WO2009050311A1 - Sistema de producción de energía eléctrica e hidrógeno- - Google Patents

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hybrid
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Eugenio Guelbenzu Michelena
Javier PÉREZ BARBÁCHANO
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Acciona Energía, S.A.
Ingeteam Energy, S.A.
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Definitions

  • the present specification refers to a system for the production of electricity and hydrogen, being based on the use of wind energy, one or more wind turbines, and incorporating means (electrolysers) for hydrogen production, so that by means of Ia incorporation of a hybrid device of electrolysis technologies is achieved: a better management of (to energy, a better dynamic operation of the system, increase the useful life of the electrolysers and increase the profitability of the system, as well as improve the quality of the energy delivered to the network.
  • This system of production of electricity and hydrogen can be adapted to any type of renewable energy or combination of them.
  • the system of production of electrical energy and hydrogen may be applied to any type of renewable energy or combination of one of them.
  • One of the uses may be the distribution to hydrogen distribution stations, for use as fuel in vehicles or to be sold for sale in the hydrogen market.
  • another possible use is the use of that hydrogen to produce electricity and inject it again into the electricity grid.
  • WO2006097494 and EP1596052 in which they propose to generate hydrogen, by electrolysis, which they would then use to produce electricity through conventional gas or steam plants.
  • the ABB patent, DE 10055973 describes a hydrogen production and storage system with wind energy, with a view to using it to produce electricity and injecting it into the power output of the wind turbine, to regulate the output of the wind farm.
  • publications such as US7199482 patent that describes the power regulation of a wind farm by increasing or decreasing the electrical consumption of an electrolyser.
  • the PEM technology consists of a solid electrolyte, and has fast operating dynamics, although there are currently no devices with a large amount of power (they are usually around tens of kilowatts, at most).
  • Alkaline technology consists of an electrolyte, usually diluted KOH, and has slower dynamics than PEM technology, but there are more powerful electrolysers with this technology (they can reach the order of megawatts).
  • renewable energies are raised as a fundamental actor, since they provide the society with energy to meet their needs by using renewable, sustainable and non-polluting sources as primary energy.
  • the present invention incorporates a hybrid device of different electrolysis technologies, with different dynamic responses, which allows to absorb the fluctuations of the electric power generated due to the variability of the wind resource, - A - softening and / or eliminating fluctuations of the electric power evacuated to the network.
  • Another advantage of the invention is that through the use of electrolysers of different technologies, the needs of the system in terms of power and dynamics required are met.
  • An additional advantage of the use of the hybrid device of electrolysers of different dynamics is that they can operate as loads of different power ranges at each moment and with different dynamics and thus can serve as regulation of the output power of the wind farm or of a wind turbine in particular.
  • a further advantage is that the use of two electrolyser technologies, with different response dynamics and power capacity, allows the control of the frequency of the electrical system, the rapid dynamics technology acting as a primary power reserve (in the range of the seconds) and the slow dynamic Ia as a secondary power reserve (action in the order of the minutes). Due to the use of two different electrolysis technologies, with different response dynamics and power capacity, it is possible to adapt the electric power evacuated to the network to the plant management requirements set by the operator of the electrical system, such as reserve of active power, reactive power regulation, hole control, as well as primary and secondary regulation.
  • An invention is therefore presented that allows solving the problems derived from the variability of the wind resource, considerably increasing the wind farm management capacity, so that it can be operated in a similar way to conventional power generation plants, meeting the requirements of the network operators In this way it also contributes to the increase in the penetration of renewable energies in the electricity grid.
  • a system of production of electric and hydrogen energy is described herein, based on the use of wind energy, of one or several wind turbines, and incorporating means (electrolysers) of hydrogen production, of so that the system incorporates a hybrid device of electrolysers, constituted by the combination of at least two different electrolysis technologies and at least one controller that manages the production of hydrogen between electrolysers of different types of technology, and / or consumption of the electrolysers to adjust to the needs imposed or determined by the network, so that the electrolysers are of a first type of technology with rapid dynamics and a second type of technology with substantially slower dynamics, the electrical energy being consumed by the hybrid electrolyzer device Ia suitable for absorbing flu ctuations of electric power generated, softening and / or eliminating fluctuations of the electric power evacuated to the network.
  • the hybrid device of electrolysers a combination of several hydrolysis technologies, is constituted by the combination of at least one electrolyzer of each type of hydrolysis technology.
  • the system may incorporate one or more controllers that distribute the production of hydrogen among the electrolysers of different types of technology.
  • Said controller may be integrated in the hybrid electrolyzer device or be independent thereof.
  • electrolysers with different dynamics and power capacity allows electrolysers to operate as controlled loads of different power ranges at each moment and with different dynamics and can serve as regulation for the power output of the wind farm or of a wind turbine in particular.
  • the power of the system is managed, the output power of the system being independent of the output power of the system.
  • the distribution of the production and the adequate variation of the operating setpoint of the fast dynamic electrolyser and the slow dynamic electrolyser allows the whole to participate in the frequency control of the electrical system, the rapid dynamics technology acting as a power reserve primary (in the range of seconds) and the slow dynamic Ia as a secondary power reserve (action in the order of minutes).
  • the hybrid electrolyser device allows for an active power reserve based on the electrical consumption of the fast dynamic technology electrolysers and another active power reserve due to the electrical consumption of the dynamic technology electrolysers. substantially slower.
  • the active power reserve due to the fast dynamic electrolysers will be the one used to perform primary regulation.
  • the fast dynamic electrolysers will act as a controlled load, increasing or decreasing the load depending on the frequency control requirements of the electric operator.
  • the hybrid device of electrolysers can incorporate conversion elements that use the hydrogen generated by the hybrid device of electrolysers to produce electricity, either only with hydrogen or with a combination of fluids / gases that includes hydrogen and either by combustion systems, mechanical, hydraulic generation or other energy transfer systems, and pour it to the power outlet of the wind system and / or the network.
  • the conversion elements may be fuel cells, internal combustion engine and / or gas turbines that use the hydrogen generated to produce electricity and pour it to the power outlet of the wind system and / or the grid.
  • At least one of the electrolysers of the hybrid electrolyser device can be reversible having the ability to produce energy, acting as a power generator.
  • the conversion of hydrogen into electricity in addition to electricity, generates a heat current.
  • the heat produced is harnessed through the heating of water, by a heat exchanger for heat energy production and / or an absorption machine for cold production.
  • the efficiency of the system can be increased due to the greater performance of the fuel cells and with the incorporation of a cogeneration system.
  • the system can incorporate a desalination plant using part of the desalinated water to power the hybrid device of electrolysers, having special relevance for "offshore” applications (applications at sea), both near the coast and away from it, so that In areas near the coast, water may be used for consumption.
  • the generation power of the wind system is greater than the electrical evacuation power of the network, the remaining energy is used for hydrogen production.
  • control and power electronics associated with the hybrid device of electrolysers and conversion elements gives the wind system the ability to start in the absence of voltage in the network, by synthesis of a reference voltage and supply of energy to the starting elements.
  • black starting capacity or “blackstart capability”
  • blackstart capability The possibility of starting in the absence of voltage in the network, also called “black starting capacity” or “blackstart capability”, is determined by the energy needs of the wind farm for its operation and determines its ability to energize an electrical network that I have lost the tension.
  • This possibility is of great interest to, for example, contribute to the recovery of an electrical system that has been able to suffer an incidence leading to the total absence of energy in it.
  • the controller or controllers of the hybrid electrolyzer device considers variables that influence the performance of each of the electrolyzers that comprise it, such as the electrolyte module temperature, ambient temperature, pressure and / or concentration of the electrolyte, or all those that influence in the performance and life of the electrolysers, so that this is about optimizing the performance of the hybrid electrolyzer device.
  • the rapid restoration of the voltage is collaborated, in the case of a voltage gap, by means of the generation of reactive power, by means of which progressive variations in the voltage are guaranteed and sharing the voltage.
  • use of the components for various purposes reducing their amortization costs.
  • the hybridization of electrolysis technologies increases the flexibility of the assembly facilitating the stability of the recovery.
