Investigadores de la Universidad Hanze de Ciencias Aplicadas de Groningen (Países Bajos) han estudiado por primera vez cómo combinar la producción de hidrógeno y el almacenamiento en baterías con la energía fotovoltaica en tejados o con pequeños aerogeneradores en hogares sin conexión a la red. “Que nosotros sepamos, ningún estudio publicado ha utilizado el sistema de hidrógeno como almacenamiento principal al hibridar energías renovables con baterías y, lo que es más importante, ningún estudio ha tenido en cuenta los requisitos variables de puesta en marcha de los electrolizadores de membrana de intercambio protónico (PEM) para la producción y almacenamiento de hidrógeno al diseñar sistemas de energías renovables sin conexión a la red”, declaró el grupo, añadiendo que las baterías están pensadas para evitar recortes cuando no se pueda dar prioridad a la producción de hidrógeno.
Los científicos explicaron que los sistemas de hidrógeno basados en la electrólisis PEM ofrecen la ventaja de ser sistemas de respuesta rápida, adecuados para sistemas de almacenamiento en los que el sistema de hidrógeno actúa como unidad de almacenamiento principal acoplada a una batería como almacenamiento secundario. Sin embargo, también subrayaron que el hidrógeno generado mediante electrólisis debe secarse y purificarse de restos de agua y oxígeno antes de poder utilizarse.
El sistema propuesto está pensado para almacenar el excedente de energía solar, y la batería actúa como unidad de almacenamiento primario sólo cuando la generación de hidrógeno no está disponible de inmediato. Consta de un sistema de electrólisis de hidrógeno PEM de 4,5 kW, un depósito de almacenamiento de hidrógeno de 0,85 m3, una unidad de purificación de 0,8 kW, una pila de combustible de hidrógeno PEM y una batería de iones de litio. “La pila de combustible sólo puede suministrar energía directamente al consumidor y no carga la batería ni sirve de apoyo al electrolizador”, explican los académicos. “El electrolizador y la pila de combustible necesitan agua desmineralizada y aire para funcionar, respectivamente”.
El sistema también se basa en una válvula de control de presión para establecer la presión de salida del hidrógeno, que puede ajustarse a casi 50 bares sin medios externos. También es capaz de mantener el electrolizador en funcionamiento cuando el excedente de energía solar se acerca lo suficiente a la potencia mínima del electrolizador y el excedente de energía previsto en los 10 minutos siguientes es relativamente alto. “Utiliza la batería para almacenar energía cuando la potencia o la duración de la potencia de las renovables es insuficiente para que el sistema electrolizador se ponga en marcha y funcione”, explican los científicos.
El grupo de investigación simuló el funcionamiento del sistema mediante el software Python y utilizó múltiples entradas para decidir cómo almacenar la energía eléctrica cuando hay excedente. Supusieron que el sistema se desplegaría en una típica casa unifamiliar holandesa con una demanda anual de 4 MWh.
La simulación demostró que la mejor configuración del sistema para la fuente fotovoltaica incluye un campo solar de 2,65 kW con un ángulo de inclinación de 35 grados y un ángulo acimutal de 180 grados. Se supuso que el coste del sistema fotovoltaico era de 1.317 euros (1.430 dólares)/kW, mientras que el del electrolizador y la pila de combustible se estimó en 9.677 euros y 7.500 euros, respectivamente. El coste del depósito de hidrógeno se indicó en 1.915 euros y el de la batería de 2,93 kW se supuso en 372,5 euros/kWh.
El análisis demostró que, en ningún caso, el electrolizador podía funcionar a su potencia nominal máxima, lo que significa que puede reducirse su tamaño, disminuyendo así los costes del sistema, subrayan los investigadores. “El análisis de sensibilidad sobre la variación de la potencia nominal del electrolizador demostró que un electrolizador con una potencia nominal de entre 1.550 W y 2.000 W es más adecuado y rentable para la configuración del caso base definido en este estudio”, explicaron además, añadiendo que la capacidad óptima de la batería se identificó en torno a los 3 kW.
La serie de simulaciones también demostró que depender únicamente de la energía eólica era más rentable que utilizar sólo energía solar, mientras que una combinación de ambas fuentes ofrecía los mejores resultados. “La energía requerida por la unidad de purificación puede considerarse despreciable para todos los escenarios”, añadieron los académicos, señalando que futuras investigaciones deberían probar la solución propuesta a mayor escala o en un sistema que integre la producción de calor.
El sistema se presentó en el estudio “Simulation and analysis of hybrid hydrogen-battery renewable energy storage for off-electric-grid Dutch household system” (Simulación y análisis de almacenamiento híbrido de energía renovable con batería de hidrógeno para un sistema doméstico neerlandés fuera de la red eléctrica), publicado en el International Journal of Hydrogen Energy.
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