Transcript Presentacion_17_SEP_2012_VF - C.I.E.

ENERGÍA EÓLICA
CURSO SENER
INTRODUCCIÓN A LAS ENERGÍAS RENOVABLES
Dr. Oscar Alfredo Jaramillo Salgado
Centro de Investigación en Energía.
Universidad Nacional Autónoma de México
[email protected]
17 sep 2012
Sistemas híbridos eólicos de
micro, mediana y gran escala.
Sistemas híbridos de
energía eólica
energía
hidroeléctrica
y
Se presentan algunos conceptos útiles para ayudar a entender los
diferentes factores que intervienen en el acoplamiento de sistemas hídricos
y eólicos como sistemas energéticos complementarios. Se describen
sistemas de energía eólica e hidráulica con el objetivo de mantener un
equilibrio entre generación y carga en todo momento y la energía de
suministro cuando el consumidor lo necesita. La mayoría de los sistemas
documentados o propuestas están destinadas a funcionar a niveles de alta
potencia, y funcionan como conexión en red, o como sistemas
independiente.
.
Sistemas de bombeo de agua
Los sistemas de bombeo de agua son un tipo especial de aplicación. Estos sistemas
usan la energía eólica como fuente de manera directa para operar una bomba de
agua o bien para generar electricidad e impulsar una bomba eléctrica.
Inicio del uso de la energía hidráulica para la obtención de potencia mecánica
Los sistemas de bombeo de agua se
puede aplicar sobre una vasta área.
Debido a la gran cantidad de agua
necesaria para el riego, la energía
eólica es raramente utilizada de
manera directa para accionar las
bombas de manera mecánica. Es
común que las turbinas de viento más
grande y más eficientes sea plicadas
para generar suficiente electricidad
para uso en proyectos de riego .
Hay actualmente tres tipos de sistemas para bombeo de agua eólico: dos utilizan
potencia mecánica para bombeo de agua, mientras que el tercer convierte la energía
eólica en energía eléctrica:
•Mecánica (bomba de pistón). Este sistema convierte la energía eólica rotatorio en
movimiento vertical, con una varilla y una bomba de pistón para levantar el agua.
•Mecánica (bomba de aire comprimido). Este sistema utiliza la energía eólica para
cargar un compresor y ese aire se bombea para sacar el agua.
•Bomba eléctrica. En el sistema de bombeo eléctrico la energía eléctrica generada es
directamente proporcionada a la bomba de agua, o a un sistema de almacenamiento
de respaldo como baterías.
El diseño del sistema depende de las necesidades de energía específica y si es
necesario por ejemplo un sistema de almacenamiento de respaldo con baterías.
Sistemas híbridos de eólicos-fotovoltaico son considerados cuando el recurso eólico
no está disponible durante algunos meses del año (es decir, durante el verano cuando
aumenta la demanda de agua). Nuevos sistemas de bombeo helicoidales pueden ser
propulsados por energía solar-PV o energía eólica y respaldados por un sistema de
diesel o baterías. Una bomba helicoidal (una bomba de desplazamiento positivo)
debe proporcionar mayores tasas de flujo a profundidades de bombeo más
profundas con requisitos de energía más bajos que una bomba centrífuga (una
bomba de alto volumen).
Muchos diseñadores de bombas de agua han adoptado el enfoque del uso de
bombas de desplazamiento positivo, que traen agua a una cámara y, a
continuación, la fuerzan usando un pistón o tornillo helicoidal. Esto hace un
bombeo lento para la bomba en comparación con otros tipos de bombas, pero
tienen un buen rendimiento en condiciones de baja potencia y pueden lograr alta
elevación. Tanto bombas sumergible como bombas de superficies están
disponibles. Bombas de superficies son menos costosos que las bombas
sumergibles, pero no están bien adaptados para la succión y sólo se puede sacar el
agua desde unos seis metros verticales. Bombas de superficies son excelentes
para empujar el agua largas distancias. En algunos casos, ambos tipos de bomba
están empleados en el mismo sistema, cuando la cabezal de la bomba es superior
a 6 metros y el agua es bombeada a largas distancias.
En todo el mundo, muchos países como India, China, Australia, Grecia y Egipto,
están llevando a cabo programas de bombeo de agua mediante el uso de energía
eólica. Los Estados Unidos llevó a cabo uno de los programas más importantes en
esta área. En septiembre de 2004, R. Nolan Clark y Brian D. Vick del servicio de
investigación agrícola de la USDA, inició un proyecto de investigación denominado
“Remote Water Pumping and Electric Power Generation with Renewable Energy”
Uno de los principales objetivos del proyecto era desarrollar y evaluar un sistema
autónomo de agua, propulsado por energía eólica, para sistemas de agua de riego,
ganadería y consumo en una granja.
Micro hidrogeneración eléctrica
Integración de micro, mini y pequeños sistemas hidráulicos (independientes)
Los sistemas micro, mini o pequeños hidráulicos pueden producir suficiente
electricidad para un hogar, granja, rancho o pueblo. Sistemas de micro y minihidroeléctrica son fuentes de potencia relativamente pequeñas que son apropiados
en la mayoría de los casos para usuarios individuales o para grupos de usuarios que
son independientes del suministro de electricidad de la red.
