installation is to supply electricity to the shed during solar hours, and generate hydrogen in situ with the energy surpluses through an electrolyser, in a completely renewable way. Finally, the feasibility of two alternatives for the use of hydrogen is studied: the acquisition of a hydrogen-powered city bus, and the construction of the first hydrogen plant in Central Catalonia. ii Índex Resum i Abstract i I. Memòria 1 1. Introducció 3 1.1. Objectius ....................................... 3 1.2. Estructuradeldocument............................... 4 2. Estat de l’art 5 2.1. Anàlisi del context global i l’emergència climàtica . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2. L’energia solar fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2.1. Contextglobal ................................ 8 2.2.2. Contextespanyol............................... 8 2.2.3. Contextcatalà ................................ 8 2.3. Quèésl’hidrogen? .................................. 9 2.3.1. Estratègiaeuropea.............................. 10 2.3.2. Principals potencialitats i avantatges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3. Fonaments tècnics 13 3.1. L’energia solar fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.1.1. Tecnologia fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.1.2. L’autoconsum................................. 14 3.2. Hidrogen........................................ 15 3.2.1. Què és l’electròlisi? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.2.2. Emmagatzematge .............................. 16 4. Cas d’estudi 19 4.1. Presentació i situació de la nau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 4.2. Càlculdeconsums .................................. 19 4.3. Elcampfotovoltaic.................................. 25 4.3.1. Dimensionament ............................... 26 4.3.2. Superfície on instal.lar............................ 26 4.3.3. Elecció d’estructura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.3.4. Elecciódepanells............................... 31 4.3.5. Valoració d’alternatives per la distribució de panells . . . . . . . . . . . 31 4.3.6. Electricitat generada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.3.7. Elecció d’inversors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.3.8. Corba de consums, generació elèctrica i càlcul d’excedents . . . . . . . . 39 iii 2. Estat de l’art Figura 2.1.: Evolució pel període assenyalat a la gràfica de quatre magnituds clau: població mundial, consum d’energia, emissions de CO2i augment de la temperatura mitjana de la Terra. [Pla20] emergència. Un dels principals focus d’actuació és en l’àmbit de la generació d’energia elèctrica i en general en el sistema energètic. Així doncs, una lupa se situa en el camp de les energies renovables. Les energies fòssils representen avui dia el 82% del mix energètic mundial [MIT20a] i per tant això suposa que l’energia elèctrica tan necessària al segle XXI segueix contribuint en molt bona part a l’emergència climàtica. Tot el procés per aconseguir electricitat a partir de les energies fòssils és altament contaminant: tant l’extracció dels recursos, el tractament i transport, com la combustió. Aquest és un dels motius pels quals s’apunta a les energies renovables com a potencials «frens de mà» en aquesta problemàtica. És per això que a nivell d’Unió Europea es va impulsar a finals del 2019 el Pacte Verd Europeu. Aquest es defineix de la següent manera: «Es tracta d’una nova estratègia de creixement destinada a transformar la UE a una societat equitativa i pròspera, amb una economia moderna, eficient en l’ús dels recursos i competitiva en la que no hi haurà emissions netes de gasos d’efecte hivernacle al 2050 i el creixement econòmic estarà dissociat de l’ús de recursos» [Eur19]. Tal com indica aquest document, la ue s’ha fixat l’objectiu de tenir una economia amb zero emissions netes d’efecte hivernacle pel 2050. A nivell d’estat Espanyol, el miteco (Ministerio para la transición ecológica y el reto demográfico) ha proposat una elp (Estrategia a largo plazo) de cara el 2050, amb un full de ruta amb els seus propis objectius per aquesta data que són principalment assolir la neutralitat climàtica, produir el 100% de l’electricitat de formes renovables i aconseguir el 97% d’energies renovables en el consum final. També es preveu que la dependència energètica de l’exterior passi del 74% l’any 2018 a un 13% pel 2050. Pel 2030 es pretén haver reduït el 23% les emissions de gasos d’efecte hivernacle, que el 43% del consum d’energia final provingui d’energies renovables i que de la generació elèctrica les renovables n’aportin el 74% [MIT20a]. 6 2.1. Anàlisi del context global i l’emergència climàtica L’impuls institucional i l’ànim de creixement plasmat en el Pacte Verd Europeu i en la majoria de fulls de ruta dels països, va en la línia del que apunten les últimes estimacions de l’Agència Internacional de l’Energia (AIE): es preveu un augment de la demanda global energètica d’entre un 25 i un 30% de cara el 2040. [AIE19] Tot i així, cada cop són més els experts que assenyalen que aquest ritme de creixement és insostenible per mantenir el nivell de vida actual. Apunten que un sistema que pretengui seguir creixent de forma infinita és incompatible amb un planeta que sí que és finit. Alguns inclús, parlen d’un possible col.lapse [Lla20]. Hi ha un sector de la població que no confia en pactes europeus ni estatals, i argumenten que els esdeveniments internacionals i altres acords mai no han aconseguit cap objectiu dels proposats perquè per fer-ho, les mesures a prendre haurien d’anar en contra del interessos d’aquestes grans empreses i estats que impulsen aquest «canvi verd». De fet, les economies que pertanyen al G20 són les responsables del 80% de les emissions dels gasos d’efecte hivernacle [Eur19]. Opinen que les lògiques imperants en el sistema actual: l’extractivisme, el consumisme, la cursa de la productivitat. .. són incompatibles amb una societat horitzontal, equilibrada i realment sostenible. A més, assenyalen que la que ells anomenen crisi ecològica no és més que la punta de l’iceberg d’una crisi múltiple que abarca totes les esferes de l’activitat humana. Tampoc creuen que seguir creixent – amb el canvi de les fonts d’energia en el mix energètic – o reduir els gasos d’efecte hivernacle disminuint la dependència a les energies fòssils a través de la producció d’energia renovable industrial siguin una solució, ja que les renovables segueixen íntimament lligades a les energies fòssils. Argumenten que fomentar-les a gran escala segueix les mateixes lògiques actuals, que quantitativament mai podran substituir les energies fòssils i que segueixen sent dependents de factors com la mineria pesada per la seva extracció i transport. Per contra, plantegen centrar el debat en quanta energia es produeix, amb quines finalitats es fa servir i qui s’enriqueix econòmicament d’això [Pri+20]. Altres agents també plantegen l’anomenada transició energètica des d’una altra perspectiva, i assenyalen les desigualtats territorials i entre classes en quant a consums d’energia i recursos. Recentment dos informes han relacionat el fenòmen de les emissions de CO2amb la societat de classes. Una dècima part de l’espècie humana consumeix el 50% del total, mentre l’altra meitat de la població global només en consumeix el 10%. L’1% més ric té una petjada ecològica 175 vegades més gran que el 10% més pobre. Les emissions de l’1% de la població dels Estats Units, Luxemburg i Arabia Saudí són 2000 vegades més grans que les de les persones més pobres d’Honduras, Mozambique i Ruanda. La responsabilitat de CO2acumulat des de 1820 és proporcionalment similar. Analitzant el context global, apunten que amb el sistema econòmic actual mai no es podrà arribar a «salvar el planeta» ja que, perquè això pugui passar, s’ha de deixar enrere el relat del creixement econòmic com a principal motor de canvi. Defensen s’ha de partir de la base que s’ha de decréixer (en l’extracció i consum de recursos, en producció...) i les polítiques actuals, estretament lligades al sistema econòmic, no ho contemplen. Contràriament assenyalen que l’horitzó cap on aquestes apunten segueix sent el camí de créixer, encara que sigui d’una altra forma (a través de l’energia verda, per exemple). Per tant, plantegen que l’emergència climàtica només es podrà combatre deixant enrere el sistema productiu actual, i creant una nova organització social, econòmica, i en general una nova forma de vida, on es posi al centre el benestar de les persones abans que el creixement econòmic i productiu. [HÁV20]. Tot i les diferents perspectives a l’hora de fer front a l’emergència climàtica, com s’apuntava 7 2. Estat de l’art anteriorment, el consens global d’emergència hi és i, per tant, s’estan desenvolupant polítiques al respecte arreu. Per aconseguir els objectius marcats per les esferes polítiques i socials, la majoria de territoris de l’Estat han impulsat fulls de ruta i plans personalitzats. 2.2. L’energia solar fotovoltaica 2.2.1. Context global Diversos estudis científics assenyalen que la tecnologia fotovoltaica està fent una evolució molt favorable, i apunten que la tendència econòmica que segueix l’energia solar fotovoltaica segueix la llei de Swanson, la fórmula de la qual és: cn=c1×n−a on c1és el cost de la primera unitat de producció, cnés el cost de l’enèsima unitat de producció, nés el volum acumulat de producció i aés una constant que estableix la relació entre el cost i la producció acumulada en el temps. Aquesta llei, també anomenada corba d’aprenentatge, fonamentalment ens diu que quantes més vegades es realitza una tasca millor es fa. Els resultats són encoratjadors: el preu dels mòduls fotovoltaics tendeix a reduir-se un 20% cada vegada que es duplica la potència instal·lada al planeta. Si mirem dades històriques comprovem que, des de l’entrada del mercat dels grans fabricants xinesos el 2006, el preu promig per Watt solar s’ha reduït un 39,8% anual. També hi ha millores constants en l’eficiència dels processos: L’energia invertida en la fabricació d’un mòdul de silici (component principal de la majoria de panells fotovoltaics que es comercialitzen) ha disminuït aproximadament un 80% des de 1995 fins el 2020 [Pla20]. Estudis recents també demostren que els panells fotovoltaics han viscut un constant decreixement de preus, i que així ho seguiran fent. Això és degut a dos motius: el motiu principal i responsable del 60% de la caiguda del preu és que les polítiques públiques han estimulat el creixement del mercat. L’agent responsable del 40% restant és que els panells solars d’avui dia converteixen molt millor l’energia del sol a l’electricitat, és a dir, la millora de l’eficiència dels panells [Her21]. 2.2.2. Context espanyol Pel que fa a la penetració de les renovables a nivell espanyol, pel 2030 el pnie (Plan Nacional Integrado de Energía y Clima 2021-2030) del miteco preveu tenir una potència total instal·lada en el sector elèctric de 157000MW, dels quals 36882MW seran de solar fotovoltaica. Això vol dir que la contribució d’aquesta font d’energia en el mix energètic serà del 23,5% [MIT20c]. En l’àmbit d’actualitat, en el BOE del passat 30 de juny, s’hi reflecteixen noves subvencions per instal.lacions fotovoltaiques tant a nivell domèstic com a nivell industrial [MIT21]. 2.2.3. Context català Actualment, a Catalunya hi ha instal·lats poc més de 3500 MW de renovables, quan l’objectiu per al 2030 és arribar a 4000 MW eòlics i 6000 MW de fotovoltaica. Amb aquestes dades, la comunitat autònoma de Catalunya es troba a la cua de les renovables a nivell d’Estat Espanyol: només aporta un 7,4% de la potència instal·lada al conjunt de l’estat. De cara al 2050 els objectius són arribar als 48000MW de renovables. 8 2.3. Què és l’hidrogen? Tot i així, a nivell català també hi ha algunes bones notícies en el camp d’energia solar fotovoltaica com, per exemple, que s’han fet més instal·lacions d’autoconsum domèstiques durant el primer trimestre de 2021, que en tot el 2019 [Paí21]. Aquesta tecnologia, en la qual també es centra aquest projecte, serà un dels principals agents clau en la transició energètica. Així doncs, tant a nivell espanyol com català, tot apunta que l’energia solar fotovoltaica serà clau en el desenvolupament de la transició energètica i encara més en territori amb una radiació elevada com és el nostre. 