  • the power electronics associated with the hybrid electrolyser device can be integrated in the power electronics of the machine (wind turbine).
  • the electrolysers related to the hybrid device of electrolysers of the fast dynamic technology type may be of PEM (Proton Exchange Membrane) technology.
  • the electrolysers related to the hybrid device of electrolysers of the slower substance type of dynamic technology may be of alkaline technology.
  • the hybrid electrolyser device can comprise any combination of electrolysers of different technologies arranged in series and / or in parallel.
  • thermoelectric solar energy such as the solar energy targeting system with - TO - parabolic trough elements, or such as solar heliostats and solar tower targeting
  • solar photovoltaic hydraulic, tidal energy, wave energy, marine current energy, geothermal energy, and wind power, both on land and offshore.
  • Figure 1 It shows a general scheme of the system object of the invention, being able to observe wind turbines, power electronics, the hybrid device of electrolysers and the controller.
  • Figure 2. It shows a scheme of the system object of the invention provided with several electrolysers and with a power converter that feeds the different electrolysers of different dynamics.
  • Figure 3. It shows a scheme of the system object of the invention provided with several electrolysers, according to an execution with the doubly fed generator and with the converter with a continuous output for the electrolysers.
  • Figure 4 Shows a scheme of the system object of the invention provided with several electrolysers, with at least one reversible electrolyser, and therefore, being able to pour energy into the network.
  • Figure 5 It shows a scheme of the system object of the invention provided with several electrolysers, provided with conversion elements, which are powered by hydrogen, and produce electricity and heat, and that the electricity can be injected into a network.
  • Figure 6. It shows a scheme of operation of the complete system, in which there are moments in which the electrolysers act as a load for power regulation in the moments of excess power, and in addition, the conversion elements supply energy in the moments of deficit.
  • Figure 7. Shows a diagram of a direct current source and a power electronics converter of a Static Synchronous Compensator (STATCOM).
  • Figure 8. Shows a general system control scheme.
  • Figure 9. Secondary regulation.
  • a system for the production of energy and hydrogen can be constituted by at least , a wind turbine 1 connected through a power electronics 2 with the hybrid electrolyzer device 3, formed by at least one electrolyser of fast dynamics and dynamics technology, substantially slower, and being supervised by the controller 4.
  • the system incorporates a hybrid device of electrolysers 3, constituted by the combination of at least one electrolyzer 5 and 6 of two different electrolysis technologies and a controller 4 that distributes the hydrogen production between the electrolysers 5 and 6 of different type of technology, so that the electrolysers 5 are of a first type of technology with fast dynamics and the electro Lizers 6 are of a second type of technology with substantially slower dynamics, the electric energy consumed by the hybrid device of electrolysers 3 being adequate to absorb the fluctuations of generated electric power, softening and / or eliminating fluctuations of the evacuated electric power to the network.
  • the way of distributing hydrogen production between the different electrolyser technologies is based on attributing sudden power variations to the fast dynamic technology, and the soft variations to the substantially more dynamic technology. slow.
  • the controller 4 takes into consideration the state variables 9 of the electrolysers (variables that influence the performance and useful life of the electrolysers) at the time of distributing the hydrogen production between the / the fast dynamic electrolysers 5 and the substantially slower dynamics electrolysers 6, in order to preserve their lifespan and maximize their performance.
  • the controller 4 controls that the limits of the maximum electric evacuation 10 and hydrogen production, determined by the maximum power 11 of each of the electrolysers, are not exceeded.
  • the controller 4 receives production setpoints 12 (electric and / or hydrogen) set by internal criteria (elimination of fluctuations in the output of the wind farm) or system operation (primary / secondary power reserves).
  • the controller 4 can also take into account other setpoints 16.
  • the controller 4 distributes the energy between the evacuated in the form of an electricity vector 13, and the energy for hydrogen production 8, which in turn distributes between the / Fast dynamic electrolysers 5 and the substantially slower dynamic electrolysers 6 depending on the power entering the park.
  • the controller 4 takes into account the electricity evacuated in the form of an electricity vector 13, and the hydrogen production of each of the electrolysers, by way of feedback. As can be seen in FIG.
  • the fast dynamic technology electrolysers are of the PEM technology
  • the substantially slower dynamic technology electrolysers are of the alkaline technology.
  • the hybrid device of electrolysers allows an active power reserve to be available based on the electrical consumption of the PEM (Proton Exchange Membrane) technology electrolysers with which primary and other regulation will be carried out. reserve of active power due to the electrical consumption of the alkaline technology electrolysers with which secondary regulation will be carried out.
  • PEM Protein Exchange Membrane
  • controller 4 which, depending on the requirements of the network operator or internal requirements, controls increasing or decreasing the hydrogen production of the electrolysers of different type of technology so that, on the one hand, fluctuations in the power evacuated to the network are eliminated, and on the other, an active power reserve that is used to respond to the primary and secondary regulation requirements of the network operator is maintained in all time
  • the setpoint of active power output from the wind farm will be lower than the evacuation capacity of the wind farm.
  • an active power reserve is guaranteed, which will be managed by the controller 4, so that the power resulting from adding the active power reserve and the variable power above the evacuation capacity of the wind farm is distributed between the electrolysers of different technology of the hybrid device, according to the aforementioned criteria.
  • the electrolysers 5 and 6 of different types of technology relative to the hybrid device of electrolysers 3, the power of the system is managed, the output power of the system being independent of the output power of the wind turbines.
  • the hybrid device of electrolysers 3 of different types of technology can incorporate conversion elements 7 that use the hydrogen 8 generated to produce electricity and pour it into the power output of the wind system and / or the network.
  • the conversion elements 7 can be fuel cells, internal combustion engine and / or gas turbines that use the hydrogen generated to produce electricity and pour it into the power outlet of the wind system and / or the network.
  • the electrolysers 5 and 6 of different dynamic technology are fed through a power electronics 2 common to all the electrolysers, the entire system being governed by a controller 4 , that from the power generated by the wind farm or wind turbine 1, the wind measurements, the voltage at the connection point (voltage control and support of holes), the frequency (frequency control) and the operational characteristics of the Electrolysers (electrolyte module temperature, ambient temperature, pressure, and / or electrolyte concentration) calculates the active electrical power to be transformed into hydrogen and the reactive power to be produced. Said active power is distributed between electrolysers 5 and 6 of different dynamic technology, depending on the characteristics of each electrolyser. And, also, depending on the needs of the electrical system.
  • the production of reactive power is also distributed among the conversion elements 7.
  • the capacity of said conversion elements 7 is preferably used for the production of active energy, softening and / or eliminating fluctuations of power evacuated to the network, being able to use the remaining capacity for the generation of reactive.
  • the capacity of the converter will be used as a priority to support the network.
  • the power electronics 2 shared by the electrolysers 5 and 6 of the hybrid electrolyzer device 3 take advantage of the continuous output of a double-powered wind turbine 1, as shown in Figure 3.
  • the doubly fed wind turbine is taken as a particular case, however this embodiment can be carried out with any type of wind turbine.
  • some of the electrolysers 5 or 6 belonging to the hybrid electrolyzer device 3 is reversible and, therefore, in certain moments, see energy at the power output of the system, by conversion of hydrogen into electrical energy.
  • the system incorporates elements of conversion 7 of hydrogen into electrical energy, so that they can pour the energy produced at the power output of the system.
  • the controller 4 can manage the energy so that, as can be seen in the scheme of Figure 6, in moments of excess energy production, the excess energy is destined to the production of hydrogen 8, and in moments of energy deficit, hydrogen is converted into electrical energy through the conversion elements 7.
  • the controller 4 can manage the energy so that, as can be seen in the scheme of Figure 6, in moments of excess energy production, the excess energy is destined to the production of hydrogen 8, and in moments of energy deficit, hydrogen is converted into electrical energy through the conversion elements 7.
