ENERGÍA EÓLICA

CURSO SENER

INTRODUCCIÓN A LAS ENERGÍAS RENOVABLES

Dr. Oscar Alfredo Jaramillo SalgadoCentro de Investigación en Energía. Universidad Nacional Autónoma de México

ojs@cie.unam.mx 17 sep 2012

Sistemas híbridos eólicos de micro, mediana y gran escala.

Sistemas híbridos de energía hidroeléctrica y energía eólica

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 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.

Turgo Wheel

Cross-flow turbine

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.

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.

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/generator-combustor/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 (1-2-3) 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-carga-reducción 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 micro-red. 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, cuasi-estático 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).

Dr. Isaac Pilatowsky Figueroa ipf@cie.unam.mxDr. Oscar Alfredo Jaramillo Salgado ojs@cie.unam.mx

Centro de Investigación en Energía. Universidad Nacional Autónoma de México

SEPTIEMBRE DE 2012

Muchas gracias a todos Ustedes por la atención brinda a este curso