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VII CAIQ 2013 y 2das JASP

AAIQ Asociación Argentina de Ingenieros Químicos

INGENIERÍA CONCEPTUAL DE UN SISTEMA HÍBRIDO DE BIO-

ETANOL Y ENERGÍA SOLAR PARA USO VEHICULAR

P.G. Rullob, L. Nieto Degliuominib, M. Cunninghama, F. Ferreyraa, L. Braccia,c, M. S.

Basualdoa,b,c,*

a Universidad Nacional de Rosario – Facultad de Ciencias exactas, Ingeniería y

Agrimensura, Pellegrini 250, S2000BTP, Rosario, Argentina bCentro Internacional de Ciencias de la Información y Sistemas - CONICET, 27 de

Febrero 210 bis, S2000EZP, Rosario, Argentina, [email protected]. cFacultad Regional Rosario - Universidad Tecnológica Nacional, ZEBALLOS 1341,

S2000BQA, ROSARIO, Argentina.

Resumen. En este trabajo se presenta la ingeniería conceptual para el diseño

de un sistema híbrido de aplicación vehicular que conlleva la producción de

hidrógeno a partir de bioetanol y energía solar. El procesador consta de un

reactor de reformado, alimentado con bioetanol y agua, de naturaleza

endotérmica, por lo que requiere de calentamiento externo. El sistema hibrido

se completa con una pila de combustible del tipo de membrana de intercambio

protónico y con baterías y supercapacitores para el almacenamiento de

energía. La energía eléctrica obtenida se distribuye mediante la aplicación de

una política de gerenciamiento energético propuesta para este trabajo. Se

implementan las decisiones para alimentar al motor eléctrico, carga de baterías

y supercapacitores y satisfacer los requerimientos térmicos del reactor. Se

propone un esquema de control multivariable a fin de alcanzar un alto

rendimiento y cumplir con las restricciones de calidad impuestas de un modo

sustentable. Se consideró un perfil de insolación y temperatura de la ciudad de

Rosario, para demostrar su aplicabilidad y efectividad. La demanda se calcula

para un circuito urbano de alta exigencia.

Palabras clave: HIDROGENO, BIOETANOL, ENERGIA SOLAR.


AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos

1. Introducción

La creciente reducción de reservas de combustibles fósiles y la degradación del

medio ambiente consecuencia de su combustión se han convertido en las principales

preocupaciones con respecto a la matriz energética mundial vigente. La transición

progresiva hacia vehículos eléctricos híbridos basados en celdas de combustibles, puede

ser uno de los posibles caminos tendientes a solucionar estos problemas en el ámbito de

las aplicaciones móviles.

Es común añadir sistemas de almacenamiento de energía (ESS) en los vehículos

propulsados por celdas de combustible. La hibridación puede aportar ventajas

significativas: la mejora de la demanda de potencia transitoria, la capacidad de absorber

la energía de frenado regenerativo y las oportunidades para la optimización de la

eficiencia de los vehículos. La coordinación entre las distintas fuentes de energía

requiere de un alto nivel de control en el vehículo.

Las pilas de combustible con membrana de intercambio protónico (PEM),

alimentadas por hidrógeno, se consideran la mejor opción para aplicaciones móviles

debido a su diseño compacto, la modularidad, bajo punto de temperatura de trabajo, alta

eficiencia de conversión y bajas emisiones de contaminantes y ruido. El hidrógeno es

extremadamente peligroso para transportar y almacenar. Por lo tanto un sistema de

procesado a bordo para producir este gas a partir de materiales renovables líquidos, tales

como bio-etanol, es una buena opción, dado que es mucho más seguro de manipular, y

la infraestructura actual de reabastecimiento de combustible es capaz de manejarlo.

El sistema en estudio está compuesto por lo tanto por: la fuente principal de potencia

que es la pila de combustible PEM alimentada a través de un reformador de Bioetanol,

un arreglo de celdas fotovoltaicas como fuente de potencia auxiliar, un sistema de

almacenamiento de energía compuesto por baterías y supercapacitores, y un bus DC que

integra todo el sistema de potencia. Un esquema del mismo se presenta en la Fig. 1.



