Solución escalable para el suministro de energía descentralizada que combina electrólisis, pilas de combustible y baterías.
Una arquitectura integral de automatización y seguridad es esencial para los sistemas descentralizados de suministro y almacenamiento de energía que utilizan baterías e hidrógeno. En la solución modular H2PowerCube, la tecnología de control basada en PC de Beckhoff actúa como la base digital, conectando la pila de combustible con los electrolizadores y los sistemas de almacenamiento de baterías para formar un sistema global flexible. El diseño modular y consistente, tanto del hardware como del software, permite definir claramente los límites del sistema y lograr un funcionamiento económicamente eficiente en diversos entornos energéticos.
La expansión masiva de fuentes de energía renovables y volátiles, como la eólica y la solar, plantea desafíos para los operadores de redes eléctricas y la industria manufacturera. Para garantizar la estabilidad de la red eléctrica y, al mismo tiempo, asegurar un suministro energético autosuficiente y descentralizado, los sistemas de almacenamiento con una capacidad de hasta cinco megavatios se están convirtiendo en un elemento clave para el sector. Aquí es donde entra en juego H2 Powercell con su H2PowerCube, un sistema modular que integra electrolizadores para la producción de hidrógeno verde, una pila de combustible para su reconversión en electricidad y almacenamiento en baterías para el suministro eficiente de energía eléctrica y térmica.
Las aplicaciones objetivo abarcan una amplia gama de casos de uso: desde estaciones de repostaje de hidrógeno y microrredes hasta complejos proyectos de interconexión sectorial, incluyendo la posibilidad de utilizar el hidrógeno como material. «Ofrecemos a nuestros clientes tecnología de hidrógeno preparada para el futuro y soluciones listas para usar, adaptadas con precisión a las necesidades del mercado», subraya Sebastian Niehoff, director general. «Esto permite a los usuarios no solo participar en el mercado energético, sino también contribuir a la estabilización descentralizada de las redes, un tema de gran relevancia en el contexto actual de debate sobre la resiliencia de las infraestructuras».
Complejidad termodinámica y alta densidad de datos
Operar este tipo de sistema de forma segura y eficiente dentro del espacio que ocupa un contenedor requiere un cambio de paradigma en la automatización de plantas. Las plantas de hidrógeno anteriores solían implementarse como proyectos monolíticos, de gran escala y con programación rígida, que resultaban muy difíciles de adaptar posteriormente. H2 Powercell, en cambio, aplica los principios de la construcción modular de maquinaria a la ingeniería de procesos. El componente central de la producción de hidrógeno es el sistema de electrolizador modular H2PowerLyzer. Se pueden conectar en cascada hasta 24 de estos sistemas en un solo contenedor para alcanzar una capacidad de hasta 1,2 MW. Sin embargo, este alto nivel de modularidad presenta desafíos en términos de tecnología de automatización. El sistema de control H2PowerCube debe procesar un inmenso volumen de datos en tiempo real estricto, sincronizar procesos termodinámicos complejos y cumplir con requisitos de seguridad funcional muy rigurosos. Además, la integración en el entorno pertinente requiere una conexión de comunicación flexible. Dado que la planta de energía en contenedor está diseñada para operar de forma completamente autónoma y no requiere un sistema de control externo de nivel superior, toda la lógica de control debe estar totalmente integrada en la propia planta.
Control basado en PC como cerebro central
El sistema de control basado en PC de Beckhoff se utiliza para resolver esta tarea multidimensional. Todos los flujos de energía e información convergen en un PC industrial ultracompacto C6015 que constituye el centro topológico del contenedor. Equipado con un procesador de cuatro núcleos, el PC industrial proporciona la potencia de cálculo suficiente para sincronizar los procesos de electrólisis y generación de energía con latencia cero. «El rendimiento de la tecnología de control es fundamental», explica Jens Fröhlich, responsable de automatización e integración de sistemas en H2 Powercell. «La monitorización de los electrolizadores es un buen ejemplo. El voltaje de cada celda se muestrea a intervalos de milisegundos para detectar inmediatamente efectos de degradación o anomalías. Cuando se instalan 24 módulos H2PowerLyzer en el contenedor a su máxima capacidad, los sensores de voltaje por sí solos generan una enorme cantidad de datos. Por ello, elegimos deliberadamente un PC industrial de muy alto rendimiento».
La adquisición descentralizada de señales dentro del sistema se gestiona mediante la amplia gama de terminales EtherCAT de Beckhoff. En su configuración estándar, los módulos del electrolizador no disponen de su propio sistema de control; en su lugar, se conectan sin problemas al C6015 mediante acopladores EtherCAT EK1100. Los terminales EtherCAT de la serie EL integran todos los sensores necesarios para la medición de temperatura, presión y caudal. «La extensa cartera de E/S de Beckhoff la convierte en el socio ideal para nosotros. Prácticamente no existe ningún protocolo de bus que la gama de terminales EtherCAT no admita», continúa Jens Fröhlich. «Esto nos permite proporcionar todas las interfaces físicas necesarias en los acopladores. Como resultado, podemos reducir significativamente la cantidad de cable que utilizamos y el trabajo necesario para cablear el contenedor».
