10 mayo 2010

Diseño de sistemas híbridos de generación distribuida - Ideas esenciales

Las tecnologías de generación convencionales no son la solución adecuada para aquellas poblaciones que viven aisladas por largas distancias de los núcleos habitados de mayor tamaño. El despoblamiento amenaza seriamente amplios territorios y el principal motivo probablemente sean los problemas de disponibilidad de energía y los servicios asociados que conlleva la energía.
A priori la solución a estos problemas es hoy en día la Generación Distribuida. Pero las cosas no son tan fáciles como parecen, y al respecto podríamos contar experiencias bastante increíbles en lugares bastante remotos. Los problemas son básicamente que en los lugares remotos no se conoce cómo trabajar con estas tecnologías y que los problemas más nimios son un muro infrancreable si nos encontramos a 1.000 km de una ciudad grande.
El problema de crear infraestructuras en lugares remotos va más allá de la disponibilidad de fondos para ello, y un buen ejemplo lo leemos en el artículo "El peso de la sed" que publica esta semana National Geographic. Según un estudio llevado a cabo en África sobre proyectos de construcción de pozos de sondeo en áreas críticas afectadas por la sed, resulta que de 35 proyectos desarrollados en una región de Etiopía, sólo seguían funcionando 9. El 75 % de los proyectos dejaron de funcionar en poco tiempo y lo peor es que ello se debió a problemas bastante sencillos, todos relacionados con el mantenimiento y los repuestos.
En este artículo vamos a tratar en detalle la generación mediante energía híbrida en lugares remotos, centrándonos sobre todo en el rendimiento. Las plantas diésel
Las plantas diésel se utilizan para resolver problemas energéticos en lugares remotos pero es una solución de lo más costosa, que a la vez se encarece cuanto más remota sea la población.
Desde hace muy poco tiempo la caída en los precios de algunas tecnologías renovables (ver por ejemplo, España desestabiliza profundamente....), con costes del orden de 1 euro/vatio hacen factible la utilización de tecnologías como la eólica o la fotovoltaica para reducir el derroche en la utilización de generadores diésel.
Las plantas híbridas con energía solar fotovoltaica o energía eólica
La sustitución de plantas diésel por paneles fotovoltaicos es especialmente atractivo en lugares con alta radiación solar. Sin embargo, el tamaño óptimo del sistema debe optimizarse pues son muchas las variables que están en juego e inciden en el rendimiento del sistema.
Los estudios de rendimiento deben contemplar todas las variables de diseño tales como los parámetros económicos, la radiación solar disponible en la localización y la especificación del PV y el equipo diésel.
En un sistema fotovoltaico-diésel sin almacenaje, el equipo diésel tiene que equilibrar la producción fotovoltaica y la demanda de la carga. Es decir, el generador diésel actuará cuando la demande de energía supere la producción de los paneles fotovoltaicos.
El estudio de la carga
El estudio de la carga es fundamental en el diseño de sistemas híbridos de generación pues nos ayudará a entender cómo se comporta la demanda en el ciclo diario y anual. Ambas cuestiones son fundamentales para optimizar el diseño y ahorrar costes al máximo.
La demanda de un sistema híbrido varía durante el día. En una simulación estudiaremos la carga base y la carga pico durante el periodo del día. El estudio de la carga pico es vital en cualquier proyecto de generación distribuida.
Consumo y ahorro de diésel
El principal coste operacional de este tipo de instalaciones corresponde a los costes de combustible y al ahorro que podemos conseguir de ahí. El consumo diésel específico es una función de la fracción de carga y sus variaciones deben ser tomadas en cuenta. La forma de optimizar este tipo de instalaciones se basa sobre todo en el estudio detallado del consumo y la capacidad para generar lo más cercano al consumo que sea posible. Si generamos más energía de la consumida podremos almacenarla, una opción interesante a la simple utilización del generador diésel cuando tengamos escasez de energía.
En este tipo de instalaciones, si trabajamos con potencias grandes, es fundamental realizar muchas simulaciones para ir optimizando el sistema y calcular en cada caso los ahorros en todo el ciclo de vida (ver los costes en el ciclo de vida de los proyectos energéticos). El consumo específico de diésel es realmente una fracción de la carga y su variación se tendrá en cuenta en el análisis económico.
En la simulación debemos también tener en cuenta el esquema para la distribución de la carga total respecto a las fracciones de carga individuales de los generadores utilizados para determinar el ahorro de combustible durante la simulación.
En cualquier caso debe considerarse el consumo de los motores diésel que se mantienen trabajando listos para entrar en operación si la radiación solar cae. El problema puede ser relevante si hay aumento en la demanda generalizado con numerosos equipos trabajando en paralelo.
En conclusión, el estudio de los costes en el ciclo de vida debe calcularse considerando el ahorro de costes que obtendremos al disminuir el consumo de combustible. A partir de esta idea es fácil calcular la rentabilidad de la inversión.
Para calcular cual es la tecnología más interesante debemos obtener los siguientes indicadores a partir del estudio de diferentes escenarios:
  • Perfil de consumo horario: Cálculo de las potencias necesarias en diferentes tramos de horas al día. En este tipo de diseños es importante elegir la generación adecuada pero sobre todo enlazar todo lo posible la generación con el consumo. El perfil de consumo horario nos ayudará a dimensionar exactamente el tamaño relativo de los componentes del sistema híbrido y a equilibrar el sistema. En instalaciones grandes estas simulaciones son lo más importante para conseguir optimizar el diseño.
  • Coste unitario de un sistema fotovoltaico (o eólico): US$/Wp. Aquí tenemos que tener en cuenta la caída en los costes de las diferentes tecnologías utilizables y el tiempo que cada tecnología estará produciendo en el ciclo horario y anual. La caída continua en el precio de las energías renovables hace que tengamos que tener muy en cuenta en cada caso estos valores. La generación más adecuada en cada caso dependerá del lugar, de variables ambientales como el viento o la radiación solar. Si el viento es constante a lo largo del año probablemente la eólica sea la opción preferente pues puede estarse produciendo energía durante 24 horas.
  • Coste de la energía obtenida mediante generadores diésel en el lugar de generación y teniendo en cuenta el coste real del combustible: US$/kWh. La ventaja de los generadores diésel es que podemos usarlos cuando los necesitemos pero la desventaja son los costes operacionales. En los estudios de generación distribuida es clave estudiar el perfil de consumo horario durante todo el año y así averiguaremos cuantas horas de funcionamiento serán necesarias según el perfil horario.
  • Eficiencia de los generadores diésel: Como siempre decimos, en eficiencia energética hay que estudiar el equilibrio entre las inversiones de capital y los ahorros de combustible. Este criterio es importante en los generadores diésel por elevado coste operacional de estos equipos, un problema que se agrava en zonas remotas. Los generadores eficientes consumen entre un 25 y un 35 % menos de combustible que los generadores convencionales por lo que la eficiencia del generador penalizará el tamaño del generador renovable.
  • Coste del diésel. Al valorar el coste del diésel hay que computar los costes de transportarlo al lugar de consumo, que suele ser elevado en lugares remotas.
  • Periodo de análisis. El periodo de análisis a tener en cuenta para evaluar correctamente estos proyectos es de 20 años.
  • Tasa de inflación. Tendremos en cuenta el efecto de la inflación como hemos explicado en Los costes en el ciclo de vida de los proyectos energéticos.