  • the heat produced is used through the heating of water, by a heat exchanger for the production of heat energy and / or an absorption machine for cold production
  • the system can incorporate a desalination plant using part of the desalinated water to feed the hybrid device of electrolysers 3. If the generation power of the wind system is greater than
  • the electrical evacuation power of the network the remaining energy is used for hydrogen production, which implies an improvement in the profitability of the system and a greater use of the wind resource.
  • the control and power electronics associated with the hybrid device of electrolysers 3 and conversion elements 7, gives the wind system the ability to start in the absence of voltage in the network, by synthesis of a reference voltage and supply of energy to the elements of start.
  • variables are included that influence the performance of each of the electrolyzers that compose it, such as the electrolyte module temperature, ambient temperature, pressure and / or concentration of the electrolyte.
  • power electronics 2 associated with the hybrid device of electrolysers 3 are used for the production or consumption of reactive power.
  • the intensity assigned or absorbed has the appropriate offset with respect to the voltage wave, thus yielding or absorbing reactive power to the network, depending on the control setpoint.
  • power electronics associated with the electrolyser device are used.
  • the rapid restoration of the voltage is collaborated, in the case of a voltage gap, by means of the generation of reactive power, so that in the case of a network event the hydrogen production of some electrolysers relative to the hybrid electrolyser device is interrupted, using all the capacity of its power electronics to assist in the restoration of the network.
  • black starting capacity or “blackstart capability” is determined by the energy needs of the wind farm for its operation and determines its capacity of energizing a power grid that has lost the voltage.
  • the power electronics 2 of the hybrid electrolyzer device 3 could have a functionality equivalent to that of a STATCOM "Static Synchronous Compensator" framed in the power electronics equipment dedicated to the control of voltages, which are usually composed of a current source Continuous and a power electronics converter, according to the scheme shown in Figure 7.
  • the medium or high temperature solar energy such as the solar energy targeting system with parabolic trough elements, or such as the heliostat solar power plants and solar tower energy targeting; • the photovoltaic solar energy;

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Abstract

Sistema de producción de energía eléctrica e hidrógeno, basado en el aprovechamiento de Ia energía renovable, tal como Ia eólica, de uno o varios aerogeneradores, e incorporando medios de producción de hidrógeno. El sistema incorpora un dispositivo híbrido de electrolizadores, constituido por Ia combinación de, al menos, dos distintas tecnologías de electrólisis y al menos un controlador que reparte Ia producción de hidrógeno entre los electrolizadores de distinto tipo de tecnología, de manera que existe al menos, un primer tipo de tecnología de electrolizadores con dinámica rápida y, al menos, un segundo tipo de tecnología de electrolizadores con dinámica sustancialmente más lenta.

Description

SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E HIDRÓGENO- DESCRIPCIÓN.
La siguiente invención, según se expresa en el enunciado de
Ia presente memoria descriptiva, se refiere a un sistema de producción de energía eléctrica e hidrógeno, estando basado en el aprovechamiento de Ia energía eólica, de uno o varios aerogeneradores, e incorporando medios (electrolizadores) de producción de hidrógeno, de forma que mediante Ia incorporación de un dispositivo híbrido de tecnologías de electrólisis se consiga: una mejor gestión de (a energía, un mejor funcionamiento dinámico del sistema, aumentar Ia vida útil de los electrolizadores y aumentar Ia rentabilidad del sistema, así como mejorar Ia calidad de Ia energía entregada a Ia red.
Este sistema de producción de energía eléctrica e hidrógeno se podrá adaptar a cualquier tipo de energía renovable o combinación de ellas.
CAMPO DE APLICACIÓN.
En Ia presente memoria se describe un sistema de producción de energía eléctrica e hidrógeno, el cual es de aplicación en todo tipo de aerogeneradores y parques eólicos, de manera que mediante Ia hibridación de tecnologías de electrólisis se produzca hidrógeno.
Igualmente, el sistema de producción de energía eléctrica e hidrógeno podrá ser aplicado a cualquier tipo de energía renovable o combinación de una de ellas. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN.
Como es conocido, en ocasiones los aerogeneradores conectados a Ia red eléctrica no pueden evacuar a dicha red toda Ia energía eléctrica que producen por limitaciones técnicas o legales, de manera que con objeto de aprovechar esa energía que se está produciendo, una de sus aplicaciones es Ia generación de hidrógeno a través de un electrolizador, para, posteriormente, a ese hidrógeno producido y almacenado, darle diversos usos.
Uno de los usos puede ser Ia distribución hasta estaciones de distribución de hidrógeno, para su utilización como combustible en vehículos o ser destinado para venderse en el mercado del hidrógeno. Asimismo, otro uso posible es Ia utilización de ese hidrógeno para producir electricidad e inyectarla de nuevo en Ia red eléctrica.
Existen numerosas publicaciones en las que se presentan sistemas que integran generación eléctrica renovable e hidrógeno.
En cuanto a Ia producción de electricidad con hidrógeno proveniente de energía eólica, existen solicitudes de patentes como:
WO2006097494 y EP1596052, en las que proponen generar hidrógeno, mediante electrólisis, que luego usarían para producir electricidad mediante plantas convencionales de gas o de vapor.
La patente de ABB, DE 10055973, describe un sistema de producción y almacenamiento de hidrógeno con energía eólica, con vistas a usarlo para producir electricidad e inyectarla en Ia salida de potencia del aerogenerador, para regular Ia salida del parque eólico. Por último, hay publicaciones como Ia patente US7199482 que describe Ia regulación de potencia de un parque eólico mediante el aumento o disminución del consumo eléctrico de un electrolizador.
Actualmente, las tecnologías principales y más desarrolladas, en cuanto a electrolizadores, son Ia tecnología PEM (Protón Exchange Membrane) y Ia tecnología alcalina.
La tecnología PEM consta de un electrolito sólido, y presenta dinámicas de funcionamiento rápidas, aunque no existen dispositivos en Ia actualidad de gran cantidad de potencia (suelen estar en torno a las decenas de kilovatios, como máximo). La tecnología alcalina consta de un electrolito de, normalmente, KOH diluido, y presenta dinámicas más lentas que Ia tecnología PEM, pero existen electrolizadores de más potencia con esta tecnología (pueden llegar al orden de megavatios).
Estas tecnologías han sido probadas, en diversos proyectos, tales como el liderado por NREL "Renewable Electrolysis Integrated
System Development and Testing", y el liderado por Ia IEA "Solar- Wasserstoff-Bayern Hydrogen Demonstration Project".
Sin embargo, ninguna de estas tecnologías es adecuada, por sí sola, para su integración con instalaciones de energía eólica. El origen de esta problemática se basa en que el viento posee dinámicas muy rápidas y por tanto Ia potencia eólica generada también posee dichas dinámicas rápidas.
Además, teniendo en cuenta que Ia potencia de un parque eólico es típicamente de varias decenas de megavatíos, Ia aportación de electrolizadores de una sola tecnología, no cubriría las necesidades del sistema en cuanto a potencia y dinámica requerida.
Por otro lado, en estos últimos años se está prestando una atención creciente a cuestiones asociadas a Ia producción de energía, tales como, Ia dependencia energética de fuentes fósiles, emisiones de gases de efecto invernadero y su impacto en el cambio climático, Ia contaminación del medio y, en resumen, Ia sostenibilidad del sistema energético actual.
En este contexto, las energías renovables se alzan como un actor fundamental, ya que proveen a Ia sociedad de energía para satisfacer sus necesidades al utilizar como energía primaria fuentes renovables, sostenibles y no contaminantes.
La desventaja de las tecnologías de generación de electricidad a partir de fuentes renovables, frente a las tecnologías tradicionales, es Ia variabilidad en Ia disponibilidad del recurso energético renovable, como el eólico o solar, y por tanto, Ia limitada capacidad de gestión de esta energía.
Actualmente, a causa de estas limitaciones, los operadores de red están imponiendo restricciones a Ia implantación de nuevas plantas de generación de energía renovable, como parques eólicos o plantas fotovoltaicas.
Para evitar estas restricciones y conseguir que las plantas de generación eléctrica renovable alcancen mayores índices de penetrabilϊdad en el sistema eléctrico, es necesario aportar soluciones que permitan hacer más gestionables estas fuentes de energía. Como solución a los problemas descritos previamente, se presenta un novedoso sistema de producción eléctrica e hidrógeno.
