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Informe técnico sobre microrredes híbridas: el momento es ahora
Francois-Xavier Saury
, Caterpillar Inc.
Gerente de desarrollo comercial de microrredes para Europa, África, Oriente Medio y la Comunidad de Estados Independientes
Craig Tomlinson
, Caterpillar Inc.
División de Potencia Eléctrica: gerente a disposición del respaldo al producto del equipo de microrredes
Febrero de 2016
INTRODUCCIÓN
La potencia eléctrica rentable ha sido un desafío para las comunidades y las instalaciones industriales y comerciales que no tienen acceso a una red de servicio público fuerte. En estas, se dependía de grupos electrógenos impulsados por turbinas o motores que, a pesar de ser muy confiables, en general, producen energía a un costo mucho más elevado que una red de servicios públicos grande.
Ahora está surgiendo un mejor modelo que combina la nueva energía renovable y rentable proveniente de fuentes solares o eólicas con la generación convencional a gas o diésel. En estas instalaciones, llamadas microrredes híbridas, también se utiliza almacenamiento de energía para sumar estabilidad al sistema de potencia y posibilitar una mayor reducción de costos de energía.
Debido a las fuertes reducciones en el costo de la energía eólica y solar, así como los costos de almacenamiento de energía más bajos en relación con el precio del combustible, las microrredes híbridas representan una opción ideal para una serie de aplicaciones, incluidos edificios individuales, centros turísticos, minas, pueblos remotos e islas pequeñas, entre otros. Las aplicaciones más prometedoras son aquellas con una demanda de energía total que oscila entre 100 kW y 20 MW.
El concepto básico es simple. La energía eólica o solar reduce la dependencia en la energía producida mediante grupos electrógenos, lo que ahorra combustible y, en menor medida, disminuye los costos de mantenimiento. Los grupos electrógenos afianzan las fuentes renovables y siguen las cargas. Los controles digitales sofisticados unifican el sistema. El almacenamiento de energía mejora la economía del sistema y ayuda a los grupos electrógenos a responder sin problemas ante fluctuaciones significativas en la producción a partir de recursos renovables, al mismo tiempo que mantiene constante el voltaje y la frecuencia, como se muestra en la Figura 1.
El concepto de microrred híbrida se está convirtiendo con rapidez en el método preferido para suministrar energía rentable y confiable en contextos que están fuera del alcance de las infraestructuras de las empresas de servicio eléctrico más grandes.
Microrred híbrida definida
La definición formal de una microrred es un grupo de cargas interconectadas y fuentes de generación distribuidas dentro de un límite eléctrico claramente definido que actúa como una única entidad controlable. Las microrredes en sí mismas no son nuevas, ya que los grupos electrógenos a gas y diésel se han vendido durante varias décadas para alimentar aplicaciones remotas. Estos sistemas son cada vez más eficientes en cuanto al consumo de combustible, ya que mejoran la combustión del motor y las tecnologías del generador.
Lo que sí es nuevo es un aumento en los sistemas de microrredes híbridas que incluyen fuentes de energía renovables. Las mejoras en los costos y las capacidades de los sistemas fotovoltaicos, y el almacenamiento y la telemática de la energía, junto con los avances en tecnología y comunicaciones, ahora justifican en términos económicos las aplicaciones híbridas que antes habrían requerido respaldo especial o incentivos. La integración de tecnologías renovables reduce los gastos operativos en comparación con la generación exclusivamente convencional, al mismo tiempo que optimiza la confiabilidad, eficiencia y flexibilidad del sistema.
El concepto se ha vuelto cada vez más atractivo, ya que el costo de la generación fotovoltaica solar y eólica ha disminuido. Por el contrario, el costo del combustible diésel (en general, el combustible con mayor disponibilidad en ubicaciones remotas) ha aumentado, como se muestra en la Figura 2. En el 2000, el costo de energía del ciclo de vida nivelado de la generación eólica era similar al del diésel, mientras que la energía solar no estaba ni siquiera cerca de ser competencia.
