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El Instituto de Ingeniería Energética (IIE) de la Universitat Politècnica de València (UPV), l...
Nuevo doctorado cooperativo en energía La Universitat Politècnica de Valencia  y la Universidad ...

ÁREA DE RENOVABLES Y SISTEMAS AVANZADOS

Las actividades del área han estado centradas en la realización de estudios de sistemas de energías renovables y de eficiencia energética, así como su integración en una actividad multidisciplinar que integre a todos los grupos del Instituto. Se abordaron además estudios de planificación energética y de sistemas avanzados en el tratamiento de residuos, incluidos los nucleares mediante transmutación.

Dentro del amplio espectro de fuentes renovables de energía, las actividades del grupo en este periodo se han centrado en estudios de I+D+i en Biomasa, Eólica y Solar Fotovoltaica.  Se han estudiado estas tecnologías operando como sistemas aislados o conectados a la red, así como en sistemas de una sola tecnología o varias (sistemas híbridos), buscando aumentar su fiabilidad y rendimiento.  Con idéntico objetivo se realizaron estudios de almacenamiento, tanto de combustibles, electricidad o vectores energéticos, en este último caso centrándose en el hidrógeno. Todas las fuentes mencionadas están interconectadas mediante una microrred controlada, para alimentar una carga con una curva de demanda preprogramada, permitiendo así verificar el potencial de distintos Sistemas Renovables Híbridos (HRES) para satisfacer con fiabilidad una demanda determinada. 

Combinando dos o más sistemas renovables sería posible obviar el problema de fiabilidad de cada uno de ellos y conseguir además mejoras en la eficiencia del sistema comparada con la de cada uno por separado. En resumen, HRES permitirían superar las limitaciones de las fuentes renovables en cuanto a flexibilidad en el uso de combustible, fiabilidad del suministro de energía y coste.

A causa de este potencial de los HRES, se han realizado numerosos estudios para optimizar su diseño y simular su comportamiento, pero antes de abordar la construcción de sistemas de este tipo es preciso una verificación experimental de sus capacidades al mínimo nivel significativo de potencia. Con este objetivo se ha definido el Laboratorio De Recursos Energéticos Distribuidos (LabDER) del Instituto de Ingeniería Energética de la Universidad Politécnica de Valencia: estudiar sistemas híbridos renovables en el rango del kW y diseñar y participar en experiencias de campo de mayor potencia. 

1. BIOMASA

El IIE ha desarrollado una metodología para optimizar el aprovechamiento energético de la biomasa. Esta metodología se basa en la experiencia que el Instituto ha acumulado en varios proyectos como BIODER, BIOVAL, BIOENER, PROBIOGAS ó EU-DEEP, realizados a nivel nacional e internacional. Esta metodología permite determinar el tamaño, ubicación, tecnologías a utilizar y aplicaciones óptimas para un proyecto concreto de utilización energética de biomasa. Dicha metodología se apoya en todas las capacidades técnicas e instalaciones experimentales que el IIE posee en la línea de biomasa, que pueden resumirse en:

- Evaluación de recursos de biomasa y optimización logística para su recogida y transporte, basada en la utilización de Sistemas de Información Geográfica (SIG) para análisis de cuantificación, localización, estacionalidad, costes de transporte y potenciales consumidores en el área de estudio. 

- Laboratorio de caracterización de biocombustibles, para el análisis de poder calorífico superior (PCS), análisis inmediato, análisis termográvimetrico macromuestra, distribución granulométrica y densidad aparente. Estos análisis se complementan con análisis elemental, termogravimetría acoplada a espectrometría de masas (TG-ES), y fluorescencia de RAYOS X (FRX).

- Plantas piloto de gasificación: LabDER es pionero en sistemas de gasificación de biomasa en la comunidad Valenciana y España. El Laboratorio cuenta con dos plantas de gasificación de biomasa, ambas de 10 KWe, una de ellas utiliza la tecnología de lecho fijo downdraft y la otra la de lecho fluido burbujeante. El gas producido se utiliza para la generación de energía eléctrica a través de un motor de combustión interna. En estas plantas se investiga la generación de energía mediante gasificación de biomasa, principalmente biomasa de origen leñoso aunque se podrían probar otras fuentes. Las plantas son diseñadas, construidas y puestas en operación por el propio grupo de investigación. Estas plantas cuentan con cromatógrafo de gases, analizadores de gases e instrumentación de proceso (caudal, temperatura, presión) para monitorizar el sistema y operar en las condiciones óptimas.

