Desarrollo de un sistema de gestión de energía eléctrica y térmica en viviendas unifamiliares (micro-CHP) con pilas de combustible

Abstract

[ES] Este trabajo aborda el desarrollo de un sistema de gestión combinada de la energía eléctrica y térmica para viviendas unifamiliares por medio de sistemas micro-CHP basados en pilas de combustible. En un mundo amenazado por los problemas medioambientales, los sistemas de cogeneración para viviendas tratan de aumentar la eficiencia energética deslocalizando la generación de energía eléctrica y acercándola a los consumidores finales, donde se puede aprovechar el calor producido durante la generación eléctrica para calefacción y agua caliente. Entre los sistemas de cogeneración destacan las pilas de combustible, sistemas con alta eficiencia eléctrica y bajo o nulo nivel de emisiones dependiendo de cómo se obtenga el hidrógeno. Los sistemas -CHP también suelen incorporar baterías para almacenar la energía eléctrica y depósitos para almacenar el agua caliente. Además pueden trabajar conectados a las redes de abastecimiento tradicionales (red eléctrica y gas natural) o de forma aislada.

Por tanto, los sistemas micro-CHP son sistemas complejos cuyo control no resulta fácil. En este trabajo se propone el control óptimo de un sistema -CHP aplicando un control predictivo basado en modelos (MPC). Para poder implementar este control es necesario diseñar un modelo tecno-económico del sistema micro-CHP. A partir de los puntos de operación de los dispositivos que forman el sistema -CHP, el modelo tecno-económico calculará sus costes de operación. Este modelo, combinado con perfiles realistas de demanda de energía eléctrica, agua caliente sanitaria y calefacción, se utilizará para plantear un problema de optimización de programación lineal entera mixta (MILP) que minimizará los costes de operación. A partir de este problema, el MPC calculará las acciones de control a aplicar sobre el sistema -CHP. Durante el desarrollo del algoritmo de control se realiza un estudio de la influencia del período de muestreo en las prestaciones del control, se analiza la necesidad de implementar un control de bajo nivel basado en reglas y se realiza un análisis de robustez frente a errores de predicción por medio de la aplicación del horizonte móvil en el MPC. Por último, se realizan las simulaciones correspondientes a un año para analizar la rentabilidad del sistema micro-CHP.

Con el controlador diseñado se procede a su implementación en un sistema empotrado CompactRIO, utilizando librerías basadas en el optimizador MIPCL. Para testear su comportamiento en sistemas de tiempo real, se desarrolla un Hardware-In-the-Loop que simula el sistema micro-CHP real a controlar. Para ello, se programan dos aplicaciones en LabVIEW, la del controlador ejecutándose en el CompactRIO y la del sistema micro-CHP simulándose en un PC. La comunicación entre ambas aplicaciones se realiza a través de variables compartidas en red.

Finamente, tras las pruebas y simulaciones realizadas a lo largo de todo el trabajo se concluye que el control implementado es capaz de operar de forma rentable el sistema micro-CHP en comparación con utilizar la energía procedente únicamente de la red eléctrica y el gas natural. La estrategia que aplica el control óptimo en cada escenario se ve fuertemente influenciada por los precios de la energía y los perfiles de demanda a los que se somete. Además, el MPC con horizonte móvil ha resultado un control robusto frente a la incertidumbre provocada por errores de modelado y errores en la predicción de la demanda. Por otra parte, se ha podido constatar que la implementación del control del sistema micro-CHP en el CompactRIO ha resultado satisfactoria. La flexibilidad a la hora de programar el CompactRIO y su capacidad computacional hacen dicha plataforma idónea para el desarrollo y test de prototipos de sistemas de gestión de energía basados en controles óptimos, como es el caso del MPC.

[EN] This document deals with the development of an energy management system for residential sector by means of micro-CHP systems fuel cell based. Currently there are several environmental problems related with pollution. Cogeneration systems aid to increase energy efficiency bringing production to final consumers where the heat produced can be used to space heating and domestic hot water. Among micro-CHP systems, fuel cells stand out due to their high electrical efficiency and low emissions depending on how hydrogen is obtained. In addition, micro-CHP systems generally incorporate electrical and thermal storage, as well as they can operate in network connected mode or in isolated mode.

Therefore, micro-CHP systems are complex systems whose control is not easy. In this document an optimal control is proposed by means of a model predictive control. In order to implement this control, a techno-economic model of the micro-CHP system is needed. The techno-economic model calculates the operational costs from the subsystems set points of the micro-CHP system. This model, combined with realistic demand profiles is used to build an optimization MILP problem that aims to minimize operational costs. The MPC strategy obtains the control actions of the micro-CHP system by resolving the optimization problem. During the development of the MPC strategy, an analysis of sampling period is made. It is also considered the need of a low level control. Moreover, it is made a robustness analysis by applying receding horizon technique. For last, a complete year simulation is made in order to evaluate micro-CHP system profitability.

Once the controller has been designed, it is implemented in an embedded CompactRIO system. MIPCL based libraries are used to solve the optimization problems in the CompactRIO. Next, it is developed a Hardware-In-the-Loop to test controller performance in real time systems. The Hardware-In-the-Loop carries out the real CHP system simulation. To do this, two applications are programmed in LabVIEW. The former, which acts as the controller is executed in the CompactRIO while the later is executed in a PC. Both applications communicate to each other by means of shared network variables.

Finally, after doing all tests and simulations, it is concluded that the MPC controller is able to operate the CHP system in an effective-cost manner in comparison with traditional energy supplies. Demand profiles and energy prices influence strongly the control strategy applied by the MPC controller. Furthermore, receding horizon results in a robust control against prediction and modelling errors. On the other hand, it has been verified that the implementation of micro-CHP system control has been satisfactory. The flexibility of programming the CompactRIO and its computational capacity make the CompactRIO a suitable platform to test and develop energy management systems based on optimal controls, such as the MPC.