La presente invención incorpora un dispositivo híbrido de diferentes tecnologías de electrólisis, con respuestas dinámicas diferentes, que permite absorber las fluctuaciones de Ia potencia eléctrica generada debidas a Ia variabilidad del recurso eólico, - A - suavizando y/o eliminando las fluctuaciones de Ia potencia eléctrica evacuada a Ia red.
Otra ventaja de Ia invención es que mediante Ia utilización de electrolizadores de distintas tecnologías, se cubren las necesidades del sistema en cuanto a potencia y dinámica requerida.
Además, se mejora el proceso global, al disponer de varias tecnologías de electrolizadores que aportan distintas características que pueden ser usadas según corresponda.
Una ventaja adicional del uso del dispositivo híbrido de electrolizadores de diferente dinámica, es que éstos pueden operar como cargas de distinto rango de potencia en cada momento y con distintas dinámicas y así pueden servir de regulación de Ia potencia de salida del parque eólico o de un aerogenerador en particular.
Una ventaja más, es que el uso de dos tecnologías de electrolizadores, con dinámicas de respuesta y capacidad de potencia diferentes, permite el control de Ia frecuencia del sistema eléctrico, actuando Ia tecnología de dinámica rápida como reserva de potencia primaria (en el rango de los segundos) y Ia de dinámica lenta como reserva de potencia secundaria (actuación en el orden de los minutos). Debido a Ia utilización de dos tecnologías de electrólisis diferentes, con dinámicas de respuesta y capacidad de potencia distintas, es posible adecuar Ia potencia eléctrica evacuada a Ia red a los requerimientos de gestión de planta marcados por el operador del sistema eléctrico, tales como reserva de potencia activa, regulación de potencia reactiva, control de huecos, así como regulación primaria y secundaria.
Se presenta por tanto una invención que permite solucionar los problemas derivados de Ia variabilidad del recurso eólico, aumentando considerablemente Ia capacidad de gestión del parque eólico, de forma que permite operarlo de forma similar a las centrales de generación eléctrica convencionales, cumpliendo los requerimientos de los operadores de red. De esta manera se contribuye además al incremento de Ia penetración de las energías renovables en Ia red eléctrica. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN. De acuerdo con los antecedentes considerados, en la presente memoria se describe un sistema de producción de energía eléctrica e hidrógeno, basado en el aprovechamiento de Ia energía eólica, de uno o varios aerogeneradores, e incorporando medios (electrolizadores) de producción de hidrógeno, de forma que el sistema incorpora un dispositivo híbrido de electrolizadores, constituido por la combinación de, al menos, dos distintas tecnologías de electrólisis y al menos un controlador que gestiona Ia producción de hidrógeno entre los electrolizadores de distinto tipo de tecnología, y/o los consumos de los electrolizadores para ajustar a las necesidades impuestas o determinadas por Ia red, de manera que los electrolizadores son de un primer tipo de tecnología con dinámica rápida y de un segundo tipo de tecnología con dinámica sustancialmente más lenta, siendo Ia energía eléctrica consumida por el dispositivo híbrido de electrolizadores Ia adecuada para absorber las fluctuaciones de potencia eléctrica generada, suavizando y/o eliminando las fluctuaciones de Ia potencia eléctrica evacuada a Ia red.
Así, el dispositivo híbrido de electrolizadores, combinación de varias tecnologías de hidrólisis, esta constituido por Ia combinación de, al menos, un electrolizador de cada tipo de tecnologías de hidrólisis.
Asimismo, el sistema podrá incorporar uno o varios controladores que repartan Ia producción de hidrógeno entre los electrolizadores de distinto tipo de tecnología. Dicho controlador puede estar integrado en el dispositivo híbrido de electrolizadores o ser independiente del mismo.
El uso de un dispositivo híbrido de electrolizadores con diferente dinámica y capacidad de potencia permite operar los electrolizadores como cargas controladas de distinto rango de potencia en cada momento y con distintas dinámicas y pueden servir de regulación para Ia salida de potencia del parque eólico o de un aerogenerador en particular.
Así, mediante los electrolizadores de distinto tipo de tecnología, relativos al dispositivo híbrido de electrolizadores, se gestiona Ia potencia del sistema, siendo Ia potencia de salida del sistema independiente de Ia potencia de salida de el/los aerogeneradores.
Igualmente, el reparto de Ia producción y Ia variación adecuada de Ia consigna de funcionamiento del electrolizador de dinámica rápida y del electrolizador de dinámica lenta permite al conjunto participar en el control de frecuencia del sistema eléctrico, actuando Ia tecnología de dinámica rápida como reserva de potencia primaria (en el rango de los segundos) y Ia de dinámica lenta como reserva de potencia secundaria (actuación en el orden de los minutos).
Es decir, el dispositivo híbrido de electrolizadores permite disponer de una reserva de potencia activa en base al consumo eléctrico de el/los electrolizadores de tecnología de dinámica rápida y otra reserva de potencia activa debida al consumo eléctrico de el/los electrolizadores de tecnología de dinámica sustancialmente más lenta.
Dado que Ia tecnología de dinámica rápida permite variaciones más rápidas de Ia carga, pero de una menor capacidad de potencia, Ia reserva de potencia activa debida a los electrolizadores de dinámica rápida será Ia utilizada para realizar regulación primaria. Los electrolizadores de dinámica rápida actuarán como una carga controlada, aumentando o disminuyendo Ia carga en función de los requerimientos de control de Ia frecuencia del operador eléctrico.
Por otro lado, serán los electrolizadores de tecnología sustancialmente más lenta, con una mayor potencia, pero una menor capacidad de variación de su carga, los que se encarguen de realizar Ia regulación secundaria de acuerdo a los requerimientos que Ie imponga el operador de Ia red.
El dispositivo híbrido de electrolizadores, de distinto tipo de tecnología, puede incorporar elementos de conversión que usen el hidrógeno generado por el dispositivo híbrido de electrolizadores para producir electricidad, ya sea sólo con hidrógeno o con una combinación de fluidos/gases que incluya el hidrógeno y ya sea mediante sistemas de combustión, generación mecánica, hidráulica u otros sistemas de transferencia de energía, y Ia viertan a Ia salida de potencia del sistema eólico y/o a Ia red.
Por otra parte, los elementos de conversión pueden ser pilas de combustible, motor de combustión interna y/o turbinas de gas que usen el hidrógeno generado para producir electricidad y Ia viertan a Ia salida de potencia del sistema eólico y/o a Ia red.
Al menos, uno de los electrolizadores del dispositivo híbrido de electrolizadores puede ser reversible teniendo Ia capacidad de producir energía, actuando como generador de potencia.
Hay que añadir que Ia reconversión de hidrógeno en electricidad, además de Ia electricidad genera una corriente de calor. Así pues en el proceso de producción de electricidad en los elementos de reconversión, el calor producido es aprovechado a través del calentamiento de agua, por un cambiador de calor para producción de energía calorífica y/o una máquina de absorción para producción de frío.
Así, se puede aumentar Ia eficiencia del sistema debido al mayor rendimiento de las pilas de combustible y con Ia incorporación de un sistema de cogeneración. Asimismo, el sistema puede incorporar una planta desalinizadora utilizando parte del agua desalinizada para alimentar el dispositivo híbrido de electrolizadores, teniendo especial relevancia para aplicaciones "offshore" (aplicaciones en el mar), tanto cerca de Ia costa como lejos de ella, de manera que en zonas cercanas a Ia costa el agua podrá ser usada para el consumo.
Si Ia potencia de generación del sistema eólico es superior a Ia potencia de evacuación eléctrica de Ia red, Ia energía sobrante se utiliza para producción de hidrógeno.
El control y electrónica de potencia asociado al dispositivo híbrido de electrolizadores y elementos de conversión, otorga al sistema eólico Ia capacidad de arrancar en ausencia de tensión en Ia red, mediante síntesis de una tensión de referencia y suministro de energía a los elementos de arranque.
