Análisis de sistemas integrados de producción de hidrógeno a partir de energía eólicaaportaciones al modelado dinámico de sistemas

Résumé

Esta tesis profundiza en los modelos matemáticos de sistemas integrados eólica-hidrógeno, particularizando el estudio en la producción de hidrógeno a partir de energía eólica desde un punto de vista dinámico. Además, también ... se aborda la validez de los resultados de las simulaciones comparando los modelos matemáticos desarrollados con datos reales de operación, suponiendo esto una novedad respecto a los casos analizados en bibliografía.Este análisis dinámico es de utilidad debido a la naturaleza del equipo de producción de hidrógeno a partir de energía eléctrica, el electrolizador debido a que presenta una gran inercia térmica, que repercute en la capacidad de producir hidrógeno. Las herramientas de simulación actuales para el diseño y dimensionado de sistemas, emplean modelos matemáticos estáticos en los que el electrolizador siempre opera en condiciones nominales de temperatura, sin embargo como se constatará a lo largo de la tesis, el electrolizador presenta un comportamiento dinámico en el que la temperatura de operación va cambiando a lo largo del tiempo cuando está conectado a una fuente de energía que varía con el tiempo, como es la energía eléctrica producida por un aerogenerador.La presente Tesis Doctoral se fundamenta en cinco grandes bloques. En primer lugar, capítulo 2, se realiza una revisión bibliográfica sobre la situación actual de la energía eólica a nivel mundial y nacional, en la que se pone de manifiesto la necesidad de integrar sistemas de almacenamiento de energía en parque eólicos para mejorar el comportamiento y la integración de éstos en el sistema eléctrico. A continuación, se detallan aspectos generales sobre la tecnología eólica y la tecnología del hidrógeno, para posteriormente, describir los esquemas de principio típicos de sistemas integrados eólica-hidrógeno. Las instalaciones experimentales de este tipo de sistemas también se revisan y se analizan, obteniendo conclusiones y lecciones aprendidas en el trascurso del plan de experimentación de éstas. Para finalizar, se realiza una revisión del estado del arte de las herramientas de simulación existentes para analizar desde un punto de vista computacional estos sistemas, y en qué aspectos se debe profundizar para asemejar los resultados de las simulaciones con el comportamiento real de estos sistemas integrados eólica-hidrógeno. Por último, se indican las aportaciones de esta Tesis al estado del arte actual en esta temática.En el capítulo 3, se desarrollan los modelos matemáticos de los equipos principales para la producción de hidrógeno a partir de energía eólica: el aerogenerador y el electrolizador. La profundidad y complejidad de los modelos debe ser tal que permita analizar la producción de hidrógeno dinámicamente, con unos resultados de simulación que se asemejen a los datos reales de operación de estas instalaciones. La validación de los modelos matemáticos desarrollados se realiza en el capítulo 4. Cada uno de los modelos se analiza de modo independiente, obteniéndose conclusiones para cada uno de ellos también por separado. La bondad del modelo matemático del aerogenerador se compara con el comportamiento real de varios aerogeneradores en emplazamientos diferentes. El mismo modo de proceder se emplea en la validación del modelo dinámico del electrolizador. En el capítulo 5, se aborda el análisis de la producción de hidrógeno en sistemas integrados eólica-hidrógeno. A partir de datos eólicos registrados y previstos por una herramienta de predicción de viento y del aerogenerador a instalar en el emplazamiento, se indica el proceso de selección del tamaño del electrolizador para optimizar la producción de hidrógeno. Adicionalmente, en la instalación simulada se analiza cómo afectan varios aspectos a la producción de hidrógeno: la temperatura de operación del electrolizador, el modelo matemático empleado para simular el aerogenerador y el paso de tiempo de simulación. Para finalizar, se comparan los resultados de simulación de los modelos detallados desarrollados, con herramientas de simulación de libre distribución seleccionadas de las analizadas en el estado del arte del capítulo 2. Por último, se comentan las conclusiones del análisis del sistema completo. El último capítulo de la Tesis, se destina a las conclusiones finales y se abordan las líneas futuras de investigación en esta temática.