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 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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