2.3. Què és l’hidrogen? Una altra font energètica més desconeguda i que encara es troba en una etapa menys desenvolupada és l’hidrogen. L’hidrogen és l’element químic més abundant de la naturalesa, i està present en un 75% de l’univers, però sempre es troba combinat amb altres elements. És interessant analitzar l’H2en les dues formes en que se l’empra: com a font energètica i com a matèria primera. Com a combustible, quan l’hidrogen reacciona amb l’oxigen, s’allibera una quantitat fixa d’energia i es forma aigua, seguint la següent reacció: H2+1 2O2−−→ H2O. Aquesta energia que s’allibera s’anomena poder calorífic superior (pcs) o poder calorífic inferior (pci) i les seves unitats són unitats d’energia / massa. Per exemple l’H2a 25oi 1 atm es troba en estat gasós i té un pci de 141,86 MJ/kg. La diferència entre el entre el pcs i el pci radica en la calor de vaporització [Roq+21]. Si s’analitza la comparativa del pci de l’hidrogen i altres hidrocarburs, es detecta que l’hidrogen gasós és el combustible amb major contingut energètic per unitat de massa, amb un pci aproximadament 2,5 vegades superior a la resta d’hidrocarburs. Així doncs l’hidrogen com a combustible, té una projecció molt positiva: per una banda té un contingut energètic molt elevat, i per l’altra en la reacció de combustió només genera aigua i energia, i això fa que les emissions de gasos contaminants siguin inexistents [Roq+21]. L’hidrogen com a matèria primera s’utilitza en alguns processos productius i pràcticament la totalitat del seu consum es produeix a les plantes de fabricació de productes industrials com l’amoníac o bé de les refineries. A Espanya es consumeixen al voltant de 500000 tones d’hidrogen anuals [Ibe20a]. L’hidrogen es pot catalogar principalment en tres «colors» en funció de quin és el seu origen. •El gris, és el que s’ha generat a partir de la reformació del gas natural. Actualment és el més abundant (95%) i el més barat, però també el que contamina més: per cada tona d’hidrogen generat s’emeten de 9 a 12 tones de CO2a l’atmosfera. •L’hidrogen blau té els mateixos orígens que el gris, però se certifica que en seva generació es captura i s’emmagatzema un alt percentatge del CO2alliberat i, per tant, com que el CO2es reté, es considera menys contaminant que el gris. •El tercer color és el verd. L’hidrogen verd és aquell que s’obté a través de l’electròlisi de l’aigua, utilitzant electricitat provinent de fonts renovables. A la secció 3.2.1 es detalla l’explicació del procés d’electròlisi. Actualment és el més car, però s’espera que pel 2030 el preu s’hagi reduït un 60%. Aquest últim doncs, és el que més potencial té en els propers anys, ja que al no emetre cap gas d’efecte hivernacle en la seva generació, és totalment sostenible. [ZEO21] 9 2. Estat de l’art L’Agència Internacional de l’Energia apunta que l’electròlisi com a font de generació d’hidrogen estalviaria 830 milions de tonelades anuals de CO2, que s’originen quan aquest gas es produeix mitjançant combustibles fòssils (el cas de l’hidrogen gris). Substituir tot l’hidrogen gris del món significaria adquirir 3000 TWh de renovables, una quantitat similar a la demanda elèctrica actual d’Europa. A dia d’avui, la producció d’hidrogen és responsable del 2% de les emissions totals de CO2al món [Ibe20a]. Una dada més que assenyala la importància del foment de la implantació de l’hidrogen verd. Actualment el preu de l’hidrogen gris està al voltant de 1,5e/kg mentre que el verd ronda els 4-6e/kg. Tot i així, fa uns mesos Nel, el principal fabricant d’electrolitzadors al món, va establir l’objectiu de 1,5e/kg pel 2025, un nivell de preus que superaria les opcions tradicionals basades en combustibles fòssils [ene21]. 2.3.1. Estratègia europea S’estima que pel 2050 l’hidrogen verd constituirà el 7% de la demanda mundial d’energia final. L’estratègia europea de l’hidrogen situa l’hidrogen com a element essencial per complir el compromís de la UE d’aconseguir la neutralitat de carboni al 2050. Per garantir l’avenç de les tecnologies de l’hidrogen renovable, s’estableixen tres horitzons temporals amb les seves corresponents fites a assolir en cada fase d’actuació: •Primera fase: 2020-2024. Instal·lar almenys 6 GW d’electrolitzadors a la UE i producció d’1 milió de tones d’hidrogen verd. •Segona fase: 2025-2030. L’objectiu serà instal.lar almenys 40 GW d’electrolitzadors i la producció de fins a 10 milions de tones d’hidrogen verd a la UE. •Tercera fase: 2030-2050. Es preveu que les tecnologies de l’hidrogen renovable assoleixin la maduresa i es despleguin a gran escala per arribar a tots els sectors difícils de descarbonitzar. S’estima que es duran a terme inversions d’uns 8900 milions d’euros per la posta en marxa de projectes de producció d’hidrogen verd i generació elèctrica renovable associada [MIT20b]. A nivell espanyol la majoria de projectes d’aquest àmbit s’estan impulsant des de grans empreses com Endesa o Iberdrola, i la majoria d’ells estan subvencionats parcialment per fons europeus. 2.3.2. Principals potencialitats i avantatges Probablement el major repte de la transició energètica cap a un punt de contaminació zero i altres objectius establerts a nivell global (2.1) és la poca flexibilitat respecte als cicles naturals que comporta dependre del sol, del vent... i sobretot la convergència d’aquests tempos amb els consums elèctrics als que està habituada la societat. Es pot afirmar que actualment no hi ha cap solució que tècnicament i econòmicament sigui viable a l’hora d’emmagatzemar l’energia elèctrica a gran escala i, per tant, es segueix sent dependent o bé dels combustibles fòssils que proporcionen energia a qualsevol hora, o bé dels «fenòmens naturals» que es comentaven anteriorment. És en aquest punt on l’hidrogen es desmarca de la resta d’agents clau en la transició energètica. A continuació es mostren alguns punts avantatjosos que pot aportar l’hidrogen tant a 10 2.3. Què és l’hidrogen? l’hora de formar part del mix energètic com de ser un anomenat «vector energètic», en tant que podria fer la funció d’apropar a la sincronia les corbes de producció de les energies renovables i les corbes de consums dels habitatges, empreses i altres consumidors d’electricitat. •L’hidrogen es pot generar de forma totalment renovable a través de l’electròlisi de l’aigua, fent ús d’electricitat d’origen verd. •L’H2es pot tornar a transformar en energia elèctrica mitjançant piles de combustible, que són dispositius electroquímics capaços de convertir l’energia química continguda en un combustible (com l’hidrogen) en energia elèctrica. Amb la combustió de l’hidrogen només es genera vapor d’aigua. •Pot oferir una versatilitat que pràcticament cap altra font d’energia renovable ofereix: es pot produir hidrogen en moments on l’energia elèctrica sigui excedentària, i posteriorment reconvertir-se de nou en electricitat en hores de més demanda energètica. •Degut al seu elevat poder calorífic, podria substituir el gas natural per generar calor en processos industrials, i també substituir la calefacció de les llars. Es calcula que 1 kg d’H2pot proporcionar dos dies de calefacció per una llar promig. •També és un potencial agent a incidir en la mobilitat sostenible: es presenta com a substitutiu del combustible dels cotxes que funcionen amb gasoil o gasolina. Avui dia ja es comercialitzen cotxes de pila de combustible d’hidrogen, i també altres mitjans de transport, com autobusos. Es preveu que el tipus de vehicle que més es dispararà seran els vehicles pesats: camions i autobusos. •L’hidrogen també es projecta com a substitutiu per injectar a la xarxa de gas natural. [Ari19]. 11 3. Fonaments tècnics Abans de la immersió al projecte a desenvolupar és important tenir clara la base científica, és per això que les línies següents seran una breu introducció als fonaments tècnics del projecte. Per una banda s’analitzarà la part de la tecnologia fotovoltaica (què són i com funcionen les cèllules fotovoltaiques, com funciona la conversió de les ones del sol fins a l’energia elèctrica... ). Per altra banda es posarà la lupa en el procés de generació d’hidrogen a través d’electrolitzadors i també s’estudiaran les diverses alternatives per emmagatzemar l’hidrogen que es genera. 3.1. L’energia solar fotovoltaica Aquesta secció tracta sobre l’energia solar fotovoltaica i es divideix en dues parts. La primera es centra en l’aspecte tècnic de la fotovoltaica i en la segona s’explica què és l’autoconsum i com són aquest tipus d’instal.lacions. 3.1.1. Tecnologia fotovoltaica Què és una cèl.lula solar? Una cèl.lula solar és un dispositiu electrònic d’àrea moderada (aprox. 250cm2) que es fabrica amb semiconductors. Llur estructura física s’anomena «unió PN» i transforma l’energia provinent del sol en energia elèctrica contínua. Aquest procés requereix, en primer lloc, d’un material en el qual la llum permeti generar electrons a l’interior del semiconductor amb capacitat per moure’s i desplaçar-se pel dispositiu cap a un circuit extern. Quan aquest corrent generat pels electrons arriba a una determinada càrrega situada en aquest circuit (un electrodomèstic, per exemple), dissipa l’energia que transporta en ell, fent-lo funcionar. A continuació, el corrent retorna a la cèl.lula solar, on la radiació solar incident torna a subministrar energia als electrons i el cicle comença de nou. D’aquesta manera, sempre que estigui assegurada la il·luminació, l’electrodomèstic seguirà funcionant. Una gran varietat de materials semiconductors poden satisfer els requisits necessaris per aconseguir la conversió d’energia solar en elèctrica mitjançant la fotovoltaica, però a la pràctica gairebé tot el mercat fotovoltaic està dominat per les cèl.lules solars fabricades de silici (Si), que en l’actualitat representen més del 95% del mercat. La resta del mercat el componen dispositius realitzats amb altres semiconductors, principalment CdTe i CuInGaSe2. Aquests semiconductors són emprats en aplicacions terrestres, mentre que per aplicacions espacials s’utilitzen altres semiconductors fabricats per elements químics de la tercera i cinquena columna de la taula periòdica com GaAs, GaInP,... Descripció del funcionament: Una cèl.lula solar bàsica de silici—les fabricades amb la resta de semiconductors són similars— es construeix mitjançant una unió de dues zones d’aquest material. Durant el procés de fabricació, en cadascuna d’aquestes zones s’incorporen de forma intencionada altres elements químics, generalment fòsfor (P) en una banda de la unió que s’anomena elèctrode negatiu o n-Si i bor (B) en l’altre que és el positiu o bé p-Si. La cèllula construïda d’aquesta forma és un díode, també anomenat unió PN, denominació que fa 13 3. Fonaments tècnics referència a la seva estructura física. En il.luminar aquest dispositiu amb radiació solar, es produeix l’efecte fotovoltaic, que succeeix en diversos passos seqüencials: 1) L’energia de la radiació solar incident s’absorbeix pel semiconductor amb el qual s’ha fabricat la cèl·lula solar. Arran d’això es generen portadors de càrrega elèctrica a l’interior del semiconductor, electrons i «espais buits». 2) Simultàniament, la circulació del corrent per la cèl·lula fa que es generi un voltatge entre els seus extrems, sempre que aquests estiguin connectats a una resistència o càrrega en un circuit exterior. 3) Com a resultat global del procés, la cèl·lula produeix una tensió i un corrent elèctric, que és el que es necessita per obtenir potència elèctrica i energia al fer-la funcionar durant un determinat temps. Així doncs, la cèl·lula solar transforma la radiació absorbida en energia elèctrica contínua, que s’entrega a la càrrega que hi hagi connectada. Cal afegir que la majoria d’electrodomèstics i la immensa majoria de màquines i objectes del món funcionen amb corrent alterna (CA), i per això l’energia produïda en la cèl·lula solar, que és contínua (CC), haurà de convertir-se en alterna mitjançat l’ús d’una màquina anomenada inversor. Se’n parlarà més endavant, a l’apartat 3.1.2. Una cèl·lula solar comercial produeix poca potència elèctrica, i per tant s’han d’unir adequadament diverses d’elles per formar mòduls fotovoltaics. En un mòdul comercial hi ha entre 60 i 90 cèl.lules solars, depenent del tipus de mòdul i del fabricant. L’eficiència de la conversió de l’energia solar en energia elèctrica és el paràmetre més utilitzat per comparar el rendiment d’una cèl·lula solar amb una altra. L’eficiència es defineix de la següent forma: Eficiència(%) = Energia produïda per la cèl.lula Energia incident a la cèl.lula ×100 Les condicions sota les quals es mesura l’eficiència són controlades estrictament per poder homogeneïtzar i comparar els rendiments d’uns dispositius amb els altres. El valor de les eficiències avui dia està comprès en el marge del 18-29% depenent del semiconductor, la qualitat i la tecnologia de fabricació [Pla20]. 3.1.2. L’autoconsum L’autoconsum d’energia elèctrica és la producció d’electricitat per al consum propi. Les installacions d’autoconsum poden ser aïllades, és a dir sense connexió física a la xarxa elèctrica, o bé connectades a la xarxa. El primer cas és força complex, ja que l’edifici haurà d’autoabastir tota l’energia que necessiti. En el present projecte, s’estudiarà la segona opció: una instal.lació d’autoconsum connectada a la xarxa elèctrica. L’element principal d’una instal.lació d’autoconsum fotovoltaic és el sistema de generació, en aquest cas els panells fotovoltaics. Els panells són la part més visible de la instal.lació, i normalment s’ubiquen a la coberta de l’edifici. La instal.lació necessita altres elements, com inversors (màquina per transformar el corrent continu en altern), cablejat, elements de protecció, bateria si se n’escull... Amb una instal.lació d’autoconsum es pot cobrir el consum d’energia elèctrica de l’habitatge o edifici de forma total o parcial. Quan els panells fotovoltaics no produeixen energia suficient 14 3.2. Hidrogen Figura 3.1.: Esquema del funcionament d’una instal.lació fotovoltaica amb autoconsum connectada a la xarxa elèctrica. [Cat20] per cobrir totalment l’energia necessària, es pot continuar consumint electricitat a través de la xarxa elèctrica sense que es noti cap diferència en el funcionament de la instal·lació. També es pot donar el cas que en determinats casos l’electricitat produïda sigui superior a la consumida. En aquests casos és possible abocar l’excedent d’electricitat a la xarxa o bé acumular-lo en una bateria. Per instal.lacions amb una potència instal.lada inferior a 100 kW, la compensació d’excedents és senzilla: cada mes l’empresa comercialitzadora reflecteix el descompte en la factura elèctrica. Aquest descompte mai pot ser superior al cost mensual del terme d’energia de la factura [Cat20]. Actualment els excedents energètics injectats a la xarxa són retribuïts en la factura pel voltant de 5-6 cèntims/kWh, en funció de les companyies. [Ene21b], [End21], [Ene21a] En la figura 3.1 es pot veure un esquema del funcionament de l’autoconsum. 