Sistema de gestión de energía para almacenamiento conectado a red en base a hidrógeno de bajas emisiones

Abstract

Este trabajo presenta y valida la implementación de un sistema de almacenamiento de energía basado en hidrógeno (H2ESS) orientado al soporte de redes eléctricas con alta penetración de energías renovables. En el contexto de la transición energética, donde la intermitencia de fuentes renovables introduce desafíos técnicos y operacionales en la red [5], [7], el uso de hidrógeno como vector energético surge como una alternativa con capacidades de almacenamiento, transportabilidad y versatilidad [6], [8]. El sistema propuesto integra un electrolizador (ELZ), una celda de combustible (FC) y un sistema de gestión de energía (EMS), encargado de coordinar los flujos de potencia entre la red y el sistema de almacenamiento. Se desarrollan modelos y estrategias de control para los convertidores de potencia asociados, junto con una lógica EMS que determina los modos de operación de almacenamiento, consumo o espera según la potencia renovable disponible. A través de distintos casos de estudio, se evalúa el desempeño del H2ESS frente a variaciones de generación y demanda, demostrando su capacidad para mitigar fluctuaciones de potencia y realizar peak shaving. Asimismo, se consideran restricciones dinámicas propias de la tecnología, tales como los límites de ramp rate en el ELZ [29] y los efectos de degradación por cambios bruscos de potencia en la FC [30], asegurando transiciones suaves y una operación estable del sistema. Los resultados de simulación evidencian que la coordinación entre los convertidores y el EMS permite mantener la estabilidad de la red, con altas eficiencias de conversión y pérdidas térmicas despreciables en comparación con la potencia procesada. De este modo, se valida la viabilidad del H2ESS como solución de soporte y flexibilidad para redes eléctricas con alta participación renovable. Finalmente, se identifican(...). This work presents and validates the implementation of a hydrogen-based energy storage system (H2ESS) aimed at supporting electrical grids with high penetration of renewable energy sources. In the context of the energy transition, where the intermittency of renewable sources introduces technical and operational challenges to the grid [5], [7], the use of hydrogen as an energy vector emerges as an alternative with storage, transportability, and versatility capabilities [6], [8]. The proposed system integrates an electrolyzer (ELZ), a fuel cell (FC), and an energy management system (EMS), responsible for coordinating power flows between the grid and the storage system. Models and control strategies are developed for the associated power converters, together with an EMS logic that determines storage, consumption, or standby operating modes according to the available renewable power. Through different case studies, the performance of the H2ESS is evaluated under generation and demand variations, demonstrating its ability to mitigate power fluctuations and perform peak shaving. Additionally, dynamic constraints inherent to the technology are considered, such as ramp rate limits in the ELZ [29] and degradation effects due to abrupt power changes in the FC [30], ensuring smooth transitions and stable system operation. Simulation results show that coordination between the converters and the EMS allows grid stability to be maintained, with high conversion efficiencies and negligible thermal losses compared to the processed power. In this way, the feasibility of the H2ESS as a support and flexibility solution for electrical grids with high renewable participation is validated. Finally are identified(...)