Turgo Wheel
Cross-flow turbine
Propeller turbine
Francis turbine
Kaplan Turbine
La necesidad de acoplar sistemas eólicos y de hidroelectricidad
A menudo el tamaño de una instalación de suministro eléctrico hidráulica o de
viento no es, por sí mismo, bastante para satisfacer demandas de electricidad a
través del año, o por razones económicas es posible considerar crear un sistema
híbrido que conjunta ambas tecnología. Si otra fuente de producción eléctrica está
presente, esa fuente puede convertirse en un complemento de la energía del
sistema híbrido.
Incluso en caso de que el tamaño de la central está correcto, es posible que exista un
déficit para satisfacer la demanda estimada (i.e. largo periodo de sequía o de
disminución del viento por largos periodos). Por supuesto, el suministro de energía
debe ser asegurado y es por lo tanto recomendable tener un sistema de generación
que permita que la seguridad adicional haga frente a estas situaciones. Para asegurar
un estado aceptable de la carga de baterías, y una extensión de su vida, una fuente
de energía convencional se considera a menudo como sistema auxiliar. La energía
eólica, como la energía hidráulica, es un producto indirecto de la energía solar; por
lo tanto, ambos varían extensamente con el año, generalmente, en el hemisferio
norte, teniendo elevados valores durante los meses de invierno y los valores bajos
durante los meses del verano. Esta es la razón por la cual los apremios estacionales
son importantes; el agua disponible se puede almacenar durante el invierno, que es
perfectamente complementario a las energías eólicas que tienen su disponibilidad
mínima en verano.
Los sistemas micro y mini de hidroelectricidad no necesitan estar situados cerca de
un río caudaloso: un pequeño flujo de agua es suficiente, a condición de que haya
una corriente conveniente o una caída de agua conveniente. Diversas clases de
turbina hidráulicas se diseñan para diversas combinaciones de pendiente y flujo: las
turbinas hidráulicas más pequeñas funcionan con poca agua y pendientes
pronunciadas. Sin embargo, las turbinas de viento necesitan ser particularmente
localizadas donde está disponible el recurso del viento y sólo las condiciones del
terreno permiten la instalación de la tecnología.
El desarrollo de un WHPS con el fin de suministrar electricidad depende de la escala
de la central. WHPSs grandes y medianas pueden ser colocados en diferentes
regiones de un país y son operados en combinación para complementarse
mutuamente y proporcionar estabilidad a la red eléctrica. La energía eólica es nodespachable, lo que significa que, para la operación económica, toda la salida
disponible deben utilizarse cuando está disponibles. Pequeño, mini y micro WHPSs
son comúnmente establecidos en las regiones donde el viento y recursos
hidráulicos están disponibles. Están diseñados para suministrar energía a la región
local y en muchos casos son sistemas independientes.
Sistemas de generación de potencia WHPS medianos y grandes
Se ha propuesto sistemas WHPSs medianos y grandes como fuente de alimentación
de potencia firme o constante. El sistema híbrido constantemente combina la
energía eólica y energía hidroeléctrica en tiempo real en el fin de garantizar la
potencia constante. Como ya se ha dicho, la energía eólica se está sujeta a
fluctuaciones a corto plazo y la energía hidroeléctrica se utiliza para compensar estas
variaciones. Esto indica que la planta de energía hidroeléctrica en cualquier WHPS
debe ser capaz de aumentar o disminuir la producción muy rápidamente en el fin de
obtener energía constante.
Almacenamiento mediante bombeo de agua.
Un sistema de almacenamiento de agua para generación hidroeléctrica tiene dos o
más depósitos a diferentes alturas. En la demanda de electricidad baja de los
consumidores la potencia disponible excesiva se utiliza para bombear agua desde
el embalse inferior a la superior. Cuando aumenta la demanda, se libera la energía
potencial almacenada en el embalse superior. El agua es liberada de la reserva
superior de una manera controlada, pasando por las turbinas para generar
electricidad.
La utilización de los sistemas de almacenamiento por bombeo, se considera a
menudo como una solución prometedora para el almacenamiento de energía . Los
posibles beneficios incluyen: una mayor penetración en l uso de la energía eólica,
suavizar las variaciones de la energía eólica y proporcionar un grado de
“despachabilidad" del sistema híbrido hidro-eoloeléctrico, garantizando una
capacidad de generación por un tiempo determinado.
Cuando aumenta el tamaño del sistema de potencia más allá de unos 100 kWs, el
almacenamiento en baterías, volantas y otros medios similares puede ser técnica y
económicamente inviable, y resulta el sistema de bombeo como la única solución
posible.
El concepto fundamental de funcionamiento de los sistemas híbridos hidroeoloeléctricos es bastante simple: Cuando la energía eólica disponible presenta
superávit este excedente de energía eólica se emplea para el bombeo de agua, y la
energía se almacena en el embalse superior. Esta energía se recupera
posteriormente, cuando la capacidad de generación eólica se encuentra en déficit
respecto al la carga por ejemplo en las horas pico de carga. La energía potencial del
embalse superior se transforma en energía cinética por el desfogue de agua y esta
última es aprovechada por la turbina hidroeléctrica para generar electricidad.