Figura 1. Diagrama esquemático del sistema hibrido.

El sistema reformador de bioetanol (BPS) consta de un reformador de biotetanol

mediante vapor (ESR), seguido de una unidad de purificación dedicada a reducir las

concentraciones de monóxido de carbono por debajo de 10 ppm en el flujo de

alimentación de la pila de combustible. Esto es un aspecto critico a la hora de mantener

altas eficiencias en el sistema y evitar de progresivo deterioro de la pila.

La principal reacción de reformado, que se da en el ESR, es de carácter endotérmico,

por lo que requiere la incorporación de calor. En este trabajo se propone proveer este

calor a través de una resistencia de calentamiento, que es alimentada a través de un bus

de corriente continua. Cuando la energía disponible en esta fuente no es suficiente para

satisfacer los requerimientos del proceso, el calor restante es aportado por un quemador

alimentado de etanol fresco y aire comprimido.

En este trabajo, se presentan el diseño tanto de la estructura de control base del BPS

como la Estrategia de Gestión de Energía (EMS) a fin de satisfacer los requisitos de

energía de la carga y garantizar la operación segura del sistema. La estructura de control

descentralizada PI propuesta por Nieto Degliuomini et al. (2012a) a través de la

aplicación de una metodología generalizada para el control de plantas completas se

modifica y se utiliza como la estructura de control base del BPS. Basándose en el

estudio de la matriz de ganancias relativas (RGA), los lazos más interactivos se

identifican y sustituyen por un Control Predictivo basado en Modelos Lineal (LMPC)

2x2. Con esta modificación, la calidad requerida en el flujo de hidrogeno producido

(concentración de CO <10 ppm) se cumple en casi todo el perfil de carga.



En este contexto, es necesaria una Estrategia de Gestión de la Energía (EMS) para la

correcta integración de los sistemas de potencia, con el fin de cubrir las demandas de la

carga. La EMS es un algoritmo capaz de comandar en cada instante las fuentes de

energía intervinientes con el objetivo de cumplir con los requisitos de carga,

aumentando al mismo tiempo la eficiencia del sistema.

Se utiliza un modelo dinámico riguroso del BPS (Nieto Degliuomini et al., 2012b),

modelado utilizando balances de materia y energía, equilibrio químico, modelos

termodinámicos y las condiciones de transferencia de calor factibles. Las simulaciones

dinámicas del sistema híbrido se presentan, teniendo en cuenta un ciclo de conducción

urbano estandarizado. El cálculo para el subsistema solar se realiza con un perfil de

insolación y temperatura de la ciudad de Rosario, Argentina, con el fin de demostrar su

eficacia. La nueva configuración y la estrategia son capaces de comportarse

adecuadamente para las exigentes condiciones del ciclo de conducción. Se proporciona

la potencia necesaria la mayoría del tiempo, y se muestra una disminución significativa

en el consumo de combustibles líquidos, que en trabajos previos era quemado en un

reactor de combustión.

2. Descripción y Modelado del Sistema Híbrido

En esta sección se describe el sistema hibrido de generación de energía a partir

bioetanol y energía solar y el modelo desarrollado. La topología del sistema hibrido en

estudio en este trabajo se muestra en la Fig. 1. En la figura se muestra como la potencia

de carga es alimentada desde el bus de continua, el cual puede recibir potencia

suministrada por la pila de combustible PEM, el arreglo de celdas fotovoltaicas y el

sistema de almacenamiento de energía (baterías y supercapacitores).



La pila de combustible PEM es alimentada a su vez con hidrógeno proveniente del

reformador de bioetanol. Se observa además que el calentador del reformador puede ser

alimentado, al menos parcialmente, con energía eléctrica desde el bus de continua. El

banco de baterías y los supercapacitores pueden almacenar energía temporalmente

cuando la disponibilidad de energía es mayor a la requerida y ser utilizada a posteriori

según sea necesario. El voltaje del bus de corriente continua es impuesto por el banco de

baterías, el cual está compuesto por un conjunto de baterías de plomo-ácido conectadas

en serie.

