Automatización de micro red eléctrica con fuentes renovables y almacenamiento de

Transcripción

1 Proyecto fin de carrera Ingeniería Industrial Automatización de micro red eléctrica con fuentes renovables y almacenamiento de Tutor: Carlos Bordons Alba Autor: Manuel Ángel Coronel Domínguez 1 Junio 2011

2 Agradecimientos: A mis padres, gran parte de esta titulación se las debo ellos, gracias por ser como sois. A mi familia, novia y amigos sin ese apoyo incondicional jamás hubiera terminado. A Luis, compañero de laboratorio, sin su gran ayuda mi proyecto se hubiera alargado al infinito. 2

3 I ndice 1 INTRODUCCIÓN 1.1 Introducción Objetivos DESCRIPCIÓN FUNCIONAL DE MICRORRED 2.1 Descripción funcional de micro red DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS Y ESPECIFICACIONES TÉCNICAS 3.1 Pila de combustible. MES DEA Introducción Antecedentes históricos Reacción electroquímica Componentes Selección y modo de operación de la pila de combustible MES DEA Especificaciones técnicas de la pila de combustible MES DEA DEPÓSITO DE ALMACENAMIENTO DE HIDRUROS METÁLICOS HBOND 7000H Introducción Almacenamiento de hidrógeno en hidruros metálicos Contenedor de hidruros metálicos HBOND 7000 H. Selección Especificaciones técnicas del contenedor HBOND 7000H Electrolizador de agua Introducción Especificaciones técnicas Convertidor DC/DC de pila de combustible Introducción Especificaciones técnicas Convertidor DC/DC del electrolizador Introducción Especificaciones técnicas Fuente de alimentación. LBS Introducción Especificaciones técnicas

4 3.7 Carga electrónica. PLA 2.5k Introducción Especificaciones técnicas Baterías Introducción Especificaciones técnicas AUTÓMATA PROGRAMABLE. M Introducción Especificaciones técnicas Sistema de purificación de agua Elementos de medidas y actuadores Instrumentos de medida Elementos de actuación Pasarela de comunicación CAN/CANOpen BUS DE CORRIENTE Cableado Protecciones Protecciones alterna Sobrecorriente Contactos indirectos Cableado de señales Fuentes de alimentación auxilares Fuente de alimentación de 24VDC Fuente de alimentación de 12VDC Seta de emergencia Conducciones de hidrógeno Sistema de calefacción/refrigeración de agua. Calentador de agua Sistema de aporte de nitrógeno Sistema de extinción de incendios y seguridad MONTAJE DE EQUIPOS 4.1 Introducción Elementos de medida Termopar

5 4.2.2 Transductores de presión Medidor de caudal másico de hidrógeno Medidor de caudal de agua Elementos finales de actuación Válvulas solenoides Válvula reductora de presión Elementos de seguridad Válvula de seguridad o de alivio Elementos antirretorno Comunicaciones entre equipos y autómata programable Termopares Transductores de presión Caudalímetro másico de hidrógeno Caudalímetro de agua Válvulas solenoides Fuente de alimentación Carga electrónica Servidor OPC Electrolizador CAN/CANOpen bus Convertidores DC/DC Pila de combustible Disposición del depósito de almacenamiento de hidrógeno Disposición de la línea de hidrógeno instalada Sistema de calefacción/refrigeración del depósito de almacenamiento PROGRAMA DE CONTROL DEL SISTEMA 5.1 Introducción Descripción Función descarga hidrógeno Función carga hidrógeno Función control de pila de combustible Función control del electrolizador Función inertización

6 5.3 Estados de funcionamiento Reposo Puesta en funcionamiento Puesta en reposo Puesta en emergencia Automático Manual Emergencia SCADA 6.1 Introducción Descripción Pantallas Principal Supervisión de fluidos Gestión de electricidad Funcionamiento Perfiles de generación y demanda Configuración Almacenamiento de parámetros Base de datos de perfiles de generación y demanda Usuarios Alarmas ENSAYOS 7.1 Caracterización de pila de combustible Caracterización de electrolizador Caracterización de convertidores dc/dc Convertidor de pila de combustible Convertidor del electrolizador Caracterización de baterías Ensayo de planta durante un día CONCLUSIONES 8.1 Conclusiones

