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Eólica de media potencia , en el camino de la energía distribuida

Madrid, 13 de mayo de 2011

La energía eólica de media

potencia.

Conceptos generales y

ejemplos de aplicaciones

Ignacio Cruz

http://intranet.ciemat.es/ICIEMATportal/portal.do



Índice

• Definiciones.

• Conceptos generales.

• Infraestructuras de ensayo.

• Certificación

• Aplicaciones

• Generación distribuida /Community wind




Por que otra vez aerogeneradores

de media potencia?• Tendencia creciente a la generación de energía

distribuida asociada al consumo siempre que sea posible.

• Fomento del autoconsumo (rentabilidad basada en el ahorro energético y no sólo en una prima, similar al esquema que se aplica en cogeneración).

• Tecnologías innovadoras mas eficientes, totalmente compatibles con la red, incluso débil y competitivas en comparación con escalas similares previas.

• Utilización de infraestructura eléctrica ya existente.

• Fáciles de instalar, operar y mantener.




Definiciones

• Que es la media potencia eólica?

• En EEUU la media potencia incluye

aerogeneradores de potencias nominales

entre 0,1 MW y 1 MW

• Normativa internacional:

– Aun no se ha definido un sector de media

potencia eólica.

– Solo existe pequeña eólica y gran eólica




Definiciones

100 kW 600 kW

60 kW

200 m2

Normativa IEC

Instalaciones (Propuesta)

Pequeña potencia

IEC-61400-2

IEC 61400-1

Media potencia Gran potencia

Pequeña

PotenciaGran potencia

Media potencia?

Hasta 300 kW?

DOMESTICO INDUSTRIAL PRODUCCIÓN

SECTORES

AUTOCONSUMO VENTA




Definición en España

Propuesta:

• Instalaciones asociadas a puntos de consumo eléctrico.

• Instalaciones conectadas a redes de distribución final (BT o

MT≤36kV), en las que también deben estar el punto/puntos de

consumo asociados.

• Se limitará la potencia eólica instalada respecto a la potencia

contratada en los puntos de consumo asociados.

• Se establecerán unos requisitos mínimos de autoconsumo

(rentabilidad basada en el ahorro energético y no sólo en una prima,

similar al esquema que se aplica en cogeneración)

• Se utilizarán aerogeneradores de última generación, que

aseguren el cumplimiento de los requisitos de calidad de la energía.




Ventajas de la media potencia eólica

• El fundamento de estas aplicaciones es generar in situ y mediante

energías renovables parte de la energía eléctrica que necesita el

consumidor industrial o comercial.

• Por tanto, estas aplicaciones cuentan con las siguientes ventajas:

– Para el propietario de la instalación:

Reduce su factura eléctrica, aumentando su competitividad.

Mejora su imagen como empresa u organización.

– Para el sistema eléctrico:

Se reducen las pérdidas de transporte y distribución.

Aumenta la penetración de las energías renovables sin necesidad de nuevas infraestructuras eléctricas.

Mejora la calidad del suministro en la red de distribución (con las prestaciones de los aerogeneradores de última generación)

– Para la sociedad en general:

Se reducen las emisiones y el impacto medioambiental de las infraestructuras eléctricas

Se desarrolla un tejido productivo que genera empleo y riqueza a nivel local (energía distribuida = riqueza distribuida)




Tecnología Española en eólica

de media potencia

• Hay 7 fabricantes nacionales con distinto nivel

de desarrollo:

– Electria Wind (www.electriawind.com)

– Ades (www.ades.tv)

– Norvento Energía Distribuida (www.norvento.com)

– Del Valle Aguayo (www.delvalleaguayo.com)

– Lades Works

– Ventus Control

– Boreas http://www.boreas.es/


http://www.electriawind.com/

http://www.ades.tv/

http://www.norvento.com/

http://www.delvalleaguayo.com/

http://www.boreas.es/



Electria Wind

• Modelo: Garbí

• Potencia: 150 kW, 200 kW a 10,4 y a 11m/s respectivamente

• Tripala,

• Eje horizontal

• Regulación de potencia por cambio de paso

• Generador de imanes permanentes y caja multiplicadora

• Convertidor full power. Back-to-back

• Vel rotación 6-41 y 6-47 rpm

• Diámetro de rotor: 28 m

• Comienza a girar a 2,5 m/s

• Peso góndola: 11,65 T




ADES

• Modelo: ADES-230

• Rotor monopala oscilante a sotavento.