2.1. Sistema Reformador de Bioetanol

El sistema reformador de bioetanol consta de un reformador de biotetanol mediante

vapor (ESR) con reactores de flujo de tipo pistón, donde se realiza la mayor parte de la

conversión de bioetanol a hidrógeno. El catalizador de la pila de combustible puede ser

dañado si el hidrógeno que ingresa al ánodo contiene monóxido de carbono, por lo cual

es necesario un procesamiento adicional para eliminar esta sustancia. Tres reactores

configuran el sistema de limpieza. En primer lugar, dos reactores de desplazamiento por

agua (Water gas shift reaction WGS), el primero de alta temperatura (rápida) y el

segundo de baja temperatura, que favorece el equilibrio de la reacción a tasas de

conversión de CO más altas. En el tercer reactor se produce una oxidación preferencial

del monóxido de carbono (CO-PrOx), donde se realiza la oxidación de CO en CO2.

Además, se produce la oxidación no deseada de H2, por lo que el catalizador se

selecciona para mejorar la conversión de CO.

En el primer paso para producir la descomposición del bioetanol, se mezcla el

bioetanol con agua vaporizada y luego se la suministra al ESR:

3 2 2 2 2(ESR) CH CH OH+3.H O 6.H +2.CO↔ (1)



La reacción general es endotérmica por lo cual se requiere el suministro de calor.

En el presente trabajo se propone suministrar este calor mediante una resistencia de

calentamiento, la cual es alimentada con energía eléctrica producida por el sistema

eólico y con parte de la energía previamente almacenada en las baterías. Cuando la

energía disponible desde estas fuentes no es suficiente, entonces el resto del calor es

suministrado por un quemador, el cual es alimentado con bioetanol y aire comprimido.

La transferencia de calor se consigue haciendo pasar los gases a través de la camisa del

reformador. La reacción producida en el WGS es la siguiente:

2 2 2(WGS) CO+H O CO +H↔ (2) Esta reacción produce calor y crea más hidrógeno.

Luego de los dos reactores WGS todavía hay niveles de CO por lo que la

eliminación final se realiza en el reactor CO-PrOx, el cual produce la oxidación de CO.

En este reactor también se produce la reacción WGS previamente presentada. Se inyecta

aire en el reactor CO-PrOx para proveer oxígeno, siendo la cantidad necesaria el doble

de la estequiometria para tener una buena selectividad y satisfacer los requerimientos de

la pila de combustible.

Los reactores de flujo pistón son modelados como 20 reactores tanque continuamente

agitados (CSTR) conectados en línea. El flujo molar entre dos volúmenes está dado por

la ecuación del flujo en función de la presión a ambos lados de un orificio. Más detalles

en el modelado dinámico y la operación de este sistema pueden ser encontrados en

Nieto Degliuomini et al. (2012a).



2.1. Pila de Combustible PEM

Las pilas de combustible PEM convierten la energía química almacenada en el

hidrógeno directamente en energía eléctrica. La celda básica está constituida por un

ánodo alimentado con hidrógeno y un cátodo alimentado por aire, aunque realmente lo

que interviene en la reacción electroquímica es el contenido de oxígeno en el aire

ingresado. Estos dos electrodos están separados por un electrólito constituido por una

membrana polimérica cuya característica principal radica en que permite el paso de

protones cuando esta convenientemente humidificada pero, por el contrario, es un

excelente aislante de electrones (Larminie, J. and A. Dicks, 2003).

La celda considerada consiste en un ánodo (donde se inyecta el hidrógeno que actúa

como combustible), y un cátodo (donde se inyecta un oxidante, normalmente oxígeno o

aire). Los electrodos se encuentran separados por una membrana semipermeable, la cual

permite el intercambio protónico, y produce la reacción de oxidación para producir

energía eléctrica. La celda genera una tensión de circuito abierto, que es afectada por

algunas pérdidas (de activación, concentración, y óhmicas), y esto da una cierta tensión

útil.

