1. Electrólisis del hidrógeno y energía solar.
Esta nota de aplicación explica las diferentes opciones para alimentar un electrolizador en DC desde paneles solares y/o baterías. Esta alimentación necesita también asegurar el funcionamiento del stack incluso en casos de cambios bruscos de potencia.
Para producir hidrógeno verde, es obligatorio que la electrólisis utilice energía obtenida de fuentes renovables. El H2 obtenido sería un vector verde de energía que podría contribuir a la descarbonización de los procesos industriales relacionados.
Junto con el uso de convertidores bidireccionales DC/DC modulares con funciones MPPT, es posible crear soluciones eficientes, resistentes y de potencia optimizada. Los convertidores DC/DC son componentes de electrónica de potencia con tecnología similar a los inversores DC/AC. Por lo general se utilizan en el sector de las baterías y los paneles solares.
Como se puede ver en la Fig. 1, los electrolizadores utilizan agua y energía como entrada para obtener oxígeno e hidrógeno como salida. El stack está compuesto de múltiples celdas que realizan el proceso de electrólisis. Estos stacks necesitan ser alimentados de forma muy precisa en DC para alargar la vida de las membranas y asegurar la máxima producción de H2.
2. Alimentar un electrolizador construyendo una solución modular DC/DC. ¿Por qué?
Ya que los electrolizadores y las pilas de combustible necesitan ser alimentadas en CC, es necesario utilizar un sistema capaz de regular de forma precisa la corriente y la tensión. Teniendo en cuenta la necesidad de alimentar estos stacks usando fuentes renovables, que también suelen producir energía en CC, por lo general se prefieren convertidores que trabajen directamente en CC.
Las principales características de estos convertidores son:
- Modularidad: Es posible optimizar el funcionamiento de las fuentes renovables teniendo convertidores conectados a diferentes cadenas. Además, gracias a la flexibilidad de los convertidores, se pueden utilizar soluciones resistentes con configuraciones N+1 para reducir el riesgo de fallo.
- Eficiencia: Alcanzar valores de eficiencia superiores al 98% en el funcionamiento nominal es fundamental para asegurar la máxima producción a partir de recursos limitados. Se evitan los pasos de conversión de diferentes tecnologías para garantizar que las plantas renovables funcionen de manera óptima.
- Simplicidad: Las unidades con diseño Plug & Play con métodos de control específico para cada mercado facilitan la integración y la gestión de la planta.
- Aislamiento: Elige la opción dependiendo del mercado y las necesidades. Aislamiento galvánico entre paneles solares, baterías y stacks de H2 podrían ser beneficiosos para segregar los problemas y proteger el resto de la instalación en caso de fallos locales.
- Control: Las soluciones industriales con controles integrados «llave en mano» para garantizar la optimización de la vida útil del stack. Características como la respuesta dinámica, alta precisión de la corriente y un rizado muy bajo (< 1%) son fundamentales para el bienestar a largo plazo del stack.
- Limitaciones de tensión: Largas distancias de cable entre la fuente y la carga requieren funcionamiento a tensiones muy altas para reducir las pérdidas de energía. Dada la tecnología actual disponible, trabajar con convertidores DC/DC fija la limitación de tensión en 1500 Vdc. Si se requiere una tensión superior habría que considerar otras arquitecturas alternativas.
3. Configuraciones de sistemas eléctricos con convertidores DC/DC.
Las cadenas solares y los stacks nunca coinciden en rango de funcionamiento, en términos de tensión y corriente. En el lado del panel solar, el objetivo es aumentar al máximo la tensión del bloque MPPT (Maximum Power Point Tracking) para reducir los requerimientos de corriente. La tensión del stack viene definida por el número de celdas que la componen y aún no está estandarizada.
En la Fig. 2 se puede ver una representación de las diferencias el los requisitios de tensión y corriente. Los convertidores DC/DC combinan ambas tecnologías adaptando la tensión y la corriente a la potencia requerida.