La posibilidad de arrancar en ausencia de tensión en Ia red, también denominada "capacidad de arranque en negro" o "blackstart capability", viene determinada por las necesidades de energía del parque eólico para su funcionamiento y condiciona su capacidad de energizar una red eléctrica que haya perdido Ia tensión.
Esta posibilidad resulta de gran interés para, por ejemplo, contribuir a Ia recuperación de un sistema eléctrico que haya podido sufrir una incidencia conducente a Ia ausencia total de energía en el mismo.
La flexibilidad de Ia energía eólica para variar rápidamente su producción Ia convierte en una fuente de energía especialmente apropiada para ello, ya que en los primeros instantes de re-energización de Ia red se producen variaciones rápidas en Ia potencia demandada que las plantas conectadas en ese momento deben modular.
El controlador o controladores del dispositivo híbrido de electrolizadores considera variables que influyen en el rendimiento de cada uno de los electrolizadores que Io componen, como Ia temperatura del módulo del electrolito, temperatura ambiente, presión y/o concentración del electrolito, o todas aquellas que influyan en el rendimiento y vida de los electrolizadores, de manera que con ello se trata de optimizar el rendimiento del dispositivo híbrido de electrolizadores.
Para Ia producción o consumo de potencia reactiva se emplea electrónica de potencia asociada al dispositivo híbrido de electrolizadores. De manera que Ia intensidad cedida o absorbida tenga el desfase adecuado respecto a Ia onda de tensión, consiguiendo así ceder o absorber potencia reactiva a Ia red, en función de Ia consigna de control.
Para realizar un control dinámico de tensión en el punto de conexión mediante Ia producción o consumo de potencia reactiva se emplea electrónica de potencia asociada al dispositivo híbrido de electrolizadores.
Mediante Ia electrónica de potencia asociada al dispositivo híbrido de electrolizadores se colabora en el restablecimiento rápido de Ia tensión, en el caso de un hueco de tensión, mediante Ia generación de potencia reactiva, mediante Io cual se garantizan variaciones progresivas en Ia tensión y compartir el uso de los componentes con varios propósitos reduciendo sus costes de amortización.
En el caso de un evento de red se interrumpe Ia producción de hidrógeno de algunos electrolizadores relativos al dispositivo híbrido de electrolizadores, empleando toda Ia capacidad de su electrónica de potencia para colaborar en el restablecimiento de Ia red. Por el contrario, en Ia actualidad, Ia mayoría de los parques eólicos dependen del suministro eléctrico para mantener activos sus sistemas auxiliares y de control que les permiten conectarse a Ia red y evacuar su energía por Io que no son capaces de funcionar contra una red que carezca de señal de tensión.
Así, mediante el uso de Ia electrónica de potencia del dispositivo híbrido de electrolizadores y/o de los dispositivos de reconversión de Ia planta es posible proporcionar a los sistemas auxiliares Ia energía necesaria para empezar a funcionar, así como sintetizar Ia señal de tensión necesaria en cada instante para una correcta recuperación del sistema aportando o absorbiendo potencia reactiva según se requiera.
Igualmente, Ia hibridación de tecnologías de electrólisis incrementa Ia flexibilidad del conjunto facilitando Ia estabilidad de Ia recuperación-
La electrónica de potencia asociada al dispositivo híbrido de electrolizadores puede estar integrada en Ia electrónica de potencia de Ia máquina (aerogenerador).
El/Ios electrolizadores relativos al dispositivo híbrido de electrolizadores del tipo de tecnología de dinámica rápida puede ser de tecnología PEM (Protón Exchange Membrana).
El/Ios electrolizadores relativos al dispositivo híbrido de electrolizadores del tipo de tecnología de dinámica sustancia I mente más lenta puede ser de tecnología alcalina. El dispositivo híbrido de electrolizadores puede comprender cualquier combinación de electrolizadores de distintas tecnologías dispuestos en serie y/o en paralelo.
Todo Io descrito anteriormente puede utilizarse en sistemas eléctricos aislados de Ia red, de manera que Ia hibridación de tecnologías de electrolizadores ayude a Ia gestión del sistema aislado, así como a hacer al sistema más eficiente.
Del mismo modo, Io descrito en Ia presenta invención es válido para cualquier tipo de energía renovable, o combinación de alguna de ellas, como energía solar termoeléctrica de media o alta temperatura (tales como el sistema de focalización de energía solar con - TO - elementos cilindro parabólicos, o tal como las centrales solares de heliostatos y focalización de Ia energía solar en torre), energía solar fotovoltaica, hidráulica, energía de las mareas, energía de las olas, energía de las corrientes marinas, energía geotérmica, y energía eólica, tanto en tierra como "offshore".
Para complementar Ia descripción que seguidamente se va a realizar, y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de Ia invención, se acompaña a Ia presente memoria descriptiva, de un juego de planos, en cuyas figuras de forma ilustrativa y no limitativa, se representan los detalles más característicos de Ia invención.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DISEÑOS. Figura 1. Muestra un esquema general del sistema objeto de Ia invención, pudiendo observar unos aerogeneradores, Ia electrónica de potencia, el dispositivo híbrido de electrolizadores y el controlador.
Figura 2. Muestra un esquema del sistema objeto de Ia invención dotado de varios electrolizadores y con un convertidor de potencia que alimenta a los distintos electrolizadores de diferente dinámica. Figura 3. Muestra un esquema del sistema objeto de Ia invención dotado de varios electrolizadores, según una ejecución con el generador doblemente alimentado y con el convertidor con una salida de continua para los electrolizadores.
Figura 4. Muestra un esquema del sistema objeto de Ia invención dotado de varios electrolizadores, con, al menos, un electrolizador reversible, y por tanto, pudiendo verter energía a Ia red.
Figura 5. Muestra un esquema del sistema objeto de Ia invención dotado de varios electrolizadores, provisto de elementos de conversión, que son alimentados por hidrógeno, y producen electricidad y calor, y que Ia electricidad puede ser inyectada en red.
Figura 6. Muestra un esquema de funcionamiento del sistema completo, en el que existen momentos en los que los electrolizadores actúan como carga para regulación de potencia en los instantes de exceso de potencia, y además, los elementos de conversión suministran energía en los momentos de déficit. Figura 7. Muestra un esquema de una fuente de corriente continua y un convertidor de electrónica de potencia de un Compensador Síncrono Estático (STATCOM).
Figura 8. Muestra un esquema de control general del sistema. Figura 9. Regulación secundaría.
Figura 10. Regulación primaria. Figura 11. Regulación total.
Figura 12. Regulación combinada de los electrolizadores frente a Ia producción eléctrica del parque eólico. DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERENTE.
A Ia vista de las comentadas figuras y de acuerdo con Ia numeración adoptada podemos observar como, de forma general, tal como se representa en Ia figura 1 de los diseños, un sistema para Ia producción de energía e hidrógeno puede estar constituido por, al menos, un aerogenerador 1 conectado a través de una electrónica de potencia 2 con el dispositivo híbrido de electrolizadores 3, formado por, al menos, un electrolizador de tecnología de dinámica rápida y de tecnología de dinámica, sustancialmente, más lenta, y estando supervisado por el controlador 4. Así, el sistema incorpora un dispositivo híbrido de electrolizadores 3, constituido por Ia combinación de, al menos, un electrolizador 5 y 6 de dos distintas tecnologías de electrólisis y un controlador 4 que reparte Ia producción de hidrógeno entre los electrolizadores 5 y 6 de distinto tipo de tecnología, de manera que los electrolizadores 5 son de un primer tipo de tecnología con dinámica rápida y los electrolizadores 6 son de un segundo tipo de tecnología con dinámica sustancialmente más lenta, siendo Ia energía eléctrica consumida por el dispositivo híbrido de electrolizadores 3 Ia adecuada para absorber las fluctuaciones de potencia eléctrica generada, suavizando y/o eliminando las fluctuaciones de Ia potencia eléctrica evacuada a Ia red.