Tecnologías
de
aire
comprimido
para
almacenamiento energético para sistemas eólicos
La electricidad generada por viento se puede transformar económicamente
de un recurso intermitente a una fuente de alimentación totalmente
controlable con sistemas de almacenamiento de energía de aire comprimido
(CAES). La electricidad a partir de un sistema eólico-CAES puede ser
transmitida a ciudades distantes con líneas de alta tensión de transmisión y
es plenamente competitivo, técnica y económicamente, con la electricidad
de los generadores de combustible nuclear o fósil. Algunos análisis indican
que la sociedad industrial moderna, podría alimentarse de la energía casi
exclusivamente a partir de los recursos intermitentes eólico y solar
eliminando casi por completo los combustibles fósiles o la generación
nuclear de electricidad. Sin embargo, la elaboración de políticas que faciliten
el despliegue de la energía eólica-CAES y sistemas de transmisión sigue
siendo un reto formidable.
Las turbinas de viento ahora ofrecen el menor costo de energía eléctrica
renovable. La integración de un gran número de turbinas eólicas con
sistemas de energía de aire comprimido de almacenamiento (CAES)
transforma la energía eólica intermitente en una fuente de energía
totalmente controlable y puede proporcionar la energía de la escala y de la
calidad requerida por una sociedad industrial moderna. Con base en los
costos conocidos y las características técnicas de las turbinas eólicas
actuales, CAES, y las tecnologías de transmisión, todo parece indicar que
esta electricidad será a la vez accesible y técnicamente aceptable. Por
ahora la electricidad procedente de fuentes renovables no puede competir
con los combustibles fósiles de bajo costo. Sin embargo es importante
tomar en cuenta que es una energía limpia, a un precio razonable para los
sectores industrial, comercial y privado así como reduce la dependencia
energética al reducir las importaciones de petróleo y diversifica la utilización
de las fuentes de energía locales.
Para almacenar la electricidad eólica, la energía de las turbinas eólicas se
utiliza para accionar el motor-compresor para cargar el depósito subterráneo
a una presión de hasta 85 bar, dependiendo de la profundidad y del volumen
de almacenamiento. Cuando la energía es necesaria, el aire se retira de la
caverna, calentada por la combustión con gas natural, diesel, combustoleo o
combustible derivado de biomasa [16] en el turbo-expansor que impulsa un
generador para producir energía eléctrica que luego es vertida a la red. El
aire de la caverna se precalienta por el escape del turbo expansor en un
intercambiador de calor para mejorar la eficiencia de la planta CAES.
Una planta CAES propuesta de hasta 2.700 MW en Norton, Ohio, utilizará
esta misma tecnología, una mina abandonada de piedra caliza a 675 m de
profundidad con un volumen de 9,7 millones de metros cúbicos durante
unas 30 horas de almacenamiento a plena potencia de salida (figuras 12.4 y
12.5). Veinte módulos CAES de 134 MW (compresores-motor/generatorcombustor/turboexpasor) de Dresser-Rand se utilizaría en la planta.
El tren de Dresser-Rand CAES utiliza los compresores axiales y centrífugos
(de 60 MWde potencia mínima, 100 MW máxima) para presurizar el
volumen de almacenamiento hasta 85 bar. Para generar energía [20], el aire
se retira del depósito y se calienta en un recuperador (intercambiador de
calor aire-aire) por los gases del escape (350 ° C) de la cámara de
combustión, el aire caliente se introduce en una turbina de aire alta presión
(HP) a una presión de 51 bar y un caudal de 182 kg s-1, y produce un
máximo de 35 MW de potencia. El escape de la turbina de HP está dirigido
a una turbina de baja presión (LP) (una turbina de gas estándar con el
compresor eliminado), el aire se mezcla con el combustible y se quema a
una temperatura de 880 ° C en los ocho ombustores de LP; un
turboexpansor extrae energía de la alta temperatura, alta presión (17 bar)
del gas que fluye en el recuperador y luego a la chimenea de escape.
Este estudio demostró que la potencia firme (despachable o controlable) de
una planta de energía eólica-CAES pueden compararse directamente con la
energía de las centrales térmicas, si los areglos de turbinas eólicas y la
planta CAES operan de manera integrada. La planta eólica-CAES es
técnicamente equivalente a las tecnologías convencionales aceptadas. Por
otra parte, ay que el gas natural y el carbón aumentan los precios en el
corto plazo, la planta eólica-CAES se convertirá en la tecnología de
elección.
12.4.2 Sistema eólico-diesel-CAES (W-D-CAES) para sistemas autónomos
Las propuestas W-D-CAES que combinan un motor diesel sobrecargado
incrementarán la tasa de penetración de la energía eólica. El motor diesel
sobrealimanetado utiliza un proceso que consiste en una compresión
preliminar que tiene como objetivo aumentar la densidad de admisión de aire
del motor, a fin de aumentar la potencia específica. Durante los períodos de
fuerte viento cuando la tasa de penetración de la energía eólica es mayor
que 1, (wind power penetration rate WPPR>1) definido esta como el
cociente entre la energía eólica generada y la carga demandada, el
excedente de energía eólica se utiliza para comprimir el aire a través de un
compresor y se almacena en un tanque. El aire comprimido se utiliza
entonces para turbo-cargar el motor diesel con la doble ventaja de aumentar
su potencia y disminuir su consumo de combustible. El generador diesel
funciona durante los períodos de bajas velocidades del viento, cuando la
energía eólica no es suficiente para soportar la carga
Sistema 1: El uso de una turbina que está directamente conectado al eje del
turbocompresor.
