Sistema de producción de hidrógeno para la regulación de potencia en centrales eléctricas basadas en energías renovables, y un procedimiento de regulación.

Destaca fundamentalmente por estar constituido a partir de una configuración jerarquizada de unidades de electrolisis (5),

operadas de forma independiente, y cuyas potencias son descendientes de tal manera que, para una unidad cualquiera del sistema, la suma de las potencias de las unidades de electrolisis (5) menores es siempre mayor o igual que la "banda muerta" (BM) de dicha unidad, permitiendo reducir hasta niveles despreciables la banda muerta de dicho sistema producción de hidrógeno (4), y evitando la pérdida o vertido de energía producida en dichas centrales de energías renovables, preferentemente uno o varios parques eólicos (2) formados por una serie de aerogeneradores (1), conectadas a la red (3) eléctrica como consecuencia de la implementación de un servicio de regulación primaria en las mismas, o en general de cualquier otro servicio de regulación de potencia activa, optimizando de este modo la energía total obtenida.

Sistema de producciïn de hidrïgeno para la regulaciïn de potencia en centrales elïctricas basadas en energïas renovables, y un procedimiento de regulaciïn 5

OBJETO DE LA INVENCIïN

La presente invenciïn pertenece al campo de las energïas renovables, y mïs concretamente, a sistemas de producciïn de hidrïgeno para la regulaciïn de potencia en centrales elïctricas.

El objeto principal de la presente invenciïn es un sistema de producciïn de hidrïgeno conectado a una o varias centrales elïctricas basadas en recursos renovables no gestionables, tales como parques eïlicos y plantas fotovoltaicas, con el objetivo de proporcionar servicios de regulaciïn de potencia para evitar pïrdidas de energïa y optimizar el tamaïo del sistema de producciïn de hidrïgeno. Asimismo, otro objeto de la invenciïn es un procedimiento de regulaciïn de la potencia entregada a la red elïctrica general.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIïN

Los sistemas eïlicos de producciïn de energïa elïctrica tienen por objeto convertir la energïa cinïtica del viento en energïa elïctrica y, en el caso de sistemas eïlicos conectados a una red elïctrica, verterla a la misma para su posterior transporte, distribuciïn y utilizaciïn.

En redes elïctricas con baja penetraciïn de sistemas eïlicos, los sistemas de regulaciïn que los operadores de dichas redes aplican al resto de unidades de generaciïn (centrales elïctricas convencionales) son en general suficientes para contrarrestar las fluctuaciones existentes en la potencia elïctrica inyectada por los parques eïlicos en la red. Estas fluctuaciones se producen, obviamente, por las variaciones propias de los recursos eïlicos. Sin embargo, conforme aumenta la penetraciïn de los sistemas eïlicos en la red, los operadores de la red requieren de dichos sistemas para participar en las operaciones de regulaciïn de la red, como en el caso de las centrales elïctricas convencionales.

Lo anteriormente expuesto es vïlido igualmente para cualquier sistema de generaciïn renovable que dependa de un recurso no gestionable, como es el caso de los sistemas fotovoltaicos y el recurso solar. Aunque en el texto de la invenciïn se alude prioritariamente a los sistemas eïlicos, debe entenderse en todo momento que es extensible a sistemas de generaciïn renovables con recursos energïticos no gestionables.

El mantenimiento del equilibrio entre la potencia activa, generada y consumida en las redes elïctricas actuales se realiza a travïs del mantenimiento de la frecuencia del sistema en su valor nominal (50 Hz en Europa, 60 Hz en Estados Unidos) . Cuando la potencia generada en el sistema excede la consumida, la frecuencia del sistema aumenta con respecto a su valor nominal al acelerarse los ejes mecïnicos de los alternadores sïncronos de las centrales. Por el contrario, cuando la potencia generada es menor que la consumida, la frecuencia disminuye, ya que los ejes de los alternadores sïncronos se frenan reduciendo su velocidad. Con objeto de compensar estos desvïos de frecuencia, ademïs de los correspondientes a la potencia activa, las centrales convencionales llevan implementados reguladores de potencia que responden a variaciones en el valor de la frecuencia de acuerdo con diversos procedimientos de regulaciïn de la frecuencia del sistema, tal como las regulaciones primaria, secundaria y terciaria.

