Aplicaciones diesel eólica en climas árticos (1ª PARTE)

Los tiempos han cambiado y la forma de obtener y usar la energía ya no es la misma que hace muy pocos años. Todo el mundo está afectado por los incrementos de costes pero hay comunidades mucho más sensibles.

Las comunidades remotas son muy sensibles a la elevación de los costes del combustible y a las regulaciones ambientales para su transporte, uso y almacenamiento. Es por ello que se está en la búsqueda de soluciones para examinar métodos alternativos para obtener energía.

En los últimos años, la energía eólica se ha usado cada vez más para reducir el consumo de combustibles procedentes de hidrocarburos, y produciendo beneficios económicos, ambientales, y de seguridad al suministro eléctrico en comunidades de Alaska o la Antártida.

Se trata de un nuevo y excitante desafío pues las previsiones futuras de incremento de los precios de la energía estimulan al desarrollo de nuevas soluciones. En este nuevo artículo sobre los sistemas híbridos nos centramos nuevamente en la tecnología diesel - eólica. Se revisan en particular arquitecturas, estrategias de reparto, y experiencia de operación de sistemas diesel-eólica utilizados en ambientes árticos.

La tecnología

El diseño híbrido diesel - eólica puede incorporar diferentes componentes, incluyendo producción, almacenaje, acondicionamiento de potencia, y control del sistema para suministrar energía a una carga aislada.

El sistema híbrido se configura normalmente utilizando un circuito AC y otro DC, dependiento del tamaño del sistema. Estas aplicaciones usualmente suministran energía en rangos que van desde unos pocos kwh/día a varios MWh/día.

La configuración general puede tener una gran variabilidad interna. Los sistemas más pequeños probablemente usarán grandes bancos de baterías, que pueden proporcionar energía hasta para varios días.

Estos sistemas pueden tener formas sencillas o pueden emplear métodos más complejos como control de la potencia del sistema. También gestionan la penetración del sistema esperable. El uso de energía residual de los motores diesel juega también un papel importante.

Penetración de energía eólica

La penetración instantánea relaciona la complejidad del sistema de energía y el nivel requerido de control que será necesario para mantener un una calidad de la energía aceptable. Los sistemas de potencia con bajo nivel de energía eólica requieren un control adicional debido a que la energía eólica generalmente actúa como una carga de energía negativa. El control del sistema lo proporciona el hardware integrado en el generador diesel. Cuando se incrementa la penetración instantánea, debe tenerse más cuidado por la variación en la producción de la turbina eólica, que dependerá de la variación del recurso eólico. Estas variaciones pueden superar las capacidades del control de un generador diesel estandar. Donde la producción eólica es igual o excede a los requerimientos de energía del sistema, debe colocarse un control adicional para maximizar el rendimiento y estabilidad del sistema.

Sistemas de baja penetración

Los sistemas de baja penetración son aquellos en los que la contribución de energía eólica al sistema de potencia es bastante limitado. El control que se requiere en estas configuraciones es trivial. En los sistemas de baja penetración, la penetración instantánea o pico es probable que esté siempre por debajo del 50 %, y en muchos momentos la energía generada por las turbinas puede verse como una carga negativa en la planta diesel. El promedio anual de de penetración en este tipo de instalaciones es menor del 20 %.

Sistemas de media penetración

Los sistemas con ratios más grandes de contribución de energías renovables caen en esta categoría. Para mantener niveles de carga mínimas en los generadores diesel múltiples cuando se produce energía eólica, algunos generadores diesel deben apagarse o conmutar a una unidad más pequeña. El nivel más bajo de generación diesel hace que sea más difícil la operación diesel por el sistema de regulación de voltaje y equilibrio de potencia necesario. Existen varias opciones para asegurar que se mantienen los requerimientos del sistema de alta calidad de potencia, incluso con la mitad de la energía obtenida a partir de fuentes renovables. Algunas de estas opciones incluyen:

• Reducción de la capacidad de potencia potencial de las turbinas eólicas.
• Inclusión de cargas secundarias, e incrementando así la carga del sistema total y asegurar que no se genera una cantidad específica de energía por el viento.
• Usando cargas de volcado controladas para asistir en el recorte de los picos que se producen en la variabilidad del viento, asistiendo así en el control de la frecuencia.
• Instalando bancos de condensadores para corregir el factor de potencia.
• Usando electrónica de potencia avanzada que permite especificación de potencia en tiempo real.

El mantenimiento del nivel apropiado de reserva rodante en un sistema de potencia de penetración media requiere experiencia con la variabilidad de la potencia y sistemas de control, pero técnicamente no es un problema complejo. Cada una de las instalaciones debe analizarse de forma individual y en parte pueden resolverse usando opciones que incluyan controles diesel avanzados, la instalación de un motor diesel moderno con capacidades de arranque rápido y baja carga, derramamiento o reducción de carga controlada, previsiones de potencia, y controles del sistema apropiados. Combinado con el uso de control de potencia de velocidad variable o avanzado, un sistema que está actualmente disponible en muchas turbinas eólicas.

Sin embargo, incluso con la implementación de tecnologías de alisamiento o acondicionamiento de la energía, los motores diesel tienen un rating de carga mínimo bajo el que el fabricante especifica que los motores diesel no deben ser operados. La operación por debajo de esos niveles, típicamente un 40 % - 50 % de la potencia nominal del motor, reduce la capacidad del regulador para controlar la frecuencia y el voltaje, pero también fuerzan al motor a funcionar a temperaturas más frías, originando un incremento en la acumulación de hollín, humos húmedos y mayores requerimientos de mantenimiento. Estos requerimientos de carga mínimos actúan como un obstáculo, limitando el beneficio de incorporar cantidades crecientes de energía eólica en un sistema de energía diesel. Para permitir una mayor penetración de la energía eólica en los sistemas diesel pequeños, varias compañías han introducido motores diesel que operan a muy baja carga, generalmente por debajo del 10 % de la capacidad nominal. Estos motores diesel para bajas cargas mantienen su capacidad para controlar el voltaje y la frecuencia a niveles de energía bajos pero también actúan como una reserva rodante por su capacidad para responder rápidamente a cambios en la carga.

Sin embargo, los sistemas de penetración medios son más complejos y casi invariablemente incrementan la complejidad. Estos costes deben compararse contra el consumo diesel de la planta, operación del motor diesel reducida, y reducidas necesidades para el almacenamiento de combustible.

Continua 2ª PARTE

Palabras clave: conditioning or power smoothing technology

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