El aire comprimido que sale del tanque de almacenamiento a alta presión
(decenas de bares) pasa a través de un reductor de presión que también
reduce la temperatura (en unas pocas decenas de grados por debajo de 0 °
C). El aire se calienta a continuación, inicialmente por el sistema de
refrigeración del diesel y luego por el gas de escape de la salida de la
turbina principal para incrementar su entalpía. A la salida de los
intercambiadores de calor, el aire se expande en la turbina acoplada
complementaria en el mismo eje del turbo-compresor. Esto aumenta el par
disponible en el eje y permite que el compresor suministre una relación de
compresión más alta. La recuperación de los gases de escape permite
aumentar la eficiencia del sistema. El uso del aire comprimido que sale del
tanque para enfriar el agua del motor podría mejorar aún más la eficiencia
global al detener los ventiladores de enfriamiento.
Sistema 2: turbo-carga de dos etapas
Un turbocompresor de dos etapas es ensamblado y el aire comprimido se
expande en el la turbina de baja presión (LP) después de haber sufrido la
expansión y recalentamiento por el líquido de refrigeración del motor y gas
de escape. La alta presión (HP) y turbocompresores (LP) no tienen los
mismos rangos de funcionamiento, en particular las rpm. Este método se
caracteriza por la simplicidad de dimensionamiento de las turbinas y
compresores y desacople posible del turbo-compres de LP cuando el
CAES no está disponible. Por consiguiente, la eficiencia total del sistema
depende fuertemente de la eficiencia de la turbina y el compresor LP.
Sistema 3: admisión de aire comprimido directamente en el compresor
El aire comprimido, expandido y calentado por el sistema de refrigeración
del motor y el gas de escape, entra directamente en el compresor del
turbocompresor. La principal ventaja de este sistema es el uso de un único
del turbo-compresor, por lo que una mejor eficiencia puede conseguirse en
comparación con los sistemas de compresión anteriores. Además, este
método se caracteriza por su sencillez de diseño y control y por su costo
reducido. Sin embargo, la eficacia de su diseño depende fuertemente de la
temperatura del aire comprimido a la entrada del compresor.
Sistema 4: admisión directamente en el motor
Este método consiste en inyectar el aire comprimido procedente del
depósito de almacenamiento, después de haberlo calentado por el gas de
escape y el líquido de refrigeración del diesel, directamente en los cilindros
a través de una tercera válvula o en el colector de admisión donde el aire se
mezcla con la procedente del turbo-compresor. Un inconveniente importante
de este método es que requiere una modificación del sistema de admisión
para tener en cuenta los nuevos parámetros termodinámicos del aire que
entra en los cilindros.
Sistema 5: turbocompresor Hyperbárico
El proceso hyperbárico consiste en sobrealimentación del motor con una
turbina de gas (compresor + cámara de combustión + turbina) dispuesto en
derivación al motor. El flujo de aire desde el sistema de turbocompresor es
controlado por una válvula de by-pass. Una cámara de combustión auxiliar
permite aumentar la potencia de la turbina y, en consecuencia, proporciona
una mayor relación de sobrealimentación de presión. La válvula de by-pass
se regula para mantener constante la diferencia de presión entre la salida
del compresor y la entrada de la turbina. El caudal de combustible inyectado
en la cámara de combustión permite el control de la presión en la salida del
compresor. Este sistema, con su cámara de combustión complementaria, es
más compleja de implementar en los motores diesel existentes. Además, la
eficiencia del sistema tiende a disminuir debido a la contribución adicional
de la cámara de combustión externa. Sin embargo, un notable incremento
en la energía se puede obtener.
Sistema 6: tuboalimentado basado en un ciclo de presión Lenoir
El ciclo propuesto utiliza la sucesión de las fases del ciclo Lenoir: admisión,
combustión, expansión y escape, realizado durante un giro de cigüeñal del
motor y una isobara extraído del ciclo Diesel para la combustión. La
admisión de aire a alta presión desde el depósito de almacenamiento
comienza cuando el pistón está en su punto muerto alto y termina cuando el
aporte de calor debido a la combustión del arranque. Durante la
combustión, el aumento de volumen del cilindro y aumenta la temperatura
de los gases de la misma manera: el gas sufre una transformación que en
el ciclo teórico de este motor puede ser considerado como una isobara (1-23) o isocora-isobara (1'-2'-2‘’-3 '). La ventaja de este método es que la
potencia de un motor basado en el ciclo presurizado de Lenoir-Diesel es
aproximadamente igual a cuatro veces la potencia de motor convencional
de cuatro tiempos. Sin embargo, esta técnica requiere una regulación de
tiempo de la admisión y válvulas de escape y una modificación del sistema
de admisión, requerido por la inyección del aire comprimido procedente del
depósito en el momento adecuado.
Sistema 7: turbo-carga con reducción
Este sistema consiste en reducir el volumen de barrido para disminuir el
consumo de combustible. Con el fin de preservar el rendimeinto del motor
(par, potencia) y “recuperar” a pérdida de volumen de barrido, es necesario
aumentar el llenado de aire del motor. Esto se hace a través de la
sobrealimentación por turbo-compresor. Esta combinación super-cargareducción permite un par mayor a regímenes bajos y aumenta la eficiencia
del motor. Sin embargo, este método sólo puede aplicarse si los motores se
sustituyen porque modificaciones significativas sería necesarias.
