28 abril 2011

Aplicaciones diesel - eólica en climas árticos (4ª PARTE)


Ver 3ª PARTE

Estudio del sistema

El proyecto que tomamos como ejemplo fue el primero de este tipo desarrollado en Canadá, el denominado Ramea wind-diesel Project. Se integraron 390 kW de eólica en una comunidad con una carga pico de 1.2 MW. Buenos recursos de viento en correlación con periodos de carga alta, y aceptación de la comunidad hicieron posible un sistema de energía de media penetración. Un sistema de control digital completamente automatizado facilita la integración uniforme del viento y asegura la interoperabilidad con la red remota existente.

La planta diesel consiste en tres grupos diesel con capacidad nominal de 925 kW a 12 rpm. La planta eólica está compuesta por seis turbinar con capacidad nominal de 65 kW a una velocidad de 14 m/s. La planta eólica también emplea un regulador de carga para controlar la generación eólica en condiciones de cargas ligeras para mantener la carga del generador diesel en al menos un 30 %. La carga de la red varía en el rango de 200 kW a 1200 kW con un promedio de 550 kW y consumo de energía anual de alrededor de 4300 MWh.
Planta diesel

Los generadores diesel son de 4,16 kV a 1200 rpm y 925 kW con factor de potencia de 0,85. Cada una de las unidades diesel están equipadas con un regulador de voltaje y regulador del sistema.. Dos modos de control de frecuencia se utilizan: (1) características de caída de velocidad para cargas rápidas siguiendo la capacidad, y (2) modo isócrono para compartir cargas y regulación de frecuencia. Uno o dos de los tres generadores diesel se requieren normalmente para suministrar energía  la carga de la comunidad local. La operación en paralelo y los periodos del ciclo de los generadores diesel se coordinan por el coordinador maestro de los generadores diesel. 

¿Cuánto nos cuesta la electricidad obtenida con los grupos diesel?

La utilización de plantas diesel penaliza severamente la producción de electricidad a las personas que viven aisladas por lo que es importante un conocimiento detallado del coste del kWh en diferentes condiciones de utilización. Al respecto hay que indicar que en los últimos años los países donde la electricidad es cara como muchos en Europa (Alemania, Holanda,…) o los países latinoamericanos no productores de petróleo (Chile, Uruguay,…) el usuario paga por la electricidad (costes agregados después de impuestos) un precio muy similar por el kWh al que se paga por la energía obtenida de las redes públicas.

Pero centrándonos en el uso de los generadores diesel hemos elaborado dos gráficas muy interesantes que nos ayudan a entender la importancia que tiene estudiar en detalle el rendimiento de estos equipos en comunidades que viven aisladas. Sigamos con el ejemplo de la comunidad canadiense que estamos analizando. Para ello hemos elaborado dos gráficas bien interesantes:
La primera gráfica muestra los kWh que producimos con los generadores diesel mencionados en función del porcentaje de carga respecto a la carga nominal que esté conectada al generador. El consumo de un generador disminuye con la carga pero el número de kWh producidos por litro de combustible cae drásticamente cuando la carga disminuye. Como vemos en la gráfica cuando la carga cae al 20 – 40 % de la potencia nominal el número de kwh producido por litro de combustible va bajando progresivamente.

En consecuencia el coste por kWh aumenta exponencialmente al disminuir la carga. El coste del kwh es alto incluso en cargas del 100 %, pero aumenta bastante más con cargas pequeñas. En la siguiente gráfica hemos cuantificado los costes del kWh en los generadores diesel con dos escenarios de precios. El primero es considerar el precio del litro de combustible a 1,5 $ (mínimo) y a 1,9 $ (máximo). Indicar que el máximo ya se ha superado ampliamente en Europa y es probable que siga aumentando en los próximos meses.
Las conclusiones que podemos extraer de estos resultados son que el estudio de las cargas en detalle es vital para conseguir disminuir el consumo de combustible integrando energías alternativas en el sistema. Mediante estas gráficas identificaremos cual es la carga mínima que debemos considerar para poner a funcionar los generadores diesel.

La identificación de las condiciones de trabajo del generador bajo cargas ligeras incrementa el riesgo de fallo del motor, y puede causar un envejecimiento prematuro del generador diesel. La operación con cargas ligeras también reduce la capacidad de adaptarse a la carga del generador, aunque el tiempo de respuesta del generador es altamente dependiente del tipo de controles y las características de la carga. Las restricciones de carga mínima de un generador diesel están normalmente entre un 30 -50 %. Al respecto indicamos que según nuestra experiencia muchos generadores en áreas remotas trabajan más frecuentemente de lo debido con cargas bastante inferiores al 20 %.