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  • Tasa de descuento. Tendremos en cuenta la tasa de descuento como explicamos en Los costes en el ciclo de vida de los proyectos energéticos.
  • Radiación solar o régimen de viento y la variabilidad anual de estas variables. La radiación solar o el régimen de viento, y sobre todo la variabilidad anual de estas variables nos condicionará enormemente el sistema híbrido. Utilizando datos climatológicos y herramientas de simulación permite optimizar el sistema híbrido.
  • Escalabilidad: Hasta ahora hemos hablado del diseño de un sistema híbrido, pero no hemos tenido en cuenta el aumento del consumo energético local y cómo afectará al sistema. La gran ventaja de la generación distribuida respecto a la convencional es que es más fácil la escalabilidad, pero eso sí, siempre que conozcamos bien el diseño y podamos diseñar un sistema que esté siempre equilibrado.
  • Eficiencia energética en los receptores: Muchas veces se plantean proyectos de generación distribuida sin tener en cuenta lo más esencial, y es promocionar la utilización de receptores de bajo consumo. Haciendo esto podremos disminuir el tamaño del sistema de generación en un 50 % como mínimo. Hay que tener en cuenta que es más caro construir un sistema de generación que disminuir el consumo energético por lo que debemos trabajar con la población y conseguir que tengan acceso a tecnologías de ultra-bajo consumo.
  • Inversores: Los inversores son el elemento que más penaliza la generación distribuida y de nada vale generar si luego perdemos energía al convertirla en corriente alterna. Si bien los últimos desarrollos de inversores consiguen una eficiencia del 96 %, lo cierto es que hemos encontrado que sobre todo en los países pobres se usan inversores que son auténticos "agujeros de tirar energía". Inversores que generan ondas cuasi-cuadradas y con rendimientos por debajo del 80 %.