La regulaciïn primaria permite restablecer el equilibrio entre las potencias activas generada y consumida en la red. La actuaciïn combinada de todas las unidades de generaciïn elïctrica en una red interconectada permite la compensaciïn rïpida de desfases entre potencias consumidas y generadas en cualquier punto de la red. En la mayorïa de las redes elïctricas, la legislaciïn obliga a las centrales convencionales a establecer una determinada capacidad de regulaciïn primaria. Esta regulaciïn consiste en la incorporaciïn de un controlador que permite aumentar o disminuir el valor de 50 referencia de potencia de la central de forma proporcional, y en sentido opuesto, a la variaciïn de frecuencia de la red, en base a una caracterïstica denominada estatismo. Esta caracterïstica es una lïnea recta descendiente sobre un plano de coordenadas en el que el eje horizontal se determina por la variaciïn de frecuencia con respecto a su valor nominal, en tïrminos porcentuales respecto de este valor, y el eje vertical por la variaciïn de potencia con que la central elïctrica debe responder en cada momento ante las correspondientes variaciones de frecuencia, tambiïn expresada dicha 55 variaciïn de potencia en tïrminos porcentuales respecto a la potencia nominal de la central. De este modo, el estatismo se determina al establecer el operador el valor mïximo de la variaciïn de frecuencia ante la que las centrales deben actuar, asï como la mïxima variaciïn de potencia con la que deben responder, con respecto al valor nominal de potencia, en un momento determinado. La regulaciïn primaria debe darse en tiempos de respuesta pequeïos, del orden de segundos.

La regulaciïn secundaria permite el restablecimiento de la frecuencia de la red elïctrica a su valor nominal. Mediante dicha regulaciïn, que habitualmente es opcional y retribuida, el operador del sistema asigna nuevos valores de potencia generada a las centrales elïctricas, dentro de unas bandas de regulaciïn que las compaïïas elïctricas propietarias de las centrales habrïn negociado previamente. De este modo, las centrales elïctricas modifican su consigna de potencia hasta que la frecuencia del sistema vuelve a su valor nominal en rïgimen estacionario. A diferencia de la regulaciïn primaria, la regulaciïn secundaria actïa con tiempos de respuesta del orden de minutos.

Finalmente, la regulaciïn terciaria, tambiïn retribuida, permite al operador de la red elïctrica disponer de una mayor o menor capacidad de generaciïn elïctrica con objeto de hacer frente a posibles desvïos entre las predicciones de potencia consumida y la generaciïn elïctrica prevista. La regulaciïn terciaria supone en la prïctica un cambio en la consigna de potencia programada de las centrales, de modo que su horizonte de actuaciïn alcanza valores cercanos a una o varias horas.

El constante aumento de la generaciïn elïctrica de origen eïlico, y asimismo de otras fuentes renovables cuyo recurso no es gestionable, representa en la actualidad un importante desafïo en una operaciïn de la red elïctrica, cuyos protocolos de actuaciïn se han desarrollado a lo largo de los aïos para un sistema basado en energïas convencionales gestionables. Aïn asumiendo la inevitable variabilidad del consumo elïctrico, los mïtodos estadïsticos son capaces hoy en dïa de prever correctamente la demanda que va a producirse con antelaciïn diaria y horaria. De este modo, los protocolos de operaciïn han permitido que el margen de variabilidad de la demanda sea gestionado eficazmente mediante centrales convencionales a travïs de los distintos servicios de regulaciïn y operaciïn.

En la actualidad, la incorporaciïn masiva de las centrales de generaciïn renovables basadas en recursos no gestionables (principalmente parques eïlicos) a la cobertura de la demanda elïctrica aïade una incertidumbre adicional

a la operaciïn de la red, tal como la variabilidad imprevista de dichos recursos.

A modo de ejemplo, cabe citar el dato de que en Espaïa, segïn informaciïn de la empresa encargada de la operaciïn de la red elïctrica espaïola, Red Elïctrica de Espaïa, en la madrugada del 30 de diciembre de 2009, la generaciïn de los parques eïlicos supuso el 54, 1% de la generaciïn total, es decir, mïs de la mitad de la demanda elïctrica fue 30 cubierta con un recurso renovable no gestionable. Este grado de cobertura supuso un hito en la penetraciïn de la energïa eïlica y fue soportado con ïxito por la operaciïn de la red gracias a la participaciïn en la misma de las centrales de bombeo y a la reducciïn al mïnimo tïcnico de la producciïn de las centrales tïrmicas. A pesar de ello, la baja demanda en ese momento obligï al operador a emitir una orden de recorte de la producciïn eïlica de 600 MW durante varias horas. En situaciones similares producidas los meses anteriores, las ïrdenes de recorte fueron mayores,

especialmente en aquellos casos en que no se dispuso de suficiente capacidad de bombeo hidrïulico.