-  Caldera de combustión de biomasa: LabDER también cuenta con una caldera de biomasa de 15 kW, en la que investigar técnicas de optimización de quemado de biomasa en función de las características de ésta. Además se analiza la calidad de la combustión mediante un analizador de gases de combustión, midiendo la concentración volumétrica de CO, CO2, O2, NOx y SOx yse calculan las pérdidas en el proceso de combustión y su eficiencia.

- LabDER también posee equipos con los cuales se puede llevar a cabo la preparación de la biomasa tanto para su uso en una caldera como en un gasificador, para ello se dispone de una trituradora, un molino de martillos y una peletizadora.

- Simulación de aplicaciones energéticas convencionales y avanzadas en el ámbito de la bionergía mediante códigos comerciales: ANSYS, MATLAB-SIMULINK, ASPEN HYSYS y CHEMCAD. Se han realizado simulaciones de plantas de gasificación acopladas a motores de combustión interna y pilas de combustible, sistemas híbridos eólico – biomasa y biorefinerías. En esta última actividad se colabora con universidades de Italia (DIAM, Genova) y Cuba (INSTEC, Habana) para el modelado hidrodinámico y termomecánico de reactores de gasificación y pilas de combustible de alta temperatura (MCFC).

2. EÓLICA

Como complemento a los estudios que se realizan en el Área Eléctrica sobre el impacto de los parques eólicos en la red, se realizan estudios de simulación experimental basados en un sistema motor-generador para la generación de Hidrógeno como buffer y estabilizador de energía eólica. Dicho sistema se utiliza además para la verificación experimental de técnicas avanzadas de mantenimiento predictivo de los aerogeneradores.

Dentro de los estudios de hibridación y almacenamiento, se han realizado simulaciones de sistemas formados por un parque eólico apoyado por un gasificador de biomasa y electrolizador con almacenamiento en forma de gas de síntesis e hidrógeno, analizando su fiabilidad y su viabilidad tecnológica y económica.

LabDER cuenta con un aerogenerador eólico trifásico síncrono de imanes permanentes de 5 kW pico donado por la empresa Anelion que genera corriente alterna que es convertida a continua a través de un rectificador activo.  Esta corriente continua es enviada al inversor de red que la convierte en corriente alterna de 230 v y 50 Hz y la sincroniza con la red. El aerogenerador está ubicadoa la altura de unos 24 metros para conseguir velocidades de viento elevadas y sobre un apoyo abatible con el fin de poder intercambiar diferentes turbinas eólicas para ensayarlas a fin de optimizar la producción eléctrica. El sistema eólico al igual que el solar fotovoltaico podría verter energía a la red, alimentar cargas o almacenarse tanto en baterías como en forma de hidrógeno.

3. SOLAR

LabDER cuenta con una planta solar fotovoltaica de 2,1 kWp constituida por paneles de silicio cristalino (mono y policristalino). Los paneles están ubicados en el techo del laboratorio. El inversor de red empleado para conectar la instalación a la red eléctrica (o un generador eléctrico) es monofásico, aunque la microrred es trifásica y en un futuro se prevé que la red solar sea trifásica. La generación se monitoriza a través del sistema de gestión de energía, posibilitando el estudio de sistemas híbridos que incluyan fotovoltaica. El laboratorio está también preparado para el ensayo de paneles de distintas tecnologías que permitan evaluar el impacto que el uso de las mismas puede tener sobre el sistema híbrido.

