Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda

Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda Dep. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2018 Autor: Salvador Delgado Fernández Tutor: Manuel Felipe Rosa Iglesias Trabajo Fin de Máster Máster en Ingeniería Industrial Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda i Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda ii Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda iii Trabajo Fin de Máster Master en Ingeniería Industrial Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda Autor: Salvador Delgado Fernández Tutor: Manuel Felipe Rosa Iglesias Profesor titular Dep. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2018 Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda iv Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda v Trabajo Fin de Master: Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda Autor: Salvador Delgado Fernández Tutor: Manuel Felipe Rosa Iglesias El tribunal nombrado para juzgar el Trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2018 El Secretario del Tribunal Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda vi Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda vii AGRADECIMIENTOS Aunque solo vaya a citar a unos pocos, son a muchos; y por un sinfín de motivos, a los que debería dar las gracias durante esta primera etapa académica de formación como ingeniero. Primero, agradecer a Felipe Rosa que vuelva a tutorizarme un trabajo; y como ya ocurrió anteriormente, allanarme la elaboración de este. Destacar de forma especial a mis padres, por el sacrificio y su apoyo incondicional, facilitándome tanto el camino. Y en último lugar, no menos importante por ello; a ella, por saber cómo alegrarme este último empujón. De nuevo, mi más sincera gratitud. Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda viii Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda xv ÍNDICE DE TABLAS Tabla 3.1. Comparativa de características de tecnología de baterías recargables (Valverde L., 2013) ........................................................................................................................................... 27 Tabla 3.2. Principales características de los sistemas AEC, PEM y SOEC (Schmidt O., 2017) 31 Tabla 3.3. Comparación entre los distintos tipos de pilas de combustible (Martínez R., 2016) 33 Tabla 4.1. Estimación de consumos diarios de la vivienda ........................................................ 38 Tabla 5.4. Tabla de trabajo para el caso base ............................................................................ 59 Tabla 5.5. Tabla de trabajo para el caso de estudio. .................................................................. 65 Tabla 7.1. Estimación de consumos de la vivienda ..................................................................... 91 Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda xvi Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 1 1 OBJETIVOS 1.1 Introducción Los modelos energéticos actuales no son sostenibles y la sociedad es consciente de ello. Las nuevas regulaciones ambientales reflejan la preocupación actual de los gobiernos respecto al futuro energético y son muchos los cambios que sobrevienen en los años venideros. La transición energética es un proceso que se viene trabajando desde hace años y no va a irrumpir de un momento a otro, más bien es un proceso gradual. Las energías renovables y la eficiencia son los mecanismos fundamentales para llevar adelante una transición sostenible, descarbonizada con mayor presencia de las energías renovables. El hidrógeno jugará un papel destacado en esta transición como vector del futuro. Queda en manos de la industria y las políticas gubernamentales ofrecer aparatos altamente eficientes que consigan mejorar la eficiencia energética. Entre los distintos frentes de ataque, el sector residencial conlleva una porción nada desestimable del consumo energético global. Una producción descentralizada basada en energías renovables es una de las muchas opciones que se baraja; siendo el hidrógeno un complemento ideal para este posible escenario, diluyendo las intermitencias de la producción renovable y asegurando la accesibilidad energética de los consumidores con un impacto medioambiental prácticamente nulo. 1.2 Objetivos Asumiendo el elevado coste de las tecnologías del hidrógeno, en este trabajo se marca como objetivo analizar la viabilidad técnica de la conversión de un sistema fotovoltaico autónomo a un sistema híbrido; añadiendo un electrolizador, un sistema de almacenamiento de hidrógeno y una pila de combustible. Se ha hecho un análisis en base a distintas inclinaciones del generador fotovoltaico y distintas capacidades para la batería, partiendo de un caso base (generador fotovoltaico y baterías) hacia un caso de estudio (generador fotovoltaico, baterías y soporte de hidrógeno). Se parte de la hipotética demanda anual de una vivienda situada en el sur de España, más específicamente en Sevilla y un año meteorológico tipo promedio de la misma ciudad. Modelizando cada elemento por separado y desarrollando un programa para la gestión de la energía necesaria para cubrir la demanda de la vivienda en el software “Engineering Equation Solver”. Al no ser datos estrictamente empíricos, no es objeto de este trabajo la exactitud numérica del análisis, sino en trazos más gruesos, esclarecer las tendencias de comportamiento del sistema. Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 2 2 ANTECEDENTES Y REVISION BIBLIOGRÁFICA 2.1 Panorama energético El paradigma energético mundial da signos evidentes de su anquilosamiento. Los modelos energéticos actuales no son sostenibles y la sociedad es consciente de ello. Las nuevas regulaciones ambientales reflejan la preocupación actual de los gobiernos respecto al futuro energético y son muchos los cambios que sobrevienen en los años venideros. La transición energética es un proceso que se viene trabajando desde hace años y no va a irrumpir de un momento a otro, más bien es un proceso gradual, aunque si es cierto que a raíz del Acuerdo de Paris y los actuales datos que manejan los distintos organismos gubernamentales y privados, se observa una mayor actividad de materias en línea con la transición energética. Para proporcionar al lector una visión de conjunto actual sobre el panorama energético y poner en relieve la importancia de las energías renovables y el nicho emergente para las tecnologías del hidrogeno, se van a enumerar los aspectos más primordiales del panorama actual, exponiendo su situación actual y un posible escenario futuro. • AUMENTO DE LA DEMANDA ENERGÉTICA Y EL CRECIMIENTO DEMOGRÁFICO Que el aumento de la demanda energético vaya anexionado a un crecimiento demográfico es un vínculo evidente. Por lo tanto, resulta interesante consultar las previsiones demográficas como primer paso del análisis de la demanda energética. Desde el Departamento de Asuntos Económicos y Sociales de la ONU, en el informe "Revisión a 2018 de las Perspectivas de Urbanización Mundial", se estima que la población residente en áreas urbanas habrá sumado 2.500 millones de personas en todo el mundo en 2050, hasta representar el 68 %, y ese incremento se concentrará en Asia y África, entre los que la ONU destacó a la India, China y Nigeria. A su vez la población aumentará desde los 7600 millones actuales hasta los 9000 millones en 2040. De todo ello se puede descifrar que la cobertura de las necesidades energéticas y la seguridad de acceso a la energía a esta nueva porción poblacional de los núcleos urbanos repercutirá notoriamente en la demanda eléctrica. Según las previsiones de la Agencia Internacional de la Energía, esto se traducirá un aumento del 30% hasta 2040 en las necesidades energéticas (para dotar al lector un orden de magnitud, equivale como añadir otra China y otra India a la demanda actual). Gran parte de este crecimiento se concentra en países con una economía en expansión en primera estancia, seguido de países en vías de desarrollo, que tendrán un Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 3 peso importante en el nuevo paradigma energético. Cabe destacar el peculiar papel que jugará China en todo ello; se analizará de forma individual posteriormente. Retomando las previsiones realizadas por la IEA, en línea con lo expuesto en el párrafo anterior; se espera por ejemplo que la mayor contribución al crecimiento de la demanda –casi un 30%– provendrá de la India; sin embargo, previsiones sobre su porcentaje en el uso energético mundial lo sitúan en torno al 11% para 2040, un valor todavía por debajo de su proporción en la población mundial prevista, un 18%, lo que deja prever que la tasa de estos países en la demanda energética global aun tendrá que aumentar . En general, los países en desarrollo de Asia representan dos tercios del crecimiento energético mundial y el resto proviene principalmente de Oriente Medio, África y Latinoamérica. Esto no significa que el consumo decaiga de forma abrupta en las economías más avanzadas, sencillamente supone que otros países y economías empiezan a precisar de una mayor cobertura energética. Una vez analizadas las previsiones futuras se va a tratar la situación actual de la demanda energética. La demandan energética global ha aumentado (figura 2.1), según la Agencia Internacional de la Energía, un 2.1% en 2017, dos veces más que la tasa de crecimiento en 2016 acorde a las estimaciones preliminares. La demanda global de energía ha alcanzado en 2017 los 14 050 millones de toneladas equivalente de petróleo, comparada con los 10 035 millones de toneladas equivalente de petróleo en el año 2000. Figura 2.1. Crecimiento anual promedio de la demanda de energía por combustible (IEA, 2017). Al hacer zoom en el crecimiento de la demanda y segregar sus distintos integrantes, los datos arrojados son los siguientes; la participación de energías renovables ha aumentado, cubriendo alrededor de un cuarto de la demanda. Una cantidad nada despreciable, aunque muy por debajo de la participación de los combustibles fósiles (estos llegaron a cubrir el 70% del aumento de la demanda) que siguen cubriendo la mayor parte de la demanda mundial de energía. En 2017 se mantuvieron en el 81%, un nivel que se ha mantenido estable durante más de tres décadas. Por otra parte, destacable también el crecimiento de la participación del gas natural, unos de los principales protagonistas en Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 4 la transición energética por el papel que jugará. Mientras que una tasa menor se localiza el carbón, el cual ha vuelto a crecer, y la energía nuclear, que únicamente aumento un 2%. Geográficamente, el crecimiento de la demanda global se ha concentrado en Asia, con China e India juntas representado más del 40% del incremento. La demanda energética en todas las economías avanzadas ha contribuido a más del 20% del aumento de la demanda energética, a pesar de que su participación en el uso total de la energía continúa descendiendo. • CHINA, UN PUNTO DE INFLEXIÓN Los problemas medioambientales que padece China son realmente preocupantes, hasta tal punto que tal vez se haya convertido en el gran problema medio ambiental del planeta. Es el mayor consumista de carbón equiparando su consumo prácticamente al del resto del globo. Todo ello es el legado de una rápida expansión económica y un sistema energético orientado a la industria pesada y el carbón. Gracias a ello el gobierno chino consiguió sacar de la pobreza, tanto en su acepción energética como una más literal, a ciento de millones de persona. Pero ello tuvo un precio, casi 2 millones de muertes prematuras al año debido a la precaria calidad del aire. A raíz del Acuerdo de París, Protocolo de Kioto, los actuales problemas medioambientales y el cada vez más evidente cambio de paradigma energético que se aproxima, el presidente chino Li Keqiang ha hecho un llamamiento a favor de una “revolución energética”. China está entrando en una nueva fase de su desarrollo que, en materia de políticas energética; apuesta firmemente por la electricidad, el gas natural y tecnologías más limpias, de alta eficiencia y digitales. Con su política “make China’s skies blue again”, China pretende cortar significativamente el uso de carbón para la calefacción de los hogares, remplazándolo por fuentes limpias. También es reseñable el hecho de que China haya pasado a ser el líder mundial en generación de energía eléctrica no hidráulica. Las decisiones de China tendrán un papel clave a la hora de determinar las tendencias mundiales y podrían desencadenar una transición más rápida hacia la energía limpia. Prueba de ello es el escenario futuro que IEA plantea para China. En este un tercio de la energía eólica y solar FV está instalada en China y este país representa, además, más del 40% de la inversión mundial en vehículos eléctricos (VE). China representa un cuarto del aumento previsto de la demanda mundial de gas y se prevé que sus importaciones de 280 000 millones de metros cúbicos en 2030 solo sean superadas por las de la Unión Europea, lo que convierte a este país en una pieza clave del comercio mundial de gas. China supera a Estados Unidos como mayor consumidor de petróleo en torno a 2030, con unas importaciones netas de 13 millones de barriles diarios de petróleo en 2040. Pero las medidas estrictas sobre eficiencia de combustibles para coches y camiones, y el cambio en virtud del cual un coche de cada cuatro es eléctrico en 2040 significan que China ya no es el principal motor del consumo mundial de petróleo; el crecimiento de la demanda Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 5 es mayor en la India a partir de 2025. China sigue teniendo una presencia sobresaliente en los mercados de carbón, pero nuestras previsiones sugieren que el uso de carbón alcanzó un punto máximo en 2013 y va a descender en casi un 15% de aquí a 2040. • AUMENTO DE LAS EMISIONES DE CO2 Respecto a los datos arrojados sobre emisiones de CO2 este último año, cabe destacar que las emisiones relacionadas con la energía aumentaron un 1.4% en este 2017. El crecimiento del año pasado se produjo después de tres años de emisiones planas, figura 2.2, y contrasta con la fuerte reducción necesaria para cumplir los objetivos del Acuerdo de París sobre el cambio climático. El crecimiento