WO2018202926A1 - Procedimiento de operacion de una planta de electrolizadores alimentados con energía renovable - Google Patents

Procedimiento de operacion de una planta de electrolizadores alimentados con energía renovable Download PDF

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Emilio Jesús RODRÍGUEZ FERNÁNDEZ
José Javier BREY SÁNCHEZ
Verónica MESA VÉLEZ-BRACHO
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Definitions

  • the present invention characterizes the fact of operating a plant at the optimum point of the electrolysers, looking for the most efficient point of operation of each electrolyser by obtaining the energy efficiency curve of each electrolyser.
  • the present invention is circumscribed within the scope of hydrogen production systems by electrolysers, and more particularly among the plants in which the source of electrical energy comes from renewable energy sources.
  • control is carried out in cascade without taking into account the optimum operating point of each electrolyzer that composes the plant , operating each electrolyzer individually to its maximum operating point, and when the selected electrolyzer has reached its point maximum operation, the next electrolyzer is put into operation with the remaining available power.
  • the object of the present invention is an operation procedure of an electrolyser plant powered by renewable energy and which is therefore a variable supply.
  • the control procedure is designed to select the most efficient operating point of each electrolyzer.
  • the point of maximum efficiency of each electrolyzer depends on the hours of operation, the temperature and the current density of the electrolyzer.
  • the control procedure is designed so that it selects the point of maximum efficiency of each electrolyzer taking into account all the above variables. Thanks to the control procedure it is possible to reduce operating costs and homogenization in the degradation of electrolyzers.
  • the control procedure not only seeks to operate each electrolyser at its point of maximum efficiency, but also to know which of the electrolysers should enter according to the available Power of the wind turbine, so that the efficiency of the plant is the maximum possible.
  • the distribution of the available Power is carried out in a way that reaches the highest performance of the plant. More precisely, the stages of the procedure would be: - Acquisition of data on electricity consumption, temperature, voltage of each cell of the electrolysers and hydrogen production throughout the current range.
  • control procedure improves the performance of the plant as a whole, reduces operating costs and homogenizes the degradation of the electrolyzers that form the plant.
  • all technical and scientific elements used herein have the meaning normally understood by a person skilled in the art to which this invention pertains. In the practice of the present invention procedures and materials similar or equivalent to those described herein can be used.
  • Figure 2 we can see a graph showing the relationship between efficiency and current density according to the working temperature.
  • Figure 3 shows the relationship of cell voltage and current density as a function of operating hours.
  • Figure 4 shows the evolution of efficiency as a function of current density.
  • the plant has one or more wind generators (1), being able to be any other source of energy renewable or combination of them; connected to a common connection point (PCC) to which at least two electrolysers (2) are connected, each of them with associated auxiliary equipment (3) and which are necessary for the operation of the equipment, where the power supply of said auxiliary equipment (3) takes place through the electricity network.
  • PCC common connection point
  • the plant does not have exclusive power from renewable energy sources, they also have a connection for power from the distribution network (5).
  • the available Power is the electric power generated by the wind turbines (1).
  • the electrolysers are always going to consume all the available Power of the wind turbines for the maximum use of the wind resource or whatever the renewable source.
  • the BoP Power is the power needed to power the auxiliary (3) of each electrolyzer. This power is variable depending on the operating point of the electrolyzer and will be supplied by the network.
  • - Electric Power is the power consumed by each electrolyzer (2) and is controlled by a controlled rectifier.
  • the power network is the power provided for the power supply of the auxiliary of each electrolyzer.
  • the transients are caused by changes in the wind or changes in consumption.
  • the modes of operation of the Plant are as follows: - Hibernation: All control equipment is energized through the Network. All electrolyzers will be in Hibernate Mode at all times.
  • the electrolyser is consuming electrical energy from wind turbines.
  • the minimum operating point of each electrolyzer is 10% of the maximum power.
  • Figure 2 shows how the efficiency of the stack of each electrolyser varies according to the temperature and current density, observing that the efficiency increases until it reaches a maximum of approximately 1 ⁇ 4 of the nominal density of the electrolyser, then begins to decrease, being The higher the efficiency the higher the stack temperature.
  • Figure 3 shows how the cell voltage increases as the hours of operation increase.
  • Figure 4 shows a graph that represents the graph that relates efficiency to current density, being able to observe that in the case represented for a current density of approximately 75% of the maximum current density, the efficiency is the maximum since the consumption in Kwh / Kg is the lowest possible.

