Hidrógeno. Verde que te quiero diseñar verde

por Alberto Belda | Nov 8, 2024 | Blog CARTIF, Energía

La importancia de las herramientas de diseño y optimización de hidrógeno verde

El hidrógeno verde se está posicionando como una alternativa viable en el contexto de la transición hacia fuentes de energía limpias y sostenibles. Este vector energético no sólo permite transformar energía sin emitir contaminantes, sino que también tiene una importante capacidad de almacenamiento a largo plazo, lo que ayuda a abordar uno de los principales problemas de las fuentes de energía renovables como la solar y la eólica: su carácter intermitente y estacional.

Debido a las múltiples aplicaciones del hidrógeno y a la naturaleza variable de las fuentes renovables, el diseño y la optimización de sistemas de producción, almacenamiento y aprovechamiento de hidrógeno verde, son procesos complejos sobre todo cuando se aplica a procesos industriales, donde es necesaria una gestión cuidadosa de toda la cadena para garantizar un funcionamiento continuo y eficaz. Aquí es donde las herramientas de simulación y optimización juegan un papel crucial, facilitando la integración eficiente del hidrógeno en el sistema energético y permitiendo tomar decisiones óptimas basadas en datos detallados y proyecciones precisas.

Necesidad de herramientas especializadas para la transición energética

Para avanzar hacia un sistema energético más sostenible y descarbonizado es esencial aplicar el modelado dinámico y la simulación para optimizar tanto la producción como la utilización del hidrógeno verde en los sectores residencial, industrial y transporte pesado, ya que cada uno presenta diferentes patrones de demanda energética, siendo necesario el desarrollo de herramientas específicas que permitan evaluar múltiples escenarios, optimizar el diseño y determinar estrategias de control y gestión más adecuadas.

Estas herramientas no solo permiten simular el comportamiento de los sistemas en condiciones reales, sino que también ayudan a optimizar parámetros importantes como la potencia nominal de los electrolizadores, el volumen de almacenamiento de hidrógeno y la gestión de los momentos óptimos para consumir o almacenar energía. La aplicaciónn de algoritmos de optimización avanzados tiene como objetivo reducir los costes operativos y de inversión al mismo tiempo que maximizar el uso de energía renovable garantizando que se toman las mejores decisiones técnicas, económicas y ecológicas.

Funcionalidades de la herramienta desarrollada

CARTIF que es Centro de Excelencia Cervera, otorgado por el Ministerio de Ciencia e Innovación y del CDTI, bajo los expedientes CER-20191019 y CER-20211002 ha desarrollado una herramienta de diseño y optimización de este tipo de sistemas gracias al proyecto CERVERA H24NewAge. Se trata de una plataforma que permite el diseño y optimización de sistemas de producción y uso de hidrógeno verde en entornos residenciales e industriales aplicando modelado dinámico junto con Python a través de una interfaz web fácil de manejar que facilita el acceso a simulaciones complejas sin necesidad de conocimientos técnicos avanzados contribuyendo a la  democratización de la tecnología del hidrógeno, permitiendo que usuarios de diferentes niveles de experiencia interactúen con modelos complejos y recojan información útil para la toma de decisiones en el diseño de sus sistemas. Algunos de los puntos clave de la herramienta son:

• Simulación de escenarios de producción de hidrógeno: Los usuarios pueden simular una variedad de entornos de producción de hidrógeno, como procesos industriales, cogeneración industrial, microcogeneración residencial y generación de energía eléctrica a gran escala.

• Optimización Basada en Algoritmos Avanzados: La herramienta ayuda a dimensionar el tamaño óptimo de los componentes del sistema, minimizando costes y maximizando el aprovechamiento de la energía renovable utilizando algoritmos de optimización avanzados. También incluye la creación de estrategias operativas que consideren la disponibilidad de energía renovable, la demanda de hidrógeno y las limitaciones de almacenamiento para lograr una operación económica y eficiente.

• Flexibilidad y Adaptabilidad: Parámetros cruciales como la ubicación geográfica, los perfiles de demanda y las tecnologías de producción renovable se pueden ajustar a través de la plataforma, lo que la hace ideal para una variedad de escenarios y necesidades específicas. Esta capacidad es fundamental para que los usuarios puedan evaluar cómo sus diseños se comportarían en diferentes situaciones y escenarios, adaptando las tecnologías de producción y almacenamiento de hidrógeno a las particularidades de cada entorno.

• Visualización de Resultados: La interfaz web de la herramienta facilita la visualización de los resultados de las simulaciones mediante gráficos interactivos y tablas que muestran aspectos clave del sistema, como son: la eficiencia energética, los costes operativos y la capacidad de almacenamiento. Asimismo, los usuarios pueden comparar los resultados de escenarios diferentes, lo que resulta fundamental para identificar oportunidades de mejora y realizar ajustes adicionales.

Conclusiones

En definitiva, contar con herramientas como esta permite evaluar y optimizar estrategias para la producción y uso del hidrógeno verde, facilitando su integración en el sistema energético y contribuyendo a un futuro más sostenible. Gracias al acceso a modelos avanzados y algoritmos de optimización, estas herramientas permiten tomar decisiones fundamentadas, lo que deriva en sistemas más eficientes y resilientes. Un ejemplo claro sería la capacidad óptima de almacenamiento de hidrógeno, cuya correcta estimación puede evitar costes innecesarios y garantizar un suministro constante, incrementando la eficiencia operativa del sistema. Además, la facilidad de uso y la flexibilidad que ofrecen estas plataformas ayudan a reducir las barreras técnicas para adoptar el hidrógeno verde, haciéndolo una opción accesible y viable para un mayor número de usuarios y aplicaciones. Esto es clave para avanzar hacia una transición energética efectiva y para fomentar soluciones que disminuyan la dependencia de combustibles fósiles y favorezcan la mitigación del cambio climático.

