Estudio de la implementación de un sistema híbrido pila de combustible-batería en un vehículo para personas con movilidad reducida

Abstract

[ES] El agotamiento de los combustibles fósiles y el cambio climático han impulsado el desarrollo de fuentes de energía alternativas. Una opción para reducir la presencia de los combustibles tradicionales se relaciona con la economía del hidrógeno, H2, debido a su elevada densidad energética. Además, si se obtiene a partir de fuentes limpias, no produce ningún residuo contaminante, ya que en su combustión el único subproducto es el agua. El objetivo de este Trabajo Final de Máster es estudiar la implementación de un sistema híbrido ¿pila de combustible-batería¿ que proporcione la potencia necesaria para un vehículo para personas con movilidad reducida. El vehículo elegido requiere una potencia pico de 500W. En los vehículos actuales esta potencia es suministrada únicamente por la batería, lo que limita su autonomía y la hace pesada y difícil de manejar. Por todo ello se ha estudiado la implementación de una pila de hidrógeno como fuente de energía. No obstante, este elemento no responde adecuadamente ante las variaciones de potencia requeridas en los momentos de arranque y picos de demanda. Debido a estas limitaciones, se propone su hibridación con una pequeña batería. En primer lugar, se presenta el estado del arte de las dos fuentes energéticas involucradas y sus modelos de comportamiento. Posteriormente, se plantean dos configuraciones del circuito eléctrico (en serie y en paralelo) y se establece la estrategia energética en cada caso. Se realiza la simulación de las configuraciones a partir de los modelos y de la curva de demanda de potencia empíricos para una autonomía objetivo. En base a los resultados se analiza cuál de las configuraciones estudiadas es la más conveniente para el caso de aplicación; y se hace un dimensionamiento de los dos dispositivos para escogerlos entre los disponibles comercialmente. Finalmente se analiza las ventajas e inconvenientes del sistema propuesto.

[EN] Depletion of fossil fuels and climate change have driven the development of alternative energy resources. An option to reduce the presence of traditional fuels is related to hydrogen, H2, due to his power density. If the H2 is produced using clean and renewable energy sources, it does not produce any contaminant, since water is the only subproduct in its combustion. The objective of this Final Master Project is to study the implementation of a hybrid system ¿fuel cell-battery¿ that supplies the necessary power to move a vehicle for people with reduced mobility. The chosen vehicle requires a peak power of 500W. In the current vehicles the power is supplied only by the battery, what limits its autonomy and makes it heavy and unwieldy. Due to all these reasons, the implementation of a fuel cell as an energy source has been studied. However, this device does not adequately respond to power variations, which are required in starting toques and demand peaks. Due to these limitations, its hybridization with a small battery is proposed. First, the state of the art in the two energy sources involved and their descriptive models are presented. Afterwards, two possible configurations of the electrical circuit are proposed (series and parallel circuit) and the energy strategy is set for each case. The simulation of the configurations is done based on the models and the empirical power demand curve for a targeted autonomy. On the basis of the results obtained, the most suitable configuration is chosen for this application; and the equipment sizing is done to choose them among the commercially available. Finally, the advantages and disadvantages of the proposed system are analysed.

[CAT] L'esgotament dels combustibles fòssils i el canvi climàtic han impulsat el desenvolupament de fonts d'energia alternatives. Una opció per a reduir la presència dels combustibles tradicionals es relaciona amb l'economia de l'hidrogen, H2, a causa de la seua elevada densitat energètica. A més, si s'obté a partir de fonts netes, no produeix cap residu contaminant, ja que en la seua combustió l'únic subproducte és l'aigua. L'objectiu d'aquest Treball Final de Màster és estudiar la implementació d'un sistema híbrid “pila de combustible+ bateria” que proporcione la potència necessària per a un vehicle per a persones amb mobilitat reduïda. El vehicle triat requereix una potència pique de 500W. En els vehicles actuals aquesta potència és subministrada únicament per la bateria, la qual cosa limita la seua autonomia i la fa pesada i difícil de manejar. Per tot això s'ha estudiat la implementació d'una pila d'hidrogen com a font d'energia. No obstant això, aquest element no respon adequadament davant les variacions de potència requerides en els moments d'arrancada i pics de demanda. A causa d'aquestes limitacions, es proposa la seua hibridació amb una xicoteta bateria. En primer lloc, es presenta l'estat de l'art de les dues fonts energètiques involucrades i els seus models de comportament. Posteriorment, es plantegen dues configuracions del circuit elèctric (en sèrie i en paral·lel) i s'estableix l'estratègia energètica en cada cas. Es realitza la simulació de les configuracions a partir dels models i de la corba de demanda de potència empírics per a una autonomia objectiu. Sobre la base dels resultats s'analitza quin de les estratègies estudiades és la més convenient per al cas d'aplicació; i es fa un dimensionament dels dos dispositius per a triar-los entre els disponibles comercialment. Finalment s'analitza els avantatges i inconvenients del sistema proposat.