12.4.3 Estudio de caso W-D-CAES en un pueblo nórdico
Se presenta un estudio de caso para estimar la ganancia potencial en un
sitio remoto donde se consideran los datos de la carga eléctrica del motor
diesel en el sitio de la aldea de Tuktoyaktuk en los Territorios del Noroeste
de Canadá en la costa del Ártico. Las cargas eléctricas máximas y
promedio de este pueblo son respectivamente 851 kW y 506 kW.
Inicialmente, la electricidad del pueblo es alimentado por dos generadores
diesel, cada uno con 544 kW de potencia como máximo. Se añadido a
estos generadores de una planta eólica compuesta por cuatro turbinas de
viento de tipo Enercon, cada uno con una potencia nominal igual a 335 kW,
una potencia total igual a 1340 kW.
Integración de los sistemas de energía renovables
en micro-redes remotas
En esta sección se presenta microrredes integradas por los sistemas de
energía híbridos, las cargas y los sistemas de almacenamiento de energía
como una solución energética sostenible para las zonas remotas del
mundo. El capítulo comienza con la introducción a la tecnología de microred. Esto es seguido por lo que hay que tener en cuenta antes de la
instalación de micro-redes en áreas remotas, el diseño de la información
técnica y se proporciona información acerca de las técnicas de simulación,
control y equipos de control y modelos de sistemas de optimización. Por
último se presentan las ventajas, limitaciones y tendencias futuras de estos
sistemas.
13.4 Arquitecturas para sistemas autónomos híbridos de micro-redes
Las siguientes figuras muestran, con la excepción de los elementos de
control y de comunicación, algunas de las múltiples posibilidades de
arquitecturas de MG que se pueden presentar cuando la combinación de
tipos de fuentes de energía, dispositivos de almacenamiento de energía y
cargas. Las arquitecturas propuestas se suelen clasificar en sólo unos
pocos tipos principales.
Hay, por ejemplo, lo que se conoce como
• arquitecturas modulares centralizadas al bus de CD
• arquitecturas modulares centralizados al bus de
• arquitecturas híbridas
• arquitecturas modulares distribuidas de bus de AC
13.5 Control y monitoreo de micro-redes
Cualquiera que sea su arquitectura, un MG remota requiere algún tipo de
control o coordinación entre los diversos componentes (generación,
almacenamiento y carga) para garantizar el correcto funcionamiento del
sistema.
13.5.1 Control de carga
Tradicionalmente, en los sistemas convencionales, el equilibrio entre la
producción y el consumo se ha logrado mediante el control de salida. Sin
embargo, en los sistemas híbridos integrados en MGs remotos debe haber
también cierto control de las cargas. Por lo tanto, ciertas cargas puede
recibir órdenes de conexión / desconexión de un sistema de control con el
fin de ajustar automáticamente el consumo y garantizar el equilibrio del
sistema. Las cargas de volcado (sistemas de descarga) se encuentra entre
las cargas controlables, y su función más importante es el de equilibrar el
sistema cuando la potencia máxima instantánea es mayor que la
demandada por la carga (Carta y González, 2001;. Carta et al, 2003a).
Cuando sea factible, sin embargo, al ser estos normalmente de tipo
resistivo se pueden utilizar para calentamiento de agua de uso doméstico y
sistemas generales de calefacción.
Con el fin de mejorar el funcionamiento de la MG, se tienen que controlar la
demanda interrumpible, minimizando los problemas de los usuarios finales.
Dicho control requiere priorizar las cargas de la criticidad. En este contexto,
las cargas críticas que no pueden ser dejados sin una fuente de
alimentación y pueden requerir diferentes niveles de calidad de la energía
tiene que ser diferenciadas de las otras cargas. Estas últimas son las
cargas que pueden presentar interrupciones o aceptar un alto grado de
regulación del consumo de los usuarios finales sin afectarlos. Para este tipo
de carga hay una necesidad de elementos de comunicación con sistema de
control central y/o local. Las cargas que son viables de ser temporalmente
interrumpidas son, por ejemplo, los que tienen inercia térmica (aire
acondicionado, calefacción, etc), algunas aplicaciones de bombeo de agua
y plantas de desalinización (Rozakis et al, 1997; Setiawan et al, 2009).
Estas cargas que presentan una flexibilidad que permiten el suministro a ser
desplazado en el tiempo generalmente se llaman cargas diferibles (Kondoh
et al., 2004).
Hay cargas que se pueden adaptar a la fuente de consumo de energía con
un cierto margen, llamado cargas adaptables. Un ejemplo que puede
mencionarse es el de las plantas de desalinización. Estas plantas se
pueden dividir en módulos de pequeña capacidad, que pueden ser
conectados y desconectados de la MG con el fin de adaptarse a las
variaciones de energía y alcanzar el equilibrio (Carta et al., 2003b). En este
caso, los tanques centrales también tienen que ser utilizados (y / o
distribuido entre los lugares de residencia). Variar continuamente los
parámetros de funcionamiento de estas plantas (presión y flujo en el caso
de la ósmosis inversa (RO), y el voltaje y el flujo en el caso de inversión de
electrodiálisis (EDR;. Veza et al, 2004), hasta cierto punto también es
posible tener una variación continua de la demanda de energía de las
plantas con el fin de adaptarse al suministro de energía sin tener que
ordenar su desconexión sin afectar significativamente a la calidad del agua
producida. (Carta et al, 2004;.. Subiela et al, 2004).
