HyBuildings: Diseño, dimensionado y control de micro-redes híbridas térmico-eléctricas basadas en hidrógeno y energías renovables para aplicación en el sector de la edificación.

Número de expediente: PY18-RE-0028

Convocatoria: Ayudas a la I+D+i, en el ámbito del Plan Andaluz de Investigación, Desarrollo e Innovación (PAIDI 2020). Convocatoria 2018 de ayudas para la realización de proyectos de I+D+i, destinadas a entidades privadas calificadas como agentes del Sistema Andaluz del Conocimiento. Consejería de Economía, Conocimiento, Empresas y Universidad.

Resumen

La Asociación de Investigación y Cooperación Industrial de Andalucía (AICIA) es una organización sin ánimo de lucro cuya finalidad es impulsar, orientar y desarrollar la investigación en ciencia y tecnología. Los sectores de aplicación de la actividad que los equipos de trabajo de AICIA desarrollan son, energía, materiales y nanotecnología, medio ambiente, ingeniería de organización, tecnologías de fabricación, tecnologías de la información y las comunicaciones, transporte e infraestructuras y aeronáutico. El grupo de trabajo de AICIA que participa en el proyecto es el Grupo de Termotecnia.

El objetivo del proyecto es la conceptualización de una metodología que explore las diferentes piezas que componen el problema global, incluyendo dimensionado, selección de tecnologías, integración de componentes y gestión de energía, para asistir al proceso de diseño y operación de micro-redes híbridas.

En este contexto, el reto que se plantea es el desarrollo de metodologías para la gestión del sistema que permitan satisfacer, por un lado, una penetración elevada de fuentes renovables y por otro, satisfacer el suministro energético local, bajo los principios de eficiencia energética, sostenibilidad y minimización económica.

Los objetivos principales del proyecto son:

• Definición de patrones de consumo energético tipo (eléctrico, frío y calor) en el sector de la edificación y su influencia en el diseño y operación de micro-redes. Se seleccionarán para un análisis detallado los tipos de edificaciones con mayores posibilidades de integración de micro-redes híbridas.
• Desarrollo de una metodología de diseño global que aborde de manera efectiva el problema acoplado de dimensionado y operación, considerando el modelo físico, económico y de degradación de componentes en micro-redes híbridas.
• Desarrollo de una estrategia de control basada en modos de operación adaptativos que optimicen la gestión de energía en el edificio (tanto térmica como eléctrica) sobre una configuración dada.
• Aplicación de la metodología de operación al caso de estudio de una micro-red real a escala de laboratorio.

Persona de contacto:

Sergio Jesús Navas Herrera, Grupo de Termotecnia

e-mail: sergionavas@aicia.es

PROYECTO COFINANCIADO POR LOS FONDOS FEDER

Referencia del proyecto: PY18-RE-0028

RESULTADOS DEL PROYECTO

Durante el transcurso del proyecto se ha desarrollado una herramienta de simulación con Simulink® de Matlab. Esta herramienta incorpora los modelos obtenidos experimentalmente con los distintos componentes de la microrred y los interconecta de forma que, de manera sencilla, permite realizar simulaciones con distintas configuraciones y modos de operación de una microrred.

De esta forma, se ha seleccionado una demanda de una vivienda de tres habitantes de la cual se tienen datos de la demanda cada segundo (proporcionados por el grupo de investigación de INGEPER de la Universidad de Navarra). Así, se han simulado 3 modos de operación: (i) autorregulación de la energía capaz de satisfacer las demandas eléctricas y de agua sanitaria; (ii) control basado en la aplicación de una serie de reglas heurísticas que definirán el comportamiento de la microrred; y (iii) control mediante el uso de un algoritmo de optimización que minimiza una función objetivo de costes.

Para el modo autorregulación y óptimo, se ha considerado una microrred con energía solar fotovoltaica y térmica, que utiliza baterías de plomo como almacenamiento eléctrico. Por otra parte, para el modo de control heurístico, la microrred considerada incluía, además, un sistema de almacenamiento de energía basado en hidrógeno (electrolizador + tanques de hidruros + pila de combustible).

Figura 1. Resultados de la simulación de un día de noviembre con el modo de operación basado en reglas heurísticas.

Los resultados obtenidos muestran que estas tecnologías permiten cubrir la demanda, tanto térmica como eléctrica, de una vivienda unifamiliar tipo no solo en términos de demanda de energía, sino también en términos de demanda de potencia. Ahora bien, desde el punto de vista económico, la incorporación de tecnologías de hidrógeno hoy en día para este tipo de escalas es poco factible debido al alto precio de los equipos. Por otra parte, se ha observado que un control óptimo de la microrred mejora ligeramente los beneficios económicos y prolonga la vida de las baterías, aunque surge la duda de si este pequeño ahorro económico es suficiente para justificar el uso de un sistema de control más complejo. Además, la desconexión total de la red es prácticamente inviable en una vivienda en ciudad debido no solo al coste si no al gran espacio que ocuparían los equipos, lo que limitaría su uso a entornos rurales. Finalmente, la enorme diferencia que hay entre el precio de la electricidad comprada y vendida a la red hace que el hecho de vender el excedente tenga una repercusión muy baja en el tiempo de retorno de la inversión y los posteriores beneficios alcanzados.