Rendimiento de los sistemas híbridos diesel-eólica en comunidades de islas remotas (1ª PARTE)

Cuando el petróleo coquetea con los 100 dólares el barril es el momento de revisar rentabilidades de aquellas aplicaciones de generación que usan las plantas diesel como combustible. En personas que viven en lugares remotos como las islas el coste de la energía puede resultar insoportable rápidamente.

Una de las alternativas que se vienen usando en estas comunidades son los sistemas híbridos diesel-eólica. La integración de turbinas eólicas con generación aislada es una realidad. La madurez de la industria eólica y los avances en los controles, el control remoto, las tecnologías de almacenaje, y los generadores diesel continúan estimulando el mercado para las aplicaciones diésel-eólica. Debido al gran número de mini-grids diesel aisladas, especialmente en naciones islas como el Caribe, el Pacífico y los climas remotos de Alaska y Canadá, el mercado para los sistemas diesel-eólica es sustancial. Adicionalmente, las similaridades de las aplicaciones eólica-diesel con las grandes granjas eólicas conectadas a la red en relación con la estabilidad de la red y otras cuestiones puede ayudar a desarrollar soluciones que beneficiarían la implementación de la energía eólica en redes nacionales con características de redes aisladas.

En este artículo revisamos las aplicaciones de la energía eólica en estos proyectos, los sistemas técnicos, desafíos comerciales, arquitectura del sistema, estrategia de ejecución y experiencia de operación desde una variedad de sistemas diesel. También incluimos información detallada del rendimiento de aplicaciones de energía diesel-eólica operando actualmente en alaska.

El uso de motores diesel en comunidades rurales

El uso de motores diesel para suministrar energía a comunidades rurales ha proporcionado servicios de luz y energía en lugares donde previamente sólo había oscuridad. Sin embargo, la elevación de los costes de los combustibles a impulsado a las comunidades remotas a buscar métodos alternativos para suplementar esta fuente de energía. En los pasados años, la energía eólica fue usada progresivamente con frecuencia para reducir el consumo de combustible.

Debido al gran número de minigrids diesel aisladas existentes tanto en el mundo en desarrollo como desarrollado, el mercado de retrofit de estos sistemas es sustancial.

Topografía de los sistemas de generación híbridos diesel-eólica

Los sistemas de generación diesel-eólica pueden incorporar diferentes componentes, incluyendo producción, almacenamiento, acondicionamiento de la energía, y constrol de sistemas para suministrar energía a una carga aislada.

Los sistemas híbridos clásicos incorporan tecnologías renovables, generadores con motores de combustibles fósiles, un banco de baterías y un convertidor de energía. En la mayoría de los casos, este sistema se basa en un sistema de dos buses: un bus DC para el banco de baterías y un bus AC para el generador del motor y la distribución.

Los sistemas de energía diesel-eólica difieren de la mayoría de los sistemas híbridos más pequeños en que son tradicionalmente más grandes y se integran en la tecnología eólica y diesel para proporcionar energía AC de alta calidad. El almacenamiento, si se usa, es típicamente proporcionado para suavizar las fluctuaciones de potencia, proporcionar energía cuando el viento se calma, y permitir el arranque del motor diesel si se necesita. Los sistemas más grande usualmente contienen equipos más y más grandes que permiten la economía de escala, y de esa forma disminuir los costes.

Penetración de energías renovables

En la mayoría de los casos, los requerimientos de control de estos sistemas incrementarán la fiabilidad en la energía de las turbinas eólicas. La penetración del sistema ayudará a caracterizar los niveles de complejidad de control del sistema:

La penetración instantánea es el producto de la salida de Potencia de la Turbina Eólica (kW) dividida por la carga eléctrica primaria (kW) mientras que la penetración promedio es el producto de la Producción de la Energía de la Turbina Eólica Total (kWh) dividida por la Carga Eléctrica Primaria (kWh) sobre un periodo de tiemo dado, típicamente un mes o año.

La penetración instantánea está relacionada con la complejidad del sistema de potencia y el nivel requerido de control para mantener una calidad de potencia aceptable. Los sistemas de potencia con baja penetración eólica instantánea requieren control adicional limitado. El control del sistema lo proporcionan dispositivos integrados en el generador diesel. Cuando se incrementa la penetración instantánea, se requiere más cuidado debido a la variación en la salida de la turbina eólica, que es consecuencia de las variaciones en el recurso eólico, y puede superar las capacidades del hardware de control diesel. A niveles muy altos de penetración instantánea, donde la producción eólica está a la par o incluso excede los requerimientos de energía del sistema, deben colocarse controles adicionales para maximizar el rendimiento y estabilidad del sistema.

La penetración del sistema permite una estimación del ahorro de combustible y necesidades de almacenamiento de combustible, características de operación del sistema general, e impacto monetario potencial a largo plazo.

Sistemas de penetración baja

Los sistemas de baja penetración son aquellos en los que la contribución de energía eólica al sistema de generación es baja, no requiriendo disposiciones especiales o requerimientos de control cuando la energía generada por las turbinas eólicas se ve como una carga negativa en la planta diesel. La tecnología de control requerida a este nivel de generación es trivial, especialmente dado el control, flexibilidad, y velocidad  de los generadores diesel con inyección de combustible y los sistemas eólicos avanzados. En los sistemas que incorporan los motores diesel más viejos, especailmente aquellos que usan tecnología diesel de baja velocidad, el límite superior de lo que se considera baja penetración puede cambiar a un nivel inferior. En algunos ejemplos, las turbinas eólicas pueden apagarse para reducir la cantidad de energía eólica del viento para prevenir la inestabilidad de la red debido a la falta de funciones de control en sistemas de penetración bajos. Sin embargo, esto raramente ocurre en sistemas bien diseñados.
Debe notarse que el operador de la planta debe determinar la cantidad de reserva de giro requerida. Los requerimientos de reserva de giro pueden disminuirse si un análisis del rendimiento del sistema demuestra que los recursos eólicos locales permiten una menor reserva. Una reducción en la reserva de rotación puede conseguir un ahorro en el combustible diesel.

La capacidad para proporcionar calidad de alta potencia en sistemas de energía de media penetración se ha demostrado durante años en numerosas localizaciones. Varios sistemas se han instalado usando tecnología diesel de baja carga, incluyendo sistemas de potencia. Todos estos sistemas han experimentado penetraciones instantáneas superiores al 50 %.

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Palabras clave: Hybrid power system