3.2. Hidrogen Tal com s’ha comentat, l’hidrogen com a combustible pot ser una font d’energia renovable. Si bé és cert que en la reacció de combustió de l’hidrogen només es genera vapor d’aigua (H2+ 1 2O2−−→ H2O + energia) i per tant aquest procés no contamina, la contaminació prové de l’origen de l’hidrogen, tal som s’ha explicat al punt 2.3. Per tant, la forma d’obtenir-lo és la que determinarà si és un procés verd. Actualment l’única forma d’obtenir l’hidrogen verd, 100% renovable, és a través de l’electròlisi de l’aigua. 3.2.1. Què és l’electròlisi? L’electròlisi és un procés on l’energia elèctrica es converteix en energia química. Això passa a través d’un intercanvi de ions a través d’un electrolit, una solució aquosa que permet la transferència d’un elèctrode a un altre (ànode i càtode). En la figura 3.2 es pot veure l’esquema del funcionament i les reaccions químiques que s’hi duen a terme. 15 4. Cas d’estudi Mes de l’any 2018 (kWh) 2019(kWh) 2020 (kWh) Gener 6473 6601 6290 Febrer 5127 6432 4874 Març 6736 4489 3618 Abril 4340 4416 2749 Maig 3795 3813 2732 Juny 3310 3527 2658 Juliol 4009 3134 2833 Agost 3844 2930 2570 Setembre 4897 2987 2794 Octubre 3913 3443 3419 Novembre 4365 3788 5518 Desembre 5454 4556 6746 Consums totals 56263 50116 46 801 Taula 4.1.: Consums d’electricitat de la nau de manteniment de l’Ajuntament de Manresa Durant les hores solars de tarda i els caps de setmana, els únics consums que tindrà la nau seran de màquines que han d’estar sempre endollades al corrent, que probablement seran pocs kWh. Per tant, aquestes hores no s’autoconsumirà pràcticament gens d’energia, i per tant aquesta energia serà excedentària. Tot i així, en aquest projecte el que interessa és que tinguin força excedents, ja que aquests kWh generats i no consumits són els que passaran a través de l’aigua cap a l’electrolitzador i aniran destinats a la generació d’hidrogen. Un cop rebudes les dades en un full de càlcul per part de l’Ajuntament de Manresa es van procedir a analitzar. Per un estudi més concret, idealment s’haguessin tingut les corbes de consums horàries, però el tècnic no les va aconseguir i el que va facilitar va ser els consums d’electricitat mensuals en kWh dels últims tres anys. Les dades es van ordenar, i es poden veure en la taula 4.1. Posteriorment es van representar en forma de gràfica, que es pot veure en la figura 4.5. D’aquestes dades facilitades se’n poden extreure diverses conclusions: la primera és l’impacte que va tenir l’arribada de la COVID-19. Es pot veure un clar descens dels consums durant el mes de març de 2020, provinent del confinament que hi va haver. Tot i així, el consum es manté lluny de zero, fet que ens indica que hi va seguir havent activitat, possiblement lligada als treballs que es van considerar essencials. En els tres anys que es tenen dades s’aprecia el creixement de consums a partir del setembre, coincident amb les dates en què la majoria de persones tornen de vacances. A trets generals es pot afirmar que els consums segueixen una U, és a dir, que durant els mesos freds tenen més consums que a l’estiu. La principal explicació és que a l’hivern es consumeix més per la calefacció. Una altra possibilitat també pot ser que a l’estiu bona part del personal estigui de vacances i per tant es consumeixi menys, o bé que es treballin menys hores, com en alguns sectors de l’Ajuntament. Per fer el dimensionament de la planta fotovoltaica es necessita saber un consum mitjà anual, i és per això que s’ha decidit fer una mitja ponderada, assignant 0,4 punts de valor al 2018, 0,4 punts al 2019 i 0,2 punts al 2020, tenint en compte que la pandèmia possiblement proporcionarà dades menys fidels als consums anuals dels anys sense fets tan rellevants com una pandèmia. 22 4.2. Càlcul de consums Gener Febrer Març Abril Maig Juny Juliol Agost Setembre Octubre Novembre Desembre 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 Mes de l’any Consums (kWh) 2018 2019 2020 Figura 4.5.: Gràfica dels consums dels darrers tres anys de la nau de manteniment. Font: pròpia a partir de les dades proporcionades. Consum mitjà anual = 0,4×consum 2018 + 0,4×consum 2019 + 0,2×consum 2020 Substituint els consums s’obté un consum mitjà anual de: Consum total = (0,4×56263) + (0,4×50116) + (0,2×46 801) = 51 911,80 kWh anuals Tot i no disposar de les corbes horàries de la nau, s’ha fet una estimació de les corbes horàries anuals que tenen. En una full de càlcul on hi ha un any sencer dividit cada dia en les 24h que té, s’han estimat els consums hora per hora de tot l’any. S’ha agafat l’any 2019 de referència, i s’han tingut en compte els festius d’aquell any a Manresa (1 de gener, 6 de gener, 19 d’abril, 22 d’abril, 1 de maig, 24 de juny, 15 d’agost, 11 de setembre, 12 d’octubre, 1 de novembre, 6 de desembre, 25 de desembre i 26 de desembre). També s’han tingut en compte com a festius el 21 de febrer i el 2 de setembre, ja que és festa local de Manresa. S’ha contemplat un lleuger descens del consum en el mes d’agost, suposant que una part del personal fa vacances. S’ha suposat un consum constant al llarg de tot l’any per les màquines que estan endollades sempre (ordinadors...) i els pics en les hores en les que s’ha informat que s’hi treballava. Aquesta corba s’ha fet proporcional als 50116kWh que es van consumir aquell any. La plantilla utilitzada per fer aquests càlculs i generar gràfiques ha estat facilitada per Sud Renovables [Ren]. La corba de consums estimada es pot veure en les figures 4.6 (consums de gener a abril), 4.7 (consums de maig a agost), 4.8 (consums de setembre a desembre). Aquesta plantilla té una altra pestanya on hi ha les dades de producció d’electricitat d’un any sencer d’una planta fotovoltaica, que es pot modificar per fer-la proporcional al camp 23 4. Cas d’estudi Figura 4.6.: Corbes de consum horàries de gener a abril de 2019 estimades per la nau de manteniment. Font: pròpia. Figura 4.7.: Corbes de consum horàries maig a agost de 2019 estimades per la nau de manteniment. Font: pròpia. 24 4.3. El camp fotovoltaic Figura 4.8.: Corbes de consum horàries de setembre a desembre de 2019 estimades per la nau de manteniment. Font: pròpia. fotovoltaic que es proposa per la instal.lació que s’està estudiant. Això permet solapar les corbes de consum i les corbes de producció estimada, i per tant calcular amb molta precisió quins seran els excedents d’energia de cada hora. A l’hora de fer el dimensionament del camp fotovoltaic és molt avantatjós ja que es pot fer una anàlisi molt acurat de cada cas que es proposi. Per exemple, un ferroveller podria tenir factures amb uns consums molt elevats, i es podria dimensionar un camp fotovoltaic per autoconsum erroni i desproporcionat, pensant que els consums són durant el dia. Si es posa la lupa en les corbes de consum, és possible que s’analitzi que bona part dels consums són de nit, i per tant segurament el camp fotovoltaic proposat (si és sense bateries) haurà de ser força inferior ja que de nit, les plaques fotovoltaiques no generen electricitat. Per tant, quedaria un camp fotovoltaic sobredimensionat, i el retorn econòmic no seria satisfactori. Analitzar les corbes horàries també és molt útil per calcular el retorn econòmic de la installació, ja que es pot calcular fàcilment la compensació dels excedents que es tindran durant els anys. A través d’aquest full de càlcul, en la secció 4.3.8 es faran els càlculs dels excedents generats, i per tant es podrà conèixer quina quantitat d’hidrogen es podrà generar. 4.3. El camp fotovoltaic Per redactar aquesta secció del projecte es farà ús dels coneixements adquirits a l’empresa on s’estan realitzant les pràctiques: Sud Renovables [Ren]. A l’hora de fer el dimensionament d’un camp fotovoltaic destinat a l’autoconsum s’han de tenir en compte diversos factors, que són els que s’analitzaran en els següents apartats del projecte. 25 4. Cas d’estudi 4.3.1. Dimensionament El primer factor a analitzar és la quantitat de panells que necessita la instal.lació. Per calcularho, es fa ús de les dades de consum que va proporcionar l’Ajuntament, que es poden consultar a la taula 4.1. La mitjana anual calculada és de 51911,80 kWh anuals. A l’hora de dimensionar una instal.lació fotovoltaica industrial destinada a l’autoconsum, com el cas que ens ocupa, empíricament s’ha comprovat que la potència a instal.lar és aproximadament un 35% del consum anual mitjà que té l’empresa. Aquesta dada s’obté tenint en compte el percentatge d’hores solars que s’aprofiten per l’autoconsum de mitjana en l’àmbit industrial. Així doncs, la potència que s’hauria d’instal.lar és aproximadament: Potència a instal.lar = 0,35 ×51911,8 = 18169,13 kWh També s’ha de tenir en compte la producció específica (kWh/kWp), que va directament relacionada amb la inclinació dels panells (orespecte a la horitzontal), la orientació d’aquests (orespecte l’azimut) i el lloc on es troba (coordenades). El càlcul de producció específica es troba a l’apartat 4.3.6. Tot i així, en el cas que ens ocupa, l’objectiu que es persegueix a part de l’autoconsum, és la generació d’hidrogen. Per tant, es sobredimensionarà el camp per tal d’aconseguir la màxima producció d’hidrogen. 4.3.2. Superfície on instal.lar Un cop es té clar la quantitat de panells a instal.lar, en aquest cas en tota la superfície que es pugui, el següent pas és escollir on aniran. El primer lloc a valorar sempre és la pròpia coberta de l’edifici. En el cas que ens ocupa, el tècnic de l’Ajuntament va informar de quines eren les cobertes on seria possible instal.lar panells fotovoltaics, i s’indiquen a la figura 4.9. L’àrea delimitada amb el color groc és de 1836,12m2, i l’àrea delimitada amb el color vermell de 714,12m2. En la coberta de color groc s’aprecien lluernaris i altres objectes i obstacles sobre la coberta que s’hauran de tenir en compte a l’hora de fer la distribució de panells. Avui dia a molts edificis on la coberta es queda petita per la quantitat de panells que requereixen, es valora la opció d’instal.lar panells fotovoltaics sobre pèrgoles situades en l’aparcament. A la figura 4.10 es veu un exemple d’instal.lació de pèrgoles. Concretament la imatge que es mostra és del pàrquing de la nau de Sud Renovables. Tipus de coberta El tècnic de l’Ajuntament també va informar del tipus de coberta que té l’edifici. És una coberta de tipus Deck. A la figura 4.11 s’indica la composició d’aquest tipus de coberta, i a continuació amb els números de la imatge s’enumeren les diferents parts que composen la coberta: 1) Perfil grecat: Perfil de gran resistència, xapa. 2) Aïllament tèrmic i acústic: Format per una o diverses capes material aïllant. L’objectiu d’aquesta capa és impedir les pèrdues tèrmiques i acústiques. És aconsellable la utilització de panells de llana de roca. 3) Impermeabilització: Làmina asfàltica. 26 4.3. El camp fotovoltaic Figura 4.9.: Imatge aèria amb les àrees marcades d’on és possible instal.lar panells fotovoltaics. Font: Google Maps. Figura 4.10.: Imatge de la pèrgola amb panells fotovoltaics instal.lada a l’aparcament de la nau de Sud Renovables a Avinyó. Font: [Ren]. 27 4. Cas d’estudi Figura 4.11.: Imatge detallada de la composició de la coberta tipus deck. Llista de components explicitada a 4.3.2 Font: [Inc]. . 4) Protecció: Capa de graves. [Inc]. Aquest tipus de cobertes acostumen a tenir un pendent d’entre 1 i 2o, i el pes que suporten no pot ser superior als 20 kg/m2[Ren]. Aquests dos factors és important tenir-los en compte perquè esdevindran claus a l’hora de l’elecció del tipus d’estructura que Anàlisi d’ombres Les principals ombres que hi ha a la coberta són les dels lluernaris, necessaris per l’eficiència energètica de la nau ja que permeten l’accés de llum natural, i el muret perimetral que rodeja algunes parts de la coberta. Els lluernaris són del tipus claraboia, de 120mm2×120 mm2i de 90mm2×90 mm2. Respctivament, en el punt més elevat medeixen uns 25 cm i uns 15cm. Com que no s’ha pogut tenir accés a la coberta de l’edifici s’han calculat les diverses alçades i per tant les ombres que generen amb l’eina de mesurar objectes en 3D de la opció que permet Google Earth. El muret s’ha calculat de 0,80 m, i el punt cèntric de la nau, més elevat, s’ha calculat d’1,50m. Pel càlcul d’ombres s’ha fet ús d’un bloc d’AutoCAD on es mostren les ombres que es generen durant les hores del dia segons les estacions de l’any. S’aprecia quines són les ombres a l’estiu o hivern, i també com varien en funció de l’hora del dia. Aquest bloc es pot veure en la figura 4.12. Té una escala d’1 i representa l’ombra que faria un objecte d’un sol punt d’1m d’alçada i totalment perpendicular al terra. Les ombres de l’esquerra són les generades al principi del dia, les del mig són les del migdia, i les de la dreta són les del final del dia. Així doncs, per calcular les ombres es copia el bloc d’ombres en el punt on hi ha un objecte i es posa l’escala segons la mida que té l’objecte. És important remarcar que les mesures sempre s’han de prendre relativament, agafant com a punt de referència la coberta. A la figura 4.13 es mostra una imatge de les ombres mesurades a la coberta, situant-hi a sobre el bloc d’ombres de color vermell a sobre. Es pot apreciar que l’ombra es dirigeix cap el 28 4.3. El camp fotovoltaic Figura 4.12.: Bloc d’ombres d’1m emprat a l’AutoCAD. En groc l’ombra de l’estiu , en verd l’ombra de la primavera i en blau la de l’hivern. El vermell indica l’ombra global generada. Font: [Ren]. nord. En blau, es mostra el perímetre de seguretat d’1 m entre el final de la coberta i l’inici del perímetre on es pot instal.lar panells sense perill. 