02 junio 2012

Diseño óptimo de un sistema híbrido diésel eólica con almacenamiento de aire comprimido




Volvemos nuevamente a hablar de los sistemas híbridos utilizados para minimizar  el coste de los combustibles que sufren las comunidades aisladas o instalaciones técnicas (comunicaciones, sistemas meteorológicos, instalaciones turísticas, granjas, etc.). La generación de electricidad a partir de fuentes diesel es hoy en día más caro que la producción en grandes plantas de generación (gas, hidroeléctrica, nuclear, eólica) y además supone un coste ambiental añadido.

En Canadá, aproximadamente 200.000 personas viven en más de 300 comunidades remotas (Yukon, TNO, Nunavut, islands) y en todas ellas se usa electricidad generada con diesel, responsable de las emisiones de 1,2 millones de toneladas de gases de efecto invernadero (GHG) anualmente. En la provincia de Quebec, hay unos 14.000 suscriptores distribuidos en cuarenta comunidades no conectadas a la red principal. Cada comunidad constituye una red autónoma que usa generadores diesel.

En Quebec, la producción total de unidades de generación de energía diesel es aproximadamente 300 GWh al año. La explotación de los generadores Diesel es extremadamente cara debido al incremento del precio de los combustibles y los costes de transporte. En realidad, el combustible repartido a localidades remotas ya era caro hace algunos años (US $0,5 /kWh en algunas comunidades, mientras que el resto de Quebec, el coste era de US $0,06 /kWh).

Sistemas diesel – eólica

Entre todas las energías renovables, la energía eólica es la que experimenta un mayor crecimiento, más del 30 % anualmente en los últimos cinco años. Actualmente la energía eólica ofrece soluciones de energía efectivas en coste para grid aisladas cuando son acopladas con generadores diesel. El sistema híbrido diesel eólica representa una técnica de generación de la energía eléctrica usando en paralelo varias turbinas con uno o varios grupos diesel.

El índice de penetración se usa para referenciar la capacidad de la turbina eólica comparada con las cargas máximas y mínimas. Una definición estricta de un sistema de baja penetración es aquel en el que la capacidad nominal máxima del componente del sistema eólico del sistema no excede la carga mínima de la comunidad. En la práctica sin embargo, un sistema de baja penetración es aquel en el que las turbinas eólicas se dimensionan para no interferir con la capacidad de los generadores diesel. Es importante indicar que debido a que tales sistemas necesitan diseñarse para la capacidad pico del generador eólico típicamente operan con una producción promedio de 20 – 35 % de su capacidad nominal. Se requiere una carga de disipación para los periodos en los que la energía de las turbinas eólicas excede la demanda para mantener la frecuencia y voltaje del sistema.

Un sistema de penetración media está entre una configuración de penetración baja y alta. Un sistema de penetración media tendrá periodos de tiempo en los que la electricidad generada por el viento domina la electricidad generada Diesel y pueden ser capaces de cumplir la carga del sistema durante periodos breves de tiempo (30 s – 5 min). Cuando las velocidades del viento son altas y/o la demanda de la comunidad es muy baja, loas generadores diesel pueden no requerirse en absoluto, pero no serán apagados, sino que se dejarán ociosos para ser capaces de responder rápidamente a las demandas de carga. Un sistema de penetración medio está potencialmente sujeto tanto a los beneficios como a las desventajas de las configuraciones de penetración baja y alta. Más allá de una cierta penetración, la obligación de mantener activo el diesel en cualquier momento, generalmente alrededor de 25 – 35 % de su potencia nominal, fuerza al sistema a funcionar en un régimen muy ineficiente. En realidad, para los sistemas de penetración baja y media, el diesel consume, incluso sin carga, aproximadamente un 50 % de su combustible a la salida de potencia nominal. Estos sistemas son muy fáciles de implantar pero sus beneficios son marginales.

El uso de sistemas de alta penetración permite parar los grupos térmicos, idealmente tan pronto como el viento iguala la potencia a la carga instantánea, para maximizar el ahorro de combustible. Sin embargo, considerar el tiempo de arranque además de las fluctuaciones de velocidad del viento y la carga instantánea, la producción térmica debe estar disponible para el momento en el que haya una sobre-producción.

Un sistema de almacenamiento de energía fácilmente adaptable al sistema híbrido, disponible en tiempo real puede ser el almacenamiento de energía en aire comprimido. Estos sistemas se adaptan bastante bien a las fuertes fluctuaciones del viendo porque ofrecen una eficiencia de conversión alta (60 – 70 % para un ciclo de carga – descarga completa). El almacenamiento de energía de aire comprimido puede usarse más específicamente para sobrecargar los motores diesel y asegurar la máxima eficiencia en todos los regímenes de funcionamiento.

Los costes de capital de la turbina eólica y el sistema CAES son considerablemente compensados por la reducción de los costes de operación de los generadores diesel.

Posibles técnicas para tomar ventaja de CAES para incrementar la eficiencia del motor diesel

Entre las diferentes técnicas que vienen investigándose, dos de ellas se han seleccionado por ser compatibles con un ajuste simple de los sistemas diesel existentes sin profundas inversiones:

Técnica 1: Admisión del aire comprimido en la entrada del compresor

La eficiencia indicada del motor diesel sigue una función de variación cuadrática del ratio aire-combustible según lo indicado en la siguiente figura. La idea por lo tanto es usar el CAES para incrementar la presión a la entrada del compresor.



Técnica 2. Admisión del aire comprimido en la entrada del motor

La idea es retirar el turbocargador y conectar directamente los CAES a la entrada del motor. El beneficio será incrementar el trabajo de barrido para hacer su contribución a la potencia proporcionada, además de tener capacidad para incrementar el ratio aire-a-combustible como en la técnica previa.

Resultados

Los resultados obtenidos en el estudio mencionado en la bibliografía muestran que en operación convencional, el ratio aire/combustible decrece con la carga para alcanzar plena carga en la vecindad de la estequiometria. Para un par solicitado inferior a 120 Nm, el turbocargador no puede asegurar la cantidad de aire necesaria para tener una relación aire/combustible óptima. El motor entonces trabaja en la zona de interés de operación con aire comprimido.

En la siguiente figura se muestra la presión de entrada del compresor para operar el motor a su máxima eficiencia gracias al aire comprimido. En realidad, en ausencia de CAES, la presión de entrada en el compresor es constante e igual a1 bar.

El CAES permite alimentar el compresor a la presión elegida para alcanzar el caudal de aire necesario para un rendimiento máximo. En el ejemplo, esta presión varía entre 1 bar en regímenes muy bajos y 2,6 bares a plena carga.



Finalmente, en la siguiente gráfica vemos la reducción de combustible que se consigue con el aire comprimido. Esta reducción en consumo de combustible crece con la carga hasta un pico de ahorro del 50 % a 800 Nm.


Bibliografía:

Modeling and optimization of renewable energy systems. Edited by Arzu Sencan Sahin. 2012

Palabras clave:

Wind-Diesel hybrid system (WDS), compressed air energy storage (CAES)
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