13.5.2 Estrategias de control y monitoreo
Una MG remota requiere de una estrategia de gestión de potencia y una
estrategia de gestión de la energía. La velocidad de respuesta de estas
estrategias es más crítica para una MG que para los sistemas de energía
convencionales (Katiraei et al., 2008). El subsistema de control de MG tiene
que garantizar la estabilidad de la MG en un momento dado,
proporcionando la calidad correcta de suministro eléctrico. Las principales
funciones de este subsistema son el control de tensión y la frecuencia y / o
de control de potencia activa / reactiva (Katiraei et al., 2008). Así, por
ejemplo, la potencia frente a control de caída de frecuencia (Lasseter,
2002), que se utiliza a menudo en grandes generadores de redes
convencionales, también puede ayudar a hacer más robusta la MGs (Piagi y
Lasseter, 2006).
13.6 Diseño y construcción de híbridos micro-redes
Antes de diseñar y construir una MG es de vital importancia conocer la
tipología de las cargas que serán conectados a la misma y la calidad de la
potencia necesaria, así como estimar la evolución de la demanda en el
tiempo. Un análisis de las cargas deben tener en cuenta el rendimiento de
las cargas en ambos estados estables y transitorios. Por ejemplo, en
periodos transitorios de conexión de algunas cargas pueden generar picos
de corriente de consumo que deben ser tomados en cuenta. También será
necesario tener en cuenta los desequilibrios que un elevado número de
cargas monofásicas pueden generar en un sistema de tres fases y los
efectos que éstas pueden tener sobre los generadores de la MG. Además
de los efectos que ciertas cargas puede tener en la generación de energía,
también se debe tener en cuenta las perturbaciones que el sistema de
generación pueden causar a las cargas.
En cuanto a la generación, se debe conocer las características locales de
las FER que potencialmente se pueden utilizar, así como la disponibilidad
de personal para mantenimiento del sistema. En las características y el
diseño se debe considerar la topografía, el clima, lejanía, etc.
13.6.1 Análisis de la demanda
En sistemas híbridos aislados es de importancia fundamental analizar el
tipo de cargas que se conectarán a la MG y estimar su evolución temporal.
Un estudio realizado en una escala a largo plazo (de al menos 1 año)
permitirá priorizar las cargas. Esto, permitirá la elaboración de un diseño de
la estrategia de gestión y ayudará a asegurar que las cargas críticas
pueden ser priorizadas en la distribución de la energía.
La superposición de las curvas de evolución esperadas de la demanda de
la media estacional y diaria con respecto de las curvas estimadas de
abastecimiento de energía renovable, claramente muestran los desajustes
existentes entre ambas. La medición y registro de los periodos diarios y
estacionales de los desajustes de energía, junto con un análisis de las
diferencias entre la carga máxima y mínima exigida, se puede utilizar como
una base para las decisiones al dimensionado de los dispositivos de
almacenamiento de energía y ajuste de la capacidad as como el número de
fuentes de energía convencional que deben ser integrados en el MG.
13.6.2 Estimación de los recursos
13.6.3 Diseño e instalación de un sistema híbrido de energía
Un número de factores (Fig. 13,18) deben tenerse en cuenta al elegir los
tipos de micro-fuentes de generación de energía y los dispositivos de
almacenamiento que necesitan ser combinados, y al decidir sobre el control
y estrategias de gestión que se van a utilizar. De especial importancia entre
estos factores son los tipos de recursos energéticos renovables disponibles,
la evolución temporal de los importes estimados de energía que estas
fuentes pueden suministrar, las características geográficas y topográficas de
la zona remota (relacionados con el clima, el transporte de los componentes
de la MG, la posibilidad de utilizar acumulación por bombeo, etc), la tipología
de las cargas y las características de la demanda, los costos asociados
estructurales y de operación de la MG así como el nivel de calidad del
suministro de energía demandada de la misma. El número considerable de
factores implicados en el diseño y construcción de un MG y el relativamente
limitado conocimientos disponible para tales sistemas (con la excepción de
los sistemas eólico-fotovoltaico-diesel), significa que la elección de la
tecnología, el tamaño y la ubicación del sistema , de manera que
proporcione un adecuado nivel de calidad de suministro de energía a un
costo mínimo (una tarea difícil para los ingenieros).
13.7 Modelización y simulación de micro redes híbridas
Los modelos matemáticos se utilizan para el dimensionamiento de la
generación y dispositivos de almacenamiento de una MG remota y control
de su rendimiento en situación transitoria. Las estrategias de
funcionamiento y características especiales (recursos y cargas) de la zona
donde se va a instalar se toman en consideración. Se ha realizado una
revisión de los modelos de diseño y simulación que se han utilizado hasta la
fecha de los sistemas híbridos autónomos para la generación de
electricidad (Bernal-Agustín y Dufo-López, 2009). Como se ha señalado en
esta referencia, la complejidad de los modelos de componentes del sistema
híbrido depende, principalmente, del tipo de aplicación (tamaño, cuasiestático simulación estado, simulación en estado dinámico, etc.) Los
modelos más utilizados se pueden clasificar en dos grandes grupos:
métodos cronológicos (o de series de tiempo) y métodos probabilísticos.
Los modelos de series de tiempo pueden a su vez ser clasificados en
términos de incremento de tiempo como de a largo plazo o cuasi-dinámicos
y de corto plazo de funcionamiento o los modelos dinámicos.
Simulink implementation
The fuzzy neural hybrid control.