4.3.3. Elecció d’estructura Tal com s’ha comentat a la secció 4.3.2, les cobertes de tipus deck no poden suportar gaire pes per m2. Tampoc tenen suficient inclinació com per instal.lar els panells de forma coplanar (seguint la mateixa orientació i inclinació que la coberta) i tampoc es poden perforar. Així doncs, l’única opció viable és la instal.lació de panells amb estructura autoportant. Aquest tipus d’estructura no requereix de cap tipus de perforació de la coberta: els panells fotovoltaics es col.loquen amb pinces en uns carrils aguantats amb contrapesos que es posen sobre la coberta. En les estructures autoportants els panells no poden tenir una inclinació gaire elevada per tal d’evitar l’efecte vela. El proveïdor principal de l’empresa Sud Renovables és CSolar [CSo], i per tant en aquest projecte es plantejaran les alternatives que ofereix aquesta empresa. Hi ha dues opcions de sistemes autoportants, CSWind1 (figura 4.15) i CSWind2 (figura 4.16). El principal avantatge de CSWind1 és que els panells poden tenir una millor orientació, i per tant una millor producció específica ja que es pot escollir cap a quina de les quatre orientacions de la nau es volen orientar. Els panells poden anar inclinats des de 5ofins a 25orespecte la horitzontal, i sempre estaran en posició horitzontal, és a dir, la part llarga del panell paral.lela a la coberta. S’ha de tenir en compte l’ombra que genera cada panell. Empíricament [Ren] s’ha calculat que l’angle solar és de 20o, i per tant la distància que s’haurà de deixar lliure entre files de panells serà tenint en compte això. A la figura 4.14 es mostra gràficament el càlcul 29 4. Cas d’estudi Figura 4.13.: Imatge de les ombres que generaran els diversos obstacles de la coberta durant l’any. Font: pròpia a partir de [Ren]. de la distància que s’haurà de mantenir entre files, suposant que els panells s’han inclinat 10o respecte la horitzontal. Pel que fa al sistema CSWind2, els panells van inclinats entre 5oi 10orespecte la horitzontal i van per parelles, tal com es mostra en la figura 4.16. Cada parella té un panell i l’altre orientats a 180ode diferència, i la millor solució és situar-los en la orientació Est-Oest. El principal avantatge d’aquest tipus d’estructura és que s’optimiza més l’espai. D’aquesta manera, tot i tenir una producció específica inferior degut a la pitjor orientació comparat amb l’estructura CSWind1, pot generar més electricitat, ja que hi caben més panells. Amb aquest tipus d’estructura cada parella de panells va separada 10 cm, i es deixen 30cm entre files pel manteniment de la instal.lació. En la secció 4.3.5 es fa el dimensionament i la distribució de panells valorant els dos tipus d’estructura i calculant quant generarien en cada alternativa, per tal d’escollir quina és més Figura 4.14.: Càlcul de la distància entre panells en el cas que la inclinació d’aquests sigui de 10orespecte la horitzontal. Font: pròpia. 30 4.3. El camp fotovoltaic Figura 4.15.: Estructura autoportant tipus CSWind1. Font: [CSo], [Ren]. indicada en el cas que ens ocupa. 4.3.4. Elecció de panells Pel que fa a l’elecció dels panells, s’han escollit els panells de la marca JASOLAR [JAS]. En la comparativa qualitat-preu és una marca molt competent i actual en el mercat. Dins de la marca s’ha escollit la gamma JAM60S20 365-390/MR. Aquests panells tenen una dimensió de 1776mm ±2 mm ×1052 mm ±2 mm i de gruix 35mm ±1mm. Aquest panell pesa 20,70kg±3%. Dins d’aquesta gamma es poden trobar panells de diverses potències màximes, des de 365W fins a 390W. En el cas que ens ocupa s’ha escollit el panell de 380W de potència màxima. Aquest panell té una eficiència del 20,3%. A la figura 4.17 es pot veure una imatge del panell. Per més especificacions del panell, es pot consultar l’Annex II. 4.3.5. Valoració d’alternatives per la distribució de panells Per fer els plànols per tal d’analitzar les possibles distribucions de panells per la coberta, s’ha utilitzat l’AutoCAD. La imatge de fons utilitzada és de l’Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya [Geo]. Els panells dibuixats són blocs creats amb les dimensions del panell escollit i preveient la reducció de tamany per la perspectiva, calculant els cosinus en funció de les inclinacions de cada coberta. En els posteriors punts s’ha tingut en compte la distància ocupada per ombres calculada en la secció 4.3.2. No es tornaran a explicitar els blocs d’ombres en les següents imatges i plànols per no sobrecarregar de contingut les figures. Pel que fa a la nomenclatura, els angles calculats per les orientacions sempre són agafant de referència el sud, i posteriorment indicant el quadrant en què es troba l’angle (NE, NO, SE, SO). A continuació es farà una anàlisi detallada de la potència que es podria instal.lar valorant primer una alternativa on s’analitza una distribució fent ús exclusiu de la coberta (punt 4.3.5) i 31 4. Cas d’estudi Figura 4.23.: Imatge que s’obté introduint les dades de la figura 4.22. Font: [Com21a]. Lloc Inclinació Orientació Nopanells kWp Resultat pvgis Producció [kWh] Coberta 10◦45◦SO 636 211,68 1396,87 337 595,54 Pèrgola 6◦45◦SE 480 182,40 1358,17 247 730,21 Total 1116 424,08 1380,22 585325,75 Taula 4.6.: Càlcul de la producció en el cas que sobre coberta s’instal.lés CSWind1 4.23. En aquest exemple en concret com que es contempla que la instal.lació és d’1 kWp, la producció específica que tindrien les pèrgoles és de 1358,17 kWh. Així doncs, seguint amb l’exemple de les pèrgoles, per calcular la producció que tindran simplement s’ha de multiplicar la producció específica per el número de kWp instal.lats en aquesta inclinació i orientació. En aquest cas s’hauria de multiplicar per 182,40 kWp per obtenir la producció total en kWh que tindran les pèrgoles. 128,40 kWp ×1358,17kWh kWp = 247 730,21kWh Posteriorment, s’ha de fer el mateix procediment que s’ha fet amb les pèrgoles amb la resta de inclinacions i orientacions. En la taules 4.6 i 4.7 es mostra un resum de les dades obtingudes per cada cas. Per calcular la producció específica mitjana de la instal.lació, es fa de forma ponderada en funció de la quantitat de panells que hi ha en cada orientació i inclinació. La resta de càlculs i dades extretes de pvgis es troben a l’Annex II. Càlcul de producció valorant CSWind1 En la taula 4.6 es mostra la producció que tindria el camp fotovoltaic en el cas que l’estructura elegida fos CSWind1. Càlcul de producció valorant CSWind2 En la taula 4.7 es mostra la producció que tindria el camp fotovoltaic en el cas que l’estructura elegida fos CSWind2. En aquesta opció, s’afegeix una nova fila, ja que sobre coberta hi ha 38 4.3. El camp fotovoltaic Lloc Inclinació Orientació Nopanells kWp Resultat pvgis Producció [kWh] Coberta 10◦45◦SO 356 135,28 1396,87 188 968,57 Coberta 10◦135◦NE 356 135,28 1190,15 149 733,25 Pèrgola 6◦45◦SE 480 182,40 1358,17 230 389,09 Total 1192 452,96 1256,38 569090,92 Taula 4.7.: Càlcul de la producció en el cas que sobre coberta s’instal.lés CSWind2 dues orientacions. Analitzant les radiacions en cada orientació i inclinació i l’electricitat que generen els panells, s’ha arribar a la conclusió que la distribució de panells que maximitza la producció total d’electricitat en el cas que ens ocupa és amb l’estructura CSWind1 sobre coberta i instal.lant panells sobre pèrgoles en les places d’aparcament. Es pot concloure que amb la opció escollida, la producció anual del camp fotovoltaic generat pels 1116 panells que sumen un total de 424,08 kWp de potència, de sobre la coberta i de les pèrgoles generaran un total de 585325,75kWh anuals. La producció específica global és de 1380,22 kWh/kWp. 4.3.7. Elecció d’inversors La potència pic total instal.lada és de 424,08 kWp. A l’hora d’escollir la potència nominal (kWn) dels inversors s’ha d’aplicar una reducció respecte la potència instal.lada d’aproximadament el 15%. Es fa d’aquesta manera per assegurar que l’inversor podrà funcionar al 100% de la seva capacitat. Així doncs, es prossegueix a aplicar aquest factor: 424,08 ×0,85 = 360,47 kWn Per tant, els inversors a instal.lar hauran de sumar aproximadament una potència nominal de 360,47 kWn. S’han escollit els inversors de la marca Huawei [Hua]. Per arribar a la potència nominal calculada, s’han escollit quatre inversors. Tres són del model SUN2000-100KTL-M1, i proporcionen 110 kWn i un és del model SUN2000-36KTL i proporciona 36 kWn. Per tant, s’obtindrà una potència nominal total de: (3 ×110) + (1 ×36) = 366 kWn Per veure els punts de seguiment, dimensions, i altres especificacions dels inversors escollits, es poden consultar les respectives fitxes tècniques a l’Annex II. 4.3.8. Corba de consums, generació elèctrica i càlcul d’excedents Per seguir aquesta secció, es recomana consultar la figura 4.24. En aquest apartat es reprèn el que començava a la secció 4.2. En aquell punt, s’analitzaven els consums dels últims tres anys de la nau, i se’n feia una mitjana per dimensionar el camp. Els consums horaris anuals estimats s’han introduït en la columna «CONSUMS (kWh)». Ara, amb l’estudi fet i amb el coneixement precís de l’electricitat que s’obtindrà dels panells, es procedeix a fer l’anàlisi de com es distribuirà aquesta electricitat. 39 4. Cas d’estudi Figura 4.24.: Imatge del full de càlcul emprat pels càlculs de producció, autoconsum i excedents de la nau. Font: pròpia i [Ren]. Tal s’ha comentat al llarg del projecte, l’objectiu del projecte és doble: per una banda es pretén emprar la instal.lació fotovoltaica per l’autoconsum de la nau, i per altra banda amb els excedents d’energia, es vol aprofitar l’electricitat per generar hidrogen. Per fer el càlcul d’aquesta distribució, es farà ús del full de càlcul emprat en la secció 4.2. Tal com es comentava hi ha una pestanya amb les corbes de la producció que va generar una instal.lació fotovoltaica en un any concret, hora per hora. És molt útil poder utilitzar aquestes corbes ja que són una representació de la realitat: tenen en compte dies nuvolats, plujosos, de molta calor.... Per generar les dades de la columna «PRODUCCIÓ FV (kWh)» s’ha agafat de plantilla la corba amb dades reals proporcionada, i s’ha ampliat proporcionalment als 424,08 kWp que s’instal.len finalment. També es pot modificar la producció específica, que s’ha calculat al punt 4.7 i val 1380,22 kWh/kWp. Per calcular la producció total generada per la instal.lació se suma tota la columna de «PRODUCCIÓ FV (kWh)», on hi ha totes les dades horàries. Aquesta suma, és el mateix que multiplicar la potència de fotovoltaica instal.lada (kWp) per la producció específica calculada (kWh/kWp). Pel que fa al càlcul de la columna excedents, es basa en restar la dada horària de la columna «PRODUCCIÓ FV (kWh)» de la de «CONSUM (kWh)» i escriure-la en la columna «EXCEDENTS(kWh)». Si s’està consumint igual o més energia de la que es genera no hi haurà excedents. Per tant, si el consum és més elevat que la producció, la cel.la excedents escriurà zero. En el cas de la columna «AUTOCONSUM (kWh)», el càlcul és simplement restar la producció generada pel camp fotovoltaic, de l’excedent en cada hora. Així doncs, les caselles verdes són la suma de les dades de tota la columna de producció, 40 4.4. Generació d’hidrogen consum i excedents respectivament. La columna «GENERACIÓ HIDROGEN (kg)» s’explicarà en el punt 4.4. Un cop fets aquests canvis, i amb les corbes horàries adaptades als consums de l’any 2019, el full de càlcul permet analitzar quin percentatge de l’electricitat generada s’autoconsumirà. Per fer el càlcul del percentatge que representa l’autoconsum, s’ha de fer la següent operació: % d’autoconsum =Suma columna autoconsum (kWh) Consum total anual (kWh) ×100 I substituint amb les dades del cas que ens ocupa, s’obté: % d’autoconsum =36981,52kWh 50116kWh ×100 = 74% L’electricitat que no pot aportar la instal.lació fotovoltaica, ja sigui per la meteorologia o perquè es consumeix en hores on no hi ha raciació solar, haurà de ser proporcionada per la xarxa elèctrica convencional. És important subratllar que les corbes de consums s’han estimat i que, per tant, és altament probable que el percentatge d’autoconsum difereixi d’aquest resultat. A continuació es fa l’anàlisi dels excedents. Per saber la quantitat d’electricitat que no s’autoconsumeix i que per tant va destinada a la generació d’hidrogen, només és necessari mirar la casella verda, on hi ha la suma de la columna d’excedents. Així doncs, 548342,17kWh podran anar destinats a la generació d’hidrogen. Aquesta és la dada que s’emprarà posteriorment per l’elecció de l’elctrolitzador i la resta d’equips. Tot i així, és interessant conèixer el percentatge d’excedents i per fer-ho s’ha de fer el càlcul següent: % d’excedents =Total excedents (kWh) Total producció fotovoltaica (kWh) ×100 I substituint amb les dades, s’obté: % d’excedents =548342,17kWh 585323,70kWh ×100 = 93,68% Per tant, es pot concloure que del camp fotovoltaic instal.lat, un 6,32% anirà destinat a cobrir les despeses energètiques de la pròpia nau, i un 93,68% anirà destinat a la generació d’hidrogen. 4.4. Generació d’hidrogen En aquesta secció s’analitzarà la quantitat d’hidrogen que generarà la instal.lació fotovoltaica per posteriorment estudiar les possibles alternatives d’ús d’aquest hidrogen. El punt de partida per començar l’anàlisi és conèixer el consum elèctric que requereix l’electrolitzador. Per això, el primer pas és escollir la marca, model i tenir la fitxa tècnica d’aquest. Per tenir una idea general sobre quant hidrogen s’aconseguirà, es podria dividir directament la quantitat d’excedents anuals entre la «conversió» que fa l’electrolitzador, però s’ha cregut convenient fer una anàlisi més detallada, ja que els panells fotovoltaics generen una quantitat molt diferent d’electricitat en funció del mes de l’any. En els següents punts es faran aquestes anàlisis, començant per l’elecció de l’electrolitzador, i seguint amb l’estudi de la producció que es tindrà, l’emmagatzematge i les alternatives d’ús per l’hidrogen. 