La forma de repartir Ia producción de hidrógeno entre las distintas tecnologías de electrolizadores se basa en atribuir las variaciones de potencia bruscas a Ia tecnología de dinámica rápida, y las variaciones suaves a Ia tecnología de dinámica sustancialmente más lenta.
Tal y como se puede ver en Ia figura 8, el controlador 4 toma en consideración las variables de estado 9 de los electrolizadores (variables que influyen en el rendimiento y vida útil de los electrolizadores) a Ia hora de repartir Ia producción de hidrógeno entre el/los electrolizadores de dinámica rápida 5 y el/los electrolizadores de dinámica sustancialmente más lenta 6, a fin de preservar su vida útil y maximizar su rendimiento. Además el controlador 4 controla que no se sobrepasen los límites del máximo de evacuación eléctrica 10 y de producción de hidrógeno, determinado por Ia potencia máxima 11 de cada uno de los electrolizadores. A su vez, el controlador 4, recibe consignas de producción 12 (eléctrica y/o de hidrógeno) fijadas por criterios internos (eliminación de fluctuaciones en Ia salida del parque eólico) o de operación del sistema (reservas de potencia primaria/secundaria). El controlador 4 también puede tener en cuenta otras consignas 16. Con esta información, el controlador 4 reparte Ia energía entre Ia evacuada en forma de vector electricidad 13, y Ia energía para producción de hidrógeno 8, que reparte a su vez entre el/los electrolizadores de dinámica rápida 5 y el/los electrolizadores de dinámica sustancialmente más lenta 6 en función de Ia potencia entrante en el parque. Además, el controlador 4 tiene en cuenta Ia electricidad evacuada en forma de vector electricidad 13, y Ia producción de hidrógeno de cada uno de los electrolizadores, a modo de información realimentada. Como se puede ver en Ia figura 9, con Ia producción 14 del electrolizador de dinámica sustancialmente más lenta, mediante el establecimiento de una consigna de producción media 15 inferior a Ia potencia máxima del electrolizador 11 de dinámica sustancialmente más lenta, se crea una "reserva de potencia" que proporciona un margen de regulación permitiendo al dispositivo de electrólisis variar su producción de manera que contribuya al control secundario de frecuencia del sistema eléctrico.
Como se puede ver en Ia figura 10, con Ia producción 17 del electrolizador de dinámica rápida, mediante el establecimiento de una consigna de producción media 15 inferior a Ia potencia máxima del electrolizador 11 de dinámica rápida, se crea una "reserva de potencia" que proporciona un margen de regulación permitiendo al dispositivo de electrólisis variar su producción de manera que contribuya al control primario de frecuencia del sistema eléctrico. En Ia figura 11 se puede ver el resultado de Ia suma de Ia producción del electrolizador de dinámica rápida y del electrolizador de dinámica sustancialmente más lenta.
En Ia figura 12, se muestra cómo Ia combinación de Ia regulación realizada por el electrolizador de dinámica rápida y por el electrolizador de dinámica sustancialmente más lenta permite al conjunto proporcionar un consumo combinado 17 de mayor variabilidad y que junto a una producción eléctrica del parque eólico 18 y junto a necesidades del sistema, se produce una salida del sistema de producción de energía global 13 adecuada a los requerimientos. Estas variaciones de Ia consigna de funcionamiento del electrolizador de dinámica rápida y del electrolizador de dinámica lenta, permite al conjunto participar en el control de frecuencia del sistema eléctrico, actuando Ia tecnología de dinámica rápida como reserva de potencia primaria (en el rango de los segundos) y Ia de dinámica sustancialmente más lenta como reserva de potencia secundaria
(actuación en el orden de los minutos).
En una realización preferente el/los electrolizadores de tecnología dinámica rápida son de Ia tecnología PEM, y el/los electrolizadores de tecnología dinámica sustancialmente más lenta son de Ia tecnología alcalina.
Es decir, el dispositivo híbrido de electrolizadores, de distinto tipo de tecnología, permite disponer de una reserva de potencia activa en base al consumo eléctrico de el/los electrolizadores de tecnología PEM (Protón Exchange Membrane) con Ia que se realizará regulación primaria y otra reserva de potencia activa debida al consumo eléctrico de el/los electrolizadores de tecnología alcalina con Ia que se realizará regulación secundaria.
Será el controlador 4 el que en función de los requerimientos del operador de red o de requerimientos internos, controle aumentando o disminuyendo Ia producción de hidrógeno de los electrolizadores de distinto tipo de tecnología de forma que por un lado se eliminen las fluctuaciones de Ia potencia evacuada a Ia red, y por otro se mantenga una reserva de potencia activa que se utilice para responder a los requerimientos de regulación primaria y secundaria del operador de red en todo momento.
Para implementar este funcionamiento, Ia consigna de potencia activa de salida del parque eólico será inferior a Ia capacidad de evacuación del parque eólico. De este modo, se garantiza una reserva de potencia activa, que será gestionada por el controlador 4, de manera que Ia potencia resultante de sumar Ia reserva de potencia activa y Ia potencia variable por encima de Ia capacidad de evacuación del parque eólico sea repartida entre los electrolizadores de distinta tecnología del dispositivo híbrido, de acuerdo a los criterios antes mencionados. Mediante los electrolizadores 5 y 6 de distinto tipo de tecnología, relativos al dispositivo híbrido de electrolizadores 3, se gestiona Ia potencia del sistema, siendo Ia potencia de salida del sistema independiente de Ia potencia de salida de el/los aerogeneradores. El dispositivo híbrido de electrolizadores 3 de distinto tipo de tecnología, puede incorporar elementos de conversión 7 que usen el hidrógeno 8 generado para producir electricidad y Ia viertan a Ia salida de potencia del sistema eólico y/o a Ia red.
Los elementos de conversión 7 pueden ser pilas de combustible, motor de combustión interna y/o turbinas de gas que usen el hidrógeno generado para producir electricidad y Ia viertan a Ia salida de potencia del sistema eólico y/o a Ia red.
En una realización preferente, como se puede ver en Ia figura 2, los electrolizadores 5 y 6, de distinta tecnología dinámica, están alimentados a través de una electrónica de potencia 2 común para todos los electrolizadores, estando todo el sistema gobernado mediante un controlador 4, que a partir de Ia potencia generada por el parque eólico o el aerogenerador 1, las medidas de viento, Ia tensión en el punto de conexión (control de tensión y soporte de huecos), Ia frecuencia (control de frecuencia) y las características operativas de los electrolizadores (temperatura de módulo del electrolito, temperatura ambiente, presión, y/o concentración del electrolito) calcula Ia potencia eléctrica activa a transformar en hidrógeno y Ia potencia reactiva a producir. Dicha potencia activa es repartida entre los electrolizadores 5 y 6 de distinta tecnología dinámica, en función de las características de cada electrolizador. Y, también, en función de las necesidades del sistema eléctrico.
La producción de potencia reactiva es también repartida entre los elementos de conversión 7. En situaciones normales Ia capacidad de dichos elementos de conversión 7 es usada preferentemente para Ia producción de energía activa, suavizando y/o eliminando las fluctuaciones de potencia evacuada a Ia red, pudiéndose emplear Ia capacidad restante para Ia generación de reactiva. Sin embargo en eventos de red como huecos de tensión, tensiones o frecuencias fuera de los rangos normales de funcionamiento Ia capacidad del convertidor será empleada de manera prioritaria para dar soporte a Ia red.
En una realización preferente, Ia electrónica de potencia 2 que comparten los electrolizadores 5 y 6 del dispositivo híbrido de electrolizadores 3 se aprovecha de Ia salida de continua de un aerogenerador 1 doblemente alimentado, tal y como se muestra en Ia figura 3.
Se toma como caso particular el aerogenerador doblemente alimentado, sin embargo esta realización puede llevarse a cabo con cualquier tipo de aerogenerador.
Asimismo, alguno de los electrolizadores 5 ó 6 pertenecientes al dispositivo híbrido de electrolizadores 3 es reversible y, por tanto, en ciertos instantes, verte energía a Ia salida de potencia del sistema, por reconversión del hidrógeno en energía eléctrica.
