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 SalgadoCentro de Investigación en Energía. Universidad Nacional Autónoma de México

ojs@cie.unam.mx 24 de marzo 2011

Sistemas híbridos eólicos-hidroeléctricos micro, mediana

y gran escala.

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.

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.

Inicio del uso de la energía hidráulica para la obtención de potencia mecánica

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 mini-hidroeléctrica 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.

Micro, mini y sistemas de pequeñas hidroeléctricas tienen los siguientes componentes:•Una turbina que convierte la energía de un afluente o la caída de agua en energía mecánica que impulsa un generador, este genera energía eléctrica y es el corazón del un sistema de energía hidroeléctrica.•Un mecanismo de control para proporcionar energía eléctrica estable•Líneas de transmisión eléctrica para entregar la potencia a su destino•Dependiendo del sitio, se puede necesitar lo siguiente para desarrollar un sistema de micro y mini de hidroeléctrico.

•Un vertedero para desviar el caudal del curso de agua.•Un canal o tubería para llevar el flujo de agua a la cámara de carga •Un tanque o cámara de carga y soporte de basura para filtrar los desechos y evitar que se tapone la turbina en la entrada de la tubería.•Tubería de carga para transportar el agua a la casa de máquinas.•Una central eléctrica, en los que la turbina y el generador convierten la energía del agua en electricidad.•Un canal de descarga a través del cual se libera el agua al río o arroyo

Una turbina de impulso generalmente utiliza la velocidad del agua para mover la turbina y verter a la presión atmosférica. La corriente de agua golpea cada alabe en la turbina. No hay ninguna aspiración en la parte de abajo de la turbina, y el agua fluye fuera de la parte inferior de la carcasa de la turbina después de golpear los alabes. Una turbina de impulso es generalmente adecuada para un cabezal alto y aplicaciones de bajo flujo. He aquí algunos ejemplos de turbinas de impulso:• Pelton. Las turbinas Pelton están diseñadas para explotar grandes saltos hidráulicos de bajo caudal• Turgo Wheel. La turbina Turgo es una turbina de impulso, diseñada para aplicaciones de cabezal medianas.• Cross-flow turbine. Es una maquina utilizada exclusivamente para centrales de potencia pequeña; es apta para saltos de unos pocos metros hasta 100, y para caudales de 20 a 1000 litros / segundo.

Turgo Wheel

Cross-flow turbine

Una turbina de reacción desarrolla la potencia al combinar la presión y el movimiento de agua. El rodete se coloca directamente en la corriente de agua que fluye a través de los alabes, en lugar de golpear cada alabe individualmente. Turbinas de reacción se utilizan generalmente para sitios con cabezal bajo y flujos superiores en comparación con los sitios en los que se adecuan a turbinas de impulso. Los ejemplos incluyen:

• A propeller turbine, which generally has a runner with three to six blades in which the water contacts all of the blades constantly, like a boat propeller running in a pipe. The pressure is constant through the pipe; otherwise, the runner would be out of balance. The pitch of the blades can be fixed or adjustable. Besides the runner, the major components are a scroll case, wicket gates, and a draft tube. There are several different types of propeller turbines:o A bulb turbine, in which the turbine and generator are a sealed unit placed directly in the water stream.o A straflo, in which the generator is attached directly to the perimeter of the turbine.o A tube turbine, in which the penstock bends just before or after the runner, allowing a straight line connection to the generator.o A Kaplan, in which both the blades and the wicket gates are adjustable, allowing for a wider range of operation.• A Francis turbine, which has a runner with fixed buckets (vanes), usually nine or more of them. Water is introduced just above the runner and all around it and then falls through, causing it to spin. Besides the runner, the other major components are the scroll case, wicket gates, and draft tube.• A kinetic energy turbine, also called a free-flow turbine, which generates electricity from the kinetic energy present in flowing water rather than the potential energy from the head. The system can operate in rivers, man-made channels, tidal waters, or ocean currents. Kinetic systems utilize the water stream's natural pathway.

Kaplan TurbineFrancis turbine

Propeller turbine

La necesidad de acoplar sistemas eólicos y de hidroelectricidadA 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.

Diferentes tipos de sistemas de energía de viento/hidro

La energía hidroeléctrica proviene de la conversión de energía cinética de un afluente de agua en energía mecánica útil por medio de una turbina. La energía eólica es la conversión de la energía cinética del viento, mediante aerogeneradores. En ambos casos, la energía mecánica se convierte en electricidad mediante un generador eléctrico, en la que se mide la energía eléctrica en vatios (W), kilovatios (kW) o megavatios (MW).

Los sistemas viento/hydro (WHPSs wind/hydro power systems) se clasifican como grandes, medianos, pequeños, mini, micro de acuerdo con su capacidad de generación de potencia instalada. Un sistema de micro-potencia generalmente se clasifica por tener una capacidad de generación de menos de 100 kW, mientras que los sistemas que tienen una capacidad de instalación de entre 100 kW y 1000 kW (1.0 MW) se conocen como sistema de mini-poyencia; ambos sistemas son comúnmente fuera de la o independientes. Un pequeño WHPS se define por una capacidad de más de 1,0 MW y menos de 10 MW. Sistemas de alimentación de medio tienen una capacidad de entre 10 MW y 30 MW, mientras que un gran WHPS se refiere a un sistema con una capacidad superior a 30MW. Estos sistemas son comúnmente interconectados a la red.