41 4. Cas d’estudi Figura 4.25.: Imatge de l’electrolitzador. Les dimensions d’aquest són 269 cm×122 cm×225cm . Font: [Hyd21]. 4.4.1. Elecció de l’electrolitzador Pel projecte que ens ocupa, s’ha decidit apostar pels electrolitzadors NEL [Hyd21]. Aquesta marca és puntera en el mercat dels electrolitzadors, i els grans projectes s’estan duent a terme amb aquesta empresa noruega [Ibe20c]. S’ha contactat amb aquesta empresa per tal d’obtenir un assessorament del model més apropiat per la instal.lació. Tal com s’apuntava en la secció 3.2.1, l’electrolitzador més adient per la generació d’hidrogen és el tipus PEM. Així doncs, l’elecció ha seguit per aquest camp. Dins de tots els electrolitzadors amb aquest tipus de funcionament s’ha escollit l’escala mitjana, i concretament la Sèrie C. Aquests electrolitzadors estan preparats per generar des de 10Nm3/h fins a 30Nm3/h. Dins d’aquesta sèrie s’ha escollit el model C20, les especificacions del qual es poden consultar a l’Annex II. Les característiques més importants a destacar són que consumeix 66,70kWh per cada kg d’H2generat a una pressió de 30 barg i que consumeix 17,9 litres d’aigua per cada hora de funcionament quan està produint a màxima capacitat. Aquest model pot arribar a produir 43,30kg d’H2cada 24h de funcionament. La màquina s’ha de mantenir en un lloc interior o bé cobert i funciona amb corrent alterna trifàsica (AC), per tant no hi haurà problema i es podrà connectar després de l’inversor trifàsic. En la figura 4.25 es pot veure una imatge de com és físicament l’electrolitzador escollit. L’electrolitzador també fa la funció de depurar l’aigua que entra en ell, i l’hidrogen que genera és d’una puresa del 99,9998%. 4.4.2. Càlcul producció d’hidrogen Un cop s’ha escollit el tipus d’electrolitzador a utilitzar i coneixent el consum elèctric que requereix, i de l’electricitat que es disposa ja es pot procedir als càlculs per saber quant hidrogen es generarà. Per començar els càlculs es necessiten les dades de quanta electricitat es té disponible en cada moment, que es poden trobar al full de càlcul mencionat en el punt 4.3.8. L’electricitat que es podrà aprofitar per la generació d’hidrogen són els excedents, per tant, l’electricitat disponible cada hora, són les dades de la columna «EXCEDENTS (kWh)». Amb les dades tècniques de l’electrolitzador s’ha verificat que aquest requereix de 66,70kWh 42 4.4. Generació d’hidrogen Mes de l’any kg d’H2generat Gener 366,42 Febrer 507,31 Març 780,57 Abril 747,26 Maig 962,17 Juny 1045,93 Juliol 1002,35 Agost 964,25 Setembre 670,15 Octubre 537,22 Novembre 293,82 Desembre 343,56 Total anual 8221,02 Taula 4.8.: Taula amb les dades de generació d’hidrogen mensual. per generar cada kg d’H2. Així doncs, el que s’ha fet és dividir els kWh de la columna «EXCEDENTS» entre 66,70kWh i generar una nova columna anomenada «GENERACIÓ HIDROGEN(kg)». Per tal de tenir les dades d’una forma més pragmàtica i senzilla per valorar les utilitats del producte final, posteriorment s’ha fet la suma dels kg d’H2que es generarien cada mes, i es mostren a la taula 4.8. També s’han representat les dades en forma de gràfica. Es pot veure en la figura 4.26. En la gràfica és interessant destacar la diferència entre la generació que tindrà la planta en funció de la radiació durant l’any. S’aprecia, com és lògic, una similitud amb la gràfica obtinguda de la producció anual estimada amb el pvgis en la figura 4.23. 4.4.3. Emmagatzematge i compressió Per emmagatzemar l’hidrogen generat s’ha escollit el mètode de gas comprimit, el més extès actualment. S’ha contactat amb el proveïdor Calvera Gas Technology [Tec], i s’ha trobat una solució adient pel cas que ens ocupa. En la figura 4.27 es poden veure alguns models i les seves especificacions. Per l’hidrogen que es generarà s’ha escollit el el model BCH39-300. L’H2s’emmagatzema a una pressió de 300 bar, i té capacitat per 120kg d’H2. S’ha cregut convenient aquest model per assegurar que en dies d’estiu o en altres moments de l’any amb molta radiació, hi hagi suficient volum per emmagatzemar tot el que es genera. També cal tenir en compte que l’hidrogen en sortir de l’electrolitzador té una pressió de 30 barg, i per emmagatzemar l’hidrogen a 300 bar s’haurà de comprimir. S’ha escollit un compressor de la marca Hofer, sèrie TKH 52/36 -200 -50, que permet comprimir l’H2fins a 500bar de pressió [Hof]. Per conèixer més especificacions del compressor, es pot consultar la fitxa tècnica a l’Annex II. Altres marques com Mehrer [Meh] també ofereixen opcions interessants per la compressió de l’hidrogen. Es podria de fer una anàlisi exhaustiva sobre els avantatges en funció del sistema de compressió i de les diverses marques del mercat, però no és l’objectiu del projecte. És important destacar que en els càlculs de consum de la nau i per tant també en els de la 43 4. Cas d’estudi Gener Febrer Març Abril Maig Juny Juliol Agost Setembre Octubre Novembre Desembre 400 600 800 1,000 Mes de l’any Generació (kg d’H2) Figura 4.26.: Gràfica de la generació d’hidrogen mensual. Figura 4.27.: Models de dipòsits per emmagatzemar l’H2amb les seves especificacions. Font:[Tec]. 44 4.4. Generació d’hidrogen Mes de l’any kg d’H2generat kg d’H2diari generat Gener 366,42 11,82 Febrer 507,31 18,12 Març 780,57 25,18 Abril 747,26 24,91 Maig 962,17 31,04 Juny 1045,93 34,86 Juliol 1002,35 32,33 Agost 964,25 31,10 Setembre 670,15 22,34 Octubre 537,22 17,33 Novembre 293,82 9,79 Desembre 343,56 11,08 Taula 4.9.: Taula amb les dades de generació d’hidrogen mensual i diari aproximat. producció d’hidrogen, no s’han tingut en compte els consums de la compressió i l’emmagatzematge de l’hidrogen. 4.4.4. Alternatives d’ús Tal com s’ha mencionat en el punt 2.3, l’hidrogen té molts usos diferents. És per això que les alternatives d’ús de l’hidrogen generat en aquest projecte també són múltiples. A continuació s’analitzen amb profunditat dos possibles usos que es podrien donar a l’hidrogen, sense perdre de vista els objectius del projecte. També es fan altres propostes d’alternatives que es podrien estudiar. Adquisició d’una flota d’autobusos urbans de pila de combustible Barcelona tindrà una flota de 8 autobusos de pila d’hidrogen per finals d’aquest any, i el consum diari estimat d’hidrogen per cadascun d’ells és de 20 kg d’H2i una autonomia d’uns 300 km [elé20]. El fabricant és Caetano Bus. Per conèixer les especificacions dels autobusos adquirits, es pot consultar: [Cae]. A l’hora d’analitzar si seria una alternativa viable per la ciutat de Manresa, és útil calcular quina serà la producció aproximada diària d’hidrogen, de manera que es pugui comparar amb la previsió dels autobusos de Barcelona. El càlcul s’ha fet de forma simple, dividint el valor obtingut cada mes entre el número de dies d’aquell mes. Es poden veure els resultats a la taula 4.9. Tant en aquesta taula com en la figura 4.26, es pot apreciar que hi ha una diferència substancial entre l’hidrogen generat en els diversos mesos de l’any. Els mesos de menor radiació (hivern i tardor) el consum és la meitat o pràcticament una tercera part d’alguns mesos d’estiu. Per saber si l’hidrogen diari produït seria suficient per alimentar un dels busos de Manresa s’han calculat els quilòmetres que fan els autobusos urbans de la ciutat. S’ha fet amb l’eina de mesurar de Google Maps i seguint el recorregut que fan. També s’han tingut en compte els horaris per tal de comptar quants autobusos circulen en la mateixa línia simultàniament. Aquesta informació es pot consultar a [Bus21b]. 45 4. Cas d’estudi Mes de l’any kg d’H2diari generat Autonomia (km) Gener 11,82 197 Febrer 18,12 301,97 Març 25,18 419,66 Abril 24,91 415,14 Maig 31,04 517,30 Juny 34,86 581,07 Juliol 32,33 538,90 Agost 31,10 518,41 Setembre 22,34 372,31 Octubre 17,33 288,83 Novembre 9,79 163,23 Desembre 11,08 184,71 Taula 4.10.: Taula amb les dades de generació d’hidrogen diari i autonomia estimada per l’autobús. •L1 Balconada. El recorregut calculat fent parades és de 4,35km, i des de l’última parada fins l’inici de la ruta són 3km mes. La ruta es fa 64 vegades cada dia, però com que surten busos cada 15 minuts, se suposa que fan el recorregut dos autobusos i, per tant, cada autobús fa la ruta 32 vegades. Així doncs, el càlcul de quilòmetres diaris per autobús és: 32 ×(4,35km + 3 km) = 235,20km diaris •L2 La Parada. El recorregut calculat fent parades és de 4,61km, i des de l’última parada fins l’inici de la ruta són 2,45km mes. La ruta es fa 66 vegades cada dia, però com que surten busos cada 15 minuts, se suposa que fan el recorregut dos autobusos i, per tant, cada autobús fa la ruta 33 vegades. Així doncs, el càlcul de quilòmetres diaris per autobús és: 33 ×(4,61km + 2,45 km) = 232,98km diaris •L3 Mion. El recorregut calculat fent parades és de 4,85km, i des de l’última parada fins l’inici de la ruta són 2,24km mes. La ruta es fa 29 vegades cada dia, i com que surten busos cada 30 minuts, se suposa que fa el recorregut un sol autobús. Així doncs, el càlcul de quilòmetres diaris per autobús és: 29 ×(4,85km + 2,24 km) = 205,61km diaris S’agafaran com a mostra aquestes tres de les vuit línies dels busos urbans de Manresa per fer la comparativa. Per fer una anàlisi més detallada, s’ha cregut convenient fer la taula 4.10. Allà es mostren els càlculs dels km aproximats que es podrien fer amb l’hidrogen generat cada dia. Pels càlculs s’ha suposat el consum dels autobusos de la marca que ha adquirit l’Ajuntament de Barcelona [Cae]. El fabricant indica que l’autonomia d’aquests vehicles és d’uns 6kg/100km, per tant s’ha agafat el valor de la columna «kg d’H2diari generat», s’ha multiplicat per 100km i s’ha dividit entre 6 kg. Analitzant la taula 4.10 i els quilòmetres que fan els autobusos de Manresa, es pot concloure que és una alternativa factible a implementar. Pels mesos d’hivern (novembre, desembre i gener) no s’arriba exactament al quilometratge que recorren, però hi ha mesos en que l’hidrogen 46 4.4. Generació d’hidrogen generat és molt superior. Així doncs, es podria emmagatzemar l’hidrogen d’aquests mesos i aprofitar el que no es consumeix per tenir-lo per l’hivern. El full de ruta del Ministeri preveu que pel 2030 circulin pels carrers d’Espanya al voltant de 150 i 200 autobusos propulsats per hidrogen a través de piles de combustible [MIT20b], per tant és una alternativa que a més de factible es considera actual i adequada al moment històric del país. A part del cas de Barcelona, hi ha altres exemples a nivell europeu on s’estan implementant projectes similars com per exemple Londres, on hi hi començarà a circular un bus d’hidrogen de dos pisos molt breument. De moment l’hidrogen emprat prové d’una indústria on l’hidrogen és un subproducte del procés industrial. Tot i així, es projecta que a partir del 2023 l’hidrogen es generi de forma verda a través de l’electròlisi on l’electricitat provingui d’un parc eòlic marí. [elé21a] A més, si ens centrem a nivell municipal, l’Ajuntament de Manresa ha anunciat recentment que renovarà la flota d’autobusos urbans, comprant-ne 8 de 100% elèctrics [Bus21a], per tant, el compromís de l’Ajuntament amb la mobilitat sostenible també hi és. Adquisició d’una hidrogenera pública L’objectiu d’aquest punt és analitzar la viabilitat d’instal.lar una hidrogenera pública. La funció d’aquesta seria la mateixa que tenen avui dia les gasolineres: oferir el repostatge del vehicle particular amb combustible, en el cas que ens ocupa seria hidrogen. El valor afegir seria per una banda que seria de caràcter públic i municipal, de manera que la riquesa generada seria destinada als ciutadans de Manresa i per altra banda seria la primera hidrogenera instal.lada a la Catalunya Central. Manresa es troba en un punt cèntric i estratègic en el context català, per tant tant tindria potencialitat. Abans de començar amb l’anàlisi pròpia d’aquest punt, és interessant saber com funcionen els vehicles de pila de combustible. Primer, l’hidrogen s’injecta en els dipòsits a alta pressió que té el vehicle. A continuació, se subministra oxigen a la pila de combustible. La pila de combustible és un dispositiu electroquímic que transforma de forma directa l’energia química en elèctrica. Parteix d’un combustible (H2) i un comburent (O2) per produir aigua (H2O), electricitat en forma de corrent continu i calor. Així doncs, la reacció global que es duu a terme és la següent: H2+1 2O2−−→ H2O [Hid20]. L’electricitat generada serveix de combustible per la bateria, que està connectada amb el motor elèctric. L’aigua que sobra en aquest procés és expulsada pel tub d’escapament del cotxe, i l’excés d’energia elèctrica s’emmagatzema a la bateria. En la figura 4.28 es pot veure l’esquema d’un vehicle d’hidrogen. Per entendre el procés de forma més dinàmica i entenedora, es pot consultar un vídeo de Toyota, fabricant de cotxes d’hidrogen [Eur14]. Un cop es té la base teòrica, es pot procedir als càlculs. En la taula 4.9 s’ha calculat la quantitat d’hidrogen aproximada que es generaria cada dia. Per analitzar la viabilitat de la hidrogenera és necessari conèixer de quines dimensions tenen els dipòsits d’hidrogen els vehicles de pila de combustible que hi ha al mercat. •Cotxe d’hidrogen de Toyota. El model «Toyota Mirai» té un dipòsit amb capacitat per 5,60kg d’hidrogen. Amb el dipòsit ple recorre 1003km, assolint el rècord de km recorreguts amb un sol dipòsit [Toy21]. 