• Diámetro: 32m

• Cambio de paso

• Velocidad variable con caja multiplicadora, generador asíncrono y convertidor de potencia total

• Tren de potencia pendular

• Góndola autotimonante

• Comienza a producir a 4m/s

• 230 kW a 11 m/s y 34 rpm

• Peso (Gondola y palas): 10,3 T




NorventoModelo: NED-100 Parámetros básicos:

Potencia nominal: 100 kW

Diámetro del rótor: 22 m

Altura del buje: 37 m

Para vientos bajos y moderados:

Optimizado para clase IV 5.5m/s

≈ 20 km/h 2200 HAE

Diseño con cargas de clase III

7.5m/s ≈ 27 km/h ráfagas 52.5m/s ≈

190 km/h

Concepto

Control activo de la velocidad de giro, el paso de pala y la orientación.

Convertidor de potencia (“full converter”), permitiendo cumplir los códigos de red más exigentes y mejorar los parámetros eléctricos de la red de distribución (control de reactiva, etc.).

Accionamiento directo, sin multiplicador, incrementando al máximo la fiabilidad de la máquina para instalaciones distribuidas.

Máxima simplicidad de operación: una revisión anual por parte del equipo de mantenimiento, sin intervención del propietario en la operación de la máquina.




Del Valle Aguayo

• Modelo Turbec

• Potencia: 150 kW, 200 kW

• Tripala,

• Eje horizontal

• Regulación de potencia por cambio de paso

• Velocidad variable: 24-52 rpm

• Generador de imanes permanentes y caja multiplicadora

• Convertidor full power. Back-to-back

• Diámetro de rotor: 22,5 m

• Altura torre: 36

• Diseño Clase IIIa




Laddes WorksModelo: Dyna Flow K100

• Rotor tripala a barlovento.

• Diámetro: 21 m

• Regulación de potencia por perdida

• Velocidad variable con accionamiento

directo mediante generador sincrono

multipolar e imanes permanentes y

convertidor de potencia total

• Control adaptativo.

• Orientación activa

• Comienza a producir a 3m/s

• 100 kW a 12 m/s y 100 rpm

• Peso (Gondola y palas):




Venus Control

Modelo: VC-100.0

• Potencia: 100 kW

• Tripala,

• Eje horizontal

• Regulación de potencia por perdida aerodinámica, abatimiento y freno positivo.

• Con multiplicadora

• Generador de imanes permanentes

• Convertidor cuatro cuadrantes back-to-bac

• Diámetro: 20 m




Suministradores

• Palas: Diseños propios, fabricación artesanal

• Generadores: Indar, Santos Maquinaria,

diseño propio

• Convertidores: Ingeteam, Zigor,

Greenpower, Wind Power, MLS, ABB

España

• Control: Diseño propio

• Ensayos: Ciemat, Cener, Circe




Tecnología de otros países

• Northerm Power Systems (EEUU)

• West Wind M-100 (EEUU)

• Enercon (Alemania)

• Furlaender (Alemania)

• Vergnet (Francia)

• WES (Holanda)

• Norwin A/S (Dinamarca)




Northem Power Systems

• Comercializa un aerogenerador de 100 kW con tecnología nueva. (NP-100)– Diámetro del rotor: 21 m / Altura torre: 31 m

– Tripala (Palas de material compuesto)

– Regulación por entrada en perdida (paso fijo)

– Accionamiento directo.

– Generador de imanes permanentes/Convertidor de potencia total. (Velocidad variable)

– Peso rotor+ góndola: 7,2 T)

– Optimizada para vientos bajos (Comienza a producir energía a 3,5 m/s)

– Producción: 205.000 kWh/año. (a 6 m/s)

– Precio instalado: 400.000 Euros

– Diseño IEC IIa

– Nivel aparente de ruido: 55 dB a 20 m

• Esta desarrollando un nuevo modelo de 450 kW




Northem Power Systems




West Wind M-100

• Tripala barlovento

• Diametro: 20 m

• Paso fijo

• Caja multiplicadora

• Generador asincrono a

1200 rpm

• Peso gondola mas rotor:

31,4 T




Enercon

• Aerogenerador de 100 kW (E-20).– Diámetro del rotor: 20 m /Torre: 20, 30 y 40 m

– Regulación por entrada en pérdida. (Paso fijo)

– Potencia:100 kW a 12 m/s y 68 r.p.m.

– Palas de acero, Góndola de aluminio

– Generador multipolar, Convertidor potencia total (Velocidad variable)

– Fácil de transportar

– Muy robusta/Bajo mantenimiento.

