Transcript 3_22032011 - C.I.E.

CAPACITACIÓN PARA LOS ESTADOS MIEMBROS DE LA
CURSO CAPEV 1 2011
CURSO DE CAPACITACIÓN VIRTUAL:
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE SISTEMAS HÍBRIDOS
COMBINADOS (AVANCES TECNOLÓGICOS Y REGULACIÓN)
Dr. Oscar Alfredo Jaramillo Salgado
Centro de Investigación en Energía. Universidad Nacional Autónoma de México
[email protected]
22 de marzo 2011
Sistemas híbridos eólicos
fotovoltaicos y generador diesel.
Los sistemas híbridos optimizan las mejores condiciones del viento y el sol,
complementándose entre sí. Los días fríos y de viento, normalmente nubosos,
apenas permiten aprovechar la luz solar, mientras que son ideales para los
aerogeneradores. Por su parte, los días de anticiclón suelen provocar cielos
despejados con poco viento, y por tanto, más adecuados para las placas
fotovoltaicas.
Las combinaciones que pueden analizarse para diseñar el sistema híbrido
apropiado son las siguientes: Híbrido eólica-diesel, híbrido batería-diesel-eólica,
hídrico diesel-fotovoltaica-eólica, híbrido de batería-diésel, fotovoltaica, eólica,
híbrido diésel-fotovoltaica, híbrido de batería-diésel-fotovoltaica, etc.
Asimismo, este tipo de sistemas mixtos eólico-fotovoltaicos pueden contar con un
grupo electrógeno de apoyo, alimentado con algún tipo de combustible, ya sea
diesel o gasolina. El objetivo es mantener un nivel de carga adecuado en las
baterías, cuando ni el sol ni el viento proporcionen la energía suficiente.
En este caso, son especialmente recomendables cuando las baterías están bajas
de carga o hay una demanda de consumo muy elevada. El grupo electrógeno se
pone en marcha suministrando energía a la instalación y cargando
simultáneamente las baterías hasta que adquieren un nivel óptimo. De esta
manera, se alarga la vida útil del sistema y se hace un uso más racional de la
energía.
La naturaleza variable de la energía solar y la eólica provoca desequilibrio entre la
oferta y la demanda en el sistema de suministro de energía. Debido al movimiento
de la Tierra alrededor del Sol, se encuentran dos tipos diferentes de discrepancias
en el sistema fotovoltaico y en el sistema de energía eólica. Son el desajuste
diurno-nocturno y desequilibrio estacional. El desajuste entre la oferta y la
demanda se resuelve mediante un sistema de búfer.
Para ello, se usa ampliamente la batería de plomo. Para lograr el máximo nivel de
confiabilidad energética, el convertidor de energía (PV / WECSs) o la batería es
sobredimensionada.
Los WECSs independientes no producen energía firme debido a la disminución de la
velocidad del viento, por debajo de 3,5 y 4,5 m/s. Para superar este problema con
los WECSs, un sistema híbrido PV–WEC sería una solución. Una combinación de
fotovoltaica y WEC reduce la fluctuación diurna y estacional que se presenta de
manera individual, y disminuiría el tamaño del banco de baterías para el sistema
independiente.
Debido a su característica de auto-descarga, la batería de plomo ácido no es
adecuada para el desajuste estacional. El desajuste estacional se resuelve utilizando
un generador diesel como un sistema de respaldo. Aumentando la fiabilidad del
suministro de energía.
During the good season, the load demand in the system remains insufficient to
utilize the whole amount of energy converted by the energy converter (PV/WEC).
Thus, during the good season of the year a large amount of energy would be wasted
because of non-optimal operation of the converter. In a hybrid system, 40% of the
total energy loss (Peterson et al., 1999) is due to the non-optimal sizing of the
system. However, another main disadvantage is that the diesel generator needs the
fuel to be supplied for operation. Sometimes, for some of the remote applications,
consumers pay high fuel costs for fuel transportation (Butler, 1996). The high cost of
the delivery and often dubious quality of the fuel places a premium on effective
utilization of the resources and makes the value of energy far higher.
Los otros inconvenientes de este sistema son los siguientes:
• Causa emisiones de gases de efecto invernadero.
• Menor eficiencia de conversión de combustible a carga parcial.
• Operación ruidosa.
Reemplazar el generador diesel por un sistema de almacenamiento a largo plazo,
que consistente en un electrolizador, un tanque de hidrógeno y unas pilas de
combustible, permite elimina los inconvenientes antes mencionados en el sistema
híbrido. En un sistema de almacenamiento a largo plazo, la energía excedente
durante una buena temporada es recuperada por un electrolizador y se produce
hidrógeno, que se almacena para el uso a largo plazo. Cuando hay una escasez de
energía en la batería, el hidrógeno se utiliza en la celda de combustible y se satisface
la demanda.
Las ventajas de utilizar un sistema de electrolizador-celda de combustible para la
generación de hidrógeno en lugar de utilizar un sistema de respaldo diesel son las
siguientes:
• No hay emisiones de gases de efecto invernadero directo.