Buscando el punto de máximo rendimiento

El consumo diésel puede modelizarse usando curvas de regresión que dependen del motor seleccionado, y que nos permiten calcular el consumo de un motor diésel. Estas curvas nos permiten determinar el ahorro de combustible con diferentes simulaciones, que serán realizadas en función de la capacidad de los generadores renovables que pensemos instalar. Lo que sobre todo debemos evitar es que los motores diésel estén trabajando con carga cero o con muy pequeñas cargas, porque en esta situación el coste por kWh será altísimo. Es decir, la generación renovable es idónea para todos aquellos periodos de tiempo en los que las cargas sean más bajas.

Por el contrario, si lo que intentamos es cubrir cargas altas con generación renovable veremos que el coste de generación en estos casos es menor en los motores diésel.

Si utilizamos varios motores en paralelo se irán poniendo en funcionamiento conforme aumente la carga o cuando disminuya la producción renovable.

El consumo de combustible puede estimarse para todo un año de operación sumando el consumo horario previsto para los motores generadores.

De esta forma podremos calcular el ahorro de combustible mediante la diferencia de consumo diésel con y sin generación renovable. Es decir, podemos calcular cuanto consumiríamos usando solamente motores diésel y cual sería el ahorro parando los motores cuando tengamos disponibilidad de energías renovables (eólica o fotovoltaica).

A partir de aquí es fácil realizar un análisis económico basándonos en el ahorro a lo largo del ciclo de vida mediante los siguientes cálculos:

  • Costes en el ciclo de vida del proyecto sin inversión en renovables.
  • Costes en el ciclo de vida con inversión en renovables: Aquí consideramos el coste adicional del generador renovable y el ahorro de combustible que conseguimos en el ciclo de vida.

En conclusión, la optimización de un sistema híbrido debe hacerse calculando bajo diferentes escenarios (tamaños relativos de generadores) el ahorro de combustible que conseguiremos con las aportaciones de generación renovable. Realizando este análisis con varios tamaños de generadores renovables (en varias potencias) y calculando el ahorro en el ciclo de vida encontraremos una curva en la que nos mostrará un máximo de ahorro para un tamaño determinado de generador renovable. El ahorro será menor tanto para generadores más pequeños como para generadores más grandes.

La realización de este tipo de análisis es importante porque como vemos la optimización del sistema híbrido es muy dependiente del perfil de carga anual. Como indicamos anterioremente es fundamental estudiar el perfil de carga, optimizarlo (eficiencia energética) y luego calcular el sistema híbrido que nos permitirá un mayor ahorro.

En el caso de sistemas híbridos con generadores diésel, veremos que la puesta en marcha de los diferentes motores es lo que nos va a condicionar el tamaño óptimo de la generación renovables.

Bibliografía:

  • Isolated hybrid pv-diesel power plants design method. World Climate & Energy, 1-5 December 2003, Rido de Janeiro, Brazil
  • Preparing an existing diesel power plant for a wind hybrid retrofit: Lessons learned in the Wales, Alaska, Wind-Diesel Hybrid Power Project. NREL
  • Maximum Power Control of Hybrid Wind-Diesel-Storage System. Advances in Fuzzy Systems.
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