El modelo dinámico riguroso presentado por J. Pukrushpan (2003) es utilizado en

este trabajo, adaptado para producir una potencia máxima de 10 kW. En dicho trabajo,

se considera la reacción general para convertir energía química directamente en energía

eléctrica como:

(3)

A su vez, la tensión de circuito abierto de una celda puede escribirse como:

(4)



Donde fT es la temperatura de operación de la celda en grados Kelvin , 2Hp

y

2Op son las presiones parciales del hidrógeno en el ánodo y oxígeno en el cátodo,

respectivamente. Se considera que tanto el combustible como el oxidante se encuentran

humedecidos, y la presión del vapor (proveniente de la ecuación de Nernst) se asume

igual a la presión del vapor saturado. Una tensión típica es de 1,2 Volts (por cada celda),

aunque en condiciones de operación, esta tensión tiende a disminuir. Esta disminución

se debe a pérdidas irreversibles, aun cuando no haya carga conectada, como son las

pérdidas por activación, óhmicas y de concentración.

Por tanto, la tensión de una celda única se calcula en este trabajo como:

(4)

En el modelo se incluyen comportamientos transitorios de las válvulas de llenado, de

la hidratación de la membrana, del compresor de aire, y del manejo del calor. A su vez,

se encuentran modeladas las interacciones entre procesos. La producción de hidrógeno

requerida se calcula a través de la siguiente relación:

(5)

Donde n es el número de celdas en la pila, F la constante de Faraday, y 2HW se

utiliza como set-point de la cantidad de 2H a producir. Este set-point debería

determinarse directamente a partir de la presión parcial de 2H en el ánodo, pero esta es

una variable a la que no se tiene acceso.

Se asume, como simplificación, una utilización completa del combustible, con lo

cual la tasa de purga es cero, y el consumo de H2 en estado estacionario (calculado en la

expresión anterior) puede utilizarse como una aproximación aceptable del flujo

requerido.



En el presente trabajo, el número de celdas utilizados se setea en 80n = , para lograr

el valor de potencia máxima de 10 kW. Sin embargo, la modificación de ese parámetro

trae aparejadas modificaciones en otros parámetros, de manera tal de optimizar el

funcionamiento de la celda en ese punto de trabajo. Para tal fin, se emplean las

siguientes ecuaciones, donde se evidencia la modificación de los valores “óptimos” de

exceso de oxígeno en el cátodo, tensión al compresor y potencia neta, al variar la

corriente demandada a la celda:

(6)

2.1. Sistema Fotovoltaico

Una celda solar es básicamente una juntura p-n construida con capas de material

semiconductor. Naturalmente, una celda fotovoltaica exhibe una característica I-V no

lineal, las cuales varían con la irradiación recibidas, y la temperatura de la celda. Estas

condiciones atmosféricas afectan significativamente el rendimiento de las celdas. Su

comportamiento eléctrico puede ser modelado por una fuente no lineal de corriente

conectada en serie con una resistencia intrínseca. La corriente proporcionada por esta

fuente no lineal equivalente depende principalmente de la insolación real y la

temperatura. Dado que una celda fotovoltaica típica produce menos de 2W a 0,5V

aproximadamente, las celdas deben ser conectadas en configuración serie para producir

una potencia aceptable. Un panel solar, es un conjunto de celdas solares, conectadas en

circuitos paralelo y serie, para generar la corriente y tensión requeridas.

De esta manera, considerando que se utilizan Ns celdas en serie, y Np celdas en

paralelo, y que el panel se conecta al bus de continua a través de un convertidor buck

DC/DC, el sistema de ecuaciones que define la dinámica del sistema está dado por:



( )exp 1

PV OPV

b PVO

PV PV sPV p ph p rs

s c

i iv uC Cv vi uL L

q v i Ri n I n I

n A KT

= −

= − +

⎛ ⎞+⎛ ⎞= − −⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠

&

& (7)

donde PVv es el voltaje en los terminales del arreglo de celdas, Oi es la corriente

inyectada en el bus de continua, C y L son parámetros eléctricos del convertidor

dc/dc, u es la señal de control (duty cycle), PVi es la corriente generada en el arreglo

de celdas, bv es el voltaje en los terminales del banco de baterías, sn es el número de

celdas conectadas en serie, pn es el número de arreglos en paralelo, K es la constante

de Boltzman, cA es la desviación con respecto a la característica de la juntura p-n ideal,

q es la carga de un electrón, phI es la corriente fotónica, rsI es la corriente inversa de

saturación, y T es la temperatura.