13.8 Optimización de integración de micro redes híbridas
La tipología de arquitecturas de sistemas híbridos que pueden ser
propuestos en la configuración de un MG para una zona remota en particular
puede ser notable. Esto se debe a las peculiaridades de las distintas fuentes
de energía renovables, la pluralidad y las características de los sistemas de
carga se pueden conectar, la variedad de sistemas de almacenamiento de
energía potencialmente utilizables, los diferentes tipos de control de la MG y
modos de gestión que se pueden concebir, entre otros muchos.
Teniendo en cuenta los diferentes costos asociados con cada posible
configuración y modo de funcionamiento, los costos por unidad de energía
generada será muy probablemente que sean diferentes, al igual que los
porcentajes de consumo de combustibles fósiles y (en su caso) la
contaminación atmosférica, etc. Un sistema óptimo es aquel que en un
momento dado satisface la demanda, con una cierta fiabilidad, al
menor costo posible por unidad de energía producida. Evidentemente,
es importante saber lo que el sistema es óptimo. Los modelos de simulación
se utilizan para este propósito basado en la hipótesis de que el MGCC
(micro-grid central controller) tiene que realizar una óptima gestión (técnica y
económica) de los distintos componentes. Los costos asociados (inversión,
operación y mantenimiento) también tendrá que ser tomados en
consideración para cada alternativa que se propone, y criterios de selección
de alternativas tendrá que ser utilizado.
13.8.1 Criterio económico para la selección entre alternavias
Como se mencionó anteriormente, los costos y la fiabilidad son dos
preguntas muy importantes cuando se trata de optimizar los sistemas
híbridos de energía en MGs remotas. Cuando más de un sistema de energía
es técnicamente factible, el analisis se hace sobre criterios de carácter
económico para decidir entre ellos. Hablando en general, los criterios de
evaluación más comúnmente utilizados en el análisis es el de costo de ciclo
de vida (life-cycle costing LCC). Normalmente, cuando se trata de optimizar
los sistema se realizan intentos para minimizar el costo nivelado de la
energía (costo total del sistema híbrido dividido por la energía suministrada
por él) (Diaf et al, 2008a, b;.. Yang et al, 2009) o el costo actual neto (gastos
de inversión más los valores presentes descontados de todos los costos
futuros que se estima que el sistema va a generar durante su vida útil)
(Shaahid y Elhadidy, 2007;. Dalton et al, 2008). Claramente, el óptimo
económico tendrá restricciones establecidas en él por el grado de fiabilidad
con la que la demanda se va a cubrir. La función de los costos totales que
tiene que ser minimizados puede incluir una función de daño al cliente
(CDF), debido a las interrupciones de suministro de energía (Georgilakis y
Katsigiannis de 2009;. Kaviani et al, 2009). El CDF es un índice (expresado
en € / kW) que depende del tipo de usuario y la longitud de las
interrupciones.
13.8.2 Evaluación de la fiabilidad del sistema
La fiabilidad (Birolini, 2004) es una característica de un elemento (componente,
equipo, subsistema, sistema) expresada por la probabilidad de que el elemento
en cuestión satisfactoriamente realice su función durante un período de tiempo
especificado y en condiciones de funcionamiento dadas. La fiabilidad de un
sistema de energía híbrido integrado en un MG remoto está relacionado con la
disponibilidad de la energía suministrada por éste a satisfacer la demanda de la
carga durante un período de tiempo dado. La demanda puede exceder la oferta
por dos razones principales. Uno de ellos es la desviación aleatoria de la
demanda de su nivel esperado cuando, por ejemplo, un pico de demanda
excede la capacidad instalada del sistema. El fallo del sistema también puede
ocurrir incluso si la carga no es superior a los valores estimados. La alta
demanda en un instante dado, aunque no superior a capacidad instalada del
sistema, podría exceder las capacidades disponibles en ese instante. Tal falta
de disponibilidad de energía durante un período determinado de tiempo puede
ser debido a un fallo de uno o más componente del sistema (Tavner et al.,
2007). Esta no-disponibilidad de energía también puede ser debido a la
insuficiencia de las condiciones atmosféricas (velocidad del viento, radiación
solar, etc) que impiden que los generadores renovables proporcionen suministro
de energía suficiente para cubrir la demanda, a pesar de tener el tamaño para
hacerlo (en otras palabras, no-disponibilidad debido a la incertidumbre de las
fuentes de energía renovables).
La fiabilidad de estos sistemas suele evaluarse con el uso de índices, varios
de los cuales se han propuesto en la literatura (Georgilakis y Katsigiannis,
2009;. Kaviani et al, 2009). Uno de los índices más utilizados es la
probabilidad de pérdida de la fuente de alimentación (loss of power supply
probability LPSP), que es la probabilidad de que el sistema híbrido
proporciona un suministro insuficiente de energía y no satisface la demanda
de carga (AbouZahr y Ramakumar, 1990, 1991; Xu et al ., 2006). La
fiabilidad también se mide a menudo usando el índice de probabilidad de la
pérdida carga (loss of load probability index LOLP). Esta se define como la
probabilidad de que la energía demandada por la carga excede la energía
que el sistema puede suministrar (Deshmukh y Deshmukh, 2008).
