Rendimiento de los sistemas híbridos diesel-eólica en comunidades de islas remotas (2ª PARTE)

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Sistemas de penetración media

Son sistemas con grandes ratios de contribución de energías renovables en los que se requiere algún nivel de control de potencia. Para mantener niveles de carga mínima en los generadores diesel en plantas diesel múltiples cuando se produce una gran producción de energía por una fuente eólica, algunos generadores diesel tienen que apagarse o conmutar la producción a una unidad más pequeña. Este nivel bajo de generación hace más duro para los generadores diesel regular el voltaje del sistema y mantener un equilibrio de potencia adecuado, especialmente con los generadores diesel más antiguos.

Existen varias opciones para asegurar que se mantengan los requerimientos de calidad de alta potencia del sistema de potencia, incluso con un 50 % o más de la energía proporcionada por fuentes renovables. Las opciones disponibles son:

a.       Capacidades de reducción de potencia de las turbinas eólicas.

b.      La inclusión de cargas secundarias, así incrementando la carga del sistema total.

c.       Uso de cargas volcado controladas para asistir en el recorte de la variabilidad en los picos sin viento, así asistiendo en el control de la frecuencia.

d.      Uso de electrónica de potencia avanzado y control de la turbina para permitir especificación de potencia en tiempo real de la turbina eólica y

e.      Electrónica de gobierno diesel que permite operación diesel de baja carga, permitiendo al diesel un tiempo de respuesta más rápido.

Manteniendo el nivel apropiado de reserva de rotación en un sistema requiere experiencia con variabilidad de potencia y control del sistema pero no se considera técnicamente compleja. Tales cuestiones de reserva de giro se manejarán caso por caso pero pueden solventarse usando controles diesel avanzados, motores diesel electrónicos modernos, e integración de planta avanzada.

Sin embargo, incluso con la implementación de acondicionamiento de potencia avanzada o tecnología de alisamiento de potencia, los motores diesel tienen un rating de carga mínimo bajo el que los fabricantes afirman que los motores diesel no pueden ser operados. Operando bajo estos niveles (típicamente 40 o 50 % de la potencia nominal) se reduce la capacidad de gobierno para controlar la frecuencia, potencia reactiva y a un voltaje de grado limitado, se fuerza al motor a funcionar a una temperatura más fría, causando un incremento en la emisión de carbón y aumentan los requerimientos de mantenimiento. Estos requerimientos de carga actúan como un techo, limitando el beneficio de incrementar la cantidad de viento en un sistema diesel. Para permitir una mayor penetración en un sistema diesel, varias compañías han introducido motores diesel que pueden operar a muy baja carga, generalmente por debajo del 10 % de la potencia nominal. Estos motores diesel de bajo carga mantienen su habilidad para controlar la frecuencia, voltaje y potencia reactiva a bajos niveles de potencia pero que actúan como reserva giratoria debido a su habilidad a responder rápidamente a cambios de paso en la carga.

Los sistemas de penetración media son más complejos, que dan como resultado casi invariablemente  incrementos de costes. Estos costes deben ser comparados respecto a la reducción del consumo de combustibles diesel, operación de motores diesel reducida, y necesidades reducidas para el almacenamiento y manejo de combustible, y en algunos casos la reducción de las emisiones de carbón.

Sistemas de alta penetración

 Una penetración instantánea de energías renovables eleva, eventualmente más energía puede ser generada que la necesitada por la carga de la comunidad. Con el viento proporcionando una gran cantidad de carga, la capacidad de los motores diesel para controlar frecuencia, voltaje, y potencia reactiva es significativamente reducida. A menos que haya una gran necesidad de energía térmica o eléctrica, tiene sentido financiero apagar tantos, o preferiblemente todos los motores diesel cuando toda la carga puede suministrarse por fuentes renovables. El concepto operacional detrás de estos sistemas es que el equipo adicional es instalado para asegurar la estabilidad del sistema de potencia y calidad de la energía cuando el motor diesel, el dispositivo que típicamente controla estos parámetros, está apagado. En este caso, cualquier producción de energía instantánea sobre la carga eléctrica requerida, una penetración del 100 % es suministrada a una variedad de cargas secundarias controlables. En estos sistemas, los condensadores síncronos, bancos de carga, carga despachable, convertidores de potencia, controles de sistema avanzados, y posible almacenaje en la forma de baterías o sistemas de volante son usados para asegurar la calidad de potencia e integridad del sistema. Adicionalmente, una gestión de carga del lado de demanda bien diseñado, incluyendo esquemas de derramamiento de caga, pueden ser utilizados para soportar la estabilidad y fiabilidad de la red. Recientes diseños de los sistemas diesel – eólica de alta penetración en Alaska incluyen sistemas de calentamiento eléctrico residencial con capacidad para almacenamiento térmico que pueden ser cargados durante escenarios de baja carga y altos vientos.

Aunque los sistemas diesel – eólica de alta penetración se ha demostrado ya viable comercialmente, todavía no se considera una tecnología madura y no se ha demostrado para sistemas más grandes que 300 kW. Las estaciones de potencia eólica de alta penetración también requieren mucho nivel de integración del sistema, complejidad del sistema, y control avanzado, incrementando el coste del proyecto, pero reduciendo el consumo de combustible y la operación del motor diesel significativamente.

En sistemas incorporando almacenamiento, el almacenaje se usa para cubrir fluctuaciones a corto plazo en energías renovables. La premisa de este diseño es que cuando los generadores basados en energías renovables están suministrando más energía que la necesitada por la carga, los generadores del motor pueden ser apagados y las baterías cargadas con el exceso de energía eólica. Si las calmas se prolongan o el almacenaje se descarga, un generador arranca y suministra energía a la carga. Los estudios han indicado que la mayoría de las calmas en potencia del viento tienen una duración limitada, y usan almacenamiento para cubrir estos periodos cortos de tiempo que pueden llevar a una reducción significativa en el consumo de combustible, horas operacionales del generador y arranques del generador reducidos.