El dimensionamiento del panel fue realizado basándose en un modelo comercial, el

Kyocera KD 300-80 P Series. Las dimensiones propuestas son de 1662mm x 1320mm x

46mm (largo x ancho x espesor). El rendimiento del panel diseñado fue adoptado en

16%. Estas especificaciones otorgan una potencia máxima de 320 Watts, asumiendo una

irradiancia de 1000, y una temperatura de 20 ºC. El panel queda conformado por 80

celdas solares conectadas en serie. Tomando una temperatura de referencia de 298 ºK,

se calcula una tensión de circuito abierto de 49,5 V, y una corriente de cortocircuito de

8,60 A. La energía de la Gap Band fue establecida en 1,12 eV dado que las celdas son

de Silicio. Por último, se consideró un coeficiente de temperatura para la corriente de

cortocircuito de 0,065 %/ºC.



Dada la curva I-V del panel solar, existe una recta de carga óptima, (o sea, un punto

‘óptimo’ en la gráfica) donde la potencia entregada será máxima. Este punto es llamado

MPP y dado que la curva varía continuamente ante variaciones de irradiación solar o

temperatura, este punto también se moverá.

Esto pone en evidencia la necesidad de contar con una etapa MPPT (Maximum

Power Point Tracker), la cual se encarga de ir variando la recta de carga vista por el

panel solar, de manera que este entregue siempre la máxima potencia.

2.1. Sistema de Almacenamiento de Energía

Como se comento anteriormente, el Sistema Almacenador de Energía (ESS) está

compuesto por un banco de baterías y supercapacitores que satisfacen diferentes rangos

dinámicos de la demanda de potencia. El modelo de almacenamiento de energía,

computa el Estado de Carga (SoC) de la batería en respuesta a lo que requiera el bus de

potencia de entrada, y entrega en su salida la potencia que tiene disponible. La pérdida

de potencia se computa como pérdidas de efecto Joule (2.I R ) más aquellas debido a la

ineficiencia Coulómbica.

La batería se modela como un circuito equivalente, el cual contiene una fuente de

tensión ideal (Voc) en serie con una resistencia interna (Rint). Esta tensión y resistencia

se computan como funciones del SoC, lineales y por partes. Hay dos funciones para

calcular Rint, una para la potencia de carga y otra para la descarga.

El SOC es una de las variables más significativas, ya que representa la energía

remanente en la misma, que a su vez se debe asegurar de mantener dentro de ciertos

límites para garantizar un buen rendimiento y durabilidad de la batería (Milocco and

Castro, 2009). El SOC puede ser expresado como:

max

max

.100%uAh AhSOCAh

−= (8)



donde maxAh es la capacidad máxima en Ah y uAh es la capacidad utilizada. Donde

esta última puede calcularse integrando la corriente de carga o descarga de la batería a

partir de un valor inicial de SOC, multiplicada por un factor de eficiencia. A su vez

tanto las corrientes de carga como descarga de la batería están limitadas a valores

máximos dependientes de Voc y Rint.

Los supercapacitores tienen la característica de ser capaces de entregar o absorber

corriente rápidamente. Esto los vuelve un complemento perfecto para un sistema como

el estudiado, dado que pueden complementar la potencia entregada por la pila de

combustible y el sistema de baterías en los intervalos de tiempo en que las mismas se

encuentran limitadas.

Para este proyecto, se eligió el modelo de supercapacitores y baterías presente en el

software ADVISOR. El mismo permite una rápida interconexión de bloques. Como

entrada acepta la potencia requerida en función del tiempo. Como salidas la potencia

que tiene disponible en cada instante.