Desde entonces, los precios del combustible diésel han mantenido en esencia una tendencia al alza, mientras que los precios de la energía eólica bajaron un poco, y los de las energías solares fotovoltaicas disminuyeron de manera drástica. Según proyecciones conservadoras, en el 2020 el precio de la energía eólica se ubicó en US$0,09 por kWh, mientras que el de la energía solar solo un poco más alto. Esto hace que la energía renovable tenga una ventaja de precio a largo plazo e importante sobre la energía generada mediante diésel.
Además, los avances en el almacenamiento de energía, el control de sistemas, el acondicionamiento de energía y la administración de la carga lateral conectada han ayudado a reducir el costo total de propiedad de los sistemas de microrredes híbridas.
Tecnologías complementarias
Las microrredes híbridas combinan los beneficios de la generación de energía renovable y convencional además de descentrar los puntos débiles. Mediante la ecuación de costos básica ilustrada en la Figura 3, se demuestra que, a cambio de un mayor costo de capital, una microrred híbrida ofrece un costo de operación a largo plazo y un costo total de propiedad menores que la generación de energía puramente convencional.
En una microrred híbrida, la capacidad de energía renovable puede justificar cualquier porcentaje de la carga máxima total. En general, cuanto mayor sea la contribución de las energías renovables, mayor será el combustible potencial y los ahorros de costos de operación (tabla 1).
En un sistema hipotético con una carga máxima de 3 MW suministrada mediante grupos electrógenos de 1 MW, con un enfoque conservador se limitarían los componentes renovables a una pequeña porción de la capacidad, por ejemplo, 300 kWp (10 %). En este escenario, mediante las energías renovables se disminuye el costo del combustible, pero por mucho menos que el 10 %, ya que el carácter intermitente de la energía renovable solo puede descentrar una pequeña fracción del tiempo de funcionamiento del grupo electrógeno.
Mediante un enfoque intermedio, se aumentarían las energías renovables a 1 MWp (33 %). En este caso, un grupo electrógeno se podría apagar mientras las energías renovables producen a plena capacidad, lo que implicaría un gran ahorro de combustible. Si la producción de energía renovable disminuyera de repente, como cuando una nube cubre un generador fotovoltaico, mediante el almacenamiento de energía se podría proporcionar potencia intermitente de corta duración y se alcanzaría una buena estabilidad del sistema.
En condiciones óptimas, las energías renovables totalizarían los 3 MW completos o más. En ese caso, en condiciones ideales de sol o viento, las energías renovables podrían transportar la carga completa y, en ocasiones, inyectar el exceso de energía en el almacenamiento para su uso posterior cuando las condiciones del viento o sol son menos favorables. Esto resultaría en períodos prolongados en que no se consume combustible proveniente de los grupos electrógenos.
Figura 1: típico diagrama unifilar simple de una microrred híbrida.
Figura 2: Tendencias de costos del ciclo de vida útil, diésel frente a fuentes de energía renovables (International Energy Agency, Lawrence Berkeley National Laboratories, National Renewable Energy Laboratory, U.S. Energy Information Administration, Clean Edge, Caterpillar).
Figura 3: economía básica de la microrred híbrida
Tabla 1. Componente de las energías renovables de microrredes frente a ahorros de combustible.
Tabla 2. Perfil del sistema de generación de energía isla
Figura 4. Perfil de carga diaria de un sistema de potencia isla
Tabla 3. Análisis de la economía de la microrred híbrida
Figura 5. Producción de energía del panel solar: clima soleado frente a nublado
Figura 6. Típico generador fotovoltaico de película delgada en sistema de rejilla y broches
VIRTUDES DE LA TECNOLOGÍA
Cada componente de una microrred híbrida aporta ventajas que fortalecen el sistema en su conjunto.
Energías renovables
La eólica y solar, a pesar de requerir un mayor capital y espacio significativo, tienen costos de mantenimiento y operación mínimos una vez instaladas. Estas desplazan a los gases de efecto invernadero y otras sustancias contaminantes y contribuyen de forma considerable a las iniciativas de sostenibilidad.