– Comienza a producir a 4m/s

– Producción: hasta 200.000 kWh/año (7m/s)

– Diseño IEC 1a




Enercon




Vergnet

• GEV MP R 200/275 kW– Rotor Bipala a sotavento

– Diametro del rotor: 32m /Torre 34 m.

– Regulación por cambio de paso hidraulico

– Buje articulado

– Caja multiplicadora de dos etapas

– Generador asíncrono

– Orientación activa

– Peso góndola + palas: 9 T

– Producción comienza a 3.5 m/s

– Temperatura de operación: -10 a 45 ºC

• Tambien fabrica un aerogenerador de 1 MW




Vergnet




WES• Fabricante holandés que sigue comercializando dos diseños

antiguos (1983) de 80 y 250 kW. (WES18 y WES30) actualizados.

• Bipalas barlovento (Diámetros: 18 y 30 m)

• Cambio de paso pasivo mecánico

• Orientación activa

• Velocidad variable: Generador asíncrono y convertidor potencia total

• Velocidad para producción: 2,7 m/s

• Potencia: 80 kW a13m/s y 120 m/s/ 250 kW a 13 m/s y 70 rpm

• Torre celosia

• Producción: WES18: 193.000 kWh/año WES30: 560.000 kWh/año

• Peso góndola mas rotor: WES18 3,3 T / WES 30 10.7 T

• Emisión de ruído a 8m/s: 45 dB a 100m

• Diseño Clase IIIa




WES

Sistema

De cambio de paso


http://wes18.com/files/foto/big/Rotor_2.jpg

http://wes18.com/files/foto/big/Rotor_3.JPG

http://wes18.com/files/foto/big/Rotor_1.JPG



Norwin A/S

• Norwin 29 /200 /225

• Tripala barlovento

• Diámetro: 29,1 m

• 200 kW a 112m/ y 37,6 r.p.m

• Regulación por entrada en pérdida.

• Velocidad fija

• Generador asíncrono

• Peso góndola + rotor: 12,93T

• Máx nivel de ruido: 98 dB


http://www.norwin.dk/communityandmuni.html

http://www.norwin.dk/specialapplicati.html



E3112 WES18 NP-100 NORWIN

29

MP-R E-33

ROTOR Tripala/

Sotavento

Bipala/

Barlovent

o

Tripala/Ba

rlovento

Tripala/

Barlovent

o

Bipala/

Sotavento

Tripala/Ba

rlovento

REGULACIÓ

N

Pérdida

Aerodin

Cambio

paso

mecánico

Cambio

paso

eléctrico

Perdida

Aerodin

Cambio

paso

hidráulico

Cambio

paso

eléctrico

TREN Con caja Con caja Sin caja Con caja Con caja Sin caja

GENERADOR GA GA +

convertid

or

GSIP GA GA GS anular

Diseño

CLASE

IEC Ia/IIa IEC Ia/IIa

Comparación de las tecnologías




Comparación de las tecnologíasE3112 WES18 NP-100 NORWIN

29

MP-R E-33

POTENCIA

(kW)

50 80 100 200 275 330

AREA

BARRIDA

(m2)

290 254 346 664 804 876

PESO

(GÓNDOLA

Y ROTOR) T

3,99 3,9 6,55 12,93 9 -

Peso/Area

(Kg/m2)

13,75 15,35 18,93 19,47 11,19 -

Poten/Area

W/m2

172,41 314,96 289,01 301,20 341,0 376,71

Clasicas turbinas danesas tripala con diámetro entre 15 y 20 m tenian un peso especifico de entre 25 y

35 Kg/m2. El AWEC 60: 60 Kg/m2 La turbina E-112 de Enercon 50 kg/m2, el Repower M5-126 m es

28 Kg/m2, MUltribrid: 23,6 Kg/m2, la V120 18,86, la BARD 32,39

Bipalas: Nordic 1MW-54 m - 19 Kg/m2




Desarrollo futuro

• Tecnología

• Infraestructuras especificas.

• Certificación




Tecnología

• Perfiles aerodinámicos específicos para rotores y alturas pequeños: existen varios diseños de perfiles aerodinámicos libres (Delft, NACA). El problema es que estos diseños están adaptados a rotores de grandes dimensiones. La elaboración de un perfil específico para media potencia es una tarea complicada y costosa que podría ser objeto de un proyecto en cooperación entre varias empresas.

• Convertidores de potencia para generación y operación en sistemas aislados.