El ejemplo anterior ilustra el hecho de que los protocolos de operaciïn actuales, incluso con la nueva tecnologïa asociada a la operaciïn de la red (creaciïn de centros de control de las energïas renovables, establecimiento de conexiones y comunicaciïn con los centros de control de generaciïn, instalaciïn de requerimientos tïcnicos para conexiïn y

comunicaciïn, etc.) , estïn... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de producciïn de hidrïgeno (4) para la regulaciïn de potencia en centrales elïctricas basadas en fuentes de energïa renovables, caracterizado porque comprende al menos dos unidades de electrïlisis (5) 5 controladas de forma independiente, y dispuestas en una configuraciïn jerarquizada con valores de potencia descendientes de tal manera que, para una unidad cualquiera del sistema de producciïn de hidrïgeno (4) , la suma de los valores de potencia de las unidades de electrïlisis menores (5) es siempre mayor o igual que la banda muerta (DB) de dicha unidad, siendo dicha banda muerta (DB) la regiïn en la que las unidades de electrïlisis (5) no pueden operar, permitiendo reducir hasta niveles despreciables la banda muerta (DB) de dicho sistema de producciïn de hidrïgeno (4) ,

y evitando la pïrdida o vertido de energïa producida en dichas centrales de energïas renovables conectadas a la red elïctrica (3) .

2. Un sistema de producciïn de hidrïgeno (4) para la regulaciïn de potencia en centrales elïctricas basadas en fuentes de energïa renovables de acuerdo con reivindicaciïn 1, caracterizado porque la central elïctrica basada en fuentes de energïa renovables comprende uno o mïs parques eïlicos (2) coordinados entre sï, y formados a su vez por una serie de aerogeneradores (1) .

3. Un sistema de producciïn de hidrïgeno (4) para la regulaciïn de potencia en centrales elïctricas basadas en fuentes de energïa renovables de acuerdo con reivindicaciïn 1, caracterizado porque la central elïctrica basada en 20 fuentes de energïas renovable comprende uno o varios parques fotovoltaicos.

4. Un sistema de producciïn de hidrïgeno (4) para la regulaciïn de potencia en centrales elïctricas basadas en fuentes de energïa renovables de acuerdo con reivindicaciïn 1, caracterizado porque comprende adicionalmente un sistema de baterïas (6) para dar apoyo al sistema de producciïn de hidrïgeno (4) en la regulaciïn de potencia.

5. Un sistema de producciïn de hidrïgeno (4) para la regulaciïn de potencia en centrales elïctricas basadas en fuentes de energïa renovables de acuerdo con reivindicaciïn 1, caracterizado porque comprende adicionalmente un sistema de pilas de combustible encargado de generar energïa elïctrica e inyectarla en la red en el intervalo de frecuencias de red inferiores a la frecuencia nominal, mientras que el sistema de producciïn de hidrïgeno (4) se encarga de consumir energïa elïctrica en el intervalo de frecuencias de red superiores a la frecuencia nominal.

6. Sistema de producciïn de hidrïgeno (4) para la regulaciïn de potencia en centrales elïctricas basadas en fuentes de energïa renovables de acuerdo con reivindicaciïn 5, caracterizado porque comprende adicionalmente un sistema de almacenamiento de hidrïgeno, de modo que el hidrïgeno producido por el sistema de producciïn de hidrïgeno (4) se consume posteriormente por el sistema de pilas de combustible.

7. Un sistema de producciïn de hidrïgeno (4) para la regulaciïn de potencia en centrales elïctricas basadas en fuentes de energïa renovables de acuerdo con reivindicaciïn 1, caracterizado porque comprende adicionalmente un sistema formado por motor de combustiïn de hidrïgeno con un generador elïctrico acoplado al mismo, o por una combinaciïn de ambos sistemas.

8. Un sistema de producciïn de hidrïgeno (4) para la regulaciïn de potencia en centrales elïctricas basadas en fuentes de energïa renovables de acuerdo con reivindicaciïn 4, caracterizado porque comprende adicionalmente un sistema de almacenamiento energïtico basado en volantes de inercia o bancos de condensadores, o una combinaciïn 45 de ïstos con el sistema de baterïas (6) .

9. Un sistema de producciïn de hidrïgeno (4) para la regulaciïn de potencia en centrales elïctricas basadas en fuentes de energïa renovables de acuerdo con reivindicaciïn 1, caracterizado porque tanto el sistema de producciïn de hidrïgeno (4) como dichas centrales elïctricas incorporan electrïnica de potencia que regula la potencia reactiva 50 generada o consumida en el punto de conexiïn a la red.

