Microrred de hidrógeno y refrigeración fotovoltaica

La Universidad de la Polinesia Francesa ha desarrollado una microrred alimentada por energía solar que soporta la generación de hidrógeno que, a su vez, se utiliza para producir electricidad y refrigeración.

El sistema acopla una cadena de generación de hidrógeno formada por un electrolizador y una pila de combustible con una unidad termoquímica. La cadena de hidrógeno se utiliza como unidad de almacenamiento, empleando la electrólisis para dividir el agua en hidrógeno (H2) y oxígeno y, a continuación, volver a convertir el H2 en electricidad mediante una pila de combustible. La unidad termoquímica está diseñada para recuperar el calor residual del electrolizador y la pila de combustible para permitir la producción diferida de frío con fines de climatización.

«La instalación RECIF consta de los siguientes componentes: un inversor híbrido, paneles fotovoltaicos, un paquete de baterías de iones de litio, un electrolizador PEM para la producción de H2, un depósito de almacenamiento de H2, una pila de combustible PEM para la producción de electricidad a partir del H2 almacenado, una carga eléctrica controlable y un sistema de aire acondicionado hecho a medida con una unidad termoquímica para el almacenamiento de energía térmica y la producción diferida de frío», explicó a pv magazine el investigador Franco Ferrucci, señalando que los componentes están instalados en un contenedor de 6 metros.

Como par termoquímico sólido/gas, el sistema utiliza una sal de cloruro de bario (BaCl2) que reacciona con amoníaco (NH3), que a su vez sirve como fluido refrigerante en el circuito de refrigeración. «Este par tiene la ventaja de poder funcionar con fuentes de calor de temperatura relativamente baja (55 ºC), lo que lo hace compatible con electrolizadores PEM y pilas de combustible», afirman los investigadores.

El grupo de investigación desplegó el sistema en 2018 y, desde entonces, han surgido dudas sobre su seguridad. «La puesta en marcha de una instalación de este tipo fue muy desafiante, principalmente debido a la falta de experiencia en el territorio con este tipo de instalaciones y un contexto normativo poco claro en relación con los sistemas de seguridad y las atmósferas explosivas», explicaron los científicos.

Para resolver estos problemas de seguridad, el grupo también desarrolló un sistema de seguridad destinado a reducir los riesgos de explosión relacionados con los gases H2 y NH3. En una pequeña instalación de hidrógeno, el mayor riesgo puede materializarse en caso de una fuga de hidrógeno que no pueda detectarse dentro de un recinto mal ventilado.

«Nuestra instalación tiene paneles solares que cubren una superficie de 23m2, y el sistema de protección cuenta con contactores de 1000 V que desconectan los paneles cuando el sistema de seguridad detecta una condición de accidente, ya que una de las acciones de seguridad es interrumpir la producción de electricidad renovable», explica Ferrucci.

«En el caso de una instalación fotovoltaica de mayor tamaño, no resulta práctico desconectar los paneles directamente, ya que no existe una gran variedad de contactores de CC de alta tensión en el mercado. En ese caso, el sistema de seguridad tendría que desconectar el inversor para que no pueda suministrar energía al resto de la instalación. Además, debería haber una distancia física entre el panel eléctrico fotovoltaico y la instalación de hidrógeno», añade.

El sistema de seguridad también incluye un armario eléctrico que contiene un controlador lógico programable (PLC) de seguridad, que puede desconectar el flujo eléctrico. Otra herramienta empleada es un sistema de ventilación forzada con renovación continua de aire y modos de ventilación de emergencia, junto con extintores y detectores de humo.

Además, en la unidad de almacenamiento de H2 se instala un conjunto de valores de alivio, y los sensores pueden controlar los niveles de H2 en la pila de combustible y el electrolizador. Asimismo, varios transmisores pueden interrumpir el suministro eléctrico de la unidad termoquímica cuando se detecta un peligro. Todas las herramientas de seguridad pueden controlarse y vigilarse mediante un sistema de control y adquisición de datos (SCADA) y un sistema instrumentado de seguridad (SIS).

«A grandes rasgos, el objetivo principal de la instalación es doble: suministrar energía a la carga eléctrica y mantener un nivel adecuado de confort térmico dentro del contenedor en el que están instalados los componentes», explica Ferucci refiriéndose al sistema de seguridad.

El concepto de microrred y el sistema de seguridad correspondiente se presentaron en el estudio «Design and implementation of the safety system of a solar-driven smart micro-grid comprising hydrogen production for electricity & cooling co-generation» (Diseño e implementación del sistema de seguridad de una microrred inteligente impulsada por energía solar que comprende la producción de hidrógeno para cogeneración de electricidad y refrigeración.), publicado en el International Journal of Hydrogen Energy.

«El estudio establece la fiabilidad del sistema de detección de gas, afirmando su adhesión al nivel de integridad de seguridad SIL-2 basado en el análisis de riesgos y las recomendaciones de la empresa especializada en inspección y certificación que supervisa la validación de la instalación RECIF», dijo Ferrucci. «Las simulaciones realizadas demuestran que el sistema de seguridad detecta y detiene rápidamente cualquier fuga en el interior del contenedor, reduciendo eficazmente la concentración de gas a niveles insignificantes.»

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