•Mayor eficiencia de la conversión de la celda de combustible a cargas parciales.
• Funcionamiento silencioso.
Así, el sistema basado en el hidrógeno es amigable con el medio ambiente, que es
un aspecto muy importante que debe tenerse en cuenta en el curso
de la operación del sistema híbrido.
Hacer un estudio comparativo entre el almacenamiento de hidrógeno y un
generador diesel en un sistema de suministro de energía renovable es útil para
determinar el sistema es rentable para un sitio en particular.
Para estimar el excedente de energía anual del sistema, el todo el año se divide en
dos partes. Una parte contiene la más alta disponibilidad de energía solar y de
energía eólica y la otra mitad presenta una menor disponibilidad. El excedente de
energía se calcula teniendo en cuenta la demanda de energía anula por la carga del
sistema.
Para la aplicación de energía solar fotovoltaica, es posible dividir un año
exactamente en dos partes para casi todas las ubicaciones. En general, para el
hemisferio norte, de marzo a agosto es considerado como la buena temporada y el
resto del año es considerada como la mala temporada. Para latitudes intertropicales
se debe tomar en cuenta el periodo de lluvias de la localidad.
En el hemisferio norte, la duración del día comienza a aumentar a partir del mes de
marzo. Las horas de luz solar acumulada a partir de marzo a septiembre es superior
que las horas de luz solar acumulada durante el resto del año en todos los lugares en
el hemisferio norte.
La variación estacional de la energía solar también aumenta con el aumento de la
latitud.
El exceso de energía en un sistema fotovoltaico en la temporada de verano está
dada por:
Se trata de la cantidad de energía que se pierde en el sistema híbrido fotovoltaicodiesel debido a al tamaño no óptimo de la generación fotovoltaica.
es la diferencia de energía solar estacional en el sitio de la aplicación. La
diferencia de energía solar estacional se obtiene de la siguiente relación.
La diferencia de energía solar estacional aumenta con en el ángulo de latitud. Las
diferencias estacionales de energía solar en el plano horizontal y el plano inclinado
en diferentes ubicaciones se muestra en la figura 3, que se calcula utilizando
‘‘METEONORM’97 Version 3.0’’.
METEONORM es una amplia base de datos climatológico para aplicaciones de
energía renovable, en que los valores mensuales promedio de velocidad de viento y
radiación solar se calculan sobre la base de datos medidos durante 10 años.
Para un sistema con convertidor de energía eólica y sistema de almacenamiento de
energía a largo plazo, se puede calcular la energía excedente del sistema con la
siguiente ecuación:
es la diferencia de energía de viento estacional en el sitio de la aplicación, que
puede ser expresada como sigue
A diferencia de la energía solar, la diferencia de energía de viento estacional no
aumenta con la latitud. La variación de energía de viento estacional en los mismos
lugares de la figura 3 se muestra en la figura 4.
Un sistema híbrido fotovoltaico-WEC consiste en la instalación fotovoltaica y un
sistema de energía eólica. Para calcular el excedente de energía estacional en el
sistema, la diferencia estacional de la energía solar, y la diferencia de energía eólica
estacional se deben tomar en cuenta. Otro parámetro importante para este sistema
es la coincidencia entre el perfil de la energía eólica y el perfil de la energía solar.
En la figura 5, la coincidencia entre el perfil de energía eólica y el perfil de energía
solar se muestra para un sitio determinado (Fort Nelson; 58.5N, 122W). Se
encuentra que el sitio tiene buena radiación solar de marzo a agosto. Es rico en
energía eólica de octubre a abril. Así en los meses de marzo y abril se produce una
buena temporada para ambos perfiles de las energía. Por lo tanto el parámetro de
traslape de energía , , del sitio es 1/6. Los parámetros de traslape para los
diferentes sitios representados en Fig. 3 y 4 se dan en la tabla 1.
La energía excedente puede obtenerse de las siguientes relaciones
La energía excedente calculada anteriormente podría recuperarse mediante la
introducción en un sistema de almacenamiento a largo plazo. Para recuperar la
energía excedente, se necesitaría un inversor, un electrolizador, celdas de
combustible y tanques. Para un sistema de este tipo, no hay ningún costo
operacional por combustible como en el sistema de generador diesel. El costo de
ciclo de vida para el almacenamiento a largo plazo es
Los costos de la electrolizador y la pila de combustible se definen con respecto a la
potencia nominal. Para aplicaciones a pequeña escala, el costo actual de la
electrolizador y pila de combustible se consideran 12.500 € / kW y 20.000 € / kW,
respectivamente. El costo objetivo del electrolizador y la pila de combustible fue de
3.000 € / kW. Para el cálculo actual, se considera que no hay reemplazo del
electrolizador y la pila de combustible tiene lugar durante toda la vida útil del
sistema.
El tanque de hidrógeno puede ser especificado por el volumen y la presión máxima
alcanzable. El costo de la botella de hidrógeno (la presión máxima de 200 bar) se
considera igual a 5,470 € / m3. En el presente cálculo, el costo del tanque se
convierte en términos de energía teniendo en cuenta la presión máxima posible
(200 bar) y el poder calorífico superior de hidrógeno.