es el resultado del crecimiento económico global (3.7%), el bajo precio de los combustibles fósiles y los esfuerzos insuficientes en materia de eficiencia energética. Todo lo anterior condujo a un aumento de la demanda como se ha visto en el punto anterior. Figura 2.2. Evolución de las emisiones globales de CO2 procedentes de la producción y consumo energético entre 2000-2017 (IEA, 2017). Sin embargo, habría que matizar que este crecimiento de las emisiones no es universal para todas las economías, como se puede observar en la figura 2.3 Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 6 Figura 2.3. Cambio en las emisiones de CO2 en 2017 por regiones (IEA, 2017). En definitiva, el crecimiento de las emisiones de dióxido de carbono relacionadas con la energía en 2017 es otra advertencia para los redoblar los esfuerzos mundiales para combatir cambio climático, demostrando que los esfuerzos actuales son insuficientes para cumplir los objetivos de París. Se espera que el sistema energético se descarbonice de una forma abrupta. A corto plazo se debería alcanzar un máximo, según IEA para 2020 ya deberían estar reduciéndose las emisiones de forma considerable. Hacia 2040 se espera que la generación eléctrica este prácticamente libre de emisiones de CO2, hecho que va a depender fundamentalmente de las renovables y la eficiencia, mecanismos fundamentales para llevar adelante la transición de bajas emisiones de CO2 y reducir las emisiones contaminantes. También hay que hacer hincapié en el papel de las tecnologías de captura y almacenamiento de CO2, que desempeñan y desempeñarán un papel igualmente importante en la reducción de emisiones del sector industrial. • PETROLEO AUN JUEGA EL PAPEL DE PROTAGONISTA Habida cuenta de que las estimaciones sitúan a Estados Unidos como el representante del 80% del aumento del suministro mundial de petróleo hasta 2025 y mantiene una presión a la baja sobre los precios a corto plazo, aún estamos lejos de decir adiós a la era del petróleo. El aumento y modernización de la producción estadounidense de petróleo de esquisto de manera rentable hacen prever a la Agencia Internacional de la Energía que Estados Unidos se convertirá en el líder mundial en cuanto a la extracción de petróleo en 2025 tras adelantar a Arabia Saudí y Rusia. Una expansión de este alcance está teniendo un amplio impacto en Norteamérica y promoviendo grandes inversiones en la industria petroquímica y otras industrias intensivas en energía. Además, está contribuyendo a reorganizar los flujos comerciales internacionales y desafiando proveedores y modelos comerciales tradicionales. Se espera que el crecimiento de la demanda permanezca firme, pero a medida que aumente la eficiencia energética y se empiecen a sustituir los combustibles automovilísticos, es de prever que la demanda disminuya notablemente. Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 7 Sin embargo, según previsiones del IEA, el impulso procedente de otros sectores es suficiente para mantener la demanda de petróleo en una trayectoria ascendente. El papel del petróleo seguirá siendo vital en industria como la petroquímica, prueba de ello es que tanto en China como en otras economías emergentes la demanda de plásticos y otros productos petroquímicos es mayor y está en ascenso. Hay que matizar que el uso de petróleo en el sector petroquímico tiene un menor impacto en las emisiones ya que gran parte de este únicamente se transforma en otros productos. A lo que datos actuales se refiere, la demanda de petróleo este 2017 alcanza los 1.5 millones de barriles diarios, con un continuo crecimiento desde la caída de precios en 2014. El crecimiento medio anual se estaba manteniendo alrededor del 1%, aumentando este año 2017 hasta 1.6% (figura 2.4). Gran parte de esta demanda viene causada por la expansión de economías de Asia, destacando India y China, a pesar de ser líder en la venta de automóviles eléctricos. Figura 2.4. Evolución del crecimiento global promedio anual en la demanda de petróleo (IEA, 2017). Uno de los principales participes de este crecimiento en la demanda ha sido el sector del transporte. Aunque la venta de automóviles eléctricos este en constante aumento, destacando en mercados tan importantes como el chino, este crecimiento es insuficiente para hacer mella en el crecimiento de la demanda de petróleo. Si bien se espera un leve descenso en la demanda en los próximos años no existen signos del perecimiento del petróleo a largo plazo. • GAS NATURAL El gas natural jugará un papel de vital importancia en la transición energética. Las previsiones le sitúan como uno de los principales combustibles en el futuro mix energético. Se prevé que el 80% del crecimiento de la demanda de gas se registra en las economías en desarrollo, a destacar China, India y otros países asiáticos. A pesar de que Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 8 en estas economías gran parte del gas deberá ser importado y a su vez a menudo no existen las infraestructuras necesarias, el gas natural encaja bien con las prioridades políticas en esta región, generando calor, electricidad y movilidad con menos emisiones de dióxido de carbono (CO2) y contaminantes que otros combustibles fósiles, y contribuyendo así a abordar las preocupaciones generalizadas sobre la calidad del aire. En otros países con economías más desarrolladas y donde la escasez de recursos energéticos es patente, el gas adopta un papel regulador, pasan a formar parte del mix energético garantizando el equilibrio del sistema eléctrico en vez de participar en la generación eléctrica de base, que adoptarían las energías renovables al ser más barata en susodichos países. El gas a su vez puede dotar de mayor flexibilidad a países con capacidades menores o fuertemente dependientes del carbón para la transición de generación eléctrica desde el carbón y petróleo hacia las renovables u otro mix energético. En definitiva, las previsiones de los distintos escenarios futuros sitúan al gas natural como uno de los principales combustibles del mix energético a medida que el petróleo y el carbón retroceden, y las renovables ascienden. Respecto a los datos actuales en lo que demanda de gas natural se refiere, esta creció un 3% en 2017 frente al crecimiento de 1.5% de los últimos años. La razón de ello fueron unos suministros abundantes con un coste más bajo de lo habitual, gracias en gran parte a la explotación de los depósitos de esquistos estadounidenses. A su vez, el cambio energético en economías clave como la China (con su política “make China’s skies blue again”) donde un viraje hacia energías más limpias, con el gas natural como catalizador, han sido también participes de este notable aumento en la demanda. Otro dato interesante es la disposición de esta demanda (figura 2.5). En la última década el peso de la demanda de gas provino desde el sector eléctrico, siendo ahora mayoritaria en el aumento de la demanda (más del 80%) la porción procedente de los edificios y la industria. Aunque el sector eléctrico siga siendo el componente mayor en la demanda global, es probable que esta participación disminuya gradualmente ya que otras energías ocupen la generación eléctrica, delegando el gas hacia la calefacción y regulación del sector eléctrico. Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 15 Al igual que en el caso europeo, el sector residencial y terciario estadounidense también alberga un incuestionable potencial para el ahorro energético en el camino hacia un sistema energético sostenible y descarbonizado. Se podría seguir buscando datos referentes a las distintas economías, pero el resultado muy posiblemente fuese el mismo, siendo extrapolable las deducciones de este punto a todo el ámbito global. Figura 2.12. Porcentaje de crecimiento del uso de la electricidad y uso final de la electricidad por sector (EIA, 2018) 2.3 Hidrógeno Con una idea global sobre el panorama energético actual y la visión de futuro expuesta en el punto 2.1, se va a abordar en este punto el papel de las tecnologías del hidrógeno en la llamada transición energética, el concepto “Economía del Hidrógeno” y su posición aventajada como nuevo vector energético. En definitiva, cercar el mercado de aplicación de las tecnologías asociadas al hidrogeno definiendo las potencialidades y retos que se presentan para la inclusión de esta tecnología en el sistema energético global. El hidrógeno, como recurso energético, presenta el inconveniente de que, a pasar de ser un elemento químico muy abundante en la naturaleza, este no se encuentra en estado puro en ningún tipo de “yacimiento” y ha de ser producido a partir de una materia prima que lo contenga mediante un aporte de energía. Por ello, el hidrógeno no es una fuente de energía primaria en sí, sino un vector energético empleado para almacenar y transportar energía. Cuando en la década de los 70 se empieza acuñar el término “Economía del Hidrógeno”, este pasa a referenciarse como el vector energético del futuro. La gran virtud del hidrógeno como vector energético es que este puede ser usado para el almacenaje de fuentes de energía renovables, intermitentes, como es el caso de la solar o el viento. Pero no solo adquiere valor el campo Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 16 de las renovables, sino que se cocina todo un modelo energético en el cual el hidrogeno pasaría a ser el nexo entra las fuentes primarias y los consumidores. En el siglo XX, los combustibles fósiles contribuyeron al desarrollo de la sociedad tal y como hoy la conocemos; trajeron nuevos desafíos de cuya solución puede depender el futuro de nuestro planeta. Pero un sistema basado en combustibles fósiles tiene fecha de caducidad debido al agotamiento de estos. Ante tal situación es necesario introducir soluciones que garanticen un desarrollo sostenible para la civilización del siglo XXI. Lo que exige que los vectores energéticos del futuro sean limpios, seguros, eficientes y capaces de ser generados a partir de fuentes de energía inagotables, para poder asegurar el abastecimiento al usuario final. Un vector que encaja en la descripción anterior es la electricidad. Es versátil, puede ser producida a partir de diversas fuentes y transportada largas distancias. Según la fuente de producción se podría calificar como “electricidad limpia” o, no recalar en el aspecto peyorativo de seudónimo, “electricidad sucia”. Y un escenario similar se presenta con el hidrogeno, siendo las sinergias de ambos vectores la apuesta para formar un modelo energético que cubra las demandas del planeta sin depender de las fuentes de energía primaria. Por lo tanto, se podría afirmar que el hidrógeno es un vector energético limpio y sostenible, seguro y eficiente, que complementará en un futuro a la electricidad a la hora de garantizar el suministro energético de la población y fomentara la penetración de las fuentes de origen renovable. Antes de continuar se va a presentar una pequeña síntesis de la historia del hidrógeno, desde su origen hasta que adquiere la acepción en materia de energía que es la que resulta de interés para este trabajo. - Aunque anteriormente hubo ciertos estudios más o menos formales sobre la obtención y propiedades del hidrógeno, su obtención e identificación como un elemento químico se le acredita a Henry Cavendish, el cual obtuvo hidrógeno a partir de una reacción de Zn con HCL en 1766. - Posteriormente en 1783 demostró que al combinar hidrógeno y oxígeno se formaba agua. Hecho del que procede su actual nombre, derivado de las palabras griegas “hydro”, agua, y “genes”, nacido de. - En 1783 tiene lugar la primera aplicación técnica del hidrógeno. Jacques Alexander Cesar Charles, físico, lanza el primer globo aerostático no tripulado lleno de hidrógeno. Posteriormente repetiría la experiencia pilotando personalmente el globo. - En 1800 los científicos Willima Nicholson y Anthony Carlisle descubren que, al aplicar una corriente eléctrica sobre el agua, se obtiene hidrógeno y oxígeno. Proceso que posteriormente se le llamaría electrólisis. Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 17 - En 1838 Christian Friedrich Schoenbein descubre la obtención la obtención de electricidad a través de la combinación de oxígeno e hidrógeno. Esto se correspondería con los de la pila de combustible. - No sería hasta 1845 cuando William Grove aplica los descubrimientos de Schoenbein a escala práctica, creando la “pila de gas”. A Grove se le considera el padre de las pilas de combustible. - En 1889, Ludwig Mond y Charles Langer acuñaron el termino de “celda de combustible” al construir una primera celda a partir de aire y gas síntesis (mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono). - En 1898, Sir. James Dewar logró licuar el hidrógeno por primera vez a una temperatura de 20.4 K. - En 1920 Rudolf Erren empieza a transformar motores de combustión interna para que puedan funcionar con hidrógeno o mezclas de este. Obteniendo la patente para la fabricación de este motor. Se empiezan a desarrollar las primeras ideas sobre automóviles y máquinas movidas por hidrógeno. - También en 1920, J.B.S Haldane introduce por primera vez el concepto de hidrógeno renovable en el artículo “Ciencia y futuro”. - En 1930, Rudolf Erren construye el primer prototipo de automóvil propulsado por hidrógeno. - En 1937 tiene lugar el accidente del dirigible Hindenburg. Esto supone el fin del uso directo del hidrógeno en la causa aeronáutica. La causa del siniestro se debió a una chispa fruto de la carga electroestática y las pinturas empleadas en el dirigible. Tan lamentable suceso se emplearía como base para la elaboración de los combustibles sólidos de los cohetes. - En 1959, Francis Bacon construye la primera celda de combustible práctica. Tenía una potencia de 5 kW y funcionaba con una mezcla de aire e hidrógeno. Este diseño se emplearía posteriormente en el programa Apolo de la NASA. - En 1968 la NASA dirige un estudio sobre los aspectos económicos a gran escala de hidrógeno líquido. - En 1970 John Bockris acuña el término “economía del hidrógeno” en una reunión técnica de Generals Motors. Durante esta década se trabajó en la idea de una economía basada en el hidrógeno como portador de energía fruto del problema energético planteado por la disminución de las fuentes de combustible fósiles, por una demanda creciente de energía, y al deterioro de medio ambiente. - En 1972 se presenta en la Universidad de California, Los Ángeles, el prototipo “Gremlin” (vehículo diseñado a partir de motores de combustión modificados). Se convierte en una señal de la aplicación práctica y tangible del hidrógeno a la sociedad. - En 1973, el embargo de crudo de la Organización de Países Exportadores de Petróleo (OPEP) impulsa el desarrollo de las pilas de combustibles comerciales. Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 18 - En 1974 se celebra el primer congreso internacional centrado en la economía del hidrógeno, “The Hydrogen Economy Miami Conference” (THEME). Este congreso dio lugar a la Asociación Internacional de la Energía del Hidrógeno” (IAHE). - En 1974, la Agencia Internacional de la Energía (AIE) surge como consecuencia de las variaciones en el mercado del petróleo. Entre sus objetivos se encuentra el desarrollo de tecnologías del hidrógeno. - Después de una década convulsa con el abastecimiento y precios de petróleo con la crisis de 1973,1979 y 1983 a raíz de estallido de la cuarta guerra árabe-israelí que desestabilizaron la economía mundial, proliferaron las investigaciones y desarrollos tecnológicos sobre la energía del hidrógeno. Desde entonces hasta nuestras fechas se han creado diversas asociaciones relacionada con el hidrógeno tanto internacionales como nacionales en las principales economías del mundo, se han llevado a cabo números programas para testear esta tecnología y se han desarrollado estrategias de futuro embebidas en las políticas energéticas de numerosos países. Y es que el hidrogeno posee unas cualidades que lo posicionan como un vector energético idóneo para el futuro (Pino F. J., 2010), como son: - Puede ser producido a partir de diversas de fuentes de energía y consumido en multitud de equipos e instalaciones. - Puede ser producido y convertido en electricidad con un rendimiento relativamente alto. Este aspecto es especialmente interesante si se tiene en cuenta la dificultad, cada vez mayor, de evacuar la electricidad generada con tecnologías renovables. Mediante el empleo del hidrógeno como vector energético se consigue aumentar la capacidad de penetración de estas fuentes sostenibles. Además, tanto la energía eléctrica como el hidrógeno son vectores energéticos intercambiables en función de la necesidad, es decir, que se puede pasar de uno a otro gracias al empleo de electrolizadores o pilas de combustible, hidrogeno renovable, lo que da una idea del alto nivel de complementariedad de éstos. - El hidrógeno se puede producir a partir de agua, muy abundante en la naturaleza. - El hidrógeno es también un combustible, con la diferencia de que al oxidarse en presencia de oxígeno y no contener carbono en su molécula, produce solo agua, bien en estado líquida o gaseosa, como residuo. - Puede ser almacenado en estado líquido, gaseoso o sólido (en hidruros metálicos). - Puede ser transportado a largas distancias mediante tuberías, tanques o camiones cisterna. - Puede ser convertido en electricidad con una eficiencia mayor que cualquier otro combustible fósil. Actualmente existen tecnologías en distintas fases de investigación, desarrollo y comercialización que permiten producir hidrógeno a partir de diversos tipos de materias Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 19 primas como el agua, la biomasa o recursos fósiles (carbón, petróleo y gas natural), y con un aporte de energía primaria que puede provenir de los combustibles convencionales, energía nuclear o fuentes renovables. La principal cualidad del hidrógeno es que puede vincular diferentes sectores de energía, creando redes de transmisión y redes de distribución; aumentando de esta manera la flexibilidad operativa de los futuros sistemas de energía bajos en carbono (figura 2.13). Figura 2.13. Hidrógeno como vector energético y sus aplicaciones (IEA, 2018) En resumen, el hidrógeno es un vector energético flexible, que puede producirse a partir de cualquier fuente de energía primaria. Además, puede transformarse en distintas formas de energía para diversas aplicaciones, ayudando a la descarbonización en el sector del transporte, la industria, los edificios y la energía. Como vector energético, el hidrógeno puede lograr nuevos vínculos entre la oferta y la demanda de energía, tanto de una gestión centralizada como descentralizada, dotando de una mayor flexibilidad al sistema energético. Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 20 Actualmente, el mayor uso del hidrógeno se encuentra en la industria y se refina como un subproducto de las plantas industriales y como un producto del reformado del gas natural, el gas licuado de petróleo y la gasificación del carbón. Entre los distintos usos finales patentes en la figura 2.14, existe un nicho de trabajo y expansión especialmente interesante, o más bien en línea con la idea de diseño del sistema analizado en este trabajo, que se corresponde a la cogeneración y generación de energía, tanto eléctrica como térmica en los hogares. Como es lógico esto no tiene aplicación únicamente en los hogares, también en la industria o incluso los automóviles; pero lo realmente interesante es la posibilidad y viabilidad de gestionar las exigencias energéticas de una vivienda de una forma descentralizada con el soporte de la tecnología del hidrógeno. Aunque se debe recalcar que en el sistema bajo estudio de este análisis solo se ha centrado el foco en términos de energía eléctrica, obviando la térmica. Figura 2.14. Esquema de producción y demanda de hidrogeno (Pino F. J., 2010) Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 21 3 DESCRIPCIÓN EQUIPOS 3.1 Generador fotovoltaico Desde las primeras empresas que comercializaron células fotovoltaicas basadas en semiconductores de silicio para aplicaciones espaciales y militares allá entre 1955 y 1975 hasta el día de hoy, ha tenido un profundo cambio y una vertiginosa evolución en materia de tecnología fotovoltaica. Se podría afirmar que fue a partir de 1975 cuando esta tecnología adquiere suficiente madurez para ser susceptible de aplicar en la industria y, paulatinamente al ámbito doméstico. En la figura 3.1 se puede apreciar la evolución en el precio y la capacidad instalada en tecnología fotovoltaica desde sus inicios. Por otra parte, en la figura 3.2 puede apreciarse como el consumo de energía fotovoltaica ha crecido exponencialmente esta última década. Respecto a la eficiencia de las células fotovoltaicas, a medida que evolucionaba la tecnología, se fue experimentado con distintos tipos de materiales semiconductores, como el arseniuro de galio aislado o en combinación con germanio. Mientras que en sus inicios el rendimiento de la célula fotovoltaica no llegaba al 10%, hoy se alcanza valores del 40% en laboratorios, rondando de los paneles de silicio que se suelen instalar en tejados y huertos solares el 20%. Figura 3.1. Representación del precio del módulo fotovoltaico frente al acumulado de la capacidad instalada global entre 1976 y 2016 (Lafond F.,2017). En la actualidad la energía fotovoltaica se utiliza de distintas formas. Bien de forma aislada para generar cierta cantidad de electricidad en zonas alejadas de la red de Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 22 transporte, directamente como un elemento más de generación de energía eléctrica inyectada a red. Para la fabricación de células solares se utilizan diversos materiales; entre los más comunes se encuentran el silicio, el germanio y el selenio. Las células más utilizadas para la conversión de energía solar en energía eléctrica son las de silicio monocristalino y policristalino. Otras tecnologías son la llamada tecnologías CIGS y las CIS. La primera se basa en los semiconductores compuestos ternarios CuInSe2, CuGaSe2 CuInS2, y su aleación Cu(InGa)(S,Se)2 y la segunda CuInSe2 (tecnología CIS). Otras nuevas tecnologías (Rekioua D., 2012) (González Y., 2016): - Células solares orgánicas (OSC): hechas de finas capas de materiales orgánicos. Hay tres tipos diferentes de celdas solares orgánicas: los materiales semiconductores orgánicos pueden estar compuestos de pequeñas moléculas (celdas solares SM) o de polímeros (celdas solares de polímeros). El tercer tipo de celdas solares orgánicas es la celda Grätzel. - Células tándem: hechas de diferentes materiales semiconductores que cubren distintos rangos espectrales. - Células de concentración que usan espejos y lentes: Este sistema usa solo radiación directa y necesita un mecanismo adicional para el seguimiento del sol. La eficiencia está en torno al 42,2 % de radiación directa. - Células MIS: el campo eléctrico interior es producido por el cruce de una capa fina de óxido y un semiconductor. En la figura 3.3 se plasma las diferentes tecnologías fotovoltaicas mostrando su evolución y eficiencia. Recalcar, que a día de hoy las celdas de silicio cristalino son las que dominan el sector y las que lo seguirán haciendo en un futuro inmediato. Esto se debe a que es un recurso muy abundante, tiene altas eficiencias y el impacto ambiental es pequeño. Hasta hace pocos años, desde un punto de vista práctico, se utilizaban módulos de 36 células y aproximadamente con una superficie de 0.4 m2. Actualmente los módulos que se utilizan son mayores y disponen de 108 o más células asociadas en serie o en serieparalelo. Cuanto mayor sea el módulo, mejor relación precio/potencia tendrá y además requerirá menos mano de obra en las labores de instalación e interconexionado. En cuanto a la vida útil, pueden llegar a durar más de treinta años siempre que se cumpla con la normativa en cuanto a la homologación, aunque a partir de los 25 años sus prestaciones se reducen en un 20-25 % respecto al primer día. Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 23 Figura 3.2. Consumo de energía solar fotovoltaica por región (BP, 2017) 3.2 Sistemas de almacenamiento Gracias a los sistemas de almacenamiento se puede sincronizar la oferta y la demanda, de manera que se puede acumular la energía en los periodos de baja demanda para liberarla después en los periodos con una demanda elevada. Existen distintas tecnologías para el almacenamiento de energía que se podrían clasificar en dos grandes grupos: - Sistemas con una gran capacidad para suministrar potencia pero una capacidad de almacenamiento limitada. - Sistemas con una gran capacidad de almacenamiento pero con una capacidad reducida de suministrar potencia. Los sistemas correspondientes al primer grupo son los más apto para controlar la calidad de la potencia eléctrica generada, entre ellos cabe destacar los supercondensadores, los supercondensadores magnéticos, los volantes de inercia y las baterías. En el segundo grupo tendría cabida los sistemas de almacenamiento mediante hidrógeno, los sistemas hidroeléctricos y los de gas comprimido. En la figura 3.4 y 3.5 se puede apreciar los distintos sistemas de almacenamiento y su aplicación en función de sus características, a la vez que los costes de inversión. Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 24 Figura 3.3. Evolución de la eficiencia de las células fotovoltaicas en función de las tecnologías. Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 31 gases obtenidos, al no haber arrastre de electrolito; y unas pérdidas óhmicas de la membrana menores que las del electrolito líquido, por lo que para una misma intensidad eléctrica, el voltaje de operación de la celda electrolítica será menor. Tabla 3.2. Principales características de los sistemas AEC, PEM y SOEC (Schmidt O., 2017) Durante los últimos años ha tenido lugar un avance en esta tecnología a raíz del desarrollo de las pilas combustible de intercambio protónico (PEMFC), debido a que el principio que rige el funcionamiento de un electrolizador es el mismo que rige el funcionamiento de una pila de combustible con la diferencia de que la reacción electroquímica se dará en sentido contrario. Figura 3.9. Principio de operación y esquema básico de la célula electrolítica de un electrolizador PEM (García-Valverde R.- Optimized method for photovoltaic-water electrolyser direct Coupling, 2011) Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 32 En estos electrolizadores, el agua es introducida por la zona del ánodo y disociada en oxígeno, protones y electrones. Los protones son conducidos a través de la membrana (PEM) hacia el cátodo por el campo electrónico, donde se combinan con los electrones procedentes del circuito externo para formar hidrogeno gas. Las semirreacciones que tienen lugar durante este proceso son: Á𝑛𝑜𝑑𝑜: 𝐻2𝑂(𝑙)→1 2𝑂2(𝑔)+2𝐻++2𝑒− (3.1) 𝐶á𝑡𝑜𝑑𝑜:2𝐻++2𝑒−→𝐻2(𝑔) (3.2) Un esquema básico de las células de estos electrolizadores se puede apreciar en la figura 3.9. Los catalizadores usados para el tratamiento de los electrodos son: platino, iridio, rutenio y rodio. La membrana que se suele emplear es derivada del Teflón y comercialmente es conocida como Nafion 117. 3.4 Pila de Combustible Una pila de combustible no es más que un dispositivo electroquímico que es capaz de convertir la energía química contenida en un combustible directamente en energía eléctrica. La pila de combustible tiene la capacidad de producir energía eléctrica continuamente siempre que se alimente a los electrodos de combustible y de comburente. El principio de funcionamiento, como ya se ha mencionado anteriormente, es el mismo que rige al electrolizador. En la figura 3.10 se puede apreciar el esquema básico de una pila de combustible. Existen diversos tipos de pilas de combustible en función del electrolito, aunque solo se va a ahondar en las pilas de combustible tipo PEM. En la tabla 3.3 se puede observar una comparativa entre las distintas pilas de combustible existentes. Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 33 Tabla 3.3. Comparación entre los distintos tipos de pilas de combustible (Martínez R., 2016) Las pilas de combustible se encuentran constituidas por varias células individuales conectadas eléctricamente en serie. Al apilamiento de estas celdas se le denomina “stack” (figura 3.11). Figura 3.10. Esquema de funcionamiento de una celda de pila de combustible (Martínez J. J., 2005) Algunas de las ventajas que presenta las pilas de combustible para la producción de energía son: Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 34 - Eficiencia: por lo general, una pila de combustible presenta mejor eficiencia que un motor de combustión. Además, la eficiencia de la pila no cambia con el tamaño: las pilas de potencias pequeñas trabajan con eficiencias relativamente similares a las de mayor potencia. Esto se debe principalmente a que las pilas convierten directamente la energía del combustible en energía eléctrica a través de las reacciones electroquímicas que tienen lugar en su interior. Si comparamos con los motores de combustión tradicionales, para una misma cantidad de energía del combustible, la eficiencia de la pila de combustible será mayor que la del motor. Por otro lado, el hecho de que se pueda aprovechar el calor residual hace que la eficiencia de las pilas pueda aún aumentar. En la siguiente gráfica podemos observar la comparación en cuanto a eficiencias de una pila de combustible con otros sistemas de producción de electricidad más convencionales. - Bajas emisiones: al ser el hidrógeno el combustible, el producto resultante es simplemente agua. No hay ningún contaminante. Esto hace que la pila sea una tecnología limpia, de emisión cero. Esto es interesante principalmente para su aplicación en el sector automovilístico. - Simplicidad de fabricación: como hemos visto en este trabajo, el principio de funcionamiento de una pila de combustible PEM es bastante sencillo. No dispone de una construcción complicada puesto que no necesita de muchos componentes y no presenta muchas partes móviles. Consecuentemente su diseño es simple. Esto además favorece la flexibilidad de emplazamiento: se pueden instalar en numerosos lugares, desde un dispositivo para cargar la batería de un teléfono móvil hasta otro capaz de mover un vehículo. Por otro lado, su carácter modular permite que, cuando se necesite aumentar la potencia requerida, se puedan conectar módulos en serie. - Nivel de ruido bajo: esto es muy interesante sobre todo para las aplicaciones portátiles. Las pilas de combustible no presentan ningún mecanismo que pueda provocar ruido en su interior. El poco ruido que pueda haber es el proveniente de los sistemas de alimentación de combustible o de refrigeración de la pila. Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 35 Figura 3.11. Esquema del stack de una pila de combustible (Valverde L., 2013) Pero también como hemos dicho existe una serie de desventajas. No existe la fuente de energía perfecta. Y las pilas de combustible no son la excepción: - Coste elevado en su producción debido a la poca demanda actual a gran escala, y a algunos materiales caros, como el platino - La industria del hidrógeno es pequeña. Para producir H2 no existen yacimientos de H2 y es necesario producirlo en un proceso que requiere energía y es caro. Hay que extraerlo otras materias primas, y algunos procesos, como licuar el hidrógeno, suponen un elevado gasto energético. A su vez el hidrógeno presente una Baja densidad frente a otros combustibles y hay que cuidar aspectos como su seguridad en el manejo y el almacenamiento. - La fiabilidad de algunos tipos de pila de combustible todavía está en desarrollo. - Corta vida útil, sobre todo en aquellas que trabajan a altas temperaturas. - Poca robustez. Algunas son sensibles a la contaminación y a la temperatura • Pila combustible tipo PEM Una pila PEM tiene un electrolito solido polimérico que es capaz de conducir cargas positivas o protones, ion H3O+, y es una barrera para el paso de los gases reactantes y de las cargas negativas. El material más empleado para la membrana en estas pilas es el Nafion. La membrana requiere una hidratación contante para mantener la conductividad iónica, lo que es un aspecto muy importante en este tipo de pilas. Por otro lado, la principal característica para la membrana es que debe tener una alta capacidad para la conducción de protones. En cambio, debe ser una barrera para el Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 36 paso de los gases reactantes y de las cargas negativas. Por último, debe ser tanto química como mecánicamente estable. Las pilas de combustible tipo PEM operan a baja temperatura, en el rango entre 60-120 ℃, esto permite rápidos arranques y respuestas inmediatas a los cambios de demanda de potencia. Sus costes son relativamente bajos comparados con otras pilas de combustible y tienen una densidad de potencia alta. Otras características de este tipo de pila son la eliminación de fluidos corrosivos y su baja susceptibilidad a la orientación de la pila. Como resultado de lo anterior, las pilas de combustible tipo PEM son particularmente apropiadas para la aplicación en automóviles y también en aplicaciones de carácter estacionario. (Martínez J. J., 2005) 3.5 Regulador de carga e inversores Respecto al regulador de carga y los inversores únicamente se va a señalar que son dispositivos electrónicos empleados para adecuar las tensiones e intensidades de trabajo entre los elementos del sistema. El modo de funcionamiento y los tipos de reguladores e inversores quedan fuera del objeto y conocimiento de este trabajo. - Regulador de carga adecuará el voltaje entre el generador fotovoltaico y la batería o bien el electrolizador. - Inversores adecuaran el voltaje de entrada desde bien el generador fotovoltaico, la batería o la pila de combustible a un voltaje de corriente alterna de 220V y 50 Hz a la salida para abastecer la demanda de la vivienda. Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 37 4 METODOLOGÍA Antes de comenzar con el desarrollo de la metodología vale la pena volver a rememorar el objetivo de este trabajo. La finalidad de este es analizar la viabilidad de introducir un subsistema de hidrógeno en un sistema fotovoltaico con banco de baterías autónomo que sustenta una vivienda aislada. Contextualizado el fin latente del trabajo, se va a proceder a desarrollar y definir a lo largo de este punto la metodología empleada para el análisis de la conversión del sistema fotovoltaico con baterías, caso base en el estudio, a un sistema híbrido, ambos completamente autónomos. 4.1 Caso de estudio Como punto de partida se va a describir las características de la vivienda del estudio. Señalar previamente que la vivienda en cuestión no existe, sino que partimos de un supuesto. Al situarla geográficamente y describir las distintas características de esta se definirán las condiciones meteorológicas a las que está expuesta y su demanda energética. 4.1.1 Antecedentes Las hipótesis propuestas para la vivienda objeto del análisis son las siguientes: - Se encuentra localizada en Sevilla. - Es una vivienda unifamiliar. - Tiene una ocupación anual. 4.1.2 Análisis de la demanda eléctrica de la vivienda Para dimensionar la instalación fotovoltaica de consumo es necesario conocer la demanda de energía eléctrica que tiene la vivienda. A partir de las hipótesis expuestas anteriormente se ha elaborado una estimación del consumo diario de la vivienda, en función de la estación, a partir de la frecuencia de consumo de los elementos de la vivienda y las potencias instaladas. En la tabla 4.1 se puede consultar los consumos diarios estimados. Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 38 Tabla 4.1. Estimación de consumos diarios de la vivienda Con la estimación de consumo diario y un perfil estándar de consumo en vivienda proporcionado por un software, se ha obtenido un consumo horario promedio mensual a través de este mismo software. A partir del consumo horario promedio mensual se ha extrapolado a un consumo horario promedio anual obteniéndose el perfil de demanda eléctrica requerida por la vivienda objeto de estudio. El desarrollo detallado para la obtención del perfil de demanda eléctrica se puede consultar en el anexo I de este mismo documento. Invierno Primavera Verano Lámpara LED 1.35 1.22 1.08 Frigorífico 3.60 3.60 3.60 Microondas 0.08 0.08 0.08 Campana extractora 0.09 0.09 0.09 Televisor 0.15 0.15 0.20 Ordenador 1.00 1.00 1.00 Equipo de música 0.14 0.14 0.14 Ventilador 0.10 Lavadora 1.60 1.60 1.60 Plancha 1.00 1.00 1.00 Cargador móvil 0.02 0.02 0.02 Cargador PC Portatil 0.07 0.07 0.07 Lampara 0.09 0.09 0.04 Secador 0.03 0.03 0.03 Calefactor 1.20 0.00 0.00 Climatización Bomba de Calor (split 1x1) 4.47 10.43 9.09 13.54 Baños Elementos de Consumo de la Vivienda Iluminación Cocina Salon Lavadero Habitaciones Consumo diario kWh/día 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 [kWh] Horas Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 39 Figura 4.1. Perfil de Demanda Eléctrica Anual de la Vivienda En la figura 4.1(1) se puede observar el perfil de la demanda eléctrica de la vivienda. Debido a las hipótesis consideradas en lo que corresponde a los elementos de consumo de la vivienda, expuestas en el anexo 1, esta presenta un mayor consumo en los meses cálidos debido a la carga de refrigeración. 4.1.3 Caracterización del recurso solar Como es lógico, el recurso solar del que dispondrá la vivienda dependerá de la orientación de los paneles. A través de la plataforma PVGIS se ha extraído la irradiación promedio mensual en función de la orientación e inclinación de los paneles. A partir de la relación entre la demanda promedio mensual de la vivienda y la irradiación promedio mensual se ha escogido la orientación de los paneles solares en función de la estación del año a priorizar. Escogida la orientación e inclinación de los paneles, a través de la herramienta que facilita la Junta de Andalucía “Programa de Cálculo de Años Meteorológicos Tipo de Andalucía”, se ha obtenido el año meteorológico promedio tipo de Sevilla con la radiación global horaria anual junto con la temperatura seca ambiental, datos necesarios para calcular la potencia generada por el sistema fotovoltaico. Figura 4.2. Año meteorológico tipo para orientación sur e inclinación 30º. (1) Aunque en la figura parezca que la carga de la vivienda nunca se sitúa por valores debajo del 0.4 kW/h, la falta de resolución no permite ver los valores mínimos alcanzados. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 0 200 400 600 800 1000 1200 0 10 20 30 40 50 Horas [Wh/m^2] [ºC] Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 40 En todos los casos se han orientado los paneles al sur para maximizar la radiación y se han escogido dos inclinaciones para el análisis, una a 30º y otra a 60º. Se toma como hipótesis válida que no exista sombreado. Todo el desarrollo detallado y las hipótesis asumidas se pueden consultar en el anexo II En la figura 4.2(1) y figura 4.3(2) se muestran los años meteorológicos tipo para orientación e inclinación 30º y 60º respectivamente. Figura 4.3. Año meteorológico tipo para orientación sur e inclinación 60º. 4.1.4 Configuración del sistema Una vez obtenidos los datos de partida del caso de estudio se va a detallar la configuración de este. Se puede distinguir dos partes, la configuración relativa al caso base de estudio y la rama con los elementos para la generación, acumulación y consumo de hidrógeno. Los elementos integrantes del caso base son los habituales en los sistemas fotovoltaicos aislados: - Módulos fotovoltaicos. - Inversores. - Conversor con seguimiento del punto de máxima potencia. (1) ,(2) La falta de resolución no permite con claridad los valores de temperatura y radiación horaria. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 0 200 400 600 800 1000 0 10 20 30 40 50 Horas [Wh/m^2] [ºC] Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 47 Asumiendo bajos valores de densidad de corriente, algo plausible para electrolizadores que trabajan de baja presión, se puede expresar a partir de las ecuaciones Butler-Volmer la densidad de corriente. 𝑖=𝑖0[𝑒𝛽𝑛𝐹 𝑅𝑇𝜂−𝑒(1−𝛽)𝑛𝐹 𝑅𝑇 𝜂] (4.13) Siendo o i0: la densidad de corriente de intercambio [A/cm2]. o β: el factor de simetría del electrodo. o n: el número de electrones transferidos. o 𝐹: la constante de Faradays [C/mol]. o T: la temperatura de la célula electrolítica [K]. o R: la constante de los gases ideales [J/mol K]. o η: el sobrepotencial de activación [V]. El factor de simetría representa la fracción de energía adicional que va hacia la reducción, cátodo (𝛽), o hacia la oxidación, ánodo (𝛽−1). En cada electrodo predomina una semi reacción pudiéndose escribir a partir de la ecuación 4.13 el sobre potencial de activación para el cátodo y el ánodo. 𝜂𝑐/𝑎 =𝑅𝑇 𝛼𝑐/𝑎ln (𝑖𝑐/𝑎 𝑖0,𝑐/𝑎) (4.14) o 𝛼𝑐/𝑎: el coeficiente de transferencia de carga [mol s/A] Muchas reacciones tienden a la simetría, por lo que en el texto de García-Valverde asume que el valor de ambos coeficientes es de 0.5 (electrólisis se liberan 2 electrones). Por otra parte, la densidad de corriente de intercambio es un parámetro desconocido, va a depender de diversos elementos como el electrocatalizador, la morfología del electrodo, la edad, presión, temperatura; en definitiva, parámetros generalmente no proporcionados por las fabricantes. A su vez, va a tener una gran influencia en el valor de la curva de polarización final de la célula electrolítica. En el modelo desarrollado de García-Valverde R., al igual que en otros trabajos de la literatura, se modela su dependencia frente a la temperatura a partir de la ecuación de Arrhenius. 