47 5. Anàlisi econòmica i ambiental que la resta de pressupostos s’han calculat sense IVA, es restarà el 21% d’aquest preu. El preu unitari sense IVA queda en 661157 e. Aquesta alternativa contempla el cost de: Instal.lació fotovoltaica +Electrolitzador + Emmagatzematge +Construcció hidrogenera +Compra autobús de pila de combustible Que substituint amb els valors obtinguts i sumant, s’obté un total de: 296291,29 + 395302,19 + 56 254,00 + 413 223,14 + 661 157 = 1822 227,62e Es pot concloure que el preu total del projecte d’instal.lar panells fotovoltaics sobre la nau de manteniment de l’Ajuntament de Manresa i sobre pèrgoles, i aprofitar els excedents de l’autoconsum d’aquesta per generar hidrogen i fer circular per Manresa un autobús de pila de combustible d’hidrogen sense IVA i sense el cost del compressor, seria de 1,82 milions d’e. Taxi Si es vol implementar la opció de fer un «Taxi lila» com es proposava, o bé algun altre servei de taxi, l’Ajuntament podria adquirir un Toyota Mirai. Cada unitat té un cost pel voltant dels 65000 eamb IVA inclòs [elé21b]. Com que la resta de pressupostos s’han calculat sense IVA, es restarà el 19% d’aquest preu. El preu unitari sense IVA queda en 54621,85e. Aquesta alternativa contempla el cost de: Instal.lació fotovoltaica +Electrolitzador + Emmagatzematge +Construcció hidrogenera +Compra d’un cotxe de pila de combustible Que substituint amb els valors obtinguts i sumant, s’obté: 296291,29 + 395302,19 + 56254,00 + 413 223,14 + 54 621,85 = 1215692,47e Es pot concloure que el preu total del projecte d’instal.lar panells fotovoltaics sobre la nau de manteniment de l’Ajuntament de Manresa i sobre pèrgoles, i aprofitar els excedents de l’autoconsum d’aquesta per generar hidrogen i fer circular per Manresa un cotxe de pila de combustible d’hidrogen sense IVA i sense el cost del compressor, seria de 1,22 milions d’e. No es farà una anàlisi del retorn econòmic del projecte perquè tal com s’ha comentat al llarg del document, el que es contempla és obtenir subvencions on no es requereixi d’un valor econòmic de retorn, sinó que la subvenció sigui exclusivament per la recerca en el camp de les energies renovables i el valor afegit per les persones del territori. 5.3. Balanç ambiental A continuació es realitzarà el balanç ambiental del projecte. Les dades del factor energia elèctrica - CO2i quilometratge autobús - CO2s’han extret de la calculadora del Govern d’Aragó [Ara] i de l’article [Aes17]. Pel que fa a la nau de manteniment, el consum elèctric anual mitjà dels últims tres anys ha sigut de 51911kWh. D’aquests, s’ha calculat que un 74% es generaran en la coberta de la nau, a través de la instal.lació fotovoltaica i, per tant, només es consumiran de la xarxa 13496,86kWh. Amb el consum total de xarxa abans de la instal.lació fotovoltaica, l’impacte ambiental de CO2resultava en 18168,90kg de CO2emesos a l’atmosfera cada any. Amb la instal.lació fotovoltaica, aquesta quantitat es reduirà a 4723,90kg de CO2. 54 5.3. Balanç ambiental Pel que fa a l’anàlisi d’introduir un autobús d’hidrogen a la flota d’autobusos municipals s’ha calculat que de mitjana les línies 1, 2 i 3 fan 235,20, 232,98 i 205,61 km respectivament. Per tant, es pot simplificar i afirmar que cada autobús de la ciutat fa de mitjana: 235,20 + 232,98 + 206,61 3= 224,93km Que anualment, suposant que funciona 365 dies l’any, faria un total de: 224,93km ×365 = 82099,45km Es calcula que els autobusos emeten aproximadament 750 grams de CO2per cada quilòmetre recorregut, per tant si es substituís un d’aquests autobusos, la quantitat de CO2que es deixaria d’emetre a l’atmosfera anualment seria de: 82099,45km ×0,75kgCO2/km = 61 574,59 kg de CO2 Sumant l’estalvi en termes d’electricitat i els del quilometratge de l’autobús, es deixarien d’emetre 75019,59kg de CO2. Aquesta dada és equivalent a la quantitat de CO2que capturen cada any 18755 arbres, suposant que cada any un arbre és capaç de capturar 4 tonelades de CO2[Ban20]. L’alternativa de la hidrogenera pública amb servei de taxi no s’ha valorat, ja que no es té cap tipus de dada del possible quilometratge que faria i tampoc seria un estalvi real, ja que a dia d’avui cap vehicle està fent de «taxi lila» a Manresa. El balanç ambiental en aquest cas tindria sentit si se substituís algun vehicle de manteniment de l’Ajuntament, existent actualment a la ciutat. 55 6. Anàlisi de resultats Amb aquest estudi s’ha comprovat que la instal.lació fotovoltaica amb generació d’hidrogen in situ valorada per la nau de manteniment de l’Ajuntament de Manresa és viable. De fet, hi ha projectes similars al de l’estudi a gran escala que ben aviat estaran en funcionament, com per exemple el de Puertollano, implementat per Iberdrola [Ibe20b]. Tot i així, el valor afegit d’aquest projecte era poder apropar les energies renovables al territori i a petita escala, i s’ha vist que generar hidrogen verd en aquests nivells també és viable. L’anàlisi econòmica feta, demostra que econòmicament surt molt car. És una qüestió amb què estan topant la majoria d’estudis i projectes que es fan en aquesta línia [Cam20], però tot i així, tal com s’ha reflectit en l’apartat 2.1, està previst que els preus en el sector de l’hidrogen vagin a la baixa, i per tant que cada cop s’impulsin més projectes d’aquest estil. S’han estudiat dues alternatives d’ús per l’hidrogen generat. Les dues, inclouen una installació fotovoltaica sobre la coberta de la nau estudiada, i sobre pèrgoles en l’aparcament. El total de panells instal.lats és de 1116, amb una potència màxima cadascun de 380 W que sumen un total de 424,08 kWp de potència. També inclouen quatre inversors per convertir el corrent continu que generen els panells fotovoltaics en corrent altern, necessari per alimentar l’electrolitzador i la resta d’instal.lació elèctrica de la nau. Dels quatre inversors, tres són de 110 kWn, i un de 36 kWn. En la primera alternativa s’ha estudiat la viabilitat d’adquirir un autobús d’hidrogen a nivell de ciutat que es reposti amb l’hidrogen generat a la nau de manteniment de l’Ajuntament. Sumant la instal.lació fotovoltaica, els components necessaris per la generació d’hidrogen i també l’autobús, la inversió necessària seria d’1,8 milions d’e. El balanç ambiental indica que en els carrers de Manresa hi deixaran d’haver 75 019,59 kg de CO2cada any, estalviats gràcies a la disminució dels kWh consumits de la xarxa, i de les emissions d’un dels autobusos que se substituiria. En la segona alternativa, s’ha estudiat la viabilitat de la construcció de la primera hidrogenera de la Catalunya Central, i que a més fos pública. Aquesta alternativa tindrà més sentit quan els vehicles de pila de combustible que funcionen amb hidrogen es comercialitzin a més gran escala. Igualment, es valora positivament l’existència de la proposada hidrogenera per apropar aquest nou combustible a la ciutadania. Es proposa que l’Ajuntament adquireixi un cotxe de pila de combustible que pugui fer la funcionalitat de «Taxi lila». Les seves tasques podrien ser acompanyar dones que estan passant per processos judicials relacionats amb violència masclista, o oferir suport a joves que pateixin algun tipus d’assetjament per la via pública. La despesa econòmica que tindria aquesta alternativa, tenint en compte la instal.lació fotovoltaica, els components necessaris per la generació d’hidrogen i també un Toyota Mirai, seria d’1,22 milions d’e. 57 7. Conclusions i línies futures Per fer l’acabament d’aquest projecte, es destinaran els últims paràgrafs a analitzar les conclusions que es poden extreure de l’estudi que s’ha realitzat. Posteriorment, en les línies futures es farà una breu anàlisi de en quins punts es podria aprofundir i seguir avançant en el projecte. 7.1. Conclusions En aquest apartat es farà un feedback a la introducció per revisar quins eren els objectius plantejats en el projecte, i analitzar si s’han complert. El primer objectiu del projecte era incidir d’alguna forma en la transició energètica. Aquest objectiu s’ha complert, atès que per una banda s’han implementat propostes per generar electricitat 100% verda, i per l’altra s’han proposat alternatives per l’ús de l’hidrogen generat on l’estalvi d’emissions de gasos d’efecte hivernacle era important. El segon objectiu era apropar les energies renovables al territori i als ciutadans de Manresa, i proposar polítiques amb què les persones poguessin tenir a prop seu resultats tangibles de millora de les seves vides, i aconseguir així que es conscienciïn sobre la importància de la transició energètica i la implementació de les energies renovables. Es pot considerar que aquest objectiu també s’ha complert. Per un costat, suposarà un estalvi econòmic en el consum de la nau de manteniment que es costeja entre tots els ciutadans. Altrament, les alternatives proposades contemplen en tot moment la participació de les persones, enriquint-les tant a través de la qualitat de l’aire com amb la revitalització de la ciutat. A més, al ser de propietat municipal la riquesa generada seria retornada a les persones, ja que s’invertiria en noves polítiques municipals del mateix àmbit. Finalment el tercer objectiu era fer emergir l’hidrogen verd a petita escala. Tal com s’ha repetit al llarg del document, la immensa majoria de projectes de generació d’hidrogen a través de l’electròlisi s’han implementat a gran escala i també a través de grans empreses. Aquest objectiu també s’ha assolit, ja que s’ha demostrat la viabilitat d’una instal.lació a petita escala, i de propietat municipal. Per acabar, es pot concloure que el projecte ha complert les expectatives proposades, i es posa en mans dels governants de la ciutat la materialització d’aquest, si s’escau. 7.2. Línies futures Pel que fa a les línies futures d’aquest projecte, hi ha qüestions que són relativament senzilles de seguir avançant, com per exemple el càlcul del pressupost del compressor, o bé els plànols necessaris per acabar el projecte com podrien ser el plànol detallat i acotat de l’estructura, el plànol de situació, el de secció... tots ells necessaris pels tràmits burocràtics de la legalització de la instal.lació amb l’administració corresponent. També es podria fer una anàlisi més acurada de la configuració dels inversors: com s’agruparan els strings, quants punts de seguiment es faran servir, quants panells aniran en cada 59 7. Conclusions i línies futures string. .. posteriorment, es podria prosseguir a fer l’esquema unifilar, i fer els càlculs que es comentaven sobre la nova instal.lació elèctrica: Quina secció hauria de tenir el cablejat? Quants diners costaria? O bé si es decidís que és més indicat no apostar per l’autoconsum (si és complex refer de nou la instal.lació elèctrica) i s’escull que els panells aportin tota l’electricitat per la generació d’hidrogen, s’haurien de fer els càlculs de nou, tornar a dimensionar l’electrolitzador i valorar les alternatives d’ús de l’hidrogen. Sobre l’apartat d’emmagatzematge s’ha escollit el mètode més convencional i el més utilitzat, però es podria fer una anàlisi sobre les altres alternatives: la liqüefacció i l’emmagatzematge en sòlids. Finalment també seria interessant aprofundir en les alternatives proposades però no valorades. Seria viable reconvertir l’hidrogen de nou en electricitat en moments sense generació dels panells? Es podria aconseguir que la nau estigués aïllada de la xarxa? Quin rendiment tindria la instal.lació? Es podria analitzar si les diverses alternatives serien factibles, i inclús es podria plantejar a la ciutadania en forma de projecte participatiu, per fomentar l’interès sobre l’hidrogen verd, i també la incidència i implicació de les persones en els projectes de ciutat. 60 Bibliografia [321] Antena 3. El 78% de las jóvenes que viven en ciudades reconocen haber sufrido acoso callejero y solo el 3% lo ha denunciado. Cast. 2021. url:https : / / www . antena3 . com / noticias / sociedad / 78 - jovenes - que - viven - ciudades-reconocen-haber-sufrido-acoso-callejero-solo-3-denunciado_ 2021070160dd71f71bebaa0001714af2.html (cons. 4-7-2021). [Aes17] AespSur. Contaminación y transporte público. 2017. url:https://www.osur. org/2017/03/27/contaminacion-y-transporte-publico/ (cons. 1-7-2021). [AIE19] AIE. El hidrógeno verde: una alternativa para reducir las emisiones y cuidar nuestro planeta. Ang. 2019. url:https : / / www . iea . org / reports / world - energy - outlook-2019/electricity (cons. 15-6-2021). [Ara] Gobierno de Aragón. Calculadora de emisiones de CO2. Cast. url:http : / / calcarbono.servicios4.aragon.es/index.html (cons. 4-7-2021). [Ari] Ariema. Sistemas de Almacenamiento de Hidrógeno. Cast. url:https://www. ariema.com/almacenamiento-de-h2 (cons. 1-7-2021). [Ari19] Ariema. Producción de hidrógeno herde a partir de agua. Cast. 2019. url:https: //www.ariema.com/producciondehidrogenoverdeapartirdeagua (cons. 22-6-2021). [Bad19] Independent de Badalona. Taxis “liles” gratuïts contra la violència masclista. 2019. url:http : / / independentbadalona . cat / setmanari / noticia / 501 - taxis - liles-gratuits-contra-la-violencia-masclista (cons. 4-7-2021). [Ban20] Bankia. ¿Quieres compensar tu huella de carbono? Planta 41 árboles. 2020. url: https://enaccion.bankia.com/articulo/quieres-compensar-tu-huellade-carbono-planta-41-arboles/ (cons. 1-7-2021). [Bar20] Ajuntament de Barcelona. Barcelona tendrá la primera hidrogenera de uso público de España. 2020. url:https : / / www . barcelona . cat / mobilitat / es / actualidad - y - recursos / noticias / barcelona - tendra - la - primera - hidrogenera-de-uso-publico-de-espana_1018485 (cons. 3-6-2021). [BMW] BMW. Coches de hidrógeno: todo lo que debes saber. Cast. url:https://www. bmw.com/es/innovation/coches-de-hidrogeno-asi-funcionan.html (cons. 18-6-2021). [Bus21a] BusManresa. BUSMANRESA RENOVARÀ LA FLOTA AMB LA COMPRA DE 8 NOUS BUSOS 100% ELÈCTRICS. 