3. Estructura de Control del Reformador

Los principales objetivos de control del BPS son: mantener adecuados niveles de H2

en el ánodo de la pila PEM para evitar daños y mantener eficiencia del sistema, la

concentración de CO en el flujo de H2 que alimenta la pila debe mantenerse por debajo

de 10ppm, mantener las temperaturas de los reactores dentro de los rangos operativos y

mantener la eficiencia del sistema.



La estructura de control descentralizada PI propuesta por Nieto Degliuomini et al.

(2012a) a través de la aplicación de una metodología generalizada para el control de

plantas completas se modifica y se utiliza como la estructura de control base del BPS.

En principio, se decidió preservar la topología de la planta. Se optó entonces por agregar

un nuevo controlador PID, manteniendo la ubicación del lazo 3. Esto evitó que se deban

recalcular todos los controladores ya existentes. El nuevo lazo agregado, monitorea la

temperatura de salida del calentador eléctrico, y en base a un set point de temperatura,

actúa sobre el flujo de recirculación de gases calientes. Estos gases son los que

provienen de la salida del quemador. Es importante destacar que el objetivo del

calentador eléctrico agregado no es eliminar completamente la función del quemador.

Esto sería un gran inconveniente en el caso de que el vehículo no contase con suficiente

energía eléctrica en el bus, dado que no sería posible alcanzar la temperatura de

reacción requerida y comenzar a producir el hidrógeno (y por ende, la electricidad)

necesario. El objetivo del calentador eléctrico es disminuir (tanto como sea posible) la

quema del bioetanol, sin llegar a eliminarla.

Los lazos de control quedan definidos en esta estructura descentralizada por la Tabla

1.

Tabla 1. Lazos de estructura descentralizada

Lazo Variables Manipuladas Variables Controladas

1 u1: Entrada de Agua al ESR y9: Tasa molar O2/CO 2 u2: Calor intercambiado Q y1: Temp. de salida del ESR 3 u3: Etanol al Quemador y3: Temp. salida del Quemador 4 u4: Oxígeno al Quemador y10: Flujo saliente Quemador 5 u5: Oxígeno al Co-Prox y8: Temp. salida del Co-Prox 6 u6: Tensión del compresor y13: Exceso de Oxígeno 7 u7: Flujo recirc. gases y20: Temp. salida calentador



Una buena performance dinámica se consigue con esta estructura de control. Sin

embargo pueden observarse picos importantes en los valores transitorios de la

concentración de CO que pueden perjudicar de manera significativa la performance de

la pila.

FIC

TIC

Bur

ner

ESR

HTS LT

S

CO

-PrO

x

PEM

-FC

Water

Ethanol

Air

RC

TIC

FIC

TIC

RR

Loop 2

Loop 3

Loop 4Loop 6

Loop 7Calentador

TIC

Q[W]

LMPC TT

CV1

CV2

IT

DV1

MV2

MV1

Figura 2. Estructura de control BPS. Descentralizado PI + LMPC.

A través del estudio de la matriz RGA se puede ver que los lazos involucrados en el

control del reactor CO-PrOx son los más interactivos del proceso, por lo tanto

candidatos para un control multivariable. En este trabajo se propone el reemplazo de los

lazos 1 y 5 por un control LMPC 2x2 con una perturbación medida (Ist). El modelo

interno del LMPC se realizó mediante una identificación en el punto de operación. Los

datos fueron obtenidos por simulación, excitando las entradas correspondientes de

manera simultánea con escalones aleatorios alrededor de su punto de trabajo, y

registrando las variables de salida correspondientes. Los valores son normalizados a

media cero y varianza unitaria, y utilizando el método de subespacios n4sid presente el

Toolbox de identificación de MatLab se obtuvo un modelo lineal de orden 10 que ajusta

satisfactoriamente al modelo riguroso en el rango identificado. En la Fig. 2 puede ver se

la estructura de control resultante.



