Un equipo de investigación dirigido por científicos de la Universidad Internacional Final de Turquía ha desarrollado un invernadero autoalimentado que utiliza un sistema fotovoltaico semitransparente (STPV, por sus iniciales en inglés), un sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS) para el almacenamiento de energía a corto plazo e hidrógeno para el almacenamiento a largo plazo.
El tamaño del sistema propuesto se optimizó para maximizar el valor actual neto (VAN) y minimizar la dependencia energética (DE) de la red.
«Estudios anteriores destacan el potencial de los sistemas STPV, que cumplen una doble función al permitir el paso de la luz solar para la fotosíntesis y generar electricidad simultáneamente. A pesar de esta ventaja, existe una reconocida falta de disponibilidad de energía durante los meses de invierno en los invernaderos», explica el equipo. «Al incorporar tanto el BESS como el hidrógeno como parte de una solución híbrida de almacenamiento de energía, esta investigación proporciona un enfoque integral para abordar la dependencia energética estacional y optimizar la gestión de la energía durante todo el año».
El sistema se diseñó para utilizar STPV con una eficiencia del 7%, con un costo por panel de 32 W de 100 dólares. El BESS se basa en plomo-ácido, con una eficiencia de carga y descarga del 80% al 90% y un precio de 500 dólares/Kw. El electrolizador tiene una eficiencia del 80% y un costo de 388 euros (408 dólares)/kW; el sistema de almacenamiento de hidrógeno tiene una eficiencia del 90% y un precio de 10 dólares/kW; y la pila de combustible tiene una eficiencia del 60% y un precio de 395 euros/kW.
Las tarifas eléctricas de red supuestas son de 0,43 dólares por kWh en demanda punta, 0,12 dólares en demanda valle y 0,3 dólares en demanda intermedia.
El algoritmo GBO optimiza el sistema basándose en tres escenarios: el primero prioriza la rentabilidad financiera, es decir, un VAN más alto; el segundo busca un equilibrio entre rentabilidad (VAN más alto) e independencia energética (baja DE); y el tercero intenta lograr la máxima independencia energética, es decir, la menor DE posible. Se recopilaron y utilizaron los datos de irradiación solar de verano e invierno de Qatar.
«GBO es un algoritmo eficiente y potente que utiliza dos estrategias básicas de búsqueda: explotación y exploración. La técnica de búsqueda de explotación se centra en la búsqueda de óptimos locales, garantizando búsquedas detalladas y refinadas dentro de una región específica del espacio de búsqueda», explicaron los académicos. «En cambio, la técnica de búsqueda de exploración pretende descubrir óptimos globales buscando ampliamente en todo el espacio de soluciones».
Los científicos descubrieron que el primer escenario requiere una superficie de STPV de 8.500 m2, una capacidad de BESS de 150 kW, una potencia energética de 240 kWh y un almacenamiento de hidrógeno de 4.436,4 kg. En este caso, el VAN sería de 1.584.800 dólares, con una inversión inicial de 1.304.006 dólares. El sistema tendrá una tasa de ED del 15,07% e importará 19.200 kW de energía de la red en verano, 62,76% y 86.851 kW en invierno, respectivamente.
El segundo escenario de optimización requería una superficie de STPV de 12.750 m², una capacidad de BESS de 225 kW, una potencia energética de 360 kWh y un almacenamiento de hidrógeno de 8.763,6 kg. En este caso, el VAN sería de 1.483.500 dólares con una inversión inicial de 2.007.900 dólares. El sistema tendrá una tasa de DE del 10,64% e importará 15.000 kW de energía de la red en verano. En invierno, la tasa de DE será del 40,09% e importará 50.595 kW.
Por último, el tercer escenario requiere una superficie de STPV de 27.200 m², una capacidad de BESS de 480 kW, una potencia energética de 768 kWh y un almacenamiento de hidrógeno de 23.476 kg. En este caso, el VAN sería de 98.223 dólares con una inversión inicial de 4.401.100 dólares. El sistema tendrá una tasa de DE del 10,31% e importará 14.760 kW de energía de la red en verano. En invierno, la tasa de DE será del 1,56% y sólo importará 1.078,7 kW.
«Los escenarios que hacen hincapié en una ED mínima dan lugar a VAN negativos, lo que subraya la disyuntiva entre lograr la independencia energética y mantener la viabilidad financiera», concluye el equipo. «Esta optimización de doble enfoque no sólo mejora la viabilidad económica de los sistemas de energía de invernadero, sino que también promueve la sostenibilidad y la independencia energética, proporcionando una valiosa orientación para el desarrollo de estrategias de gestión de energía de invernadero sostenibles y financieramente viables.»
Los resultados se presentaron en «Towards a self-powering greenhouse using semi-transparent PV: Utilizing hybrid BESS-hydrogen energy storage system» (Hacia un invernadero autoalimentado mediante energía fotovoltaica semitransparente: utilizando un sistema híbrido de almacenamiento de energía BESS-hidrógeno), publicado en el Journal of Energy Storage. Investigadores de la Universidad Internacional Final de Turquía, el Ministerio de Municipios y la Universidad de Qatar y la Universidad Arish de Egipto llevaron a cabo el estudio.
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