10. Un procedimiento de regulaciïn de potencia entregada a la red (3) para el control de la frecuencia de red

(3) en su valor nominal, mediante el sistema de producciïn de hidrïgeno (4) que se ha descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el control de la frecuencia de red (3) se realiza ïnicamente 55 mediante el sistema de producciïn de hidrïgeno (4) .

11. Un procedimiento de regulaciïn de potencia de acuerdo con reivindicaciïn 10, caracterizado porque los aerogeneradores (1) del parque eïlico (2) permanecen funcionando a la mïxima potencia disponible en cada momento, y las unidades de electrïlisis (5) operan al 50% de su margen de operaciïn, mientras el servicio de regulaciïn primaria no sea requerido.

12. Un procedimiento de regulaciïn de potencia de acuerdo con reivindicaciïn 10, caracterizado porque cuando se requiere la regulaciïn primaria de inyecciïn, es decir, debe inyectarse potencia elïctrica en la red (3) , lo cual ocurre cuando la frecuencia disminuye por debajo de su valor de consigna, el sistema de producciïn de hidrïgeno (4) disminuye su potencia.

13. Un procedimiento de regulaciïn de potencia de acuerdo con reivindicaciïn 10, caracterizado porque cuando se requiere la regulaciïn primaria de retirada, es decir, cuando debe reducirse la potencia entregada a la red (3) , lo cual ocurre cuando la frecuencia aumenta por encima de su valor de consigna, el sistema de producciïn de hidrïgeno (4) aumenta su potencia.

14. Un procedimiento de regulaciïn de potencia entregada a la red (3) para el control de la frecuencia de red

(3) en su valor nominal, mediante el sistema de producciïn de hidrïgeno (4) que se ha descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 2 ï 9, caracterizado porque el control de la frecuencia de red (3) se realiza de forma conjunta entre el parque eïlico (2) y el sistema de producciïn de hidrïgeno (4) .

15. Un procedimiento de regulaciïn de potencia de acuerdo con reivindicaciïn 14, caracterizado porque los aerogeneradores (1) del parque eïlico (2) permanecen funcionando a la mïxima potencia disponible en cada momento, y las unidades de electrïlisis (5) operan al 100% de su margen de operaciïn, mientras el servicio de regulaciïn primaria no sea requerido.

16. Un procedimiento de regulaciïn de potencia de acuerdo con reivindicaciïn 14, caracterizado porque cuando se requiere regulaciïn primaria de inyecciïn, el sistema de producciïn de hidrïgeno (4) modifica su punto de funcionamiento, disminuyendo la potencia consumida por debajo de su valor nominal, liberando asï potencia del parque eïlico (2) que se inyecta en la red (3) , permaneciendo el parque eïlico (2) en su potencia mïxima.

17. Un procedimiento de regulaciïn de potencia de acuerdo con reivindicaciïn 14, caracterizado porque cuando se requiere regulaciïn primaria de retirada, es el parque eïlico (2) el que disminuye su potencia, permaneciendo el sistema de producciïn de hidrïgeno (4) en su potencia nominal.

18. Un procedimiento de regulaciïn de potencia de acuerdo con reivindicaciones 10 ï 14, caracterizado porque el sistema de baterïas (6) actïa en un intervalo de frecuencias prïximo a la frecuencia nominal del sistema, mientras que el sistema de producciïn de hidrïgeno (4) , con una dinïmica mïs lenta, actïa en los valores de frecuencia externos al margen operativo del sistema de baterïas (6) , para la banda de regulaciïn de frecuencia global establecida por la normativa de regulaciïn primaria.

19. Un procedimiento de regulaciïn de potencia de acuerdo con reivindicaciïn 10 ï 14, caracterizado porque el sistema de producciïn de hidrïgeno (4) actïa en un intervalo de frecuencias prïximo a la frecuencia nominal del sistema, y el sistema de baterïas (6) actïa en los valores de frecuencia externos al margen operativo del sistema de producciïn de hidrïgeno (4) , para la banda de regulaciïn de frecuencia global establecida por la normativa de regulaciïn primaria.

20. Un procedimiento de regulaciïn de potencia de acuerdo con reivindicaciones 10 ï 14, caracterizado porque tambiïn pueden proporcionarse servicios de regulaciïn secundaria y/o terciaria.

21. Un procedimiento de regulaciïn de intercambio de potencia reactiva con la red elïctrica (3) para centrales elïctricas basadas en fuentes de energïa renovables, caracterizado porque la potencia reactiva se regula mediante electrïnica de potencia tanto de dichas centrales como del sistema de producciïn de hidrïgeno (4) que se ha descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9.