State of charge estimation for metal hydride storage tanks

(English) The growing global energy demand and the urgent need for sustainability have highlighted hydrogen as a clean energy carrier. Among various storage methods, metal hydride (MH) tanks are promising due to their high volumetric density, safety, and reversible absorption/desorption properties. However, complex thermodynamics, kinetic hysteresis, and unobservable internal states make accurate real-time estimation of the state of charge (SOC) challenging. Reliable SOC estimation is essential for efficient operation, safety, and integration with renewable systems. This thesis applies nonlinear observer theory to estimate the SOC of MH tanks. A comprehensive physical model is first developed based on mass and energy balances and reformulated into 3D and reduced 2D state-space models, including a modified version accounting for pipeline effects. Parameter identifiability and sensitivity analyses are performed to ensure model reliability, followed by parameter calibration using experimental data and optimization techniques such as particle swarm and multi-objective optimization. Several nonlinear observers are then designed for real-time SOC estimation. These include a Luenberger-like observer, a neural network-based inversion estimator for reduced computation, and switched nonlinear observers addressing the mode-dependent behavior of MH tanks. Stability and convergence are guaranteed through differential detectability and contraction theory. Numerical simulations and experiments on commercial MH tanks demonstrate that the proposed models and observers provide accurate, robust, and computationally efficient SOC estimation, offering a practical foundation for intelligent hydrogen storage management. (Català) La creixent demanda energètica global i la necessitat urgent de sostenibilitat han destacat l'hidrogen com a vector d'energia neta. Entre els diversos mètodes d'emmagatzematge, els tancs d'hidrur metàl·lic (MH) són prometedors a causa de la seva alta densitat volumètrica, seguretat i propietats d'absorció/desorció reversibles. Tanmateix, la termodinàmica complexa, la histèresi cinètica i els estats interns no observables fan que l'estimació precisa en temps real de l'estat de càrrega (SOC) sigui un repte. L'estimació fiable del SOC és essencial per a un funcionament eficient, la seguretat i la integració amb sistemes renovables. Aquesta tesi aplica la teoria d'observadors no lineals per estimar el SOC dels tancs MH. Primer es desenvolupa un model físic complet basat en balanços de massa i energia i es reformula en models d'espai d'estats 3D i 2D reduïts, incloent-hi una versió modificada que té en compte els efectes de la canonada. Es realitzen anàlisis d'identificabilitat i sensibilitat dels paràmetres per garantir la fiabilitat del model, seguides d'una calibració dels paràmetres mitjançant dades experimentals i tècniques d'optimització com ara eixam de partícules i optimització multiobjectiu. A continuació, es dissenyen diversos observadors no lineals per a l'estimació del SOC en temps real. Aquests inclouen un observador tipus Luenberger, un estimador d'inversió basat en xarxes neuronals per a una computació reduïda i observadors no lineals commutats que aborden el comportament dependent del mode dels tancs de MH. L'estabilitat i la convergència estan garantides mitjançant la detectabilitat diferencial i la teoria de la contracció. Les simulacions numèriques i els experiments en tancs de MH comercials demostren que els models i observadors proposats proporcionen una estimació precisa, robusta i computacionalment eficient del COS, oferint una base pràctica per a la gestió intel·ligent de l'emmagatzematge d'hidrogen. (Español) La creciente demanda mundial de energía y la urgente necesidad de sostenibilidad han puesto de relieve al hidrógeno como un portador de energía limpia. Entre los diversos métodos de almacenamiento, los tanques de hidruro metálico (MH) resultan prometedores gracias a su alta densidad volumétrica, seguridad y propiedades reversibles de absorción/desorción. Sin embargo, la compleja termodinámica, la histéresis cinética y los estados internos no observables dificultan la estimación precisa en tiempo real del estado de carga (SOC). Una estimación fiable del SOC es esencial para la operación eficiente, la seguridad y la integración con sistemas renovables. Esta tesis aplica la teoría de observadores no lineales para estimar el SOC de los tanques de MH. En primer lugar, se desarrolla un modelo físico completo basado en balances de masa y energía, que se reformula en modelos tridimensionales y bidimensionales reducidos, incluyendo una versión modificada que considera los efectos de las tuberías. Se realizan análisis de identificación de parámetros y de sensibilidad para garantizar la fiabilidad del modelo, seguidos de la calibración de parámetros utilizando datos experimentales y técnicas de optimización como el enjambre de partículas y la optimización multiobjetivo. A continuación, se diseñan varios observadores no lineales para la estimación del SOC en tiempo real. Estos incluyen un observador tipo Luenberger, un estimador de inversión basado en redes neuronales para reducir la computación y observadores no lineales conmutados que abordan el comportamiento dependiente del modo de los tanques de hidrógeno mineral. La estabilidad y la convergencia están garantizadas mediante la detectabilidad diferencial y la teoría de la contracción. Simulaciones numéricas y experimentos con tanques de hidrógeno mineral comerciales demuestran que los modelos y observadores propuestos proporcionan una estimación del SOC precisa, robusta y computacionalmente eficiente, lo que ofrece una base práctica para la gestión inteligente del almacenamiento de hidrógeno.