Planta eólica

La planta eólica está formada por seis turbinas eólicas Windmatic, una carga de volcado controlable de 200-kW, y seis bancos de condensadores. La Windmatic WM15S es una turbina up-wind de eje horizontal y dos velocidades que usa dos generadores de inducción, una unidad de 65 kW  y otra unidad de 13 kW para la conversión de energía y conexión directa al sistema de distribución. La unidad más pequeña se usa para arrancar y turbine roll over, conmutando a la unidad mayor con velocidades del viento más altas, alrededor de 7 m/s.
Un banco de condensadores fijo de 30 kVAr se conecta en paralelo con la salida de cada turbina eólica para compensar parcialmente las necesidades de energía reactiva de los generadores de inducción. El arranque de las turbinas eólicas son asistidas por las plantas diesel; cada turbina diesel opera como un motor hasta que se acelera más allá de la velocidad síncrona, el punto al que comienza a generar energía. La planta diesel también proporciona el equilibrio de la potencia reactiva, mientras que el banco de condensadores se conmutado on/off para corregir el factor de potencia de la planta eólica por encima de 0,9. Sin embargo, el soporte de la energía reactiva transitoria y el ajuste fino lo proporcionan los generadores síncronos.
Control diesel-eólica
Para controlar y supervisar la operación de las turbinas eólicas se utiliza un sistema de control integrado diesel eólica (WDICS). La configuración WDICS, según la figura al inicio del artículo, está compuesto por un controlador maestro de la planta diesel (DPMC), un controlador maestro de la planta eólica (WPMC), y un sistema SCADA con acceso a internet para monitorear y adquirir datos. DPMC es un controlador automático digital y completamente integrado que supervisa toda la operación de la red eólica-diesel además de la sincronización, cargas compartidas y cargas siguiendo el control de los generadores diesel. WPMC realiza un control automático y protección de la planta eólica incluyendo arranque de las turbinas eólicas cuando la velocidad del viento se eleva por encima de 4 m/s, y desconexión de las turbinas con velocidades superiores a 22 m/s. También se comunica con DPMC para informar sobre la generación de energía de las turbinas y actualizar el límite máximo de la importación de energía eólica. La comunicación entre DPMC y WPMC se realiza a través de una red inalámbrica con alcance de 1 km.

Dimensionado de la planta diesel
El dimensionado de la unidad óptima de una planta diesel requiere una consideración cuidadosa de varios factores incluyendo un análisis detallado de las fluctuaciones de carga estacionales y diarias, crecimiento de la carga anual, y la incorporación de limitaciones prácticas para una operación diesel factible y fiable. Si las unidades diesel sólo se dimensionan basándose en los valores de carga pico y/o valores de carga promedio, en una base anual, con algunos márgenes de seguridad y capacidad adicional para futuras expansiones, la planta diesel estará generalmente muy sobredimensionada. El motivo es que las cargas en comunidades remotas se caracterizan normalmente por ser altamente variables, con cargas pico tan altas como 5 o 10 veces la carga pico.

La forma más efectiva de afrontar este problema es emplear unidades múltiples, series de dos o tres unidades diesel, con varios tamaños, que distribuyen la energía según una estrategia que optimice la carga de cada unidad para alcanzar la eficiencia máxima del combustible.
La eficiencia de un generador diesel se reduce drásticamente cuando la carga cae por debajo de un 30 – 40 % de la capacidad del generador diesel. Es por ello que si cuando cae la carga utilizamos generadores diesel de menor potencia estaremos aumentando la eficiencia del sistema global.
Un aspecto desafiante de un sistema diesel eólico sin almacenamiento de energía es maximizar la capacidad de absorción de energía eólica, ya que ello afecta a la eficiencia del combustible diesel. En estos sistemas, el exceso de energía eólica se derrocha cuando la demanda de carga es baja. Es por ello que gestionando la carga diesel basándonos en unidades múltiples con diferentes tamaños y aplicando una estrategia de operación óptima podemos reducir de forma efectiva la energía eólica que se pierde y conseguir así importantes ahorros de combustible. En la planta canadiense de Ramea se probó esta alternativa diseñando una configuración en la que se reemplazaba una de las tres unidades diesel por otra unidad diesel más pequeña.
La estructura de las plantas diesel estudiadas se basaba en generadores diesel del mismo tamaño, generadores diesel de 925 kW que podían suministrar el 88 % de la carga de la comunidad. Uno de los otros dos generadores de 925 kW puede ser necesario para satisfacer la demanda en los periodos de altas cargas. La alternativa propuesta se basa en la utilización de un generación de tamaño reducido y dos de los generadores de 925 kW existentes.
Restricciones de operación y control de la planta diesel

La planta diesel es la principal fuente de generación de la red eléctrica remota estudiada. Aunque la carga de la comunidad fluctúa en un amplio rango y puede caer a 200 kW, la planta eólica no está diseñada para operar independientemente al generador diesel. Por ello, bajo cualquier condición de generación de energía eólica, el controlador de la planta diesel necesita asegurar la operación de al menos uno de los generadores diesel con capacidad de reserva spinning para soportar cambios de carga repentinos y fluctuaciones de la energía eólica.
Normalmente, una de las dos unidades del conjunto de tres generadores diesel operan juntos. En raras condiciones de carga se requiere incorporar la tercera unidad. El controlador maestro de la planta diesel (DPMC) supervisa arranque, sincronización y operación en paralelo de las unidades diesel. Este proceso es introducido típicamente como un retraso en el modelo del flujo energético.
Una de las conclusiones más relevantes es que las unidades diesel más pequeñas pueden afectar a la red cuando la planta eólica está diseñada con tecnologías antiguas de generación con turbinas eólicas. Las principales preocupaciones son la capacidad diesel para compensación de energía reactiva/real rápida durante las fluctuaciones y el arranque y parada repentinos de las turbinas eólicas. Sin embargo, la implementación de nuevas tecnologías de turbinas usando una interface electrónica puede corregir de forma efectiva cualquier impacto potencial de la calidad de la energía e incluso llevar a una mejora en el rendimiento.
Bibliografía: Diesel plant sizing and performance analysis of a remote wind-diesel microgrid. Proceeding of the IEEE-PES 2007 General Meeting.
Palabras clave: Wind-diesel integrated control system (WDICS), diesel plant master controller (DPMC), wind plant master controller (WPMC)
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