• Sistema de frenado electromagnético: el objetivo es poder quitar el sistema hidráulico del interior de la góndola.

• Soluciones de control avanzado de aerogeneradores: en media potencia, el control debe ir adaptados a las características del emplazamiento. El hecho de situar los aerogeneradores en zonas urbanas, con más rugosidad, con obstáculos y con turbulencias hace que los emplazamientos son todos muy diferentes. Por eso, se propone el desarrollo de “sistemas de control inteligente experto”.




Programa de I+D+I en EEUU en

Media potencia eólica

(Rango 200 - 500 kW)• Aerogenerador de eje vertical

Empresa: Clean Green Energy, 200kW

• Nuevo aerogenerador de eje horizontal: Northern Power Systems 450 kW

• Nuevo aerogenerador bipala de 500 kW de potencia nominal desarrollado por la Universidad Técnica de Tejas.

• Desarrollo de nuevo aerogenerador de West Wind Energy M-100




Infraestructuras de ensayo

• Las instalaciones de ensayo existentes para la energía eólica son: túneles de viento, bancos de ensayo de palas, bancos de ensayo de generadores, bancos de ensayo de trenes de potencia. Estas instalaciones se diseñan exclusivamente para el ensayo de aerogeneradores de rango de eólica de gran potencia. Para la eólica de media potencia, la realización de ensayos es fundamental para poder afinar el diseño de los equipos y reducir costes mediante por ejemplo la reducción de peso por lo que necesitaría de al menos una instalación de ensayo dimensionada y adaptada a tamaños de aerogeneradores < 300 kW.




Certificación (1/2)

Problemática

• Altos costes de certificación para

soluciones innovadoras.

• Rigidez del certificador que muchas veces

pide más que lo que está contemplado en

la norma.

• Escasez de certificadores reconocidos: GL,

TÜV-NEL, DNV, Intertek.




Las normativas actuales contemplan la gran eólica (IEC 61400-1) y la mini-eólica

(IEC 61400-2). En esta clasificación, la eólica de media potencia está incluida en la misma categoría que la eólica de gran potencia. No tiene sentido seguir aplicando la misma normativa para aerogeneradores de 100 a 300 kW y aerogeneradores de más de 5 MW. Sería conveniente desarrollar una normativa específica, si se prevé tener un mercado con una cierta masa crítica que lo justifique:

• La propuesta de incluir el rango de media potencia en la IEC 61400-2 ha sido rechazada.

• Normativa IEC adaptada a media potencia (que no fuera 61400-1 ni 61400-2):

– Procedimiento largo y complicado aunque existe la posibilidad de basarse en una versión antigua de la IEC 61400-1.

– Se podría buscar apoyo a las empresas no españolas trabajando en este rango de potencia, aunque existe el riesgo de no encontrar consenso en los criterios de certificación.

Certificación (2/2)




Operación y mantenimiento

• Actividad problemática en cuanto a costes

al ser instalaciones dispersas.

• Desarrollo de herramientas de supervisión

y control a coste competitivo que permitan

operar y mantener los aerogeneradores

de media potencia de forma mas ágil y

competitiva.




Acciones prioritarias

• Facilitar el desarrollo de tecnologías

innovadoras que reduzcan los costes de

instalación.

• Desarrollo de herramientas que reduzcan

los costes de operación y mantenimiento.

• Facilitar el aumento de la eficiencia de los

aerogeneradores de media potencia.




Aplicaciones

Todas orientadas al autoconsumo

• Eólica comunitaria.– Granjas/agrícola (Bombeo de agua)

– Escuelas/Universidades

– Empresas (Polígonos industriales/tecnológicos)

– Ayuntamientos (iluminación, tratamiento de aguas)

– Hoteles

• Ciudades inteligentes

• Islas/Países en desarrollo (Sistemas eólico-diesel)

• Electrocineras (Flotas cautivas, etc)




Proyectos de demostración

• Test intercomparativo de distintas aplicaciones de electrolinera eólica.

– Objetivos:

– Validar la tecnología eólica de media potencia

– Validar distintas aplicaciones de suministro de energía eléctrica a VE a partir de energía eólica.

• Electrolinera aislada de red (baterias)

• Electrolinera conectada a red. (balance neto)




Mercados

• De acuerdo al ICI International Market

Assessment, en el mundo hay un mercado

potencial de la eólica de media potencia

de hasta 220 GW

• EEUU: Mercado mayor que oferta.

Múltiples incentivos

• Reino Unido: Interés creciente por

aerogeneradores de media potencia




MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCION

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