Igualmente, el sistema incorpora elementos de conversión 7 de hidrógeno en energía eléctrica, por Io que éstos pueden verter Ia energía producida a Ia salida de potencia del sistema.
Por otra parte, el controlador 4 puede gestionar Ia energía de forma que, tal y como se puede observar en el esquema de Ia figura 6, en momentos de exceso de producción de energía, se destina la energía sobrante a Ia producción de hidrógeno 8, y en momentos deficitarios de energía se reconvierte a través de los elementos de conversión 7 el hidrógeno en energía eléctrica. Así se tiene una energía entregada a Ia red totalmente controlada por el sistema, transformando en gestionable el conjunto.
En el proceso de producción de electricidad, a partir del hidrógeno 8 almacenado, en elementos de reconversión, el calor producido es aprovechado a través del calentamiento de agua, por un cambiador de calor para producción de energía calorífica y/o una máquina de absorción para producción de frío.
El sistema puede incorporar una planta desalinizadora utilizando parte del agua desalinizada para alimentar el dispositivo híbrido de electrolizadores 3. Si Ia potencia de generación del sistema eólico es superior a
Ia potencia de evacuación eléctrica de Ia red, Ia energía sobrante se utiliza para producción de hidrógeno, Io que implica una mejora de Ia rentabilidad del sistema y un mayor aprovechamiento del recurso eólico. El control y electrónica de potencia asociado al dispositivo híbrido de electrolizadores 3 y elementos de conversión 7, otorga al sistema eólico Ia capacidad de arrancar en ausencia de tensión en Ia red, mediante síntesis de una tensión de referencia y suministro de energía a los elementos de arranque. Asimismo, en el control del dispositivo híbrido de electrolizadores 3 se incluyen variables que influyen en el rendimiento de cada uno de Io electrolizadores que Io componen, como Ia temperatura del módulo del electrolito, temperatura ambiente, presión y/o concentración del electrolito. Para Ia producción o consumo de potencia reactiva se emplea electrónica de potencia 2 asociada al dispositivo híbrido de electrolizadores 3. De manera que Ia intensidad cedida o absorbida tenga el desfase adecuado respecto a Ia onda de tensión, consiguiendo así ceder o absorber potencia reactiva a Ia red, en función de Ia consigna de control. Asimismo, para realizar un control dinámico de tensión en el punto de conexión mediante Ia producción o consumo de potencia reactiva se emplea electrónica de potencia asociada al dispositivo de electrolizadores. Mediante Ia electrónica de potencia 2 asociada al dispositivo híbrido de electrolizadores 3 se colabora en el restablecimiento rápido de Ia tensión, en el caso de un hueco de tensión, mediante Ia generación de potencia reactiva, de manera que en el caso de un evento de red se interrumpe Ia producción de hidrógeno de algunos electrolizadores relativos al dispositivo híbrido de electrolizadores, empleando toda Ia capacidad de su electrónica de potencia para colaborar en el restablecimiento de Ia red.
Así, tal como hemos indicado, Ia posibilidad de arrancar en ausencia de tensión en Ia red, también denominada "capacidad de arranque en negro" o "blackstart capability" viene determinada por las necesidades de energía del parque eólico para su funcionamiento y condiciona su capacidad de energizar una red eléctrica que haya perdido Ia tensión.
Esta posibilidad resulta de gran interés para, por ejemplo, contribuir a Ia recuperación de un sistema eléctrico que haya podido sufrir una incidencia conducente a Ia ausencia total de energía en el mismo. La flexibilidad de Ia energía eólica para variar rápidamente su producción Ia convierte en una fuente de energía especialmente apropiada para ello, ya que en los primeros instantes de re-energización de Ia red se producen variaciones rápidas en Ia potencia demandada que las plantas conectadas en ese momento deben modular.
La electrónica de potencia 2 del dispositivo híbrido de electrolizadores 3 podría presentar una funcionalidad equivalente a Ia de un STATCOM "Compensador Síncrono Estático" enmarcado en los equipos de electrónica de potencia dedicados al control de tensiones, los cuales se componen habitualmente de una fuente de corriente continua y un convertidor de electrónica de potencia, según el esquema mostrado en Ia figura 7.
Su nombre proviene de sus funcionalidades, similares a Ia de un condensador síncrono, pero presenta ventajas frente a este último derivadas de su carácter estático. Es decir, no incorpora partes móviles sino únicamente elementos de electrónica de potencia por Io que carece de inercias y es capaz de reaccionar con mayor rapidez que el primero cara a proporcionar: • Control dinámico de tensiones: Mediante Ia inyección de potencia reactiva en función de las consignas del control del dispositivo se modifica Ia tensión de Ia red hasta el valor deseado de manera dinámica y no discreta como en el caso de baterías de condensadores/inductancias. • Amortiguamiento de oscilaciones de potencia: La rapidez de respuesta del dispositivo y su capacidad de almacenar energía activa en el lado de corriente continua permite que actúe durante las faltas aparecidas en el sistema amortiguando las oscilaciones que puedan producirse y ayudando a su recuperación.
• Mejora del margen dinámico de tensiones: El mayor control ejercido sobre las tensiones permite ampliar el rango admisible desde el punto de vista de seguridad dinámica de tensiones, ya que reduce el margen de seguridad necesario.
• Capacidad de controlar potencia reactiva y activa: Mediante Ia conversión de corriente alterna a continua y viceversa se puede controlar Ia producción de potencia reactiva para controlar Ia tensión en el punto de conexión y almacenar energía activa en el dispositivo de corriente continua.
En Ia construcción habitual de estos equipos se emplea como fuente de corriente continua un condensador que se carga a través del convertidor electrónico hasta el valor deseado. En esta disposición el almacenamiento de energía se ve limitado por Ia capacidad del condensador por Io que únicamente es posible emplearlo como "buffer" de pequeñas cantidades. Además, el alto coste de Ia electrónica de potencia asociada, limita Ia rentabilidad de las soluciones comercialmente disponibles y su implantación. No obstante, en Ia solución propuesta, Ia utilización de Ia electrónica de potencia asociada a los electrolizadores y elementos de reconversión permitiría aumentar el volumen del almacenamiento de potencia activa en forma de hidrógeno y reducir el coste específico de los convertidores al repartirlo entre diferentes equipos. Todo Io descrito anteriormente puede utilizarse en sistemas eléctricos aislados de Ia red, de manera que Ia hibridación de tecnologías de electrolizadores ayude a Ia gestión del sistema aislado, así como puede hacer al sistema, más eficiente.
Finalmente, podemos indicar que todo Io referido a un sistema eólico es válido para cualquier otro sistema de energía renovable.
De esta forma, entre los diferentes tipos de energías renovables a las que se puede adaptar el sistema de producción de energía eléctrica e hidrógeno podemos citar, además de Ia eólica terrestre o marina, las siguientes:
• Ia energía solar de media o alta temperatura, tal como el sistema de focalización de energía solar con elementos cilindro parabólicos, o tal como las centrales solares de heliostatos y focalización de Ia energía solar en torre; • Ia energía solar fotovoltaica;
• Ia energía hidráulica;
• Ia energía de las mareas;
• Ia energía de las olas;
• Ia energía geotérmica, y; • Ia energía de las corrientes marinas.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S.
1a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E HIDRÓGENO, estando basado en el aprovechamiento de Ia energía renovable, tal como Ia eólica, de uno o varios aerogeneradores, e incorporando medios de producción de hidrógeno, caracterizado porque el sistema incorpora un dispositivo híbrido de electrolizadores, constituido por Ia combinación de, al menos, dos distintas tecnologías de electrólisis y al menos un controlador que reparte Ia producción de hidrógeno entre los electrolizadores de distinto tipo de tecnología, de manera que existe al menos, un primer tipo de tecnología de electrolizadores con dinámica rápida y, al menos, un segundo tipo de tecnología de electrolizadores con dinámica sustancialmente más lenta.