Mientras que una variedad de procedimientos existe para el cálculo de los
índices de fiabilidad de un sistema de potencia (Tina et al., 2006), hay dos
enfoques básicos para el uso de dichos índices en la optimización de los
sistemas autónomos de híbridos. El primero, basado en la simulación
cronológica, que implica trabajo computacional pesado y requiere los datos
de demanda y de recursos para un período específico de tiempo
(normalmente 1 año) (Ofry y Braunstein, 1983). Con este enfoque, el
periodo de tiempo de simulación aumenta considerablemente, y se puede
simplificar con simulaciones Monte Carlo (MCS) para la aleatoriedad de la
carga y la disponibilidad de fuentes de energía renovables (Bakirtzis, 1992).
El LPSP generalmente se calcula como el cociente entre la suma de todos los
valores de la pérdida de suministro de energía durante un período y la suma de
la demanda de potencia de carga. Un LPSP con un valor de 0 indica que la
carga siempre estará satisfecho mientras que un LPSP con un valor de 1
significa que la carga nunca será satisfecha (Diaf et al., 2008a). Normalmente,
el LOLP se determina como la relación entre la suma de todos los tiempos en
los que no se ha satisfecho la demanda en el periodo T. El otro enfoque
(Bakirtzis, 1992; Ghali et al, 1997;. Karaki et al ., 1999) se basa en técnicas
probabilísticas, que utilizan las funciones de distribución para representar el
carácter aleatorio de las variables que intervienen en el sistema (recursos
renovables de energía, la demanda de carga, etc), lo que elimina la necesidad
de datos de series de tiempo.
En cuanto al alcance de la simulación, se debe mencionar que se han propuesto
modelos que tienen en cuenta los recursos renovables (radiación solar y
velocidad del viento) y la demanda de carga como datos deterministas. No
obstante, dan por sentado que los componentes del sistema (generadores de
turbinas eólicas, paneles fotovoltaicos, etc) no presentan el 100% de
disponibilidad, pues están sujetas a fallas (Kaviani et al., 2009). Otros modelos
asumen la aleatoriedad de las fuentes de energía renovables y de la demanda
de la carga, pero consideran que los componentes gozan de disponibilidad del
100% (Ghali et al., 1997). También hay modelos que asumen la aleatoriedad de
las fuentes y las cargas, así como probabilidad de fallo de los componentes del
sistema (Gavanidou et al, 199, Karaki et al, 1999).
13.8.3 Consideraciones sobre la emisión de contaminantes
Un parámetro que está adquiriendo cada vez más importancia en los
diseños del sistema de energía es la cantidad de contaminación atmosférica
que estos sistemas pueden generar (Strachan y Farrell, 2006; Tsikalakis y
Hatziargyriou, 2007). De hecho, las externalidades están empezando a
desempeñar un papel en los planes de integración de los recursos
energéticos. En otras palabras, los costos futuros que son el resultado de
los efectos contaminantes de la generación de energía sobre el medio
ambiente y la salud humana (gastos pagados por la sociedad, pero no
directamente por el consumo de electricidad o producción) han empezado a
añadir a costeo del ciclo de vida (Owen , 2006; Nguyen, 2008). Los costos
externos dependen de la tecnología de generación de energía utilizada y
varían de país a país. En la evaluación del ciclo de vida diferentes
configuraciones de sistemas híbridos pueden ser comparados en términos
de la cantidad de dióxido de carbono generado durante la vida útil completa
de sus componentes. En otras palabras, no sólo es la contaminación
producida durante la vida operativa de los componentes tomados en
cuenta, sino también la contaminación generada por la energía que la
tecnología necesita para su fabricación, así como la energía que se
consume durante el desmontaje y el reciclado del sistema de energía
híbrido.
Es evidente que las tecnologías más (energía eólica, energía solar, energía
de las olas, la energía hidráulica, la energía mareomotriz, etc), a diferencia
de las tecnologías que consumen combustibles fósiles, no emiten
contaminantes (dióxido de carbono, dióxido de azufre, monóxido de
carbono y óxidos de nitrógeno) a la atmósfera durante el funcionamiento.
Actualmente, sin embargo, si el tiempo de vida completo de los
componentes se tiene en cuenta, entonces la contaminación tiene lugar.
Hay que tener en cuenta, por ejemplo, que el silicio es un material
predominante hoy en día en los paneles fotovoltaicos y requiere alto
consumo de energía para que pueda ser obtenido en forma pura. Por lo
tanto, por el momento al menos, los paneles fotovoltaicos causan un nivel
relativamente alto de los contaminantes que se emiten a la atmósfera como
resultado de su fabricación con tecnologías de energía que queman
combustibles fósiles. En este contexto, algunos autores han propuesto el
uso de optimización multi-objetivo para los sistemas de energía híbridos,
con el objetivo de cubrir al mismo tiempo dos o tres objetivos. Por lo tanto,
se han hecho propuestas para las funciones que tienen como objetivo
minimizar la emisión a la atmósfera de CO2, así como el costo de la unidad
de energía generada (Bernal-Agustín et al., 2006), y además de la dos
parámetros mencionados anteriormente, la fiabilidad del sistema híbrido
(Dufo-López y Agustín Bernal, 2008).
Muchas gracias a todos Ustedes por
la atención brinda a este curso
Dr. Isaac Pilatowsky Figueroa [email protected]
Dr. Oscar Alfredo Jaramillo Salgado [email protected]
Centro de Investigación en Energía.
Universidad Nacional Autónoma de México
SEPTIEMBRE DE 2012