3. Estrategia de Manejo de Energía

Si bien los sistemas de generación eléctrica basados en energías renovables presentan

numerosas ventajas, uno de los principales inconvenientes que se presentan a la hora de

satisfacer las demandas de una carga, es su variabilidad y dependencia con respecto a

las condiciones climáticas. Se hace necesario por lo tanto, la inclusión de sistemas

almacenadores de energía de manera de cubrir los faltantes de energía y permitir que los

subsistemas de generación (panel solar y pila de combustible) trabajen en puntos de

trabajo eficientes. En este trabajo se ha estudiado la inclusión de dos elementos

almacenadores, baterías y supercapacitores. Las baterías se encargan de cubrir las

variaciones de la carga demandada con respecto a la generada, pudiendo cargarse en los

momentos que la potencia neta generada es positiva, o entregando potencia al bus de

continua cuando exista un faltante de energía. Los supercapacitores responden a las

dinámicas rápidas o picos de potencia, donde las baterías por sus limitaciones de

operación no pueden funcionar.

Para poder manejar de manera eficiente la distribución de potencia dentro del

sistema, se requiere de una Estrategia de Manejo de Energía. Básicamente, el EMS

funciona de acuerdo a un conjunto de reglas, implementado a través de una máquina de

estados. Los diferentes estados en los que se puede encontrar el sistema dependen de la

potencia neta generada el sistema y el SOC de las baterías. Las baterías son las encargas

a su vez, de cerrar en todo momento el balance de potencia determinado por:

Pl + Pcalentador = Ppc + Ppanel + Pfrenado + Pess (9)

donde Pl es la potencia demandada por la carga, Pcalentador es la potencia necesaria

en el calentador eléctrico, Ppc es la potencia generada por la pila de combustible,

Ppanel es la potencia entregada por el sistema fotovoltaico, Pfrenado es la potencia

regenerada por el frenado del vehículo y Pess es la potencia de entregada o almacenada

por batería y supercapacitores. Por convención se toma a Pess positiva cuando la batería

se descarga y negativa cuando se carga. En la Fig. 3 se resume el esquema de manejo de

energía.



Figura 3. Diagrama de Estrategia de manejo de energía.

Figura 4. Concentración de monóxido a la salida del reactor CO-PrOx con control descentralizado PI y LMPC.



4. Resultados de Simulación

Las pruebas de simulación para testear las estrategias de control y de gestión de

energía propuestas se realizan sobre el modelo dinámico desarrollado en

Matlab/Simulink y HYSYS. Para ello se han realizados algunas suposiciones: las

eficiencias de los convertidores de potencia se consideran constantes, las presiones en el

procesador de bioetanol están perfectamente controladas y la integración de calor se

considera óptima.

Como se mencionó anteriormente, los perfiles de insolación y temperatura

corresponden a datos recolectados por estaciones meteorológicas correspondientes la

ciudad de Rosario, Argentina. Mientras que la potencia demandada por la carga

corresponde al resultante del perfil de manejo estandarizado UDDS para t e [0,600] seg.

En la Fig. 4 puede verse la respuesta dinámica que presenta la concentración de CO

en el flujo de alimentación de la pila tanto para la estructura descentralizada con lazos

PI inicialmente propuesta, como para la estrategia multivariable LMPC. Los picos que

presenta la respuesta para la primer estrategia se logran reducir en más de un orden de

magnitud, presentando una mejora en el índice IAE del 97,07%. Esta mejora se debe

principalmente a la acción feed-forward que tiene el LMPC. Al estar contemplado en el

modelo interno el efecto de la perturbación sobre la salida, las acciones de control

correspondientes tienden a rechazarla. A su vez el esfuerzo de control de las variables

manipuladas no difiere en más del 1% con respecto a la estrategia descentralizada, lo

que implica una alta sensibilidad de la planta en estudio.



Figura 5.(a) Estado de carga de la batería (SOC). (b) Potencia demandada al bus de continua vs. Potencia total

generada

Figura 6. Distribución de potencia para cada subsistema.



En la Fig. 5 podemos ver la respuesta de las variables eléctricas del sistema. En la

Fig. 5(a) se puede observar la evolución del SOC a lo largo del ciclo, manteniéndose en

niveles aceptables y finalizando con un estado de carga un tato mayor a su valor inicial.