2021. url:https://www.manresabus.com/ noticia/425/busmanresa-renovara-la-flota-amb-la-compra-de-8-nousbusos-100-electrics (cons. 1-7-2021). [Bus21b] BusManresa. Informació de línies. 2021. url:https://www.manresabus.com/ linies (cons. 1-7-2021). 61 Bibliografia [Cae] CaetanoBus. H2. Ciyt Golg. Cast. url:https://caetanobus.pt/wp-content/ uploads/2019/10/H2.City-Gold_ESP.pdf (cons. 6-3-2021). [Cam20] Fernando Velo Camacho. Diseño y dimensionado de una instalación híbrida fotovoltaica-hidrógeno para cubrir la demanda energética en una vivienda. Cast. 2020. url:https://idus.us.es/handle/11441/105692 (cons. 12-6-2021). [Car+17] Javier Carroquino et al. Energía renovable e hidrógeno generados in situ para riego y movilidad en viñedos. Cast. 2017. url:https://www.bio-conferences.org/ articles/bioconf/full_html/2017/02/bioconf-oiv2017_01005/bioconfoiv2017_01005.html (cons. 12-5-2021). [Cat20] Generalitat de Catalunya. Autoconsum fotovoltaic domèstic Consells i bones pràctiques. 2020. url:http://icaen.gencat.cat/ca/energia/autoconsum/ (cons. 3-6-2021). [ciu21] Iniciativa ciutadana. CO2 earth. Ang. 2021. url:https://www.co2.earth/ (cons. 28-6-2021). [Com21a] European Comission. PHOTOVOLTAIC GEOGRAPHICAL INFORMATION SYSTEM. Ang. 2021. url:https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/en/ tools.html#PVP (cons. 29-6-2021). [Com21b] European Comission. Web PVGIS. Ang. 2021. url:https://ec.europa.eu/jrc/ en/pvgis (cons. 29-6-2021). [con] The money converter. Web The money converter. Cast. url:https : / / themoneyconverter.com/ES/USD/EUR (cons. 4-7-2021). [CSo] CSolar. Web CSolar. Cast. url:https://c-solar.es/ (cons. 12-6-2021). [elé20] Hibridos y eléctricos. TMB compra ocho autobuses de hidrógeno, los primeros para un servicio urbano en España. Cast. 2020. url:https : / / www . hibridosyelectricos.com/articulo/actualidad/tmbcompraautobuseshidrogeno-primeros-servicio-urbano-espana/20200923134923038359.html (cons. 3-6-2021). [elé21a] Hibridos y eléctricos. Londres estrena su primer autobús de dos pisos alimentado por hidrógeno. Cast. 2021. url:https://www.hibridosyelectricos.com/ articulo/actualidad/ primerautobus - doblepiso - hidrogenolondres/ 20210628124935046427.html (cons. 1-7-2021). [elé21b] Híbridos y eléctricos. El nuevo Toyota Mirai de hidrógeno es mucho más barato que antes, aunque sigue siendo caro. Cast. 2021. url:https : / / www . hibridosyelectricos . com / articulo / mercado / nuevo - toyota - mirai - hidrogeno-precio-espana/20210225131747042862.html (cons. 12-5-2021). [End21] Endesa. Tarifes d’electricitat Endesa. Cast. 2021. url:https://www.endesa. com/es/luz-y-gas/luz/tempo/tempo-solar-autoconsumo (cons. 29-6-2021). [Ene21a] Estebanell Energia. Tarifes d’electricitat Estebanell. 2021. url:https://www. estabanellenergia.cat/plans-llar/pla-solar/ (cons. 29-6-2021). [Ene21b] Som Energia. Tarifes d’electricitat Som Energia. 2021. url:https : / / www . somenergia.coop/ca/tarifes-d-electricitat/ (cons. 29-6-2021). 62 Bibliografia [ene21] Periódico de la energía. La comercialización del hidrógeno verde llegará más rápido de lo que nadie pensaba. Cast. 2021. url:https://elperiodicodelaenergia. %20com/la-comercializacion-del-hidrogeno-verde-llegara-mas-rapidode-lo-que-nadie-pensaba/ (cons. 3-6-2021). [Esp21] El Español. Madrid abre su primera ’hidrogenera’; el coche de hidrógeno, más cerca. Cast. 2021. url:https://www.elespanol.com/motor/20210128/madrid-abreprimera - hidrogenera - coche - hidrogeno - cerca / 554446376 _ 0 . html (cons. 12-5-2021). [Eur14] Toyota Europe. TOYOTA Fuel cell - How does it work? Ang. 2014. url:https: //www.youtube.com/watch?v=LSxPkyZOU7E (cons. 18-6-2021). [Eur19] Comisión Europea. El Pacto Verde Europeo. Cast. 2019. url:https://eur-lex. europa.eu/legal-%20content/ES/TXT/PDF/?uri=CELEX:52019DC0640&from=EN (cons. 24-5-2021). [Fut] Fridays for Future. Web Fridays For Future. Ang. url:https : / / fridaysforfuture.org/ (cons. 3-6-2021). [Geo] Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya. Web Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya.url:https://www.icgc.cat/ (cons. 3-3-2021). [Gre18] Greenpeace. IMÁGENES Y DATOS:ASÍ NOS AFECTA EL CAMBIO CLIMÁTICO. Cast. 2018. url:https://cutt.ly/omuxB9U (cons. 12-6-2021). [Gre21] Salvem Grevalosa. Twitter Salvem Grevalosa. 2021. url:https://twitter.com/ salvemgrevalosa (cons. 3-6-2021). [HÁV20] Yayo Herrero, Juanjo Álvarez i Jaime Vindel. Como si hubiera un mañana: Ensayos para una transición ecosocialista. Barcelona. VientoSur, 2020. [Her21] Álvaro Hermida. Por qué los paneles solares cada día son más baratos (y no van a dejar de serlo). Cast. 2021. url:https : / / www . elconfidencial . com / medioambiente / energia / 2021 - 05 - 15 / paneles - solares - energia - fotovoltaica-baratos_3079720/ (cons. 24-5-2021). [Hid20] Centro Nacional de Hidrógeno. Pilas de combustible. Cast. 2020. url:https : //www.cnh2.es/pilas-de-combustible/ (cons. 3-6-2021). [Hof] Hofer. Web Hofer. Ang. url:https://www.hofer-hochdrucktechnik.de/en/ products/piston-compressors/dry-running-with-hydraulic-drive-unittype-tkh (cons. 12-5-2021). [Hua] Huawei. Web Huawei. Cast. url:https : / / solar . huawei . com / es/ (cons. 12-5-2021). [Hyd21] Nel Hydrogen. Web Nel Hydrogen. Ang. 2021. url:https://nelhydrogen.com/ (cons. 11-5-2021). [Hyu] Hyundai. Catálogo Hyundai NEXO. Cast. url:https://s7g10.scene7.com/is/ content/hyundaiautoever/Nexopdf (cons. 1-7-2021). [Ibe20a] Iberdrola. El hidrógeno verde: una alternativa para reducir las emisiones y cuidar nuestro planeta. Cast. 2020. url:https : / / www . iberdrola . com / sostenibilidad/hidrogeno-verde (cons. 3-6-2021). 63 C Series Hydrogen Generation Systems MODEL C10 C20 C30 On-site hydrogen generator in two integrated, automated, site-ready enclosures Dual-mode Operation (Selectable): • Load Following mode automatically adjusts output 0-100% to match demand • Tank Filling mode operates with power-conservation mode during standby Full differential pressure, H2 over O2 ELECTROLYTE Proton Exchange Membrane (PEM) – Caustic-Free HYDROGEN PRODUCTION Nomimal Production Rate Nm3/hr @ 0°C, 1 bar SCF/hr @ 70°F, 1 atm SLPM @ 70°F, 1 atm kg per 24 hours 10 Nm3/hr 380 SCF/hr 179 SLPM 21.6 kg/24 hr 20 Nm3/hr 760 SCF/hr 359 SLPM 43.3 kg/24 hr 30 Nm3/hr 1,140 SCF/hr 538 SLPM 65.0 kg/24 hr Delivery Pressure – Nominal 30 barg (435 psig) Power Consumption by System per Volume of H2 Gas Produced1 6.2 kWh/Nm3 (16.3 kWh/100 ft3) 6.0 kWh/Nm3 (15.8 kWh/100 ft3) 5.8 kWh/Nm3 (15.2 kWh/100 ft3) Power Consumed per Mass of H2 Gas Produced168.9 kWh/kg 66.7 kWh/kg 64.5 kWh/kg Purity (Concentration of Impurities) ISO 14687-1 Type 1 grade C ISO 14687-2 Type 1 grade D 99.9998% [H2O < 2 ppm, -72°C (-98°F) Dew Point, N2 < 2 ppm, O2 < 1 ppm, all others undetectable] Turndown Range 0-100% net product delivery (automatic) Upgradeability Field upgradeable to a maximum of 30 Nm3/hr (1,140 SCF/hr) N/A DI WATER REQUIREMENT Consumption Rate at Maximum Production 9 L/hr (2.4 gal/hr ) 17.9 L/hr (4.7 gal/hr ) 26.9 L/hr (7.1 gal/hr ) Temperature 5-40°C (41-104°F) Pressure 1.0-4.1 barg (10-60 psig) Input Water Quality Required: ASTM Type II Deionized Water, < 1 µS /cm (> 1 MΩ -cm) Preferred: ASTM Type I Deionized Water, < 0.1 µS /cm (> 10 MΩ -cm) HEAT LOAD AND COOLANT REQUIREMENT Coolant2Liquid cooled; non-freezing, non-fouling; 5-35°C (41-95°F) Maximum Heat Load (Cooling Requirement) 32 kW 109,189BTU/hr (9.1 tons refrigeration) 64 kW 218,377 BTU/hr (18.2 tons refrigeration) 96 kW 327,566 BTU/hr (27.3 tons refrigeration) Coolant Flowrate Up to 92 L/min (24.3 gal/min) Up to 144 L/min (38 gal/min) Up to 200 L/min (52.8 gal/min) Pressure Drop (at Full Flow) Up to ~1.1 barg (~14.5 psig) Up to ~1.1 barg (~14.5 psig) Up to ~1.1 barg (~14.5 psig) ELECTRICAL SPECIFICATIONS Maxium Power Required within Expected System Life 85 kVA 160 kVA 236 kVA Electrical Requirements 380,400,415 VAC, three phase, 50 Hz (+/- 10% from nominal voltage) 480 VAC, three phase, 60 Hz (+/- 10% from nominal voltage) MODEL C10 C20 C30 INTERFACE CONNECTIONS – CONSULT MECHNICAL INTERFACE DIAGRAM DRAWING PD-9900-0039 FOR DETAILS H2 Product Port 3/8” Parker CPITM compression tube fitting, SS H2 Vent Port 1” Parker CPITM compression tube fitting, SS O2 Vent Port 1” Parker CPITM compression tube fitting, SS DI Water Port 1/2” FNPT, SS Coolant Supply and Return Ports Electrolyzer Enclosure: 11/2” MNPT, brass (Cell Stack); 1/2” FNPT, brass (Hydrogen Dryer) Power Supply Enclosure: 11/2” MNPT, brass (Power Supply Cooling) Drain Port 1/2” FNPT, brass Electrical Electrical terminals at fused disconnect inside power supply enclosure Communications Ethernet CONTROL SYSTEMS Standard Features • Fully automated, push button start/stop • Automatic fault detection and system depressurization • E-stop • Remote start/stop • On-board H2 leak detection Remote Alarm Form C relay, 5 A, 250 V, 150 W Maximum rated switching Remote Shutdown Safety circuit trip PHYSICAL CHARACTERISTICS Dimensions W x D x H Product Est. Shipping Electrolyzer Enclosure: 252 cm x 116 cm x 201 cm (99” x 46” x 79”) Power Supply Enclosure: 169 cm x 103 cm x 201 cm (67” x 41” x 79”) Electrolyzer Enclosure: 269 cm x 122 cm x 225 cm (106” x 48” x 89”) Power Supply Enclosure: 269 cm x 122 cm x 225 cm (106” x 48” x 89”) Weight Product Est. Shipping 2,734 kg (6,026 lbs) 2,876 kg (6,340 lbs) 2,924 kg (6,446 lbs) 3,089 kg (6,810 lbs) 3,076 kg (6,781 lbs) 3,241 kg (7,145 lbs) IP Rating Overall unit rating of IP56 ENVIRONMENTAL CONSIDERATIONS – DO NOT FREEZE Standard Siting Location Indoor/sheltered; level ±1°, 0-100% RH non-condensing, non-hazardous/non-classified environment Storage/Transport Temperature 5-60°C (41-140°F) Ambient Temperature Range 5-40°C (41-104°F) Altitude Range – Sea Level 2,000 m (6,562 ft) Ventilation Proper ventilation must be provided from a non-hazardous area, at a rate in accordance with IEC60079-10, Zone 2 NE SAFETY AND REGULATORY CONFORMITY Maximum On-board H2 Inventory at Full Production 0.13 Nm3 4.9 SCF 0.011 kg 0.17 Nm3 6.4 SCF 0.015 kg 0.18 Nm3 7 SCF 0.016 kg Cabinet Ventilation with Environment Vent fan draws fresh air up to 8.5 Nm3/min (300 ft3/min) Noise dB(A) at 1 Meter < 75 Conformity cTUVus (UL and CSA equivalent), CE (PED, Mach. Dir., EMC), ISO22734-1 OPTIONS • Factory matched RO/DI water system • Factory matched cooler/chiller • Low ambient temperature package (-10°C to 40°C) • High ambient temperature package (5°C to 50°C) • Dew point monitoring • Equipment orientation PD-0600-0068 Rev G© 2019 Nel ASA. All Rights Reserved. Nel, number one by nature, Proton, and the Nel and Proton logos are trademarks of Nel ASA or its subsidiaries. www.nelhydrogen.com | +1.203.949.8697 | [email protected] MADE IN USA Specifications are subject to change. Please contact Nel Hydrogen for solutions to best fit your needs. 1. Dependent on configuration and operating conditions. 2. Consult Nel Hydrogen Applications Engineering Department for specific requirements and cooling water temperatures other than 35°C. Certified to ISO 9001:2015 1 CSOLAR SYSTEMS CSWIND CSwind - SISTEMA AUTOPORTANTE PARA CUBIERTAS QUE ADMITEN POCA CARGA SELF-SUPPORTING SYSTEM FOR WEAK ROOF - INCLINACIÓN OPCIONAL ENTRE 5 Y 25º OPTIONAL INCLINATION BETWEEN 5 AND 25º - PERFILERÍA DE ALUMINIO DE ALTA RESISTENCIA (6082-T6) HIGH RESISTANCE ALUMINUM PROFILES (6082-T6) - TORNILLERIA DE ACERO INOXIDABLE A2 A2 STAINLESS STEEL BOLTS - PIE DE EPDM CON SUPERFICIE ANTIDESLIZANTE EPDM NONSLIP SURFACE SUPPORT - FACILIDAD Y RAPIDEZ DE MONTAJE EASY ASSEMBLY PIE DE EPDM EPDM SUPPORT www.c-solar.es (Tel. +34 935 272 760) PANEL FOTOVOLTAICO DEFLECTOR CONTRAPESO (ADOQUIN) SILEM-BLOCK (EPDM) SOPORTE (ALUMINIO 6082-T6) PERFIL BASE (ALUMINIO 6082-T6) CONECTOR (ALUMINIO 6082-T6) BRIDA (ALUMINIO 6082-T6) PERFIL BASE BASE PROFILE 2 www.c-solar.es (Tel. 935 272 760) A DETAIL A CSwind-2 - SISTEMA AUTOPORTANTE PARA MÓDULOS CON ORIENTACIÓN ESTE-OESTE SELF-SUPPORTING SYSTEM FOR EAST-WEST MODULE ORIENTATION - INCLINACIÓN OPCIONAL ENTRE 5 Y 10º OPTIONAL INCLINATION BETWEEN 5 AND 10º - PERFILERÍA DE ALUMINIO DE ALTA RESISTENCIA (6082-T6) HIGH RESISTANCE ALUMINUM PROFILES (6082-T6) - TORNILLERIA DE ACERO INOXIDABLE A2 A2 STAINLESS STEEL BOLTS - PIE DE EPDM CON SUPERFICIE ANTIDESLIZANTE EPDM NONSLIP SURFACE SUPPORT - FACILIDAD Y RAPIDEZ DE MONTAJE EASY ASSEMBLY PIE DE EPDM EPDM SUPPORT PERFIL BASE BASE PROFILE CSWIND-2 CSOLAR SYSTEMS SOLAR.HUAWEI.COM/EU/ Efficiency [%] Load [%] SUN2000-36KTL 90% 92% 94% 96% 98% 100% 0% 20% 40% 60% 80% 100% 580V 720V 850V - - + + - + + - - - + + - + + - MPPT1 MPPT2 MPPT3 MPPT4 L1 L2 L3 PE DC Switch 2 DC Switch 1 EMI Filter DC/AC Inverter SPD Output Relay EMI Filter SPD Current Sensor Output Filter Efficiency Curve Circuit Diagram Type II surge arresters for DC & ACMax. efficiency 98.6% Efficient 8strings intelligent monitoring Safe Fuse free design ReliableSmart Smart String Inverter SUN2000-36KTL SOLAR.HUAWEI.COM/EU/Version No.:03-(20200409) Technical Specification SUN2000-36KTL Efficiency Max. Efficiency 98.8% @480 V; 98.6% @380 V / 400 V European Efficiency 98.6% @480 V; 98.4% @380 V / 400 V Input Max. Input Voltage 11,100 V Max. Current per MPPT 22 A Max. Short Circuit Current per MPPT 30 A Start Voltage 250 V MPPT Operating Voltage Range 2200 V ~ 1,000 V Rated Input Voltage 620 V @380 Vac / 400 Vac; 720 V @480 Vac Number of MPP trackers 4 Max. number of inputs 8 Output Rated AC Active Power 36,000 W Max. AC Apparent Power 40,000 VA 3 Max. AC Active Power (cosφ=1)Default 40,000 W; 36,000 W optional in settings Rated Output Voltage 220 V / 380 V, 230 V / 400 V, default 3W + N + PE; 3W + PE optional in settings 277 V / 480 V, 3W + PE Rated AC Grid Frequency 50 Hz / 60 Hz Rated Output Current 54.6 A @380 V, 52.2 A @400 V, 43.4 A @480 V Max. Output Current 60.8 A @380 V, 57.8 A @400 V, 48.2 A @480 V Adjustable Power Factor Range 0.8 leading... 