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Abstract

Procedimiento que busca hacer trabaja a una planta de electrolizadores en el punto de máximo rendimiento, a la vez que lograr una homogeneización de la degradación de los electrolizadores, y que comprende las etapas de: - adquisición de datos de consumo eléctrico, temperatura, tensión de cada celda de los electrolizadores y producción de hidrógeno en todo el rango de corriente. - Se obtiene la eficiencia de cada electrolizador en todos los puntos de funcionamiento. - Selección del electrolizador con una mayor eficiencia para una determinada densidad de corriente, asignándole el punto de establecimiento de comienzo a dicho electrolizador, a continuación se selecciona otro electrolizador con la segunda mayor eficiencia para dicha densidad de corriente o se aumenta la producción del que está en operación y así sucesivamente.

Description

PROCEDIMIENTO DE OPERACION DE UNA PLANTA DE
ELECTROLIZADORES ALIMENTADOS CON ENERGÍA RENOVABLE
DESCRIPCIÓN
OBJETO DE LA INVENCIÓN
Es objeto de la presente invención, tal y como el título de la invención establece, un procedimiento de operación de una planta de electrolizadores alimentados con energía renovable.
Caracteriza a la presente invención el hecho de operar una planta en el punto óptimo de los electrolizadores, buscando el punto más eficiente de operación de cada electrolizador mediante la obtención de la curva de eficiencia energética de cada electrolizador.
Gracias al sistema que a continuación se describe se logran reducir los costes de operación y explotación, así como la homogeneizacion de la degradación de todos los electrolizadores que forman la planta.
Por lo tanto, la presente invención se circunscribe dentro del ámbito de los sistemas de producción de hidrógeno mediante electrolizadores, y más en particular de entre las plantas en las que la fuente de energía eléctrica proviene de fuentes de energía renovables.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En general en las plantas de producción de hidrógeno con varios electrolizadores y alimentadas a partir de fuentes de energía renovable con apoyo de la red eléctrica, el control se realiza en cascada sin tener en cuenta el punto óptimo de operación de cada electrolizador que compone la planta, operando cada electrolizador de manera individual hasta su punto máximo de operación, y cuando el electrolizador seleccionado ha alcanzado su punto máximo de operación, se pone en funcionamiento el siguiente electrolizador con la potencia disponible restante.
De la manera, tal y como se está controlando la operación de las plantas actuales, no se trabaja en el punto de máximo rendimiento de la planta.
Además como consecuencia de llevar a cada electrolizador de manera individual hasta su punto máximo de operación produce una degradación no uniforme de cada uno de los electrolizadores. Hecho que no es recomendable por funcionamiento y operatividad de mantenimiento.
Por lo tanto, es objeto de la presente invención desarrollar un procedimiento de operación de una planta de electrolizadores alimentados con energía renovable que supere los inconvenientes de no trabajar en el punto de máximo rendimiento de la planta, costes de operación elevados y falta de homogeneización en la degradación de los electrolizadores, desarrollando un procedimiento como el que a continuación se describe y queda recogido en su esencialidad en la reivindicación primera. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Es objeto de la presente invención un procedimiento de operación de una planta de electrolizadores alimentados con energía renovable y que por lo tanto es un suministro variable. El procedimiento de control está diseñado para seleccionar el punto más eficiente de operación de cada electrolizador.
El punto de máxima eficiencia de cada electrolizador depende de las horas de operación, de la temperatura y de la densidad de corriente del electrolizador. El procedimiento de control está diseñado de manera que selecciona el punto de máxima eficiencia de cada electrolizador teniendo en cuenta todas las variables anteriores. Gracias al procedimiento de control se lograr reducir los costes de operación y la homogeneización en la degradación de los electrolizadores.