En la Fig. 5(b) se expone la potencia demandada al bus de continua a lo largo del ciclo,

y la potencia total generada. Como podemos observar la respuesta a las exigencias de la

carga se cumple en la mayor parte del trayecto. Entre los 200 y 300 segundos se dan los

picos de potencia más exigentes, donde el sistema si bien alcanza el pico de potencia

demandado, no puede sostenerlo el tiempo suficiente. Este pico de potencia es cubierto

por la rápida respuesta de los supercapacitores, sin embargo los mismos se descargan

muy rápidamente por lo que aparece un intervalo donde las demandas no son

satisfechas. Hay tres opciones posibles:

1) Dejarlo con las dimensiones actuales, considerando que el sistema satisface los

requerimientos para todo el resto del ciclo.

2) Redimensionar los supercapacitores.

3) Redimensionar las baterías. Actualmente se está usando el modelo de baterías con

20 módulos correspondientes al Honda Insight. Una posibilidad es modificar el número

de módulos a 40, como el modelo Toyota Prius. De este modo, se podría cumplir con la

demanda.

Sin embargo, al aumentar tanto el número de módulos de batería, el peso total del

vehículo aumenta y se exceden los requerimientos de potencia durante la mayor parte

del ciclo. Por lo tanto, con baterías más grandes, se está desperdiciando una gran

cantidad de potencia durante la mayor parte del tiempo, ya que el SOC se mantiene en 1

durante el 90% del ciclo de manejo. Finalmente en la Fig. 6 podemos ver la distribución

resultante de potencia dentro del sistema. Si bien se puede observar que el aporte

realizado por los paneles solares no resulta significativo durante el ciclo de manejo,

cuando el auto se encuentra detenido los mismos aportan a la recarga de la batería..



5. Conclusiones

Se propuso un sistema de generación de energía eléctrica para un vehículo hibrido

basado en pilas de combustible y paneles fotovoltaicos. La inclusión de un sistema

reformador de bioetanol in-situ aumenta la factibilidad y la sustentabilidad de estos

sistemas basados en H2, ya que facilita el proceso de abastecimiento teniendo en cuenta

que la materia prima del proceso es un combustible líquido, para lo cual la

infraestructura necesaria se aseguraría sin mayores inconvenientes. A su vez, la

posibilidad de incluir un quemador para conseguir la energía necesaria que requiere el

proceso, brinda autonomía respecto a situaciones donde las condiciones meteorológicas

no sean las suficientes para obtener esa potencia a través de los paneles solares y el

calentador eléctrico.

Por otro lado, la inclusión de baterías y supercapacitores permiten cubrir los faltantes

de energía y hacen posible el trabajo con los subsistemas de generación en puntos de

trabajo eficientes. La inclusión de una adecuada estrategia de manejo de energía asegura

una buena distribución de potencia con el objetivo de satisfacer los requerimientos de la

carga y mantener a las baterías en rangos seguros de funcionamiento. Las

modificaciones realizadas a la estructura de control descentralizada propuesta en primer

término, permiten satisfacer en la mayor parte del ciclo los requerimientos de calidad

necesarios para alimentar una pila tipo PEM.

Reconocimientos: los autores desean agradecer a CONICET, ANPCyT, UTN-FRRo y AADECA por brindar los medios necesarios para la presentación de este trabajo.

Referencias

L. Nieto Degliuomini, S. Biset, P. Luppi and M. Basualdo, 2012a, A Rigorous Computational Model For

Hydrogen Production From Bioethanol To Feed A Fuel Cell Stack, Int. J. Hydrogen Energy, 37(4), 3108–3129.

L. Nieto Degliuomini, D. Zumoffen, M. Basualdo, 2012b, Plant-wide control design for fuel processor system

with PEMFC, International Journal of Hydrogen Energy, 37 (19),14801 – 14811.

Larminie, J. and A. Dicks, 2003, Fuel Cell Systems Explained. second ed.. Wiley and Sons.

J. Pukrushpan, 2003, Modeling and control of fuel cell systems and fuel processors, Ph.D. thesis, University of

Michigan.

Milocco, RH and BE Castro (2009). State of charge estimation in ni-mh rechargeable batteries. Journal of Power

Sources. 194(1), 558-67.

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