El costo del tanque de hidrógeno
que se toma en cuenta para el cálculo
es de 7,7 € / kW h. El coste del ciclo de vida para el tanque está dada por
Los otros costes, en el sistema de almacenamiento a largo plazo incluyen el costo
del compresor, diversas válvulas y sensores. El componente de costo intensivo
importante es el compresor. Para los sistemas de energía solar-hidrógeno con
tamaños de sistema fotovoltaico en el rango de 2,5 a 10 kW, el compresor de
membrana con caudal máximo de 3 Nm3 / h se puede utilizar. El costo del
compresor es de € 12.000. Para el cálculo de otros imponderables, se consideran €
250 por año. El costo del ciclo de vida total se calcula como:
Para un sistema híbrido, la misma cantidad de la energía excedente debe venir del
generador diesel. Al igual que en un sistema híbrido, una parte de la energía del
generador diesel fluye a través de la batería, la eficiencia de la batería se tiene en
cuenta en el cálculo del coste del ciclo de vida útil del generador diesel. En este
sistema, junto con el costo del combustible, el costo de almacenamiento de energía
en la batería se debe incluir el costo operacional. El coste del ciclo de vida para el
sistema híbrido para proporcionar la misma cantidad de energía excedente de toda
la vida útil del sistema es
El excedente de energía en el sistema de almacenamiento a largo plazo vendrán del
generador en el sistema híbrido. El costo del diesel en toda la vida útil del sistema
se pueden obtener de la relación
El excedente de energía en el sistema de almacenamiento a largo plazo vendrán del
generador en el sistema híbrido. El costo del diesel en toda la vida útil del sistema
se pueden obtener de la relación
Se supone que el motor debe reconstruirse después de 6000 horas de operación. El
costo de cada reconstrucción se establece a 1500 €
Además del costo de reconstrucción, algunos de los componentes tienen que ser
reemplazados a intervalos regulares. En el momento de la instalación, el costo de la
inversión del generador es relativamente bajo, pero el costo de mantenimiento de
este sistema es alto. El costo de mantenimiento de los motores diesel (3000 rpm)
por kWh puede calcularse a partir de las siguientes relaciones:
En el presente estudio, el almacenamiento basado en hidrógeno se compara con el
generador diesel en un sistema híbrido fotovoltaico-eólico. El coste del ciclo de vida
de ambos sistemas se compara para calcular el costo crítico del combustible para
que ambos sistemas sean igualmente rentables. En otras palabras, el costo crítico
del combustible representa el costo de combustible teórico, para lo cual los costos
de ciclo de vida de almacenamiento de hidrógeno y el generador diesel son iguales,
Este costo de combustible crítico será útil para seleccionar el sistema entre los
sistemas basados en diesel o hidrógeno. El sistema basado en hidrógeno será
rentable si el costo real del combustible en el sitio es mayor que el costo de
combustible crítico y viceversa.
El escenario de las energías renovables varía con la posición en la Tierra. Para el
sistema de suministro de energía renovable basado en hidrógeno, la diferencia de
energía estacional es un factor importante. El otro factor importante para la
aplicación rentable del sistema renovable basado en hidrógeno es la accesibilidad
del sitio de aplicación. Esto puede ser especificado por el costo total del
combustible en el sitio, que incluye el costo de transporte de combustible.
El costo de combustible en el sitio de aplicación depende del modo de transporte,
de la distancia del sitio y de la política energética del país. El precio del diesel puede
variar de 0,3 € a 0,9 € por litro, incluyendo impuestos.
Los costos críticos de combustible se obtienen en función de las diferencias
estacionales de la radiación solar y la energía eólica en distintas condiciones para la
instalación híbrida fotovoltaica-eólica. Al comparar los costos, en el plano límite,
ambos sistemas son igualmente rentables.
Si el costeo real de los combustibles en un sitio en particular es más alto que el
costo obtenidos desde el plano límite, el sitio es rentable para el sistema basado en
almacenamiento de hidrógeno. El plano límite depende fuertemente del
solapamiento entre la energía eólica y el perfil de la energía solar. El costo crítico del
combustible obtenido en el plano límite se muestra en la figura. 6 para el costo
actual de electrolizador y pila de combustible. El plano límite correspondiente al
costo destinado al electrolizador y el de la celda de combustible se muestra en la
figura. 7.
La naturaleza del plano límite está determinada por la relación entre el tamaño de la
fotovoltaica y la eólica. Para un conjunto particular de fotovoltaica y tamaño de la
eólica la naturaleza de las curvas sigue siendo el mismo. Debido a los costos de
inversión y el factor traslape, el sistema basado en hidrógeno puede resultar más
caro. Cuando el sistema se compone de sólo un sistema fotovoltaico, las curvas de
costo crítico son verticales, lo que significa que las curvas de costos críticos son
independientes de la diferencia de energía de viento estacional. Cuando el sistema se
compone de eólica solamente, las curvas de costo crítico son horizontales sin
influencia de la diferencia de energía solar estacional (que se muestra en la figura 8).