7 8.2 Mejoras REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA 125 7

8 I ndice de Ilustraciones Ilustración 1 Resumen del sistema Ilustración 2 Funcionamiento pila de combustible Ilustración 3 Composición básica de un stack típico de una pila de combustible Ilustración 4 Imagen de la pila de combustible con sus diferentes partes indicadas Ilustración 5 Imagen de la pila de combustible con sus diferentes partes indicadas Ilustración 6 Imagen del sistema de suministro de hidrógeno y aire, y salida de gases Ilustración 7 Imagen de la unidad electrónica de control con sus diferentes partes indicadas Ilustración 8 Imagen de la unidad electrónica de control con sus diferentes partes indicadas Ilustración 9 Sistema de refrigeración de la pila de combustible Ilustración 10 Átomos de hidrógeno alojados en los intersticios de FeTi Ilustración 11 Representación de las fases α y β en carga y descarga Ilustración 12 Curvas PCI (PCT) de un hidruro ideal para tres temperaturas Ilustración 13 Efecto del dopado de NAlH4 con Ti en las curvas PCI Ilustración 14 Isocoras de Van t Hoff Ilustración 15 Depósito de hidruros metálicos HBond 7000H Ilustración 16 almacenado por masa y volumen Ilustración 17 Curvas PCI para el hidruro formado por el MgH Ilustración 18 Vista frontal del electrolizador Ilustración 19 Vista frontal de convertidor de pila de combustible Ilustración 20 Vista frontal del convertidor del electrolizador Ilustración 21 Fuente programable Ilustración 22 Plano acotado de la fuente programable Ilustración 23 Vista frontal de la carga electrónica Ilustración 24 Esquema del panel frontal de la carga electrónica Ilustración 25 Esquema del panel trasero de la carga electrónica Ilustración 26 Curva operacional de la carga electrónica Ilustración 27 Imagen de conjunto de baterías Ilustración 28 Baterías Enersol T Ilustración 29 Vista frontal del PLC Ilustración 30 BMX CPS Ilustración 31 CPU P Ilustración 32 Módulo DDI Ilustración 33 Módulo DDO Ilustración 34 Módulo AMI Ilustración 35 AMO Ilustración 36 Sistema de purificación de agua Ilustración 37 Transductor de presión Ilustración 38 Termopar tipo T Ilustración 39 Caudalímetro de agua Ilustración 40 Electroválvula Ilustración 41 Regulador de presión

9 Ilustración 42 Pasarela de comunicación CAN/CANOpen Ilustración 43 Esquema de buses de campo Ilustración 44 Esquema del bus de corriente Ilustración 45 Magnetotérmico de fuente programable Ilustración 46 Magnetotérmico pila de combustible Ilustración 47 Magnetotérmico de las baterías Ilustración 48 Caja de protecciones Ilustración 49 Interruptor diferencial Ilustración 50 Cable apantallado Ilustración 51 Cables de alimentación Ilustración 52 Fuente de alimentación auxiliar de 0 36VDC Ilustración 53 Fuente auxiliar de 12VDC Ilustración 54 Seta de emergencia Ilustración 55 Termo eléctrico Ilustración 56 Sistema de nitrógeno Ilustración 57 Punto de consumo de nitrógeno Ilustración 58 Extintor tipo ABC Ilustración 59 Detector de fugas de H2 portatil Ilustración 60 Válvula de seguridad Ilustración 61 Esquema del circuito de gases Ilustración 62 Esquema de electroválvulas de gases Ilustración 63 Esquema de electroválvulas de agua Ilustración 64 Transformador de señal de termopares a 4 20mA Ilustración 65 Convertidor de frecuencia a 4 20mA Ilustración 66 Esquema de PLCs, OPCs y SCADA Ilustración 67 Esquema de buses CAN Ilustración 68 Representación tridimensional de depósito de hidruros Ilustración 69 Depósito de hidruros metálicos Ilustración 70 Línea de hidrógeno instalada con depósito de hidruros Ilustración 71 Termo eléctrico Ilustración 72 Caudalímetro de agua instalado Ilustración 73 Visión general del software Unity Ilustración 74 Posibles estados del programa Ilustración 75 Predecesores y sucesores del estado reposo Ilustración 76 Predecesores y sucesores del estado puesta automático Ilustración 77 Predecesores y sucesores del estado puesta en reposo Ilustración 78 Predecesores y sucesores del estado puesta en emergencia Ilustración 79 Predecesores y sucesores del estado automático Ilustración 80 Predecesores y sucesores del estado manual Ilustración 81 Predecesores y sucesores del estado emergencia Ilustración 82 Visión general del software Vijeo citect Ilustración 83 Pantalla principal del SCADA Ilustración 84 Pantalla de supervisión de fluidos Ilustración 85 Subpantalla de calibración de sensores

10 Ilustración 86 Subpantalla de pila de combustible Ilustración 87 Pantalla de supervisión del bus de corriente Ilustración 88 Subpantalla de control de fuente programable Ilustración 89 Subpantalla del convertidor del electrolizador Ilustración 90 Subpantalla de visualización de tendencias Ilustración 91 Subpantalla de supervisión y configuración de baterías Ilustración 92 Pantalla resumen de funcionamiento Ilustración 93 Subpantalla de gestión de errores Ilustración 94 Pantalla de gestión de perfiles de generación y consumo de electricidad Ilustración 95 Pantalla de configuración de parámetros Ilustración 96 Gráfica de caracterización de la pila de combustible Ilustración 97 Rendimiento de la pila vs potencia eléctrica Ilustración 98 Gráfica de caracterización del electrolizador Ilustración 99 Rendimiento del electrolizador vs Potencia eléctrica Ilustración 100 Gráfica de caracterización de convertidor de pila de combustible Ilustración 101 Rendimiento convertidor + pila Ilustración 102 Gráfica de caracterización de convertidor del electrolizador Ilustración 103 Rendimiento electrolizador + convertidor Ilustración 104 Caracterización de baterías Ilustración 105 Relación de estado de carga y tensión interna de baterías Ilustración 106 Esquema de simulación del sistema completo en un día Ilustración 107 Potencia demandada y generada en ensayo diario Ilustración 108 Evolución de venta compra de electricidad Ilustración 109 Evolución de consumo y generación de hidrógeno, y estado de caga de baterías