0.8 lagging Max. Total Harmonic Distortion ＜3% Protection Input-side Disconnection Device Yes Anti-islanding Protection Yes AC Overcurrent Protection Yes DC Reverse-polarity Protection Yes PV-array String Fault Monitoring Yes DC Surge Arrester Type II AC Surge Arrester Type II DC Insulation Resistance Detection Yes Residual Current Monitoring Unit Yes Communication Display LED indicators; WLAN adaptor + FusionSolar APP RS485 Yes USB Yes Monitoring BUS (MBUS) Yes (isolation transformer required) General Data Dimensions (W x H x D) 930 x 550 x 283 mm (36.6 x 21.7 x 11.1 inch) Weight (with mounting plate) 62 kg (136.7 lb.) Operating Temperature Range -25°C ~ 60°C (-13°F ~ 140°F) Cooling Method Natural Convection Max. Operating Altitude 4,000 m (13,123 ft.) Relative Humidity 0 ~ 100% DC Connector Amphenol Helios H4 AC Connector Waterproof PG Terminal + OT Connector Protection Degree IP65 Topology Transformerless Nighttime Power Consumption < 2.5 W Standard Compliance (more available upon request) Certificate EN 62109-1/-2, IEC 62109-1/-2, EN 50530, IEC 62116, IEC 60068, IEC 61683 Grid Code IEC 61727, VDE-AR-N4105, VDE 0126-1-1, BDEW, G59/3, UTE C 15-712-1, CEI 0-16, CEI 0-21, RD 661, RD 1699, P.O. 12.3,RD 413, EN-50438-Turkey, EN-50438-Ireland, C10/11, MEA, Resolution No.7, NRS 097-2-1, AS/NZS 4777.2 Technical Specification SUN2000-36KTL *1 The maximum input voltage is the upper limit of the DC voltage. Any higher input DC voltage would probably damage inverter. *2 Any DC input voltage beyond the operating voltage range may result in inverter improper operating. *3. The maximum active power is determined by PQ mode setting. If PQ mode 1 is selected, the maximum active power equals the maximum apparent power. If PQ mode 2 is selected, the maximum active power equals the rated active power. SOLAR.HUAWEI.COM/ES/ 90% 91% 92% 93% 94% 95% 96% 97% 98% 99% 100% 0% 20% 40% 60% 80% 100% 625 V 720 V 850 V SUN2000-100KTL-M1 Smart String Inverter Diagrama de circuito 10 MPP. Seguidor 98.8% (@ 480V) Max. Eficiencia Gestión de nivel de cadena Diagnóstico inteligente de curvas I-V admitido MBUS Soportado Diseño Sin fusible Protección contra rayos Para DC y AC IP66 Proteccion Curva de eficiencia Eficiencia Carga [%] - - + + - + + - + + - - - - + + - + + - + + - - - - + + - + + - + + - - + + - - Switch CC 1 Switch CC 2 Switch CC 3 SPD Filtro emi Sensor actual Conversor de CC/CA Filtro de salida L1 L2 L3 PE Relé de aislamient o de salida SPD SPD SPD Filtro emi MPPT1 MPPT2 MPPT3 MPPT4 MPPT5 MPPT6 MPPT7 MPPT8 MPPT9 MPPT10 N SUN2000-100KTL-M1 @480 V SOLAR.HUAWEI.COM/ES/Version No.:02-(20190512) SUN2000-100KTL-M1 Especificaciones técnicas Especificaciones técnicas SUN2000-100KTL-M1 Eficiencia Máxima eficiencia 98.8% @480 V, 98.6% @380 V / 400 V Eficiencia europea ponderada 98.6% @480 V, 98.4% @380 V / 400 V Entrada Tensión máxima de entrada 11,100 V Corriente de entrada máxima por MPPT 26 A Corriente de cortocircuito máxima 40 A Tensión de arranque 200 V Tensión de funcionamiento MPPT 2200 V ~ 1,000 V Tensión nominal de entrada 720 V @480 Vac, 600 V @400 Vac, 570 V @380 Vac Cantidad de rastreadores MPP 20 Cantidad máxima de entradas por MPPT 10 Salida Potencia activa 100,000 W Max. Potencia aparante de CA 110,000 VA Max. Potencia activa de CA (cosφ = 1) 110,000 W Tensión nominal de salida 480 V/ 400 V/ 380 V, 3W+(N)+PE Frecuencia nominal de red de CA 50 Hz / 60 Hz Intensidad nominal de salida 120.3 A @480 V, 144.4 A @400 V, 152.0 A @380 V Max. intensidad de salida 133.7 A @480 V, 160.4 A @400 V, 168.8 A @380 V Factor de potencia ajustable 0,8 capacitivo ... 0,8 inductivo Distorsión armónica total máxima ＜3% Protecciones Dispositivo de desconexión del lado de entrada Sí Protección anti-isla Sí Protección contra sobreintensidad de CA Sí Protección contra polaridad inversa CC Sí Monitorización a nivel de string Sí Descargador de sobretensiones de CC Type II Descargador de sobretensiones de CA Type II Detección de resistencia de aislamiento CC Sí Monitorización de corriente residual Sí Comunicación Display Indicadores LED, Bluetooth + APP RS485 Sí USB Sí Monitorización de BUS (MBUS) Sí (transformador de aislamiento requerido) Datos generales Dimensiones (W x H x D) 1,035 x 700 x 365 mm Peso (incluida ménsula de montaje) 90 kg Rango de temperatura de operación -25°C ~ 60°C Enfriamiento Enfriamiento de aire inteligente Max. Altitud de operación 4,000 m Humedad de operación relativa 0 ~ 100% Conector CC Staubli MC4 Conector CA Terminal PG impermeable + conector OT/DT Grado de protección IP66 Topología Sin transformador Consumo de energía durante la noche < 3.5 W Cumplimiento de estándares (más opciones disponibles previa solicitud) Seguridad EN 62109-1/-2, IEC 62109-1/-2, EN 50530, IEC 62116, IEC 61727, IEC 60068, IEC 61683 Estándares de conexión a red eléctrica VDE-AR-N4105, EN 50549-1, EN 50549-2, RD 661, RD 1699, C10/11 * 1 El voltaje de entrada máximo es el límite superior del voltaje de CC. Cualquier voltaje DC de entrada más alto probablemente dañaría el inversor. * 2 Cualquier voltaje de entrada de CC más allá del rango de voltaje de funcionamiento puede provocar un funcionamiento incorrecto del inversor. Núm panells Model panells Potència instal·lada Inclinació panells Orientació panells DESCRIPCIÓ DEL CAMP FOTOVOLTAIC Edifici A B TOTAL 241,68 kWp 636 JASOLAR 380 W 10º (CS-Wind 1) 45º SO Núm panells Model panells Potència instal·lada Inclinació panells Orientació panells DESCRIPCIÓ DEL CAMP FOTOVOLTAIC Edifici A B TOTAL 241,68 kWp 636 JASOLAR 380 W 10º (CS-Wind 1) 45º SO 182,40 kWp 480 JASOLAR 380 W 6º (Pèrgoles) 45º SE 424,08 kWp 1116 Núm panells Model panells Potència instal·lada Inclinació panells Orientació panells DESCRIPCIÓ DEL CAMP FOTOVOLTAIC Edifici A B TOTAL 135,28 kWp 356 JASOLAR 380 W 10º (CS-Wind 2) 45º SO 135,28 kWp 356 JASOLAR 380 W 10º (CS-Wind 2) 135º NE 270,56 kWp 712 Número panells Model panells Potència instal·lada Inclinació panells Orientació panells DESCRIPCIÓ DEL CAMP FOTOVOLTAIC Estructura A B C TOTAL 135,28 kWp 356 JASOLAR380W 10º (CS-Wind 2) 45º SO 135,28 kWp 356 JASOLAR380W 10º (CS-Wind 2) 135º SE 182,40 kWp 480 JASOLAR380W 6º (Pèrgoles) 45º SE 452,96 kWp 1192 I I I I I I Ze Ze P P I I II I I Dip Ze I P 318,49 317,68 316,89 315,65 317,47 317,77 316,90 315,56 314,34 CARRER FARGUELL CASABLANCAS FERRÀN DE CARRER D'EDISON SECCIÓ DE MANTENIMENT D'EDIFICIS I XARXES REF CAD: 0 DEFULL DIBUIXAT: LLEGENDA ELENA CASTELLANO I TIL JULIOL DE 2008 1 0.5 1/50 11 1 ESTAT ACTUAL MAGATZEM MUNICIPAL NOUS VESTUARIS HOMES AUTOR PROJECTE DIRECTOR PROJECTE JORDI MOLINS I MARSAL MERCÈ SÁNCHEZ I GARCIA Apèndix 3: Càlculs, fulls de càlcul i pressupost 93 Performance of grid-connected PV PVGIS-5 estimates of solar electricity generation: Provided inputs: Latitude/Longitude: 41.713, 1.842 Horizon: Calculated Database used: PVGIS-SARAH PV technology: Crystalline silicon PV installed: 1 kWp System loss: 14 % Simulation outputs Slope angle: 10 ° Azimuth angle: -45 ° Yearly PV energy production: 1386.48 kWh Yearly in-plane irradiation: 1769.3 kWh/m² Year-to-year variability: 30.94 kWh Changes in output due to: Angle of incidence: -3.39 % Spectral effects: 0.75 % Temperature and low irradiance: -6.39 % Total loss: -21.64 % Outline of horizon at chosen location: Monthly energy output from fix-angle PV system: Monthly in-plane irradiation for fixed-angle: Monthly PV energy and solar irradiation Month E_m H(i)_m SD_m January 64.9 79.5 7.3 February 80.7 97.8 7.0 March 118.3 145.1 8.6 April 133.4 167.5 10.9 May 159.3 203.5 13.1 June 165.2 216.2 5.4 July 172.7 229.0 4.4 August 154.5 203.5 7.5 September 118.9 154.0 7.0 October 93.4 118.1 7.3 November 64.8 80.6 8.3 December 60.5 74.5 6.0 E_m: Average monthly electricity production from the given system [kWh]. H(i)_m: Average monthly sum of global irradiation per square meter received by the modules of the given system [kWh/m²]. SD_m: Standard deviation of the monthly electricity production due to year-to-year variation [kWh]. PVGIS ©European Union, 2001-2021. Reproduction is authorised, provided the source is acknowledged, save where otherwise stated. The European Commission maintains this website to enhance public access to information about its initiatives and European Union policies in general. Our goal is to keep this information timely and accurate. If errors are brought to our attention, we will try to correct them. However, the Commission accepts no responsibility or liability whatsoever with regard to the information on this site. This information is: i) of a general nature only and is not intended to address the specific circumstances of any particular individual or entity, ii) not necessarily comprehensive, complete, accurate or up to date, iii) sometimes linked to external sites over which the Commission services have no control and for which the Commission assumes no responsibility, iv) not professional or legal advice (if you need specific advice, you should always consult a suitably qualified professional). Please note that it cannot be guaranteed that a document available online exactly reproduces an officially adopted text. Only the Official Journal of the European Union (the printed edition or, since 1 July 2013, the electronic edition on the EUR-Lex website) is authentic and produces legal effects. It is our goal to minimise disruption caused by technical errors. However, some data or information on this site may have been created or structured in files or formats that are not error-free and we cannot guarantee that our service will not be interrupted or otherwise affected by such problems. The Commission accepts no responsibility with regard to such problems incurred as a result of using this site or any linked external sites. This disclaimer is not intended to limit the liability of the Commission in contravention of any requirements laid down in applicable national law nor to exclude its liability for matters which may not be excluded under that law. Report generated on 2021/06/29 Performance of grid-connected PV PVGIS-5 estimates of solar electricity generation: Provided inputs: Latitude/Longitude: 41.713, 1.842 Horizon: Calculated Database used: PVGIS-SARAH PV technology: Crystalline silicon PV installed: 1 kWp System loss: 14 % Simulation outputs Slope angle: 10 ° Azimuth angle: -135 ° Yearly PV energy production: 1190.15 kWh Yearly in-plane irradiation: 1541.09 kWh/m² Year-to-year variability: 23.69 kWh Changes in output due to: Angle of incidence: -4.54 % Spectral effects: 0.66 % Temperature and low irradiance: -6.55 % Total loss: -22.77 % Outline of horizon at chosen location: Monthly energy output from fix-angle PV system: Monthly in-plane irradiation for fixed-angle: Monthly PV energy and solar irradiation Month E_m H(i)_m SD_m January 39.2 52.7 3.0 February 57.9 73.1 4.0 March 97.9 121.4 6.2 April 121.3 152.1 9.2 May 152.5 194.2 12.2 June 161.8 210.7 5.2 July 167.0 220.4 4.2 August 142.7 187.6 6.7 September 102.6 133.4 5.3 October 71.8 93.0 4.8 November 42.2 56.4 3.9 December 33.3 46.0 2.1 E_m: Average monthly electricity production from the given system [kWh]. H(i)_m: Average monthly sum of global irradiation per square meter received by the modules of the given system [kWh/m²]. SD_m: Standard deviation of the monthly electricity production due to year-to-year variation [kWh]. PVGIS ©European Union, 2001-2021. Reproduction is authorised, provided the source is acknowledged, save where otherwise stated. The European Commission maintains this website to enhance public access to information about its initiatives and European Union policies in general. Our goal is to keep this information timely and accurate. If errors are brought to our attention, we will try to correct them. However, the Commission accepts no responsibility or liability whatsoever with regard to the information on this site. This information is: i) of a general nature only and is not intended to address the specific circumstances of any particular individual or entity, ii) not necessarily comprehensive, complete, accurate or up to date, iii) sometimes linked to external sites over which the Commission services have no control and for which the Commission assumes no responsibility, iv) not professional or legal advice (if you need specific advice, you should always consult a suitably qualified professional). Please note that it cannot be guaranteed that a document available online exactly reproduces an officially adopted text. Only the Official Journal of the European Union (the printed edition or, since 1 July 2013, the electronic edition on the EUR-Lex website) is authentic and produces legal effects. It is our goal to minimise disruption caused by technical errors. However, some data or information on this site may have been created or structured in files or formats that are not error-free and we cannot guarantee that our service will not be interrupted or otherwise affected by such problems. The Commission accepts no responsibility with regard to such problems incurred as a result of using this site or any linked external sites. This disclaimer is not intended to limit the liability of the Commission in contravention of any requirements laid down in applicable national law nor to exclude its liability for matters which may not be excluded under that law. Report generated on 2021/06/29