Hay dos tipos básicos de sistemas fotovoltaicos solares con los que se pueden alimentar las microrredes. La tecnología de película delgada sin marco tiene una tasa de conversión de energía de alrededor del 20 % y es muy adecuada para los entornos calurosos, húmedos y polvorientos que se encuentran en Australia, África y Oriente Medio, donde su rendimiento disminuye a una tasa inferior que los paneles de silicio. La tecnología de silicio monocristalino más costosa es más eficiente y ofrece hasta un 25 % de conversión de energía en condiciones ideales de luz y temperatura. También requiere menos espacio que un sistema de película delgada. Sin embargo, más celdas de silicio cristalino y silicio policristalino se degradan con rapidez en condiciones calurosas, húmedas y polvorientas, lo que pone en discusión su ventaja de rendimiento en el mundo real.
Grupos electrógenos
Los grupos electrógenos de motor de movimiento alterno ofrecen energía confiable y son completamente despachables, mientras que las fuentes de energía renovable están fuera de línea o producen energía por debajo de la capacidad nominal. Las unidades en clasificaciones que oscilan entre 350 kW y 15 MW y más grandes se pueden agregar de manera modular para crear sistemas de un tamaño considerable. Varias unidades suman una amplia flexibilidad para condiciones de carga variables.
Los grupos electrógenos ofrecen densidad de alta potencia, eficiencias eléctricas de ciclo simple desde 40 a 48 %, alta eficiencia de carga parcial y excelente capacidad de seguir cargas. Estos toleran una amplia gama de temperaturas ambiente y una gran altitud sin sufrir reducción de potencia. En particular, las unidades diésel aceptan cargas con rapidez mediante tiempos de arranque hasta carga plena en tan solo 10 segundos y un tiempo de incremento de 25 a 100 % de carga en tan solo 5 segundos. Estos toleran arranques y detenidas ilimitados a lo largo del día con impacto limitado en la vida útil o los requisitos de mantenimiento. La tecnología se comprueba de manera exhaustiva y es fiable, con cientos de gigavatios de capacidad instalada y técnicos de servicio calificados con disponibilidad inmediata en todo el mundo.
Los grupos electrógenos también ofrecen el potencial para el calor y potencia combinados (CHP, Combined Heat and Power). En efecto, los contextos donde las microrredes son atractivas desde el punto de vista económico (comunidades, centros turísticos, instalaciones industriales), tienden a tener requisitos térmicos considerables. El calor capturado del escape del motor o de los circuitos de enfriamiento se puede convertir en vapor, agua caliente, agua fría (a través de enfriadores de absorción), o se puede utilizar en plantas de desalinización de agua. En cada caso, la economía del proyecto se puede mejorar de forma significativa. En zonas de clima templado, resulta muy tentador combinar CHP y energía solar por su carácter complementario. En general, las capacidades de CHP se utilizan durante las temporadas más frías del año, cuando la contribución solar disminuye. El almacenamiento de energía ayuda a equilibrar cualquier excedente.
Almacenamiento de energía
El almacenamiento de energía es un factor clave de las microrredes híbridas gracias al rápido avance de la tecnología. El sistema de almacenamiento de energía convencional consiste en bancos de ácido de plomo de ciclo profundo, baterías de níquel-metal hidruro, volantes o iones de litio. Sin embargo, existen otras dos tecnologías de almacenamiento de energía (los supercondensadores y recargables de metal-aire) que ahora están ganando adeptos.
El almacenamiento de energía metal-aire se originó con las baterías para audífonos, ya que proporcionan una vida útil prolongada en un paquete seguro y no tóxico. Más recientemente, una funcionalidad para ser recargable se ha desarrollado para la tecnología de almacenamiento de energía de zinc-aire, que ya es común en ciertas aplicaciones, como la potencia de respaldo para torres de comunicación celular. Las baterías se pueden descargar un 95 % y recargarse sin límite de ciclo. El zinc-aire recargable ofrece el almacenamiento de energía más económico e incluye controles integrados y monitoreo a nivel de celda.
Las baterías de zinc-aire no se sobrecalientan ni descargan concentraciones riesgosas de gases peligrosos y funcionan en una variedad de condiciones con temperaturas que oscilan entre las bajo cero y 50 °C (122 °F) sin sufrir reducción de potencia. La esperanza de vida útil es, al menos, el doble que las baterías de plomo-ácido. La próxima generación de almacenamiento de zinc-aire se ofrecerá en capacidades a escala de megavatios, que es ideal para el concepto de microrred híbrida, y proporcionará un costo total de propiedad atractivo.