𝑖0=𝑖0,𝑟𝑒𝑓𝑒[−𝐸𝑒𝑥𝑐 𝑅(1 𝑇−1 𝑇𝑟𝑒𝑓)] (4.15) Siendo: Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 48 o 𝐸𝑒𝑥𝑐: la energía de activación para la reacción del electrodo (oxidación y reducción del agua) [J/mol]. El valor de referencia de la densidad de corriente de intercambio se puede extraer bien de la literatura, de los datos proporcionados por el fabricante o mediante el ajuste de una curva de polarización a partir de datos experimentales. Sin embargo, en modelo adoptado para el análisis, mediante la hipótesis de que el stack del electrolizador trabaja a una temperatura constante, la ecuación 4.15 se obvia, tomando un valor constante de densidad de corriente de intercambio extraído de la literatura para la resolución del modelo matemático. Si se acude a la literatura se pueden encontrar varios valores de densidad de corriente de intercambio para las pilas de combustible, aunque solo unos pocos para los electrolizadores. Choi (Choi P., 2004) sugiere por ejemplo tomar 𝑖0,𝑐𝑎𝑡𝑜𝑑𝑜 = 10−3[A/cm2] para un catalizador de platino (Pt), y 𝑖0,𝑎𝑛𝑜𝑑𝑜 =10−7÷10−12 [A/cm2] para un catalizador de platino (Pt) y platino-iridio (Pt-Ir) respectivamente. Como se puede observar los valores de la densidad de corriente de intercambio son bastante diferentes, cabe esperar por lo tanto que la contribución del cátodo y ánodo al sobrepotencial de activación sea distinta. En base a esto, al igual que en el trabajo de García-Valverde R., se va a despreciar la contribución del cátodo al sobrepotencial de activación. Para este trabajo se va a fijar el valor de la densidad de corriente de intercambio en el ánodo constante e igual a 10-7 [A/cm2]. - Sobrepotencial de difusión y concentración A altas densidades de corriente las ineficiencias asociadas a los fenómenos de transporte de masa y concentración en las células electrolíticas se hacen más patentes. Este sobre potencial se puede modelar añadiendo un término para limitar la densidad de corriente, al alcanzar la densidad de corriente este valor limite la ineficiencia, el sobrepotencial, se vuelve insalvable. Sin embargo, para el modelo adoptado en este trabajo se asume que las densidades de corriente de trabajo nunca van a ser lo suficientemente grandes como para producirse este efecto, algo cierto en la mayoría de los modelos comerciales de electrolizadores tipo PEM, desestimándose el sobre potencial de difusión en el modelo. Otro efecto que tiene lugar en la celda electrolítica es el sobrepotencial debido a las perdidas óhmicas, que materializa las pérdidas eléctricas que tiene lugar en las placas bipolares, electrodos, colector de corriente, etc. Este sobrepotencial se modeliza a través del término 𝑅𝑒𝑞. Una de las pérdidas dominantes en este sobrepotencial se corresponde a las pérdidas iónicas causadas por la resistencia al transporte de protones a través de la Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 49 membrana polimérica. En el trabajo de García-Valverde R. se modelizan estas pérdidas como el cociente entre el espesor y la conductividad de la membrana. 𝑅𝑖𝑜𝑛 =𝑡𝑚 𝜎 (4.16) Siendo: o 𝑡𝑚: el espesor de la membrana [cm]. o 𝜎: conductividad de la membrana [S/cm]. El dato referente al espesor de la membrana es difícil de encontrar en los catálogos convencional de los fabricantes. Debido a ello, se ha decido tomar un valor de espesor directamente de la literatura. En el modelo de Choi (Choi P., 2004) toma un espesor de 178 µm para una membrana Nafion 117 (un material típicamente utilizado en las membranas de los electrolizadores y pilas de combustible tipo PEM). Por otra parte, al asumir que la membrana se encuentra siempre completamente hidratada, la dependencia de la conductividad de la membrana con la temperatura se puede modelar nuevamente a partir de la expresión de Arrhenius. 𝜎(𝑇)=𝜎𝑟𝑒𝑓𝑒[−𝐸𝑝𝑟𝑜 𝑅(1 𝑇𝑟𝑒𝑓−1 𝑇)] (4.17) o 𝐸𝑝𝑟𝑜: la energía de activación para el transporte de protones en la membrana [J/mol]. Un valor de conductividad de referencia se puede obtener a partir de la información proporcionada por el fabricante o bien buscando valores de referencia de ionómeros en la literatura. Otra opción es utilizar alguna de las expresiones desarrolladas en la literatura para pilas de combustibles extrapolables también a la membrana de celdas electrolíticas. Por ejemplo, esta de Santarelli (Santarelli M. G, 2007), obtenida del ajuste de una curva de polarización a partir de una base de datos experimentales con Nafion 117. 𝜎=(0.005139𝜆−0.00326)𝑒[1286(1 303−1 𝑇)] (4.18) o 𝜆: el grado de humidificación de la membrana, que en las células electrolíticas se consideran completamente hidratadas. El grado de humidificación presenta unos valores típicos en la literatura entre 14- 25. Para el modelo utilizado en este documento se ha asumido un valor de 25, al igual que en modelo de Santarelli (Santarelli M. G, 2007). Al considerar que la temperatura de operación es constante en el stack, ya se puede obtener el valor de la conductividad a partir de la ecuación 4.18. Respecto al resto de pérdidas involucradas en el sobrepotencial óhmico, al igual que en modelo de García-Valverde R.; se desestiman, ya que el error asumido no es Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 50 importante y aún menos en un análisis de las características del desarrollado en este documento. El sobrepotencial debido a las pérdidas óhmica queda por tanto expresado según la ecuación 2.18. 𝑅𝑒𝑞 = 𝑅𝑖𝑜𝑛𝑖 (4.19) Por último, la densidad de corriente se define como: 𝑖=𝐼/𝐴𝑠𝑢𝑝 (4.20) o 𝐴𝑠𝑢𝑝: Área activa de la membrana [cm2]. En la literatura se encuentran valores entre 30 y 750 cm2. Para este trabajo se ha tomado un valor de 30 cm2. 4.2.3.2 Producción de hidrógeno Desarrollado el comportamiento electroquímico de la célula, se va a abordar ahora la producción de hidrógeno del electrolizador. El hidrógeno producido por electrolizador se puede definir a partir de ley de Faraday de la electrolisis y un rendimiento para considerar las posibles pérdidas o ineficiencias en la producción. 𝑃𝑟𝑜𝑑ℎ2=𝐼⋅𝑛𝑐𝑒𝑙 2𝐹 ⋅𝜂𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜⋅3.6⋅𝑚𝑚(ℎ2) (4.21) Siendo: - 𝑃𝑟𝑜𝑑ℎ2: la producción total de hidrógeno [kg/h]. - 𝜂𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜: el rendimiento eléctrico del electrolizador. - 𝑚𝑚(ℎ2): masa molar del hidrógeno [kg/mol]. En la literatura se encuentran diversas maneras de expresar el rendimiento eléctrico, entre todas ellas son recurrentes expresiones que lo modelan en función de la capacidad máxima teórica del electrolizador o bien mediante la densidad de corriente que atraviesa la celda. Por ejemplo, una expresión que aparece en numerosos artículos (Chun- Hua Li., 2007) (Ganguly A., 2010) es la siguiente: 𝜂𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 =𝜂𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 ⋅𝜂𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 (4.22) 𝜂𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 =96.5𝑒[0.09 𝑖−75.5 𝑖2] (4.23) Siendo un rendimiento del 74% un valor típico en la literatura para el rendimiento del voltaje. Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 51 4.2.4 Tanque de hidrógeno Respecto al sistema de almacenamiento del hidrógeno, debido a que el sistema bajo análisis corresponde a una vivienda con un consumo no muy elevado, se ha decido utilizar un tanque de baja presión. A su vez, como la producción de hidrógeno no es tan considerable y en aras de simplificar los cálculos, se ha asumido que no existen pérdidas de hidrógeno en el tanque y que nunca se alcanza la capacidad máxima de este. Por lo tanto, el tanque de hidrógeno en el modelo matemático realmente no juega ningún papel, únicamente se incluye para indicar la existencia de este en el sistema. 4.2.5 Pila de combustible Como ya se mencionó en el apartado correspondiente al modelo matemático del electrolizador, un electrolizador polimérico o tipo PEM (PEMWE) y una pila de combustible tipo PEM (PEMFC) son básicamente el mismo dispositivo que funciona en la dirección opuestas. Por lo tanto, parece lógico armar un modelo apoyándose en los mismos principios. 4.2.5.1 Modelo electroquímico Las semirreacciones que tienen lugar en una celda de pila de combustible: - Reacción en el ánodo: 𝐻2→2𝐻++2𝑒− - Reacción en el cátodo: 1 2𝑂2+2𝐻++2𝑒−→𝐻2𝑂 - Reacción total: 𝐻2+1 2𝑂2→𝐻2𝑂 Si se compara con las semirreacciones en la celda electrolítica, se puede observar como los son las mismas, pero en dirección opuestas y en el electrodo contrario. De manera que el voltaje de salida de la pila de combustible se podría definir como el voltaje de Nernst menos las ineficiencias presentes en el proceso; los sobrepotenciales de activación, difusión y transporte, y el de pérdidas óhmicas. En esta ocasión se expresan con signos negativos para penalizar la potencia generada por la pila de combustible. 𝑉𝑝𝑐 =𝑈𝑟𝑒𝑣 −𝜂𝑎𝑐𝑡 −𝜂𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠 −𝜂𝑜ℎ𝑚 (4.24) Siendo: - 𝑈𝑟𝑒𝑣: el potencial reversible o de Nernst [V]. - 𝜂𝑎𝑐𝑡: el sobrepotencial de activación [V]. - 𝜂𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠: el sobrepotencial de transporte y difusión [V]. - 𝜂𝑜ℎ𝑚: el sobrepotencial por pérdidas óhmicas [V]. Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 52 Continuando de forma similar al apartado del electrolizador, se podría seguir desarrollando cada uno de los términos de la ecuación 4.24. Sin embargo, en contraposición al caso de los electrolizadores, la presencia comercial de las pilas de combustibles es mayor, los datos proporcionado por los fabricantes son más exactos y el funcionamiento de estas esta mejor definido. Por esta razón, se ha decido fijar un voltaje de salida en el rango de trabajo proporcionado por el fabricante, facilitando los cálculos en el modelo de la pila de combustible y a su vez del inversor aguas debajo de esta. El rango de voltaje de salida de la pila dependerá de la potencia de esta, que a su vez dependerá del diseño y dimensionamiento del sistema; por lo cual, el valor se tendrá que fijar durante el propio análisis del sistema. 4.2.5.2 Consumo de hidrógeno De forma pareja al apartado 4.2.3.2 (producción de hidrógeno del electrolizador), se va a expresar el consumo de hidrógeno en la operación de la pila de combustible. 𝐶𝑜𝑛𝑠ℎ2=𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎𝑛𝑜𝑐𝑢𝑏𝑖𝑒𝑟𝑡𝑎 𝑉𝑝𝑐2𝐹 ⋅3.6⋅𝑚𝑚(ℎ2) (4.25) - 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎𝑛𝑜𝑐𝑢𝑏𝑖𝑒𝑟𝑡𝑎: la carga de la vivienda no cubierta por la batería o producción fotovoltaica que debe generar la pila de combustible antes de su paso por el inversor [kWh]. - 𝑉𝑝𝑐: el voltaje de salida de la pila de combustible [V]. La carga no cubierta se calcula de la siguiente manera: 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎𝑛𝑜𝑐𝑢𝑏𝑖𝑒𝑟𝑡𝑎 =𝑃𝑜𝑡𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎−𝑏𝑎𝑡/𝜂𝑝𝑐 (4.26) - 𝑃𝑜𝑡𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎−𝑏𝑎𝑡: la potencia a suministrar por la pila de combustible aguas arriba del inversor [kWh]. - 𝜂𝑝𝑐: el rendimiento eléctrico de la pila de combustible. Valores típicos para el rendimiento eléctrico de una pila de combustible en la literatura rondan entre el 40% y el 60% (Chun-Hua L., 2007). 4.2.6 Inversor y seguidor del punto de máxima potencia Para modelizar el inversor y el seguidor del punto de máxima potencia, únicamente se van a considerar los rendimientos de estos. Se van a tratar como una caja negra con un rendimiento asociado. 4.2.7 Rendimientos del sistema Debido a que la modelización matemática del sistema se reduce en mayor o menor grado, en función del dispositivo en cuestión, a una caja negra en la cual a la energía Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 53 fotovoltaica producida se le aplica un rendimiento, se ha decidido abordar en un subapartado los rendimientos y perdidas del sistema. • Generador fotovoltaico El rendimiento energético de la instalación fotovoltaica viene definido a través de una serie de pérdidas que tienen lugar durante la operación y funcionamiento de los paneles fotovoltaicos. Estas pérdidas son las siguientes: - Pérdidas de Mismatch de módulos: Son pérdidas por desajuste debido a la interconexión de los módulos fotovoltaicos. Esto puede ocurrir debido a que no todos los paneles sean idénticos, ya que están sujetos a pequeñas diferencias durante el proceso industrial, o debido a que los módulos no estén soportando las mismas condiciones debido al sombreado o la suciedad. Para este trabajo se han asumido unas pérdidas de un 5%. - Pérdidas por incremento de temperatura: Los valores de potencia, tensión e intensidad que ofrece el fabricante son respectos a unas condiciones nominales de irradiación y temperatura, 1000 𝑊/𝑚2 y 25 ℃. Al variar las condiciones de operación variarán la potencia, tensión e intensidad entregada por los módulos. Estas pérdidas vienen expresadas por los coeficientes suministrados variación con la temperatura proporcionados por el fabricante (anexo IV), por lo que no se consideraran estas pérdidas en el rendimiento ya que se tienen en cuenta a aparte en modelo del subapartado 4.2.1. - Pérdidas por suciedad en los módulos: Son pérdidas debidas a una suciedad uniforme o localizada que reduce la captación solar o genera desajustes. Para este trabajo se han asumido unas pérdidas de un 3%. - Pérdidas por reflectancia angular Estas se producen por la reflexión de un porcentaje de la radiación solar. Para este trabajo se han asumido unas pérdidas de un 3%. - Pérdidas por decaimiento de la eficiencia: Como es lógico, el paso del tiempo hace mella en los paneles fotovoltaico, dicho desgaste produce que el módulo genere menos potencia con el paso del tiempo. Para este trabajo se han asumido unas pérdidas de un 1%. Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 54 En resumen, la cantidad total de pérdidas energéticas en el generador fotovoltaico asciende a un 12%, lo que define un rendimiento energético del generador fotovoltaico de un 88%. • Batería Respecto a la batería, tal como se ha indicado en el subapartado 4.2.2, el proceso de descarga útil viene limitado por la corriente, la temperatura y la capacidad de la batería aun así se considera un rendimiento de descarga del 100%. Para la carga de la batería, en el modelo adoptado, se define una expresión que relaciona el rendimiento con el estado de carga de la batería y la intensidad de trabajo. A pesar de ello se ha decido fijar un rendimiento de carga constante del 85%, ya que la diferencia en la gestión de la energía no es significativa frente a dejar esta variable libre, simplificando los cálculos. • Electrolizador PEM A partir de la ecuación 4.22 y la ecuación 4.23 se podría calcular el rendimiento del electrolizador para cada corriente de trabajo. A pesar de disponer de estas expresiones para modelar el rendimiento eléctrico se ha optado por tomar un valor constante al 85% para simplificar las operaciones. • Pila de combustible En el modelo matemático asumido para la pila de combustible no se ha definido ninguna expresión para calcular el rendimiento de la pila de combustible; en su lugar se ha optado por tomar un valor de la literatura. El rendimiento eléctrico de la pila de combustible para este trabajo es del 50%. • Inversor y controlador de carga En esta ocasión, tanto como para los inversores como el controlador de carga se va a tomar el rendimiento que especifica el fabricante. Este se va a considerar constante y va a depender de las condiciones de operación del sistema; de modo que, una vez diseñado el sistema, definidas las tensiones de trabajo y las potencias pico que recorrerá cada uno de estos elementos, se fijará el valor de los rendimientos. Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 55 Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 56 5 ANÁLISIS 5.1 Caso base 5.1.1 Objetivos Como punto de partida para el análisis se va a establecer un caso base a partir del cual se desarrollará el caso de estudio. Son tres casos base los que se van a desarrollar, que se corresponde a las distintas inclinaciones de los paneles fotovoltaicos que se han considerado como punto de partida. Un primer escenario con la producción fotovoltaica orientada a verano, con una inclinación de 20o; un segundo escenario con el grado de inclinación óptimo para favorecer la producción máxima anual, con una inclinación de 35o; y un último escenario con la producción fotovoltaica centrada en invierno, con una inclinación de 60o. El objetivo del caso base es esclarecer el número de paneles y la capacidad del banco de baterías necesarios para cubrir la demanda energética anual de la vivienda a partir de los datos de demanda eléctrica horaria de la vivienda y el año meteorológico tipo, radiación y temperatura exterior horaria. 5.1.2 Modelos comerciales Los modelos comerciales escogidos para el caso base se pueden consultar en el ANEXO IV. El módulo fotovoltaico se ha fijado arbitrariamente. Dentro de la serie, se ha elegido el más potente. Este será el módulo que se utilice tanto para el caso base como para el caso de estudio. En el caso de las baterías se escogerá dentro del abanico de capacidades ofrecidas por el fabricante en función de las necesidades requeridas por el sistema autónomo objeto de estudio durante el análisis. El regulador de carga se ha escogido en función del voltaje de operación de la batería, que se ha fijado en 24 voltios. El modelo escogido puede trabajar automática e indistintamente a distintos voltajes, dotando de flexibilidad al sistema. En el modelo de inversor escogido, el fabricante ofrece una serie de opciones en función de la potencia y la tensión de trabajo. Como las tensiones de trabajo no varían de un de un caso de estudio a otro, y la potencia tiene un valor máximo fijado por la demanda de la vivienda, común a los tres casos de estudio; dentro de las opciones ofrecida por el fabricante se ha escogido la que permite trabajar con el banco de baterías y la pila de combustible. Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 63 Figura 5.3. (3) Diagrama de flujo - Programa Caso Base. ∆𝑊𝐶𝑎𝑟 𝑃𝑉 >0? B 𝑆𝑂𝐶𝑎𝑛𝑡 ≤𝑆𝑂𝐶𝑙𝑖𝑚? 𝐶𝐴𝑅𝐺𝐴 𝐵𝐴𝑇𝐸𝑅Í𝐴 ∗𝐶,𝐶10,𝑛𝑐𝑒𝑙,𝑆𝑂𝐶𝑎𝑛𝑡,𝑆𝑂𝐶𝑙𝑖𝑚, 𝜂𝑐𝑎𝑟,𝜂𝑀𝑃𝑃𝑇 ∗𝑀𝑜𝑑𝑒𝑙𝑜 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎 𝑉𝑐𝑎𝑟,𝑄𝑐𝑎𝑟 ′,𝑄𝑐𝑎𝑟 𝑄𝐶𝑎𝑟 ′ <𝑄𝑐𝑎𝑟? 𝑆𝑂𝐶=𝑆𝑂𝐶𝑙𝑖𝑚 ∆𝑊𝑏𝑎𝑡_𝑙𝑖𝑚 =(𝑄𝑐𝑎𝑟 −𝑄𝑐𝑎𝑟 ′)⋅𝑉𝑐𝑎𝑟 𝑆𝑂𝐶=𝑆𝑂𝐶𝑎𝑛𝑡 +𝑄𝑐𝑎𝑟𝜂𝑐𝑎𝑟 𝐶 ∆𝑊𝑏𝑎𝑡_𝑙𝑖𝑚 =0 𝑆𝑂𝐶𝑎𝑛𝑡 =𝑆𝑂𝐶 𝑆𝑂𝐶=𝑆𝑂𝐶𝑙𝑖𝑚 ∆𝑊𝑏𝑎𝑡_𝑙𝑖𝑚 =∆𝑊𝐶𝑎𝑟 𝑃𝑉 𝑖≥ 8760? C FIN Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 64 5.2.2 Modelos comerciales Los modelos comerciales escogidos para el caso de estudio se pueden consultar en el anexo IV. En lo que corresponde a módulo fotovoltaico, baterías, regulador de potencia e inversores, se han escogido los mismos modelos que en el caso base (subapartado 5.1.2). Respecto al electrolizador, se ha escogido un modelo formado por celdas electrolíticas. Este se puede adaptar a las necesidades del consumidor añadiendo celdas electrolíticas; aun así, el fabricante ofrece tres opciones de serie en función de la potencia nominal de carga. Para este trabajo se escogerá una de las tres opciones de serie que ofrece el fabricante en función del rango de valores obtenidos para alimentar al electrolizador en cada caso de estudio. En lo que concierne a la pila de combustible, se ha elegido un modelo comercial que ofrece las mismas prestaciones que en el caso del electrolizador. Añadiendo o no celdas de combustible ofrecen una pila de combustible al gusto del consumidor, aunque en su catálogo comercial disponen unas opciones serie. En función de las necesidades energéticas que cada caso de estudio exija a la pila de combustible se escogerá una u otra de las opciones serie del catálogo. 5.2.3 Dimensionamiento del caso de estudio Para el dimensionamiento del sistema en el caso de estudio se van a asumir, al igual que en el caso base, una serie de hipótesis y requisitos. Junto a las conjeturas consideradas en el caso base, también se asumen las siguientes: - Temperatura de operación constante del electrolizador son 50o. - La demanda anual de la vivienda debe ser cubierta en todo momento sin que el estado de carga de la batería oscile fuera de su horquilla de funcionamiento ni exista un defecto de hidrógeno para alimentar a la pila de combustible. - No se considerada ninguna perdida de hidrógeno por venteo o infiltración. A partir del caso base se va a redimensionar la capacidad de la batería. Como ya se ha especificado anteriormente, se van a ensayar tres capacidades distintas; un batería con autonomía próxima a una semana, otra con una autonomía de alrededor de un día y la última con una autonomía de medio día. Tales capacidades son las siguientes: - Capacidad de 4940 [Ah]. - Capacidad de 1200 [Ah]. - Capacidad de 420 [Ah]. Como ya se expuso en los objetivos del caso de estudio, el fin de este análisis es revelar el comportamiento del sistema a través de su estudio dimensional para las distintas inclinaciones consideradas para el generador fotovoltaico. Para cimentar el análisis y contextualizar los valores obtenidos en este, se va a asumir que existe un comportamiento Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 65 deseado por parte del sistema. Se buscará que la distribución del sistema presente un comportamiento equilibrado, con ello se quiere expresar que los elementos integrantes de este se hallen a final de año en un estado lo más próximo posible a su estado inicial, lo que se traduce en que la cantidad de hidrógeno almacenado sea la menor posible y en un segundo plano, que el estado de carga de la batería se aproxime a su estado inicial. La razón de no equiparar el valor del estado de carga de la batería a la cantidad de hidrógeno almacenado en el análisis es debido a su función en el sistema. Cabe esperar que el estado de carga de la batería oscile diariamente ya que su papel en el sistema es el de apoyo al generador fotovoltaico a corto plazo. Para esta ocasión se vuelve a trabajar con el software EES, “Engineering Equation Solver”, y una tabla a partir de la cual extraer y registrar todos los datos necesarios en las 8760 horas que componen un año. 5.2.3.1 Principio de funcionamiento del programa El programa desarrollado para el caso de estudio es una extensión del programa del caso base. El programa completo comprendería los módulos asociados al cálculo de la capacidad de la batería del caso base; figura 5.1, figura 5.2 y figura 5.3; junto al diagrama que modela la producción y consumo de hidrógeno para el electrolizador y pila de combustible respectivamente, figura 5.4. El diagrama de flujo de la figura 5.4 se ejecutaría a continuación del diagrama de la figura 5.3. Aunque dos terceras parte del programa para el caso de estudio sea similar al del caso base hay una cierta peculiaridad o paso intermedio, en el acople de ambos casos, al que se debe hacer mención. En el modelo matemático adoptado para la pila de combustible, apartado 4.2.5, se asume que la pila de combustible trabaja a un voltaje constante. El valor de este voltaje se toma del rango de valores que especifica el fabricante para la tensión de trabajo de la pila de combustible, que a su vez va a depender de la potencia de la pila; es por ello, que en función de la potencia necesitada se va a trabajar a diferentes voltajes. La tabla de trabajo para el caso de estudio se corresponde a la tabla 5.5. Al igual que el programa en sí, es una extensión de la tabla de trabajo del caso base, tabla 5.4. Su estructura es la misma con una serie de columnas extras para registrar los valores de hidrógeno producido y consumido por el grupo de hidrógeno de apoyo. Tabla 5.5. Tabla de trabajo para el caso de estudio. Vale la pena recalcar el papel que juega la columna “Dif. Pot. Bat. Lim.” en cada caso para no inducir al error. Mientras que en el caso base en esta columna, en la que se registra el valor excedente o el defecto de energía una vez haya intervenido la batería, se Horas ··· Dif. Pot. Bat. Lim. H2 Prod. Acum. H2 Prod. H2 Cons. Acum. H2 Cons. H2 Disp. 1 ··· 8760 Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 66 busca que el valor registrado sea igual a 0; es decir, que la batería sea el único elemento de apoyo al generador fotovoltaico; en el caso de estudio, el valor registrado en la columna indica la energía disponible para abastecer al electrolizador, cantidad positiva; o la que demanda la vivienda que no ha podido cubrir la batería, valor negativo, que tendrá que cubrir la pila de combustible. Los nuevos elementos que componen esta tabla son los siguientes: - H2 Producido → En esta columna se registra el hidrógeno producido por el electrolizador para una hora dada. - Acumulado H2 Producido → Se irá registrando el acumulado del hidrógeno producido hora a hora. - H2 Consumido → En esta columna se registra el hidrógeno consumido por la pila de combustible para una hora dada. - Acumulado H2 Consumido → Se irá registrando el acumulado del hidrógeno consumido hora a hora. - H2 Disponible → Se irá registrando el hidrógeno disponible para alimentar la pila de combustible. Se corresponde a la diferencia entre el acumulado producido y el acumulado consumido. Por otra parte, una vez abordada la tabla de trabajo del caso de estudio, se va a plantear la secuencia de trabajo del programa desarrollado para el caso de estudio. En total son tres bucles los que componen el programa para el caso de estudio. Los dos primeros; figura 5.1 y figura 5.2 junto a la figura 5.3, son los mismos que los utilizados en el caso base, únicamente se modifica el valor de la capacidad de la batería. El tercer bloque en cuestión, figura 5.4, es el correspondiente a la gestión del hidrógeno. Una vez ejecutado los dos primeros bloques, se tiene que decidir el voltaje de trabajo de la pila de combustible. Para ello, en la columna “Dif. Pot. Bat. Lim.”, se extrae el valor máximo de demanda de la vivienda a cubrir por la pila de combustible y se escoge dentro del catálogo comercial (anexo IV) la pila con capacidad suficiente para las exigencias energéticas del sistema. Definida la tensión de trabajo de la pila de combustible, la secuencia del tercer bucle sería: - Se inicializan las variables de hidrógeno producido e hidrógeno consumido a 0. Están representan el acumulado del hidrógeno producido y consumido. - Si la energía registrada en “Dif. Pot. Bat. Lim.” es mayor que cero; en otros términos, existe un exceso de energía que no se ha podido almacenar en la batería, este exceso se destina para la producción de hidrógeno, ejecutándose el subprograma de producción en el electrolizador. En este se va a calcular la producción de hidrógeno correspondiente a la energía neta excedente (se contabiliza el rendimiento del seguidor de máxima potencia) para la hora dada, registrándola en la columna correspondiente. A continuación, Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 67 se actualiza la variable asociada al hidrógeno producido y se registra en la columna pertinente. Figura 5.4. Diagrama de Flujo – Caso de Estudio. INICIO ℎ2𝑝𝑟𝑜𝑑=0 ℎ2𝑐𝑜𝑛𝑠=0 𝑖=𝑖+1 ∆𝑊𝑏𝑎𝑡_𝑙𝑖𝑚 >0? 𝑃𝑅𝑂𝐷. 𝐸𝐿𝐸𝐶𝑇𝑅𝑂𝐿𝐼𝑍𝐴𝐷𝑂𝑅 ∗∆𝑊𝑏𝑎𝑡_𝑙𝑖𝑚,𝑛𝑐𝑒𝑙,𝜂𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡,𝜂𝑀𝑃𝑃𝑇 ∗𝑀𝑜𝑑𝑒𝑙𝑜 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑃𝑟𝑜𝑑ℎ2,𝐼𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡,𝑉𝑐𝑒𝑙 ℎ2𝑝𝑟𝑜𝑑=ℎ2𝑝𝑟𝑜𝑑+𝑃𝑟𝑜𝑑ℎ2 ∆𝑊𝑏𝑎𝑡_𝑙𝑖𝑚 <0? 𝑃𝐼𝐿𝐴 𝐷𝐸 𝐶𝑂𝑀𝐵𝑈𝑆𝑇𝐼𝐵𝐿𝐸 ∗∆𝑊𝑏𝑎𝑡_𝑙𝑖𝑚,𝜂𝑖𝑛𝑣,𝜂𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡,𝑉𝑝𝑐 ∗𝑀𝑜𝑑𝑒𝑙𝑜 𝑝𝑖𝑙𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑏𝑙𝑒. 𝐶𝑜𝑛𝑠ℎ2 ℎ2𝑐𝑜𝑛𝑠=ℎ2𝑐𝑜𝑛𝑠+𝐶𝑜𝑛𝑠ℎ2 ℎ2𝑑𝑖𝑠𝑝=ℎ2𝑝𝑟𝑜𝑑−ℎ2𝑐𝑜𝑛𝑠 𝑖≥ 8760? FIN Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 68 - Si la energía registrada en “Dif. Pot. Bat. Lim.” es menor que cero; en otros términos, la pila de combustible debe cubrir la carga desde la vivienda que la batería no ha podido abastecer, se ejecuta ejecutar las líneas de código asociado a la producción de la pila de combustible. A partir de la energía efectiva a producir por la pila de combustible (contabilizando el rendimiento del inversor) se va a calcular el consumo de hidrógeno de esta, registrando el valor del consumo en la columna correspondiente. A continuación, se actualiza la variable asociada al consumo de hidrógeno y se registra en la columna pertinente. - Se calcula el hidrógeno restante como la diferencia entre el producido y el consumido. Este valor se vuelca en la columna correspondiente. 5.3 Resultados Antes de proceder con los resultados obtenidos, se quiere volver a hacer hincapié en los escenarios donde se ha desarrollado el análisis. Tanto en el caso base como el caso de estudio, se han considerado 3 orientaciones distintas del generador fotovoltaico; estas se corresponden a una producción anual maximizada, una producción priorizada para los meses cálidos y una producción priorizada para los meses de menor radiación. Por otra parte, la orientación siempre es fija y hacia el sur, maximizando la captación. 5.3.1 Caso base La representación de varias curvas de la evolución del estado de carga de la batería a lo largo del año en una misma gráfica puede ser algo engorroso debido a la dimensión del eje de ordenadas, no llegándose a discernir con claridad los valores que toman cada curva. En este punto, para sintetizar los datos y simplificar la exposición de estos, en vez de representar la curva real del estado de carga se va a representar la tendencia del estado de carga a lo largo del año a través del ajuste en una curva del conjunto de valores del estado de carga en el año. Una vez localizada la capacidad de la batería que cumpla con los requisitos, se graficará la curva real del estado de carga. • Inclinación 20o Para una inclinación de 20 grados el cálculo del número de paneles da como resultado un valor de 12.9 paneles. Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 69 Se va a ensayar el sistema con 12 y 13 paneles para ver cual configuración cubre la demanda y los requisitos de operación impuestos. - 12 paneles fotovoltaicos En la figura 5.6 se puede apreciar como en los meses frio existe un defecto de energía. La tendencia de la batería se sitúa alrededor de su profundidad de descarga. Al aumentar la capacidad de la batería para aprovechar el exceso de energía en verano, se suaviza la curva; sin embargo, al final del año se vuelve a apreciar que la energía producida es insuficiente. Realmente la razón de que esta configuración del sistema consiga abastecer la carga casi todo el año es por la hipótesis de que el estado de carga inicial de la batería está al 50%. Al duplicar la capacidad, se duplica esa energía extra almacenada inicial. Por lo tanto, cabe esperar qué si se volviese a aumentar la capacidad, la demanda quede cubierta en el año de estudio; sin embargo, la tendencia es descendente, con el tiempo el sistema se irá descargando hasta llegado un punto que no podrá abastecer la carga de la vivienda. Figura 5.5. Tendencia SOC-12PV. Inclinación 20o - 13 paneles fotovoltaicos Al instalar 13 paneles fotovoltaicos, puede apreciarse como el grueso de horas en las cuales la tendencia del estado de carga se mantiene cercana al estado de sobrecarga aumenta (figura 5.7). A partir de mayo (alrededor de las 3000 horas) hasta finales de septiembre (alrededor de las 6500) la tendencia del estado de carga se mantiene alta, alcanzándose el estado de sobrecarga de forma repetida durante el transcurso de estos meses. Luego en los meses de radiación cae súbitamente la tendencia. Es evidente que existe una sobreproducción en los meses de verano; debido a ello, habrá que aumentar la capacidad de la batería lo suficiente para suavizar la curva, permitiendo trasvasar la energía producida en verano a los meses frío. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Horas SOC C=4940x2 [Ah] C=4940x1 [Ah] Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 70 A partir de 6 ramas en paralelo el banco de batería tendrá suficiente capacidad para cumplir los requisitos de operación impuestos al estado de carga. Observar que la gráfica acaba en un valor mayor que el estado inicial de carga de la batería, cabe esperar que con el tiempo la batería acabe mostrando una tendencia hacia un estado de sobrecarga. Figura 5.6. Tendencia SOC-13PV. Inclinación 20o. En la figura 5.8 se muestra la gráfica del estado de carga real de la batería a lo largo del año. La capacidad necesaria para cumplir los requisitos es tan alta que prácticamente el valor del estado de carga no cambia diariamente, sino más bien en función de las estaciones. Aclarar que esta configuración dista de ser una solución óptima, únicamente representa el punto de partida para el caso de estudio, dota de un contexto al análisis que se desarrollará posteriormente. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Horas SOC C=4940x2 [Ah] C=4940x1 [Ah] C=4940x6 [Ah] Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 71 Figura 5.7. SOC-13PV. Inclinación 20o. • Inclinación 35o Ahora se ensayará con una inclinación de 35o, favoreciendo la producción anual. Presumiblemente la producción debería ser algo menos acuciada en los meses de verano con una tendencia del estado de carga más elevada en primavera y otoño. El cálculo del número de paneles da como resultado un valor de 12.8 paneles. Al igual que en el caso anterior, se va a ensayar el sistema con 12 y 13 paneles para ver cual configuración cubre la demanda y los requisitos impuestos. - 12 paneles fotovoltaicos La gráfica correspondiente para una configuración del sistema con 12 paneles se corresponde a la gráfica de la figura 5.9. Queda patente con solo observarla que la potencia generada es insuficiente para cubrir la demanda, aunque merece la pena destacar como cambia el perfil de la gráfica frente a su homólogo a 20 o de inclinación. Mientras que con una inclinación de 20 o queda muy diferenciado el pico de producción en verano, al inclinar los paneles 15o más, se discierne claramente como este pico mengua, repartiendo esta producción en los meses de mayor radiación (primavera y verano) en detrimento de un pico más acuciado en verano. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Horas SOC C=4940x6 [Ah] Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 72 Figura 5.8. Tendencia SOC-12PV. Inclinación 35o. - 13 paneles fotovoltaicos Al instalar un panel más la demanda se cubre holgadamente. En la figura 5.10 se puede comprobar como las tendencias para el estado de carga para las distintas capacidades presentan un comportamiento muy similar al caso con una inclinación de 20o en los paneles. Se aprecia una tendencia ascendente más liviana y en fechas más tempranas. Ya para principios de abril (alrededor de las 2000 horas) la tendencia es ascendente, alcanzándose los requisitos de operación para esta configuración con una capacidad inferior de almacenamiento; 5 ramas en paralelo frente a las 6 requeridas para la inclinación a 20o. El hecho de que la capacidad de almacenamiento sea menor en este caso está directamente relacionado con una producción fotovoltaica más distribuida en los meses de mayor radiación. Aun así, se aprecia como al final del año el estado de carga es superior al estado de carga inicial. Al igual que en el caso anterior, una tendencia al alza denota que con el transcurso del tiempo el comportamiento de la batería se desenvolverá en un estado de sobrecarga la mayoría del tiempo. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Horas SOC C=4940 [Ah] Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 79 Figura 5.18. (2) Evolución del hidrógeno para las 3 capacidades. Inclinación 200. Figura 5.19. Evolución SOC, caso extremo. Inclinación 20o. Se podría afirmar que al reducir la capacidad de la batería se solventa las carencias energéticas del sistema debido al sobredimensionamiento de la producción solar. No obstante, por la misma razón, el sistema pasa a un estado constante de generación de hidrógeno debido a esta sobreproducción, por lo que esta configuración dista bastante de ser una solución racional y óptima. En resumen, al disminuir la capacidad, debido al sobredimensionamiento de la producción solar, la producción de hidrógeno aumenta a la vez que el número de ciclos completo de carga y descarga en la batería. De forma añadida, debido a la orientación del sistema fotovoltaico hacia una producción centrada a los meses de verano, existe un 500 1000 1500 2000 -1 -0.5 0 0.5 Horas [kg/h] AcumuladoH2,Producido AcumuladoH2,Consumido AcumuladoH2,Disponible AcumuladoH2,Disponible AcumuladoH2,Disponible C=420 [Ah] C=1200 [Ah] C=4940 [Ah] 012 24 36 48 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Horas SOC C=140 [Ah] Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 80 déficit en los primeros meses del año. Para solventar el déficit y adaptarse a los requisitos de operación impuestos se debería inicializar el funcionamiento del sistema durante la primavera o el verano. Figura 5.20. (1) Evolución hidrógeno disponible, caso extremo. Inclinación 20o. Figura 5.21. (2) Evolución hidrógeno disponible, caso extremo. Inclinación 20o. • Inclinación 35º Al igual que la similitud de comportamiento frente a una inclinación de 20o mostrada por esta configuración a 35º en el caso base, en el caso de estudio mantiene un perfil muy similar. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 horas Hidrogenorestante AcumuladoH2,Disponible 0 6 12 18 24 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 horas Hidrogenorestante AcumuladoH2,Disponible Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 81 En las gráficas de la evolución del estado de carga para las diferentes baterías, figura 5.23 y figura 5.24, se aprecia como la radiación percibida en los primeros meses es mayor. Ya a principios de febrero (aproximadamente 1000 horas) el estado de carga muestra una tendencia creciente, con una pendiente mayor inversamente proporcional a la capacidad de la batería. Figura 5.22. (1) Evolución SOC, 35o. Caso de Estudio. Figura 5.23. (2) Evolución SOC, 35o. Caso de Estudio. De manera similar al razonamiento argumentado en el caso base, al inclinar en mayor grado los paneles, alejándose de una configuración orientada al verano; cabe 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Horas SOC C= 4940 [Ah] C= 1200 [Ah] 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Horas SOC C=420 [Ah] Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 82 esperar que la producción sea más elevada en las estaciones de primavera y otoño, con una producción menos acuciada en verano. En la figura 5.25 se muestra la evolución del hidrógeno disponible para las distintas capacidades. Se puede apreciar como el hidrógeno disponible a final de año es menor en alrededor de 3 kg/h tanto en para la capacidad de 4940 [Ah] como la de 1200 [Ah]. Esta es causa directa de una producción más repartida en los meses no fríos. De forma añadida, centrando ahora la atención en la figura 5.26, se puede comprobar como el déficit de hidrógeno se solventa en fechas más prematuras, e incluso para una capacidad de 420 [Ah] es prácticamente nimio. Pese a que el sistema responde de la forma esperada para capacidades mayores, parece ser que para capacidades pequeña el efecto se disipa; queda patente en la figura 5.25, en la cual la cantidad de hidrógeno disponible a final de año es prácticamente similar a la obtenida con la inclinación anterior. Esto tiene su razón de ser en la saturación del sistema. En la figura 5.24 se puede apreciar como el estado de carga prácticamente se mueve entre su límite superior e inferior con la pequeña diferencia de que con esta configuración la cantidad de días con un exceso de carga ha aumentado a lo largo del año; y aunque ese exceso sea menor en los meses mayor radiación, la mayor repartición conduce hacia una producción de hidrógeno prácticamente en alza todo el año para capacidades suficientemente pequeñas como para causar ciclos completo de carga y descarga diarios en la batería. Figura 5.24. (1) Evolución del hidrógeno para las 3 capacidades. Inclinación 350. Aunque no es necesario y se aleja de la configuración lógica del sistema; y por ello no se ha representado para este caso, si se llevase hacia el extremo la situación de estudio, instalando la batería con la menor capacidad posible al igual que en el caso de 20o de inclinación; se podría observar como en las primeras horas del año el déficit sería prácticamente nulo y la curva del hidrógeno disponible una pendiente positiva que acabaría con una producción mayor que en el caso anterior. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Horas [kg/h] AcumuladoH2,Producido AcumuladoH2,Consumido AcumuladoH2,Disponible AcumuladoH2,Disponible AcumuladoH2,Disponible C=420 [Ah] C=1200 [Ah] C=4940 [Ah] Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 83 Al igual que en el caso anterior, para cumplir los requisitos de operación impuestos el sistema debería empezar a operar en primavera para evitar el déficit energético de los primeros meses. Figura 5.25. (2) Evolución del hidrógeno para las 3 capacidades. Inclinación 350. • Inclinación 60o Al inclinar los paneles a 60o, favoreciendo la producción fotovoltaica en los meses fríos, la respuesta del sistema cambia completamente. En la figura 5.27, en la cual se grafica la evolución del estado de carga para las capacidades de 4940 y 1200 amperios hora, se puede apreciar como en los meses frio el estado de carga se localiza en las proximidades del límite superior y durante el verano, prácticamente en las del límite de descarga. Por otra parte, en la figura 5.28, como ya se mencionó para el caso anterior, los ciclos de carga y descarga se suceden prácticamente de forma diaria. La batería entra en un comportamiento que se ha venido nominando como saturación y como era de esperar, quedando reflejado en la figura 5.29, el hidrógeno disponible a final de año para la batería de menor capacidad destaca muy por encima del valor registrado para las otras dos capacidades mayores, y con un descenso menor respecto los caso anteriores que el presentado por las otras capacidades. Cabe también destacar que con esta configuración no existe ningún déficit de hidrógeno; ergo, la demanda está cubierta durante todo el año. Para los valores obtenidos de hidrógeno disponible a final de año se vuelve apreciar un descenso respeto a la configuración anterior a 35o, otra vez alrededor de los 3 kg/h para las baterías de mayor capacidad en el análisis. Con esta configuración puede apreciarse con mayor claridad como el soporte de hidrógeno toma un carácter estacional; almacenando el excedente en los meses fríos, 500 1000 1500 2000 -1 -0.75 -0.5 -0.25 0 0.25 0.5 0.75 Horas [kg/h] AcumuladoH2,Producido AcumuladoH2,Consumido AcumuladoH2,Disponible AcumuladoH2,Disponible AcumuladoH2,Disponible C=420 [Ah] C=1200 [Ah] C=4940 [Ah] Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 84 cuando la demanda es menor, para aprovechar esta durante los meses cálidos con mayor demanda. A su vez, la batería opera de soporte diario, adquiriendo todo el protagonismo a principios y finales de verano. Figura 5.26. (1) Evolución SOC, 60o. Caso de Estudio. Figura 5.27. (2) Evolución SOC, 60o. Caso de Estudio. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Horas SOC C=4940 [Ah] C=1200 [Ah] 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Horas SOC C=4940 [Ah] Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 85 Figura 5.28. Evolución del hidrógeno para las 3 capacidades. Inclinación 350. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Horas [kg/h] AcumuladoH2,Producido AcumuladoH2,Consumido AcumuladoH2,Disponible AcumuladoH2,Disponible AcumuladoH2,Disponible C=420 [Ah] C=1200 [Ah] C=4940 [Ah] Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 86 6 CONCLUSIONES En el trabajo presente se ha analizado la viabilidad de la incorporación de un soporte basado en las tecnologías del hidrógeno a una instalación autónoma para abastecer una vivienda. Del desarrollo de este son varias las cuestiones que se pueden deducir en materia de la penetración de las tecnologías del hidrógeno en el sector residencial. En primer lugar, se ha diseñado de un caso base. En este, a partir de una instalación fotovoltaica y un banco de baterías, se ha buscado la configuración que permitiese cubrir la demanda de la vivienda en función de la inclinación de los paneles y la capacidad de la batería. Se podría afirmar, en un ámbito teórico, la posibilidad de abastecer la demanda únicamente con un generador solar y un banco de baterías. Los resultados muestran como al aumentar la capacidad de la batería, de forma desmedida, se consigue diluir la intermitencia de la producción solar. Ahora bien, en un contexto técnico y también económico, esta solución carece de validez. Al desarrollar el caso base para las tres inclinaciones asumidas en el análisis; una orientada a una producción máxima en verano, 20°; otra para una producción máxima anual que se corresponde a la inclinación óptima, 35°; y por último una producción máxima en invierno, 60°; ya se puede discernir en líneas generales el comportamiento del sistema frente a la inclinación de los paneles fotovoltaicos. Los datos obtenidos para la inclinación óptima en verano y en todo el año, son bastante parecidos, siendo la conclusión la misma. La capacidad necesaria, para abastecer y poder almacenar la energía del sistema para el primer caso ronda los 30 000 Ah, mientras que, para la segunda inclinación, se necesita una capacidad de alrededor de 25 000 Ah. En ambas configuraciones, el pico de producción en verano sobredimensiona el sistema, siendo necesario una capacidad de almacenamiento completamente injustificada; tanto por el aspecto económico, ya que una capacidad menor y un grupo electrógeno sería mucho más barato; como en un aspecto técnico, debido a que baterías de esa capacidad se encuentran muy difícilmente en el mercado, obligando a una conexión de bancos de baterías en paralelos que únicamente conducen a un deterioro mayor de estas, peores eficiencias, y en términos finales, a una mayor renovación del equipo con su coste inherente. Sin embargo, únicamente inclinado quince grados más los paneles, se consigue bajar drásticamente 5000 Ah de capacidad. Al distribuir la producción fotovoltaica en meses de menor radiación, desciende la capacidad necesaria. Esto queda patente al desarrollar el caso de invierno, donde la capacidad necesaria desciende hasta los 15 000 Ah. Para este último caso, hay que señalar que son necesario 14 módulos frente a los 13 módulos fotovoltaicos de los casos anteriores para producir la potencia suficiente; sin Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 87 embargo, son las baterías el elemento de mayor peso económico y más gastos acarrea con el paso del tiempo. En un segundo paso, se añade al sistema un grupo de apoyo basado en el hidrógeno; electrolizador, tanque de almacenamiento y pila de combustible, para un soporte estacional frente a unas baterías que pasarían a ofrecer un soporte diario-semanal. Son tres las capacidades contempladas para la batería en este punto del análisis; para aproximadamente una semana de autonomía, para un día de autonomía y para medio día de autonomía, siendo el patrón de comportamiento del sistema en función de la capacidad muy parecido en las tres inclinaciones de estudio. Para la configuración de verano y la anual se vuelve a observar un comportamiento prácticamente similar. El pico de producción en verano lleva a las baterías a un estado de sobrecarga durante los meses de verano, teniendo lugar la producción de hidrógeno durante estos meses; luego, con la menor radiación a finales y principios de año existe un déficit de energía que suplirá la pila de combustible. A medida que la capacidad de la batería desciende, el sistema muestra menos inercia, un comportamiento más abrupto que conduce a una mayor producción de hidrógeno y a un mayor número de ciclos de carga y descarga, llegándose a un punto de saturación y producción de hidrógeno constante a partir de la capacidad con autonomía de alrededor de medio día. Por lo cual, se concluye que, al reducir la capacidad de la batería, el sistema pierde inercia, sometiendo a un mayor estrés a las baterías y produciendo una mayor cantidad de hidrógeno. Al desarrollar el caso de estudio para la inclinación óptima para el invierno, se consigue respalda las conclusiones anteriores. A pesar de que el comportamiento fotovoltaico del sistema es completamente distinto, al reducir la capacidad de la batería hasta el valor mínimo, el sistema se satura. A su vez, se comprueba que al igual que en el caso base, la orientación hacia una producción favorecida en meses de menor radiación favorece el comportamiento del sistema mostrando este un comportamiento más templado y unos valores más óptimos. Cabe destacar, que en las dos primeras inclinaciones el sistema muestra una carencia energética, traducida en un déficit de hidrógeno, durante los primeros meses. Situación que no se da para la configuración de invierno, dejando constancia de nuevo de las ventajas de una inclinación orientada a los meses de menor radiación. En definitiva, se puede defender la viabilidad técnica de la introducción del hidrógeno en un sistema autónomo. Los datos arrojados evidencian como más óptima una inclinación del generador fotovoltaico orientada a los meses de menor radiación, a la vez que la capacidad de la batería debe ser lo suficientemente grande como para acompasar su comportamiento estacional con el del soporte de hidrogeno; es decir, cabe esperar que las baterías muestren una tendencia a la sobrecarga durante los meses donde la inclinación del generador fotovoltaico es la óptima y viceversa, evitando un comportamiento diario de carga y sobrecarga por un defecto de capacidad. Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 88 Por otra parte, en un aspecto económico desgraciadamente aún es pronto para hablar de viabilidad en estos tipos de sistemas. Los precios asociados a los electrolizadores, y en menor medida a las pilas de combustibles y los sistemas de almacenamiento son aún muy elevados. No existe un mercado maduro en este tipo de máquinas y prácticamente la mayoría de fabricantes realizan sistemas a medida. Todo ello dificultad que se establezca un precio orientativo, e incluso entre los diferentes estudios y artículos de la literatura, los precios varían ostensiblemente. Para tener un orden de magnitud; por ejemplo, en el artículo (Castañeda M., 2013) para una pila de combustible tipo PEM de 1.2 kW apuntan un coste de alrededor de los 7 000$ y 30 000 horas de funcionamiento (5-10 años dependiendo del uso), con un tanque de baja de presión para capacidad de 2.97 kg de 13 800$ y 20 años de vida útil, y un electrolizador de 3 kW con un coste de alrededor de 23 840$ y 30 000 horas de funcionamiento (5-10 años dependiendo del uso). Todo ello frente alrededor de 20 000 € que ronda el coste una batería con las características de la escogida para este análisis (estacionaria, acido-plomo, 24 voltios, 4940 Ah) con una media entre 5-10 años de funcionamiento (depende del uso). Obteniéndose precios del orden de magnitud al buscar en el precio que manejan los principales fabricantes en la literatura. A pesar de que hoy por hoy la incorporación del hidrógeno en el sistema energético, ya sea como vector o como combustible en sí, encarezca el precio del kilovatio hora, cabe destacar que existe un margen importante para la reducción de precios. El hecho de que no exista una economía de escalas para estas tecnologías, junto a las futuras aplicaciones del hidrógeno y al obligado cambio en el sistema energético propulsado y embebido en las políticas energéticas a nivel global, conducen hacia una fabricación en serie de estas tecnologías en todos los ámbitos; desde la generación y el automovilismo, más palpable a fecha de hoy, hasta la microgeneración y descentralización de la demanda energética junto a las aplicaciones móviles. En definitiva, se puede defender sin miedo a errar que el hidrógeno tendrá un papel importante en la transición energética hacia un sistema de sostenibilidad con una mayor presencia de las energías renovables y una descarbonización del mismo, siendo el vector energético del futuro. Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 95 10 ANEXO IV. Catálogos Comerciales Módulo Fotovoltaico Se ha escogido el módulo YL280C-30B (280=Pmax) de la SERIE 2 PANDA 60 CELL. Figura 10.1. Catálogo Comercial - Generador Fotovoltaico. Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 96 Batería Se ha optado por la gama de baterías estacionarias específicas para producción solar de BAE Batterien. Son celdas de aproximadamente 2V que el fabricante comercializa en distintos módulos para facilitar las interconexiones al diseñar el banco de baterías. Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 97 Figura 10.2. Catálogo Comercial - Baterías. Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 98 Regulador de Carga Dentro de la gama de reguladores de controladores de carga solar de Victron Energy, se ha escogido el regulador de carga BlueSolar MPPT 150/35. Este viene provisto de seguimiento del punto de máxima potencia y presenta un rango de valores de trabajo válidos para las condiciones del sistema. Figura 10.3. Catálogo Comercial - Regulador de Carga. Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 99 Inversor Dentro de la gama de inversores de Victron Energy Inversor Phoenix. Para las necesidades del sistema se va a escoger el modelo Inversor Phoenix 24/3000 que cumple con las necesidades del sistema y presenta un rango de tensión de entrada que permite trabajar con el banco de batería y la pila de combustible susceptibles de formar parte del sistema. Figura 10.4. Catálogo Comercial – Inversor. Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 100 Electrolizador Se ha optado por la gama de electrolizadores PEM H-TEC Series-S de H- TEC SYSTEMS. Entre las distintas opciones dentro de la gama se escogido el electrolizador H-TEC Series-S 30/10. Este lo conforman 10 celdas y presenta un rango de carga suficiente para el sistema diseñado. Figura 10.5. Catálogo Comercial - Electrolizador. Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 101 Pila de Combustible La empresa POWERCELL ofrece una serie de sistemas completo de pila de combustibles y stacks de membrana polimérica. Dentro de los stacks de pila de combustible se ha escogido la serie de menor potencia, POWERCELL S1. El rango de potencias que ofrece es suficiente para las necesidades del sistema diseñado. Figura 10.6. Catálogo Comercial - Pila de Combustible. Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 102 11 ANEXO V. Código EES {-------------------------------------------------------------------- CALCULO DEL NÚMERO DE PANELES --------------------------------------------------------------------------------} FUNCTION calculo_npaneles(N_rows,TONC,Wpico,dif_pot_temp) i=0 rend_global = 0.6 "Rend. global instalación" acumulado_pv=0 "Sumatorio pot. fv producida en función del nº paneles" acumulado_cargas=0 "Sumatorio demanda de la vivienda" REPEAT i=i+1 IF LOOKUP('Datos Carga-Rad',i,'Rad_horaria') <> 0 THEN Tc=LOOKUP('Datos Carga-Rad',i,'temp_horaria')+(TONC-20)*LOOKUP('Datos Carga-Rad',i,'Rad_horaria')/800 Pot_pv=Wpico+(Tc-25)*dif_pot_temp HSP=LOOKUP('Datos Carga-Rad',i,'Rad_horaria')/1000 W_prod = Pot_pv*HSP*rend_global/1000 acumulado_pv=acumulado_pv+W_prod ENDIF UNTIL (i>=N_rows) acumulado_cargas=SUMLOOKUP('Datos Carga-Rad','carga_horaria',1,i) CALL n_paneles(acumulado_cargas,acumulado_pv:numero_pv) calculo_npaneles=numero_pv END SUBPROGRAM n_paneles(acumulado_cargas,acumulado_pv:numero_pv) "Cálculo del número de paneles" acumulado_cargas=acumulado_pv*numero_pv END {----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------} Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 103 {-------------------------------------------------------- CÁLCULO PRODUCCIÓN SOLAR Y SOLICITACIÓN BATERÍA ------------------------------------------------------------} FUNCTION calculo_cargas(N_rows,N_paneles,TONC,Wpico,dif_pot_temp,rend_pv,rend_inv,perd_cableado_otros) i=0 REPEAT i=i+1 IF LOOKUP('Datos Carga-Rad',i,'Rad_horaria') <> 0 THEN Tc=LOOKUP('Datos Carga-Rad',i,'temp_horaria')+(Tonc-20)*LOOKUP('Datos Carga-Rad',i,'Rad_horaria')/800 Pot_pv=Wpico+(Tc-25)*dif_pot_temp HSP=LOOKUP('Datos Carga-Rad',i,'Rad_horaria')/1000 W_prod = N_paneles * Pot_pv*HSP*rend_pv*(1-perd_cableado_otros)/1000 LOOKUP('Datos Carga-Rad',i,'PotFV_prod')= W_prod ELSE LOOKUP('Datos Carga-Rad',i,'PotFV_prod')= 0 ENDIF IF LOOKUP('Datos Carga-Rad',i,'PotFV_prod') >LOOKUP('Datos Carga-Rad',i,'carga_horaria')/rend_inv THEN LOOKUP('Datos Carga-Rad',i,'Dif_PV-carga')= LOOKUP('Datos Carga-Rad',i,'PotFV_prod')-LOOKUP('Datos Carga-Rad',i,'carga_horaria')/rend_inv ELSE LOOKUP('Datos Carga-Rad',i,'Dif_PV-carga')= LOOKUP('Datos Carga-Rad',i,'PotFV_prod')*rend_inv-LOOKUP('Datos Carga-Rad',i,'carga_horaria') ENDIF UNTIL (i>=N_rows) calculo_cargas=1 END {----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------} Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 104 {----------------------------------------------------------------------------------- GESTIÓN BATERÍAS --------------------------------------------------------------------------------------------} FUNCTION baterias(N_rows,N_celdas,C,C_10,rend_car,SOC_limite,rend_mppt,rend_inv,PD) i=0 SOC_acumulado=0.50 "SOC inicial" t=1 "ya que el estudio es hora a hora" dif_temp=0 "se desestima la influencia de la T en el comportamiento de la batería" REPEAT i=i+1 IF LOOKUP('Datos Carga-Rad',i,'Dif_PV-carga')<0 THEN IF SOC_acumulado <= (1-PD) THEN LOOKUP('Datos Carga-Rad',i,'Dif_PV-carga')=LOOKUP('Datos Carga-Rad',i,'Dif_PV-carga') SOC=1-PD ELSE CALL descarga_bat(i,C,C_10,dif_temp,N_celdas,SOC_acumulado,t,rend_inv,PD:v_des,Q_des_prima,Q_des) IF Q_des_prima < Q_des THEN "si la capacidad de descarga disponible es menor que la requerida?" SOC=1-PD LOOKUP('Datos Carga-Rad',i,'Dif_PV-carga')=(Q_des_prima-Q_des)*v_des/1000 ELSE LOOKUP('Datos Carga-Rad',i,'Dif_PV-carga')=0 SOC = SOC_acumulado - Q_des/C ENDIF ENDIF SOC_acumulado=SOC ENDIF IF LOOKUP('Datos Carga-Rad',i,'Dif_PV-carga')>0 THEN IF SOC_acumulado >= SOC_limite THEN LOOKUP('Datos Carga-Rad',i,'Dif_PV-carga')=LOOKUP('Datos Carga-Rad',i,'Dif_PV-carga') SOC=SOC_limite ELSE CALL carga_bat(i,C,C_10,dif_temp,N_celdas,SOC_acumulado,t,rend_car,SOC_limite,rend_mppt:v_car,Q_car_prima,Q_car) IF Q_car_prima < Q_car THEN "si la capacidad de carga disponible es menor que la requerida?" SOC=SOC_limite LOOKUP('Datos Carga-Rad',i,'Dif_PV-carga')=(Q_car-Q_car_prima)*v_car/1000 ELSE Estudio de viabilidad acerca del uso de un sistema de almacenamiento basado en hidrogeno como alternativa al almacenamiento en batería de una instalación fotovoltaica aislada para abastecer a una vivienda 111 García-Valverde R., Espinosa N., Urbina A. (2011). 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