3.1. Convertidores DC/DC sin almacenamiento disponible.
Cada cadena solar está conectada a un convertidor DC/DC que ejecuta algoritmos MPPT para extraer la máxima energía posible de la planta solar. Además, las sombras, los problemas y el mantenimiento se reducen y localizan por cadena.
En la Fig. 3 se representa una disposición sencilla de la planta. Cada convertidor DC/DC entrega la máxima potencia por cadena solar para maximizar la producción de H2. a simple layout of the plant is depicted. Each DC/DC converter provides the maximum power per solar string to maximize H2 production. Puede producirse una gran variación de la producción en función de la candidad de irradiación solar.
3.2. Convertidores DC/DC con almacenamiento disponible.
Para prolongar el tiempo y la fiabilidad de la planta de producción se recomienda tener cierta cantidad de almacenamiento de energía. En función de la ubicación, el tipo de electrolizador, el tamaño de la planta solar, etc, el personal de epic power le guiará para dimensionar la cantidad necesaria de almacenamiento de energía.
La capacidad de control de la planta aislada se optimiza incluyendo almacenamiento de energía, normalmente mediante baterías eléctricas, de forma que se pueda guardar el exceso de producción solar. Cuando la potencia de salida solar se desvanece, el convertidor DC/DC puede mantener la generación de H2 extrayendo la energía almacenada previamente.
En la Fig. 4 se muestra un esquema general del sistema considerando una conexión DC común (también llamada bus DC) directamente el lado del stack del electrolizador.
Los convertidores de epic power incluyen funcionalidad UPS a través de su regulación de corriente y tensión para evitar una falta de potencia repentina en el stack que pueda dañarlo. También la comunicación con el controlador de la planta permite usar el convertidor DC/DC de la batería como suavizador del pico de tensión. Esta función y también crítica en plantas de renovables con grandes fluctuaciones el la potencia disponible.
4. Electrolizador DC sin conexión a la red. Ejemplo de instalación existente.
La instalación de un electrolizador sin conexión a red de 50 kW alimentado con convertidores DC/DC de epic power se puede ver en la Fig. 5. La instalación incluía baterías de 48V con un convertidor DC/DC también para compensar las caídas de la inyección de la planta solar y ampliar la calidad y el tiempo de producción.
En la Fig. 6, la potencia entregada por los convertidores conectados a cada una de las cadenas solares en un corto periodo de tiempo y en la Fig. 7, el perfil de potencia de la planta solar completa. Como se puede ver, la producción está totalmente optimizada por cadena para maximizar la absorción de energía.
Esta configuración de conexión directa en DC al stack asegura la máxima eficiencia y control de la planta. El rizado reducido y el funcionamiento continuo alargan la vida útil de los stacks.
5. Electrolizador alimentado en DC con paneles solares y baterías. Conclusiones.
Una arquitectura basada en convertidores DC/DC evita conversiones innecesarias de AC/DC y DC/AC de forma que todo el sistema pueda ser altamente eficiente. Incluyendo un control preciso de la corriente y la tensión es posible alimentar el electrolizador que se produzca una degradación importante, lo que prolonga la vida útil de la membrana.
El control individual de cada cadena de paneles solares permite optimizar la producción solar. Los convertidores ejecutan algoritmos MPPT, por lo que no son necesarios elementos adicionales.
Debido a la configuración del sistema de Microrredes DC, es fácil incluir unidades adicionales que actuen como UPS. El convertidor debería adaptaría los niveles de tensión e intensidad de la batería al suministro requerido por el electrolizador. Dimensionando correctamente la planta se puede definir un sistema aislado de red que reduzca el CAPEX y el OPEX.
Debemos tener en cuenta las restricciones de los convertidores DC/DC en cuanto a altas tensiones. Si tenemos que trabajar por encima de 1500 Vdc para evitar pérdidas de energía en los cables, la solución DC/DC dejará de ser óptima y habrá que estudiar otras alternativas.
Puedes descargar aquí el documento completo: AN059 – Hydrogen stacks directly fed in DC from solar panels and batteries
