Optimización de la producción de hidrógeno desde energía solar fotovoltaica

Resumen

Resumen de la tesis: Nuestro planeta afronta en este comienzo de siglo un gran reto, la transición desde un sistema energético masivamente dependiente de los combustibles fósiles hacia un sistema libre o al menos con un menor dependencia de estos. La cada vez más cercana escasez de las reservas tradicionales de recursos fósiles y el alto impacto sobre el medioambiente de su combustión masiva, son dos de los principales motivos que nos empujan hacia esa transición. Las energías renovables están jugando y van a jugar un papel clave en este cambio. Sin embargo todavía han de superar dos importantes inconvenientes desde el punto de vista tecnológico para su implantación masiva: 1) su naturaleza variable e intermitente implicaría en un futuro cercano el uso de sistemas de almacenamiento energético eficientes y baratos y 2) su integración en sector del transporte, altamente dependiente del petróleo. La introducción del hidrógeno como vector energético se ha considerado como una de las posibles soluciones para "descarbonizar" el sistema energético. El H2 en su forma molecular es muy escaso en la superficie terrestre y por tanto debe ser generado a partir de hidrocarburos o agua principalmente, aplicando una energía externa para forzar la disociación molecular. El H2 podría utilizarse como almacenamiento energético en plantas de generación eléctrica y también como combustible para el transporte (acompañado de la introducción de vehículos con pila de combustible o motores de combustión interna modificados). Tanto la combustión directa como la utilización electroquímica (pila de combustible) del H2 están libres de emisiones de CO2, sin embargo al igual que la electricidad, la huella de CO2 dependería del método de generación usado. En la actualidad, la electrólisis del agua utilizando electricidad de origen renovable es el único método comercial de generación de H2 libre de emisiones de CO2. En particular el acoplamiento a sistemas fotovoltaicos es una de las opciones más prometedoras de generación de H2 a partir de energías renovables. Propiciado por las políticas medioambientales de primas y ayudas a la generación eléctrica de origen renovable, muchos países entre ellos España, han experimentado un crecimiento masivo de la capacidad fotovoltaica instalada. Esto ha provocado un ampliación del mercado con una tendencia actual a la reducción del precio por Wh generado, y en un futuro a medio plazo abre nuevas oportunidades para la generación de H2 desde fotovoltaica. Tanto la fotovoltaica como la electrólisis del agua son tecnologías bien conocidas y con dispositivos comerciales disponibles. Sin embargo el acoplamiento de ambas en sistemas de producción de H2 a partir de fotovoltaica (FV-H2) presenta todavía algunas limitaciones a mejorar. El objetivo de esta tesis es el desarrollo de herramientas de ingeniería destinadas a la optimización de este tipo de sistemas FV-H2. El documento esta organizado de la siguiente manera: en el capítulo1 se realiza una breve introducción en la que se presenta la situación energética actual y los posibles roles que podrían desempeñar la energía solar fotovoltaica y el hidrógeno como vector energético en la transición hacia un sistema energético más limpio. En el capítulo 2 se lleva a cabo una profunda revisión de la modelización de dispositivos fotovoltaicos como herramienta para la simulación de sistemas FVs y para la detección automatizada de fallos en plantas fotovoltaicas. Los modelos seleccionados son analizados y comparados usando datos experimentales de cuatro tipo de tecnologías FVs: dos plantas monitorizadas en la UMU (basadas en módulos de c-Si y CdTe) y medidas I-V realizadas la UPCT sobre células III-V tipo tándem y un módulo de p-Si. El capítulo 3 se centra en la modelización de electrolizadores tipo PEM, una reciente y muy prometedora tecnología de electrolizadores. La primera sección contiene una revisión actualizada del estado del arte de electrolizadores para la generación de H2, analizando los fundamentos teóricos para la modelización de electrolizadores. Se propone un modelo para electrolizadores tipo PEM y se detalla su validación usando datos experimentales de dos electrolizadores diferentes. Uno de estos electrolizadores junto con el sistema de monitorización y control diseñado al efecto fue instalado en la UPCT como banco de pruebas. Los puntos críticos y las alternativas de acoplamiento en sistemas FV-H2 constituyen el eje central del capítulo 4. Desde el punto de vista eléctrico un sistema FV puede ser visto como un fuente de corriente continua (CC) y un electrolizador como una carga en continua, por tanto el acoplamiento directo es posible. Sin embargo el uso de convertidores CC/CC como interfaz entre ambos dispositivos ofrece una series de ventajas. Se expone también un nuevo método desarrollado para optimizar el dimensionado relativo entre el generador fotovoltaico y el electrolizador y ambas opciones de acoplamiento (directo y a través de convertidor CC/CC) son comparadas experimentalmente con el electrolizador tipo PEM instalado en la UPCT. En la segunda parte del capítulo se presenta un algoritmo de control específico para el acoplamiento a través de convertidor CC/CC, que introduce nuevas mejoras con respecto a los usado actualmente en instalaciones fotovoltaicas. Su comportamiento es evaluado y discuto a partir de simulaciones realizadas en Simulink. El último capítulo aborda la integración de sistemas FV-H2 en microrredes. El capítulo propone un entorno de trabajo que combina los sistemas multi-agente con Matlab como herramienta para la simulación de microrredes. Inicialmente los conceptos de generación energética distribuida y de microrredes como sistemas de generación energética para el futuro son introducidos. Tras ello, se describen las oportunidades y potencialidades de los sistemas multi-agente para el control de microrredes. Por _ultimo una arquitectura multi-agente específica para el control de micrroredes es propuesta y validada mediante simulaciones en el entorno de trabajo creado de dos microrredes que incluyen sistemas FV-H2. Finalmente, se discuten las conclusiones y futuros trabajos.