Co-autor

Jesús Samaniego. Ingeniero Industrial. Desde 2002 trabaja en CARTIF en el desarrollo de proyectos dentro del campo de la eficiencia energética, la integración de energías renovables y en el estudio de la calidad del suministro eléctrico

De consumidor a prosumidor

por Alberto Belda | Feb 26, 2021 | Blog CARTIF, Energía

La mayoría de usuarios llevamos consumiendo electricidad de la misma forma toda la vida. Simplemente sabemos que podemos enchufar el dispositivo eléctrico que queramos en cualquier instante, y que, a cambio, a final de mes nos llega una factura (para muchos, más difícil de entender que un jeroglífico egipcio, por cierto). Pero este modo de consumir electricidad puede cambiar muy pronto (si no lo ha hecho ya). Desde hace no mucho, podemos contribuir con nuestra propia energía a la red sin muchas complicaciones, decidir cuál es el mejor momento para consumir, o asociarnos con otros usuarios para beneficiarnos mutuamente…o todo al mismo tiempo.

Dicho de otra forma, se está pasando de un modelo en el que el usuario tenía un rol meramente pasivo, a otro totalmente distinto, donde el usuario puede tener una participación activa en la producción, gestión y consumo de electricidad. Para este cambio de paradigma, ha surgido una nueva palabra que probablemente cada vez escuchemos más, como resultado de combinar productor y consumidor: prosumidor.

Y es que, aunque ahora el concepto de prosumidor es más amplio, originalmente (y todavía mayoritariamente) se refiere a aquel usuario que produce su propia energía para su autoconsumo, y vierte los excedentes a la red eléctrica. De esta forma, no sólo se puede consumir menos de la red, sino que también se aporta nuestra electricidad al sistema principal, y contribuimos a alcanzar un modelo más sostenible a la vez que podemos reducir nuestra factura.

Dado el auge de las instalaciones de generación distribuida para autoconsumo impulsadas en gran medida por la publicación del RD 244/2019, no es de extrañar que este tipo de prosumidor sea de lo más habitual. Sin embargo, las opciones para los prosumidores son cada vez más variadas, y no sólo se limitan a instalar paneles solares en nuestro tejado.

Por poner un ejemplo, se puede considerar también la interacción de forma más proactiva con la red mediante la combinación de un consumo consciente de electricidad con las tarifas eléctricas dependientes del precio del mercado (tarifas indexadas al pool-el mercado horario- o las llamadas tarifas PVPC-Precio Voluntario del Pequeño Consumidor, para usuarios con una potencia contratada menor a 10kW). Con este tipo de tarifas, cada día se puede conocer el precio horario de la electricidad del día siguiente, de manera que, si hoy nos dicen que mañana por la mañana el precio de la electricidad va a costar una octava parte de loq ue nos cuesta ahora mismo (como ocurrió hace unos días), podemos decidir si preferimos no poner hoy ciertos electrodomésticos (lavadora, secadora, lavavajillas, en el caso de los consumidores residenciales), y ponerlos mañana, ahorrándonos un pellizquito por el término de energía asociada a sus consumos.

Pero, ¿ y qué ocurre cuando apenas hay sol o viento, y los precios del mercado eléctrico se disparan a máximos históricos, como se dio hace unas semanas durante la borrasca Filomena? En el caso anterior, básicamente tendríamos que «aguantar el chaparrón» (nunca mejor dicho), y pagarlo a final de mes. Sin embargo, si dispusiéramos de soluciones de almacenamiento de energía, podríamos evitar este tipo de situaciones, y en general podríamos reducir nuestros consumos de la red durante períodos en los que el precio de la energía es alto (conocidos como períodos pico). Esta alternativa de prosumidor es también muy sencilla: por las noches o por las mañanas, cuando la electricidad es más barata, podríamos programar la carga de nuestros equipos de almacenamiento de energía (baterías eléctricas, incluido nuestro propio vehículo eléctrico, pero también sistemas térmicos o termoeléctricos), de manera que, cuando subiera el precio de la electricidad, no tendríamos que pagar sus desorbitados costes, sino que podríamos utilizar nuestra energía almacenada.

Precisamente, esta combinación de opciones de prosumidor -instalación de un sistema de producción renovable, almacenamiento, tarifas dinámicas y gestión activa de nuestra demanda-, es parte del estudio que se está considerando en el proyecto MiniStor, donde CARTIF participa desde hace algo más de un año. En él, se está desarrollando un sistema de almacenamiento termoeléctrico que integra baterías de litio, materiales de cambio de fase y un reactor termoquímico, combinado con paneles solares híbridos que producen tanto calor como electricidad, y una gestión energética óptima, teniendo en cuenta tanto la predicción de nuestro consumo, como la producción de nuestra instalación y el coste de la electricidad. Un reto interesantísimo del que podremos contaros pronto nuestros primeros resultados.

Como hemos visto, las opciones de participación de los prosumidores van mucho más allá de tener nuestra propia instalación de autoconsumo (que no es poco), y, aunque esta vez hemos presentado unas pocas, las alternativas donde este actor tiene un papel fundamental son casi infinitas (agregadores de la demanda, integración del blockchain, microrredes, Comunidades Energéticas…) Seguramente, dentro de poco tiempo surgirán otras que ahora mismo no somos capaces de imaginar. Lo que queda claro, es que el peso de los prosumidores ya se considera determinante, nos encontramos al principio de lo que puede ser un auténtico cambio de paradigma del sector energético, y desde CARTIF estamos a pie de pista para ser líderes en esta revolución.

Y tú, ¿te animas a convertirte en prosumidor?