Investigadores en España han realizado un análisis comparativo de la producción anual de hidrógeno alimentado con energía fotovoltaica para configuraciones directas e indirectas y han descubierto que los sistemas indirectos no solo producen más hidrógeno sino que también muestran una mayor resiliencia a las pérdidas de energía del módulo.
Esquemas de la configuración de acoplamiento directo (a) y la configuración de acoplamiento indirecto (b)
Imagen: Universidad Politécnica de Madrid, Conversión y Gestión de Energía, CC BY 4.0
Científicos de la Universidad Politécnica de Madrid han realizado un estudio comparativo de configuraciones de acoplamiento directo e indirecto de sistemas fotovoltaicos y electrolizadores en la producción de hidrógeno verde (H2). El estudio se ha basado en simulaciones numéricas realizadas en el software MATLAB, con condiciones meteorológicas basadas en un año meteorológico típico en Madrid.
Los sistemas de hidrógeno alimentados por energía fotovoltaica en los que la entrada del electrolizador está conectada a la salida eléctrica del generador fotovoltaico sin una etapa de potencia intermedia a menudo se denominan "de configuración de acoplamiento directo".. Los sistemas con configuración indirecta, por el contrario, incorporan electrónica para polarizar el generador fotovoltaico a su máxima potencia y utilizan el seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) para garantizar la maximización de la generación de energía fotovoltaica a medida que varían las condiciones meteorológicas, con un convertidor CC-CC que adapta la potencia de salida proporcionada por el MPPT a la potencia de entrada del electrolizador.
“La configuración indirecta implica una etapa de potencia (EP) con un seguidor del punto de máxima potencia y un convertidor DC-DC, manteniendo una transferencia de potencia óptima desde el sistema fotovoltaico a los electrolizadores, pero incurre en pérdidas en la EP. La configuración directa evita estas pérdidas, pero requiere un diseño específico del generador fotovoltaico para lograr una alta transferencia eléctrica”, explicaron los científicos, haciendo referencia a las principales ventajas y desventajas de cada configuración.
“En defensa del acoplamiento directo, varios autores afirman que esta configuración podría ser suficientemente buena para tener el electrolizador trabajando cerca del MPP si el panel fotovoltaico y el electrolizador están correctamente diseñados; otros declaran que la configuración de acoplamiento directo es económicamente ventajosa, ya que se evitan por completo los costos de los sistemas de acoplamiento electrónico”.
El grupo de investigación realizó una serie de simulaciones en una configuración experimental compuesta por un módulo solar de 100 W y un electrolizador de membrana de intercambio de protones (PEM) con una densidad de corriente máxima de 4 A-cm2. En el caso del sistema indirecto, se supone que la eficiencia del convertidor CC-CC es del 95%, mientras que en el caso del sistema directo, se optimizaron el número de células solares conectadas en serie y el área de las células, preservando al mismo tiempo la potencia del módulo fotovoltaico para una comparación justa.
“La presencia del MPPT hace que el módulo fotovoltaico funcione en su MPPT para todas las condiciones meteorológicas, a diferencia de la configuración de acoplamiento directo, que solo funciona cerca del MPPT para un rango escaso de irradiancia y temperatura globales., incluso cuando se ha optimizado su número de células”, explicó el grupo.
“Esta mayor potencia fotovoltaica se traduce también en una mayor cantidad de energía eléctrica transferida al electrolizador y, por tanto, en una mayor producción de H2”.
A través de este análisis, los científicos descubrieron que, gracias al PS, la configuración de acoplamiento indirecto puede inyectar al electrolizador 223 kWh de energía eléctrica al año, lo que supone un 39.4% más que la configuración directa. Esto sería suficiente para producir 5.79 kg de H2 al año, lo que supondría un 37.5% más que la cantidad producida en el sistema de acoplamiento directo.
También se encontró que el sistema directo logró una eficiencia energética del 5%, mientras que el indirecto mostró una eficiencia del 6.9%.
Además, los científicos también evaluaron qué sistema es más resistente a las pérdidas de potencia del módulo. Si hubiera perdido una de las 20 células del módulo fotovoltaico, el sistema directo perdería el 18.3% de su producción de H2, mientras que el indirecto solo perdería el 5%. Con una pérdida de siete células, el sistema directo dejaría de producir H2, mientras que el indirecto lo seguiría produciendo, aunque con una capacidad un 37% menor.
Además, los académicos descubrieron que solo cuando la eficiencia del convertidor DC-DC cae por debajo del 73%, producirá menos H2 que el sistema acoplado directamente. “Para que un diseño de convertidor DC-DC se considere válido, su eficiencia debe superar el 90%, por lo que es poco probable que se dé un escenario con eficiencias y producción de H2 tan bajas como en el acoplamiento directo”, enfatizaron los investigadores.
Sus hallazgos se pueden encontrar en el estudio “Optimización de la producción de hidrógeno: un estudio comparativo del acoplamiento directo e indirecto entre la energía fotovoltaica y el electrolizador”, publicado en Conversión y gestión de energía.
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Fuente de pv magazine
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