Los generadores de energía renovable son independientes o con conexión a la red. En sistemas independientes, los WHPSs (con o sin otros generadores de back-up o almacenamiento de energía), suministran la parte principal de la demanda. En un WHPS de conexión a la red, la energía renovable alimenta la potencia a una red grande interconectada, también alimentada por una variedad de otros generadores. La distinción fundamental aquí es que la potencia inyectada por el sistema híbrido es sólo una pequeña fracción de los generados comparado con la totalidad de los generadores de la red. La distinción entre generadores independientes y conexión a la red es útil, pero no siempre es clara. A veces surge confusión cuando la palabra a red se utiliza para referirse a un red eléctrica independiente relativamente pequeña; el término red suele utilizarse libremente para describir la totalidad de la red. La conexión a la red significa concretamente conectado a cualquier parte de la red. Integración significa concretamente la conexión física del generador a la red con la debida operación del sistema de manera segura y el control del generador. La integración adecuada de cualquier generador eléctrico en un sistema de energía eléctrica requiere un conocimiento de los principios bien establecidos de la ingeniería eléctrica. La integración de los generadores que alimenta a partir de fuentes de energía renovables es fundamentalmente similar los generadores accionados mediante energía fósiles y se basa en los mismos principios, pero las fuentes de energía renovables son a menudo variables y geográficamente dispersas.

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 no-despachable, 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 hidro-eoloeléctricos 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.

Modelación de la granja eólica.

WAsP – the Wind Atlas Analysis and Application Program

Las restricciones sobre la producción de energía del sistema híbrido se relacionan con la capacidad de absorción de energía del sistema autónomo. Las limitaciones resultantes son variables en el tiempo y dependen del nivel de carga, el algoritmo de despacho para los generadores convencionales, así como las consideraciones de estabilidad para el sistema, relacionado con su capacidad para compensar las fluctuaciones de la energía eólica, incluso en caso de una pérdida repentina de la potencia total del sistema híbrido. La penetración máxima permitida para la central eléctrica híbrida se define por las siguientes dos restricciones:

La primera restricción se asegura de que ninguno de los generadores diesel serán cargados por debajo de su mínimo técnico. La segunda restricción limita la penetración de hasta un máximo predefinido, en relación a las consideraciones de estabilidad transitoria para el sistema eléctrico. La experiencia de las redes insulares existentes con la energía eólica ha demostrado que la estabilidad Pmax (límite dinámico) no puede exceder el 30-50%, dependiendo del número, tipo y la dispersión geográfica de los aerogeneradores, así como en los motores diesel y sus características de regulador.

Una red típica aislada isla de tamaño mediano con una demanda de carga máxima de 17 MW y un perfil de carga anual, como se muestra en la figura. 2 se considera en este trabajo. La demanda mínima de carga es de 4,1 MW, carga media es igual a 9,33 MW y la demanda de energía anual de 81.696 MWh.

La capacidad total instalada de la central diesel es de 23,3 MW, que consta de seis unidades diesel, entre 1,5 a 6,3 MW. Los mínimos técnicos de cada unidad es de 50% de su capacidad nominal (Tabla 1).

A wind park consisting of several 800 kW pitch regulated turbines is considered. The annual wind speed time series used in the simulation is shown in Fig. 3 (average 9.5 m/s).

La estación de bombeo consta de 2-10 bombas de velocidad fija o variable, cada una con capacidad de 10% de la potencia del parque eólico. La estación hidroeléctrica comprende 1-6 turbinas Pelton con una potencia de salida nominal de 1.000 kW cada una. Se supone un cabezal de 300 metros, mientras que la longitud de tubería de carga se toma igual a 1500 m. Las pérdidas de carga debido a la fricción en las tuberías se calculan como se describió anteriormente. La eficiencia eléctrica se considera fija en 90%, mientras se utilizan curvas de eficiencia típica para las bombas y las turbinas. La capacidad de reserva de agua se determina para asegurar el funcionamiento de las turbinas a la potencia nominal en un intervalo de 48 a 96 horas.

Estrategia 1: La restricción expresada por las ecuaciones (5) y (6) se considera que se aplican a la potencia de salida del sistema híbrido en total. Por lo tanto, la unidad de almacenamiento se utiliza para almacenar la energía eólica superior al límite de penetración de bombeo de agua, mientras que las turbinas hidroeléctricas funcionan cuando la energía eólica disponible es menor que el límite de penetración. Las unidades diesel deben mantener siempre la reserva completa

Strategy 2. Las turbinas hidráulicas garantizan una alimentación del sistema en las horas pico de carga, sustituyendo así al diesel (operación 'hidro despachable'). Operan a un nivel predeterminado de energía (dependiendo de la demanda de carga prevista, pero no en la energía eólica). Las unidades diesel mantienen la reserva total csolamente para la energía eólica y el límite de penetración se calcula a partir de las ecuaciones. (5) y (6), teniendo en cuenta la potencia diesel solamente. Los excedentes de energía eólica durante la operación 'despachable' no pueden ser empleados para el bombeo, ya que se cuenta con una sola tubería de carga se supone para la central hidroeléctrica.