En recientes años, dos tipos de almacenamiento han sido exitosamente demostrados en sistemas de energía rural operacional: almacenamiento de baterías y volantes de inercia. El almacenamiento en baterías es el más comúnmente usado, tomando ventajas de la larga historia operacional de las tecnologías de baterías. Los sistemas de baterías níquel cadmio y convertidores de potencia rotatorios y las baterías de flujo basadas en vanadio pueden usarse para dar uniformidad a las fluctuaciones de la energía eólica, tanto en los sistemas pequeños como grandes.

La tecnología de volantes es cada vez más común como un método para proporcionar almacenamiento de energía a corto plazo e incrementar la calidad de energía del sistema. Aunque los volantes proporcionan solamente escasez a corto plazo, hasta varios minutos, se usan con éxito para suministra pequeños niveles de potencia durante largos periodos o golpes cortos de alta potencia durante periodos de tiempo muy cortos. Estas unidades también se diseñan de forma modular y pueden ser apiladas para proporcional altas contribuciones de potencia durante periodos de tiempo más largos.

Este tipo de sistema produce una gran cantidad de energía extra que debe ser usada.

Ejemplo de ahorro con sistemas de alta penetración diesel - eólica

Como ejemplo de sistema de alta penetración podemos mencionar el proyecto desarrollado por Tanadgusix Corporation en Alaska. El sistema consiste en una turbina eólica de 225 kW y un generador diesel de 150 kW, un condensador síncrono, un depósito de agua caliente de 27.000 litros con control térmico y un sistema de control basado en microprocesador capaz de proporcionar la operación completamente automática de la planta.

El sistema se diseñó para apagar el motor diesel si hay suficiente viento para cubrir la carga completa además de un margen de seguridad controlable. Mientras el motor diesel se apaga, el controlador del sistema mantiene un equilibrio entre la potencia generada por la turbina eólica y el consumo eléctrico total ajustando la potencia llegando a los calentadores térmicos en el tanque de agua. El condensador síncrono también se usa para proporcionar energía reactiva y mantener el voltaje del sistema. Llevando a cabo una supervisión continua de la carga, necesidades térmicas, y producción de energía eólica, si el controlador determina que no hay bastante margen entre la carga eléctrica y la producción eólica, hay posibilidades de que la potencia eólica caiga bajo la carga eléctrica, se arranca un motor diesel.

La carga eléctrica primaria en las instalaciones es en promedio de 70 kW, pero el sistema también suministra la calefacción de las instalaciones con el exceso de energía térmica de la planta diesel.

La penetración promedio del sistema ha sido casi del 55 %, con tiempos significativos cuando el sistema opera con los generadores diesel apagados. Desde 2005 este sistema bien ahorrando unos 150.000 galones de combustible, aproximadamente el 50 % del consumo esperable sin energía eólica.

Cargas gestionables

Con más capacidad eólica instalada en una planta diesel existente, se creará más exceso de energía. Para los sistemas de alta penetración, esta energía extra debe usarse de forma productiva para hacer el proyecto competitivo en costes. En climas árticos y templados, esto puede resolverse usando energía extra para calentamiento del espacio o agua caliente, pero en climas tropicales, deben determinarse otros usos.

En algunos casos, esta energía extra puede ser dirigida a cargas específicas que pueden encenderse o apagarse cuando se necesita, tales como calentadores de agua, acondicionadores de agua, sistemas de desalinización/purificación de agua, o dispositivos específicos de potencia que por su naturaleza tienen un almacenamiento embebido, tal como el agua de bombeo o fabricación de hielo.  Cargas controlables adicionales, tales como vehículos eléctricos, pueden incorporarse para usar esta energía pico adicional cuando está disponible.

Como una complejidad adicional, en climas con grandes cargas térmicas es típico extraer energía térmica del ciclo de combustión de la planta diesel. La inclusión de la eólica reduce la operación diesel, reduciendo la cantidad de energía eólica generada. Si la planta está usando energía térmica, la economía de la generación de energía por otros medios tiene que ser tomada en cuanta cuando se valora el impacto de incorporar la eólica. Este es especialmente el caso en los sistemas eólicos de alta penetración en los que todos los motores pueden apagarse, eliminando todo el calor de la planta del sistema diesel. En casos de parada total de los motores diesel, el exceso de energía puede ser usado para mantener una cierta temperatura.

Gastos de operación e instalación

Los proyectos de construcción en áreas rurales y remotas son siempre difíciles y más caros. La implementación de la tecnología eólica que típicamente requiere el desarrollo de cimentaciones especiales y el uso de grúas no disponibles localmente eleva el coste de las turbinas. Los costes de estos proyectos en lugares remotos suelen ser del orden de cuatro veces los costes equivalentes en Europa o USA. Solamente el 30 % de los costes están relacionados con la turbina y elementos auxiliares.

La operación de estos sistemas también impone desafíos adicionales. Capacidades de servicio limitadas, climas duros, y costes de desplazamiento elevados dan como resultado un incremento en los costes de mantenimiento. Avances en la supervisión remota, control y supervisión del sistema, y la formación de técnicos locales ayuda a reducir los costes de implementación de los proyectos.

Bibliografía:

Technology, Performance, and Market Report of Wind-Diesel Applications for Remote and Island Communities. National Renewable Energy Laboratory