Seguridad sin zonas Ex convencionales
Una característica destacada del H2PowerCube es su innovador concepto de seguridad. En las plantas de producción de hidrógeno, la designación de amplias zonas de protección contra explosiones es habitual, lo que requiere recintos resistentes a la presión y hardware especial de alto coste. H2 Powercell resuelve este problema mediante una monitorización inteligente y activa, profundamente integrada en la arquitectura de automatización. Un sistema de ventilación redundante, combinado con sensores de detección de gases de alta sensibilidad, garantiza que no se pueda formar una atmósfera explosiva peligrosa dentro del contenedor. Este concepto de seguridad preventiva se controla y monitoriza completamente mediante TwinSAFE. Las señales de los sensores de gas, los interruptores de presión y los accionamientos de los ventiladores se envían directamente al controlador central a través de terminales de E/S seguras y el protocolo Safety over EtherCAT (FSoE). «En el sector del hidrógeno, la seguridad es la máxima prioridad», subraya Manfred Limbrunner, responsable de Desarrollo de Negocio, Ventas y Marketing de H2 Powercell. «Con la seguridad ya integrada, podemos añadir fácilmente las funcionalidades que necesitemos. Si las normas y directrices pertinentes se modifican en el futuro, podemos realizar ajustes sin tener que rediseñar la arquitectura de control físico».
En cuanto al software, el paquete de automatización TwinCAT gestiona las operaciones, incluyendo un control termodinámico complejo. El sistema está diseñado como un sistema de circuito único de alta eficiencia. El agua de proceso de la electrólisis también sirve como agua de refrigeración, lo que requiere un control hidráulico de precisión. Esta arquitectura es altamente sostenible, ya que el calor residual generado por el proceso puede aprovecharse directamente mediante el circuito de control de calor y distribuirse como calefacción urbana. Para gestionar esta complejidad en un contexto de ingeniería, los usuarios aprovechan las capacidades de programación orientada a objetos, conforme a la norma IEC 61131-3, que TwinCAT ofrece de forma nativa. «Una vez que hemos creado y validado los módulos de software —por ejemplo, para los electrolizadores—, solo necesitamos duplicarlos cuando ampliamos el sistema general más adelante. Esa es una característica clave», explica Jens Fröhlich. «Esto garantiza que la solución siga siendo completamente modular y esté claramente organizada también desde la perspectiva del software».
Un sistema, cinco interfaces
El fabricante reduce constantemente las limitaciones del sistema, minimizando el trabajo necesario para integrar el producto en el entorno en cuestión. Externamente, el contenedor cuenta con solo cinco interfaces: hidrógeno, energía eléctrica, calefacción urbana, aguas residuales/aire de escape y una interfaz combinada para control y acceso remoto. Mediante un PC industrial, el H2PowerCube se comunica con todos los sistemas periféricos relevantes del entorno, ya sean estaciones de carga, inversores fotovoltaicos, baterías externas o centros de control de red. Para ello, se utilizan protocolos como OPC UA y Modbus TCP. Además, en el futuro se integrará TwinCAT 3 Power Control, un controlador EZA certificado, para conectar los sistemas de generación de energía a redes de media y alta tensión, de acuerdo con las directrices de conexión. En el contenedor se instala un panel de control multitáctil CP3918 personalizado para el cliente, que permite la operación y visualización local. Las grabaciones de alta resolución de los datos del proceso se capturan simultáneamente mediante el osciloscopio del software TwinCAT Scope View y se visualizan en la interfaz HMI de TwinCAT.
Análisis de estado basado en IA
Gracias a la tecnología de automatización de Beckhoff, H2 Powercell no solo garantiza el cumplimiento de los estándares tecnológicos actuales, sino que también busca allanar el camino para futuras innovaciones e impulsar la descentralización. Los clientes que adquieran electrolizadores H2PowerLyzer como módulos independientes los recibirán, en el futuro, con un PC integrado en lugar del acoplador de bus. Esta escalabilidad mediante TwinCAT garantiza que las topologías de hardware puedan modificarse sin necesidad de rediseñar la base de software.
También existen planes para implementar inteligencia artificial. Los datos que se registran continuamente con TwinCAT Scope pueden utilizarse, por ejemplo, para obtener conclusiones valiosas sobre la degradación de las membranas y la vida útil restante de los electrolizadores. Hasta ahora, los ingenieros de procesos realizaban esta evaluación manualmente. Para automatizar este proceso en el futuro, Beckhoff proporciona la base necesaria: «TwinCAT Machine Learning Creator ofrece una herramienta versátil para el análisis basado en IA de este tipo de monitorización. En el futuro, los modelos de IA basados en series temporales permitirán la detección de anomalías en tiempo real», afirma Robin Bertling, del departamento de ventas de Beckhoff, al describir el siguiente paso en el desarrollo.
El H2PowerCube demuestra que la transición energética es factible y económicamente escalable mediante la automatización moderna, y que además garantiza un suministro energético resiliente. «La combinación llave en mano de electrólisis, pilas de combustible y baterías proporciona una base ideal para una gestión energética flexible. Cuando hay un excedente, la energía se almacena o se convierte en hidrógeno. Cuando se necesita energía, se genera in situ», afirma Sebastian Niehoff, resumiendo las ventajas de la central eléctrica modular en contenedor. La tecnología de control basada en PC de Beckhoff no solo proporciona la potencia informática y la apertura necesarias, sino que también permite una infraestructura energética resiliente y sostenible.
