Study of the generation of green hydrogen from wind power energy through water electrolysis

Abstract

[ES] En la tesis se estudia la producción de hidrógeno verde utilizando energía eólica. El hidrógeno verde es muy importante para la transición energética verde en Europa y su producción necesita ser estudiada con más detalle. El trabajo investiga la conversión de energía cinética del viento en electricidad mediante turbinas eólicas y la producción de hidrógeno verde utilizando un electrolizador de membrana de intercambio de protones (PEMWE), donde el agua se divide en hidrógeno y oxígeno. Todas las tecnologías involucradas tienen limitaciones técnicas y operativas y su integración en un sistema de energía significa que las propiedades fundamentales de cada tecnología deben estudiarse antes de que se integren en el sistema de energía. La primera parte de la tesis es más teórica, donde se estudian los fundamentos de la tecnología eólica (energía cinética del viento, ley de Betz, curva de potencia de la turbina eólica, disponibilidad de energía eólica) y los fundamentos de la tecnología PEMWE (reacciones químicas, composición de PEMWE y electrolizadores comerciales, curva de polarización, especificidad del hidrógeno como combustible). En la segunda parte, la primera parte se complementará con un trabajo experimental con un sistema de micro laboratorio que consta de una micro-turbina eólica colocada en un túnel de viento y un micro-PEMWE para la producción de hidrógeno verde. Basándose en las mediciones de las características de la turbina eólica y las limitaciones del PEMWE, se debe optimizar la operación del sistema para producir la cantidad máxima de hidrógeno acoplando las dos tecnologías. Las tareas serán:

· Realizar una revisión bibliográfica sobre las características de las turbinas eólicas y los electrolizadores.

· Describir el sistema experimental a utilizar y sus características.

· Crear una matriz experimental para el trabajo experimental.

· Realizar mediciones según el plan experimental.

· Analizar los resultados y comparar los resultados obtenidos con los teóricamente esperados.

· Extraer conclusiones relevantes y proporcionar una perspectiva para trabajos futuros.

[EN] In the thesis, the production of green hydrogen using wind energy is studied. Green hydrogen is very important for the green energy transition in Europe and its production needs to be studied in more detail. The work investigates the energy conversion from wind kinetic energy to electricity using wind turbines and the production of green hydrogen using a proton exchange membrane water electrolyzer (PEMWE), where water is split into hydrogen and oxygen. All of the technologies involved have technical and operational limitations and linking them together to form an energy system means that the fundamental properties of each technology must be studied before they are integrated into the energy system. The first part of the thesis is a more theoretical part, where I study (i) the fundamentals of wind technology (wind kinetic energy, Betz law, wind turbine power curve, wind energy availability) and (ii) the fundamentals of PEMWE technology (chemical reactions, composition of PEMWE and commercial electrolyzers, polarization curve, specificity of hydrogen as fuel). In the second part, the first part will be complemented by experimental work with a micro-laboratory system consisting of a micro-wind turbine placed in a wind tunnel and a micro-PEMWE for green hydrogen production. Based on the measurements of the characteristics of the wind turbine and the limitations of the PEMWE, the operation of the system must be optimized to produce a maximum amount of hydrogen by coupling the two technologies. The tasks will be to:

· Conduct a literature review on the characteristics of wind turbines and electrolyzers.

· Describe the experimental system to be used and its characteristics.

· Create an experimental matrix for the experimental work.

· Perform measurements according to the experimental plan.

· Analyze the results and compare the obtained results with the theoretically expected ones.

· Draw relevant conclusions and provide an outlook for future work.