4. GENERACIÓN DE HIDRÓGENO

El IIE está abordando las nuevas tecnologías básicas para un sistema energético basado en el Hidrógeno. Se colabora con empresas interesadas en el tema, tanto empresas gasistas, que buscan nuevas formas de producción de hidrógeno, como constructores de parques eólicos que ven en la producción de hidrógeno una solución a problemas actuales y futuros. Basándose en técnicas de “Análisis de Ciclo de Vida”, se está realizando la comparación cuantitativa entre diferentes métodos de producción de hidrógeno, compatibilizando la preocupación por el medio ambiente y los beneficios económicos. Los métodos de producción de hidrógeno considerados van desde los convencionales, basados en el reformado de metano, hasta sistemas avanzados que, apoyándose en energías renovables (fundamentalmente energía eólica o híbridos), utilizan procesos de electrólisis de baja temperatura. Una segunda opción considerada es la utilización de energía nuclear, empleando reactores de grafito-gas, con ciclos de turbina de gas, como se ha detallado dentro de las actividades del Área Nuclear. En esta última aproximación se ha ligado la producción de hidrógeno con el tratamiento de residuos nucleares de alta actividad mediante transmutadores mantenidos por acelerador trabajando a temperaturas lo suficientemente elevadas como para permitir procesos termoquímicos de generación.

La planta de hidrógeno en LabDER constituye un sistema de almacenamiento de energía que permitiría absorber los excesos de producción de fuentes renovables y que podría ser utilizado como fuente energética cuando el resto de renovables que se conectan a la microrred  no puede generar la demanda requerida.

La planta de hidrógeno está constituido por un sistema de electrólisis, un compresor, una botella de almacenamiento, una pila de combustible PEM y un inversor de red.

El sistema está constituido por un electrolizador de una potencia máxima de 7 kW, que permite la generación de 1 Nm3 de hidrógeno a 4 bar de presión y con una pureza del 99.9%. Este grado de impurezas no es admisible en las pilas de combustible con tecnología PEM (Proton Excange Membrane), por lo que es necesario depurar este hidrógeno hasta alcanzar el 99.9999%. Para ello se emplea el depurador de hidrógeno DPSH6.

5. RECURSOS ENERGÉTICOS DISTRIBUIDOS

La UE se ha comprometido a aumentar el porcentaje de fuentes de energía renovables en su esquema energético y a reducir de forma sustancial su intensidad energética. Estos objetivos exigen el desarrollo de tecnologías innovadoras para la producción, el almacenamiento, la integración y el uso de la energía, con especial énfasis en sistemas energéticos distribuidos (DER). Para posibilitar el desarrollo de una actividad significativa en el desarrollo e integración de sistemas DER y en la gestión de mercados de energía, IIE cuenta con el Laboratorio (LabDER), el cual integra y amplía todas las actividades que realizan los grupos de I+D+i de UPV integrados en dicho Instituto. 

El laboratorio, directamente ligado al desarrollo tecnológico de sistemas distribuidos de generación y almacenamiento de energía y su control y mantenimiento, incluye en una primera etapa aquellos sistemas actualmente en fase de experimentación o de desarrollo en IIE. La figura XX presenta el diagrama de bloques del laboratorio que incluye sistemas renovables de generación: gasificadores de biomasa en distintas configuraciones, paneles fotovoltaicos, aerogenerador y pila de combustible, así como sistemas de almacenamiento, basados en baterías, hidrógeno y gas de síntesis, una microrred interconectando todos estos sistemas para posibilitar la simulación experimental de sistemas renovables híbridos, incluyendo almacenamiento, en el rango de la decena de kWs.

6. PLANIFICACIÓN ENERGÉTICA

Esta línea de investigación está enfocada al modelado energético y evaluación de escenarios energéticos, realizando un análisis cualitativo y cuantitativo de su sostenibilidad. Se está utilizando la técnica de escenarios para proyectar los efectos de diferentes hipótesis de partida en la demanda y la distribución de la energía primaria y final. Estas simulaciones permiten estimar el impacto de diferentes sistemas energéticos en una localidad, país o región, e identificar la tecnología y estrategia más conveniente para satisfacer la demanda de una manera sostenible y responsable con el medio. Actualmente el IIE ha desarrollado la herramienta SIMUSEN para la definición de escenarios y su posterior análisis, a partir de la cual ha llevado a cabo estudios tanto para la Agencia Valenciana de Prospectiva (AVAP), como para la Consejería  de Medioambiente de la Generalitat Valenciana.