2a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E
HIDRÓGENO, según reivindicación 1a, caracterizado porque Ia energía eléctrica consumida por el dispositivo híbrido de electrolizadores suaviza y/o elimina las fluctuaciones de potencia eléctrica evacuada a Ia red.
3a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E HIDRÓGENO, según reivindicación 1a, caracterizado porque mediante los electrolizadores de distinto tipo de tecnología, relativos al dispositivo híbrido de electrolizadores, se gestiona Ia potencia del sistema, siendo Ia potencia de salida del sistema independiente de Ia potencia de salida de el/los aerogeneradores.
4a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E HIDRÓGENO, según reivindicación 1a, caracterizado porque el dispositivo híbrido de electrolizadores de distinto tipo de tecnología, incorpora elementos de conversión que usen el hidrógeno generado para producir electricidad y Ia viertan a Ia salida de potencia del sistema eólico y/o a Ia red. 5a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E
HIDRÓGENO, según reivindicación 4a, caracterizado porque los elementos de conversión son pilas de combustible, motor de combustión interna y/o turbinas de gas que usen el hidrógeno generado para producir electricidad y Ia viertan a Ia salida de potencia del sistema eólico y/o a Ia red. 6a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E HIDRÓGENO, según reivindicación 1a, caracterizado porque, al menos, uno de los electrolizadores del dispositivo híbrido de electrolizadores es reversible teniendo Ia capacidad de producir energía eléctrica (como elemento de reconversión), actuando como generador de potencia.
7a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E HIDRÓGENO, según reivindicaciones 4a, 5a o 6a, caracterizado porque en el proceso de producción de electricidad en los elementos de reconversión, a partir del hidrógeno almacenado, el calor producido es aprovechado a través del calentamiento de agua, por un cambiador de calor para producción de energía calorífica y/o una máquina de absorción para producción de frío.
8a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E HIDRÓGENO, según reivindicación 1a, caracterizado porque el sistema incorpora una planta desalinizadora utilizando parte del agua desalinizada para alimentar el dispositivo híbrido de electrolizadores.
9a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E
HIDRÓGENO, según reivindicación 1a, caracterizado porque si Ia potencia de generación del sistema eólico es superior a Ia potencia de evacuación eléctrica de Ia red Ia energía sobrante se utiliza para producción de hidrógeno.
10a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E HIDRÓGENO, según reivindicación 1a, caracterizado porque el dispositivo híbrido de electrolizadores tiene asociada una electrónica de potencia y control, que otorga al sistema eólico Ia capacidad de arrancar en ausencia de tensión en Ia red, mediante síntesis de una tensión de referencia y suministro de energía a los elementos de arranque.
11a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E HIDRÓGENO, según reivindicación 1a, caracterizado porque el controlador del dispositivo híbrido de electrolizadores toma en consideración variables que influyen en el rendimiento y/o en Ia vida de cada uno de los electrolizadores que Io componen.
12a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E HIDRÓGENO, según reivindicación 11a, caracterizado porque las variables pueden ser Ia temperatura del módulo del electrolito, temperatura ambiente, presión y/o concentración del electrolito, o todas aquellas que influyan en el rendimiento y vida de los electrolizadores.
13a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E HIDRÓGENO, según reivindicación 1a, caracterizado porque el dispositivo híbrido de electrolizadores tiene asociada una electrónica de potencia para Ia producción o consumo de potencia reactiva.
14a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E HIDRÓGENO, según reivindicación 13a, caracterizado porque el dispositivo híbrido de electrolizadores tiene asociada una electrónica de potencia para realizar un control dinámico de tensión en el punto de conexión.
15a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E HIDRÓGENO, según reivindicación 13a, caracterizado porque el dispositivo híbrido de electrolizadores tiene asociada una electrónica de potencia mediante Ia que se colabora en el restablecimiento rápido de Ia tensión, en el caso de un hueco de tensión, generando potencia reactiva.
16a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E HIDRÓGENO, según reivindicaciones 13a ó 15a, caracterizado porque en el caso de un evento de red se interrumpe la producción de hidrógeno de al menos un electrolizador relativo al dispositivo híbrido de electrolizadores, empleando toda Ia capacidad de su electrónica de potencia para colaborar en el restablecimiento de Ia red. 17a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E
HIDRÓGENO, según reivindicación 1a, caracterizado porque Ia electrónica de potencia asociada al dispositivo híbrido de electrolizadores está integrada en Ia electrónica de potencia de Ia máquina (aerogenerador). 18a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E
HIDRÓGENO, según reivindicación 1a, caracterizado porque el/los electrolizadores relativos al dispositivo híbrido de electrolizadores del tipo de tecnología de dinámica rápida es de tecnología PEM (Protón Exchange Membrane). 19a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E HIDRÓGENO, según reivindicación 1a, caracterizado porque el electrolizador/es relativos al dispositivo híbrido de electrolizadores del tipo de tecnología de dinámica sustancialmente más lenta es de tecnología alcalina. 20a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E
HIDRÓGENO, según reivindicación 1a, caracterizado porque el dispositivo híbrido de electrolizadores comprende cualquier combinación de electrolizadores de distintas tecnologías dispuestos en serie y/o en paralelo. 21a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E
HIDRÓGENO, según reivindicación 1a, caracterizado porque el controlador forma parte del dispositivo híbrido de electrolizadores.
22a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E
HIDRÓGENO, según reivindicación 1a, caracterizado por disponer de una reserva de potencia activa en base al consumo eléctrico de electrolizadores de dinámica rápida y/o por disponer de una reserva de potencia activa en base al consumo eléctrico de los electrolizadores de dinámica sustancialmente más lenta.
23a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E HIDRÓGENO, según reivindicación 22a, caracterizado porque Ia reserva de potencia activa debida los electrolizadores de dinámica rápida es utilizada para realizar regulación primaria.
24a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E
HIDRÓGENO, según reivindicación 22a, caracterizado porque Ia reserva de potencia activa debida los electrolizadores de dinámica sustancialmente más lenta es utilizada para realizar regulación secundaria.
25a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E
HIDRÓGENO, según reivindicación 22a, caracterizado porque el controlador del dispositivo híbrido, aumenta o disminuye las reservas de potencia activa.
26a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E
HIDRÓGENO, según reivindicación 25a, caracterizado porque Ia reserva de potencia activa se varía en función de los requerimientos del operador de Ia red eléctrica o en función de requerimientos internos. 27a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E HIDRÓGENO, según reivindicación 1a, caracterizado porque el controlador varía Ia consigna de funcionamiento proporcionada al electrolizador de dinámica rápida, de manera que el conjunto del sistema es capaz de aportar a Ia red eléctrica reserva de potencia primaria, en el rango de los segundos contribuyendo al control de frecuencia del mismo.
28a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E HIDRÓGENO, según reivindicación 1a, caracterizado porque el controlador varía Ia consigna de funcionamiento proporcionada al electrolizador de dinámica sustancialmente más lenta de manera que el conjunto del sistema es capaz de aportar a Ia red eléctrica reserva de potencia secundaria, en el rango de los minutos contribuyendo al control de frecuencia del mismo. 29a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E
HIDRÓGENO, según reivindicación 1a, caracterizado porque el controlador establece consignas de producción de hidrógeno a los electrolizadores de distinta tecnología de manera que Ia potencia de salida de Ia planta es inferior a su límite de evacuación. 30a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E
HIDRÓGENO, según reivindicación 29a, caracterizado porque Ia diferencia entre Ia potencia de salida de Ia planta y su límite de evacuación proporciona un margen de regulación al sistema para participar en los servicios de reserva primaria y secundaria demandados por el sistema eléctrico.
31a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E HIDRÓGENO, según reivindicación 1a, caracterizado porque el controlador establece consignas de producción de hidrógeno a los electrolizadores de distinta tecnología inferior a su límite máximo de producción de hidrógeno proporcionando un margen de regulación al sistema para participar en los servicios de reserva primaria y secundaria demandados por el sistema eléctrico
32a.- SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA E HIDRÓGENO, según reivindicación 1a, caracterizado porque el dispositivo híbrido de electrolizadores se utiliza en un sistema eléctrico aislado de Ia red.
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