El procedimiento de control no solamente busca hacer funcionar cada electrolizador en su punto de máxima eficiencia, sino saber cuál de entre los electrolizadores de debe entrar en función de la Potencia disponible del aerogenerador, de manera que la eficiencia de la planta sea la máxima posible.
Los parámetros que directamente afectan a la degradación de un electrolizador son:
- Densidad de corriente nominal. La eficiencia comienza creciendo a medida que aumenta la densidad de corriente para luego empezar a decrecer hasta alcanzar su punto de operación máximo.
- Temperatura de operación. La eficiencia de un electrolizador es tanto mayor cuanto mayor es la temperatura.
- horas de operación. Dado que la tensión de cada celda aumenta a medida que se incrementan las horas de operación, la eficiencia del electrolizador disminuye.
Por lo tanto, las etapas del procedimiento son:
- Se calcula el rendimiento de cada electrolizador para una Potencia disponible indicada por el o los aerogeneradores
- Se realiza el reparto de la Potencia disponible de forma que se alcance al mayor rendimiento de la planta. De manera más precisa, las etapas del procedimiento serían: - Adquisición de datos de consumo eléctrico, temperatura, tensión de cada celda de los electrolizadores y producción de hidrógeno en todo el rango de corriente.
- Se obtiene la eficiencia de cada electrolizador en todos los puntos de funcionamiento.
- Realización de la gestión del consumo en función del punto de máxima eficiencia de cada electrolizador, seleccionando el electrolizador con una mayor eficiencia para una determinada densidad de corriente, asignándole el punto de establecimiento de comienzo a dicho electrolizador, a continuación se selecciona otro electrolizador con la segunda mayor eficiencia para dicha densidad de corriente o se aumenta la producción del que está en operación y así sucesivamente. Periódicamente se vuelve a repetir todo el proceso, esto es, la adquisición de datos y obtención de la eficiencia de cada electrolizador, ya que han podido cambiar, pudiendo ser con el tiempo más eficiente un electrolizador que otro que sí lo era antes. De esta manera se logra una homogeneizacion en la degradación de los electrolizadores.
El procedimiento de control mejora el rendimiento de la planta en su totalidad, reduce los costes de operación y homogeneiza la degradación de los electrolizadores que forman la planta. Salvo que se indique lo contrario, todos los elementos técnicos y científicos usados en la presente memoria poseen el significado que habitualmente entiende un experto normal en la técnica a la que pertenece esta invención. En la práctica de la presente invención se pueden usar procedimientos y materiales similares o equivalentes a los descritos en la memoria.
A lo largo de la descripción y de las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. EXPLICACION DE LAS FIGURAS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente.
En la figura 1 , podemos observar una representación de la planta de electrolizadores alimentados con energía renovable
En la figura 2, podemos observar se muestra una gráfica que muestra la relación entre la eficiencia y la densidad de corriente según la temperatura de trabajo. En la figura 3 se muestra la relación de la tensión de celda y la densidad de corriente en función de las horas de operación.
En la figura 4 se muestra la evolución de la eficiencia en función de la densidad de corriente.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN.
A la vista de las figuras se describe seguidamente un modo de realización preferente de la invención propuesta.
En la figura 1 podemos observar que la planta cuenta con uno o varios generadores eólicos (1 ), pudiendo ser cualquier otra fuente de energía renovable o combinación de ellas; conectados a un punto de conexión común (PCC) al que están conectados al menos dos electrolizadores (2), contando cada uno de ellos con unos equipos auxiliares (3) asociados y que son necesarios para el funcionamiento de los equipos, donde la alimentación de dichos equipos auxiliares (3) tiene lugar a través de la red eléctrica.
