Modelamiento y simulación dinámica de una membrana de intercambio de protones para determinar rendimiento de arquitectura innovadora para producción de hidrógeno verde

Abstract

El hidrógeno verde se proyecta como un vector energético fundamental para la transición hacia sistemas eléctricos sostenibles, destacando la electrólisis mediante membranas de intercambio protónico (PEM) por su alta densidad de corriente, rápida respuesta dinámica y capacidad de operar bajo condiciones variables. No obstante, la integración eficiente de electrolizadores PEM con sistemas fotovoltaicos (PV) requiere considerar las dinámicas electroquímicas internas que no son capturadas en modelos estáticos tradicionales, especialmente bajo condiciones transitorias. En este trabajo se desarrolla un modelo dinámico de un electrolizador PEM a partir de parámetros identificados experimentalmente mediante ensayos de escalón de corriente y ajustes por mínimos cuadrados. Dicho modelo incorpora la tensión reversible, las sobretensiones de activación, óhmica y de difusión, junto con los efectos de la capacitancia de doble capa. El modelo fue implementado en un entorno de simulación PV–PEM–ESS desarrollado en PLECS, lo que permitió evaluar el impacto de utilizar representaciones dinámicas frente a modelos estáticos en el diseño y desempeño de controladores PI. Se analizaron tres escenarios de control, diferenciados por el tipo de modelo considerado en la sintonización y por la estrategia de retroalimentación de corriente, además de cuatro arquitecturas de conexión PV–PEM extraídas del estado del arte. Los resultados muestran que el uso de modelos dinámicos permite capturar fenómenos transitorios relevantes y mejorar la robustez del control, aunque en condiciones de alta densidad de corriente los modelos estáticos presentan un comportamiento equivalente. Asimismo, se observó que el método de retroalimentación de corriente es más determinante para el desempeño del sistema que el nivel de complejidad del modelo. Esta memoria contribuye a delimitar las condiciones bajo las cuales es necesario emplear modelos dinámicos en electrolizadores PEM, estableciendo una metodología práctica de validación experimental y aportando lineamientos para la implementación futura de controladores avanzados y observadores de corriente en arquitecturas PV–PEM–ESS.