La planta no tiene alimentación exclusiva proveniente de fuentes de energía renovables, cuentan también con una conexión para alimentación desde la red de distribución (5) eléctrica.
En dicho esquema las diferentes potencias que aparecen son:
- La Potencia disponible es la potencia eléctrica generada por los aerogeneradores (1 ). Los electrolizadores siempre van a consumir toda la Potencia disponible de los aerogeneradores para el aprovechamiento máximo del recurso eólico o cualquier que sea la fuente renovable.
- La Potencia BoP es la potencia necesaria para la alimentación de los auxiliares (3) de cada electrolizador. Esta potencia es variable dependiendo del punto de operación del electrolizador y será suministrada por la red.
- La Potencia eléctrica es la potencia que consume cada electrolizador (2) y es controlada mediante un rectificador controlado.
- La Potencia red es la potencia proporcionada para la alimentación de los auxiliares de cada electrolizador. Además, mediante la red se consigue equilibrar el flujo de potencia que se produce cuando la generación y el consumo no son iguales, esto se dará en los transitorios hasta que se ajuste la generación y el consumo mediante los electrolizadores. Los transitorios son ocasionados por cambios en el viento o cambios en el consumo. Los modos de operación de la Planta son los siguientes: - Hibernación: Todos los equipos de control están energizados a través de Red. Todos los electrolizadores estarán en Modo Hibernación en todo momento.
- Stand-by: los consumidores de los auxiliares del electrolizador (BoP) están energizados a través de la red y preparados para producir hidrógeno. Es necesario que siempre haya un electrolizador en stand-by para conseguir una respuesta rápida ante posibles variaciones de viento y, por tanto, de Potencia disponible.
- Producción: el electrolizador está consumiendo energía eléctrica proveniente de los aerogeneradores. El punto de mínimo de operación de cada electrolizador es un 10% de la Potencia máxima.
En la figura 2 se muestra cómo varía la eficiencia del stack de cada electrolizador según la temperatura y la densidad de corriente, observando que la eficiencia va aumentado hasta alcanzar un máximo en aproximadamente ¼ de la densidad nominal del electrolizador, comenzando luego a decrecer, siendo mayor la eficiencia cuanto mayor es la temperatura del stack.
En la figura 3 se muestra cómo la tensión de la celda va aumentando a medida que crecen las horas de operación.
En la figura 4 se muestra una gráfica que representa la gráfica que relaciona la eficiencia con la densidad de corriente, pudiendo observar que en el caso representado para una densidad de corriente de un 75% aproximadamente de la densidad de corriente máxima, la eficiencia es la máxima ya que el consumo en Kwh/Kg es el menor posible.
Descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, así como la manera de ponerla en práctica, se hace constar que, dentro de su esencialidad, podrá ser llevada a la práctica en otras formas de realización que difieran en detalle de la indicada a título de ejemplo, y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba, siempre que no altere, cambie o modifique su principio fundamental.

Claims

REIVINDICACIONES cedimiento de operación de una planta de electrolizadores alimentadosergía renovable caracterizado porque comprende las etapas de:
- adquisición de datos de consumo eléctrico, temperatura, tensión de cada celda de los electrolizadores y producción de hidrógeno en todo el rango de corriente.
- Se obtiene la eficiencia de cada electrolizador en todos los puntos de funcionamiento.
- Realización de la gestión del consumo en función del punto de máxima eficiencia de cada electrolizador, seleccionando el electrolizador con una mayor eficiencia para una determinada densidad de corriente, asignándole el punto de establecimiento de comienzo a dicho electrolizador, a continuación se selecciona otro electrolizador con la segunda mayor eficiencia para dicha densidad de corriente o se aumenta la producción del que está en operación y así sucesivamente.
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