En la actualidad, la gama de tecnologías de almacenamiento de energía descrita más arriba se utiliza en aplicaciones de microrred. Según la aplicación, una oferta con total flexibilidad posibilita la combinación de estas tecnologías
INTEGRACIÓN DEL SISTEMA
Controlar una microrred híbrida es más simple que controlar las energías renovables combinadas y la generación de energía convencional de una empresa de servicios públicos principal. En una red de servicios públicos con una implementación mayorista de energía eólica y solar, el carácter intermitente de las energías renovables podría hacer que la red fuera inestable, un almacenamiento de energía con ausencia masiva o una reserva rotativa.
En una microrred, mediante los controles digitales y el almacenamiento de energía a menor escala, se genera una frecuencia y un voltaje consistentes con un control de kVAR confiable. En el caso de una caída de voltaje, por ejemplo, el almacenamiento de energía puede volver a suministrar energía con rapidez al sistema para proporcionar estabilidad. El almacenamiento de energía también sustenta los grupos electrógenos mediante la aceptación de cargas de bloque sin generar fluctuaciones en la frecuencia. Esta capacidad permite implementar recursos de energía renovable en proporciones mucho mayores de las que podría soportar una red de servicios públicos hasta cumplir y exceder la demanda total del sistema.
Una implementación de microrred híbrida exitosa depende de un sistema totalmente integrado. En condiciones ideales, una entidad única asume la responsabilidad de diseñar la microrred híbrida y suministrar todos los componentes principales: grupos electrógenos, paneles fotovoltaicos solares o turbinas eólicas, almacenamiento de energía y controles. Esta entidad también asume la responsabilidad de la puesta en marcha y el mantenimiento a largo plazo.
En la actualidad, los componentes principales están disponibles como módulos en contenedores construidos y probados en fábrica que se pueden enviar al sitio e instalar de manera instantánea y simple. De esta forma, se minimiza el trabajo de construcción en el sitio y se reducen los plazos de producción.
ANÁLISIS DE COSTOS
La cuestión clave es determinar si una microrred híbrida es apropiada para un sitio determinado. Hay herramientas analíticas disponibles que facilitan relativamente la comprobación de la viabilidad económica. Los análisis de alto nivel inicial requieren un poco más que la información básica sobre estos diversos factores:
- el perfil de carga de la comunidad o la instalación a la que se prestará servicio;
- la latitud, la longitud y el historial de las condiciones solares y eólicas del sitio;
- el costo del combustible para los grupos electrógenos de la unidad de potencia principal;
- el costo del capital.
Los resultados de este análisis indicarán si se justifica una investigación más detallada o si se debería abandonar el proyecto. Se puede utilizar el software de análisis de microrredes HOMER para llevar a cabo un análisis mucho más riguroso y tomar la decisión final. Este software simula un año de rendimiento del sistema, utiliza datos de la energía eólica y solar específicos del sitio y predice las horas de operación y el uso de combustible para los grupos electrógenos durante un año. Luego, los datos resultantes se pueden utilizar para desarrollar un protocolo de funcionamiento que permita la optimización financiera del sistema.
ESTUDIO DE CASO: ISLA TROPICAL
Una empresa de energía que prestaba servicio a una isla tropical buscaba una microrred híbrida con energía fotovoltaica y un sistema de generación alimentado a diésel para reducir sus costos.
El equipo de generación de energía existente consistía en grupos electrógenos alimentados a destilado de diésel Nro. 2 que suministraba Caterpillar. En la tabla 2, se presenta un resumen del sistema de generación de energía; en la Figura 4, el perfil de carga diaria.
Evaluación de la energía renovable
Para identificar el diseño del sistema óptimo según las necesidades de la isla, los planificadores utilizaron la base de datos EOSWEB de la NASA con el fin de obtener los datos de radiación solar a nivel mundial, además de la herramienta de software HOMER. De esta forma, los ingenieros pudieron generar una estimación del rendimiento de un sistema de microrred que incorporase energía renovable. Según los datos de la NASA, se estimaba que la radiación solar anual promedio era de 5,32 kWh/m2/día.
En el análisis, se evaluó el sitio con un sistema fotovoltaico solar de 670 kW distribuido en varias azoteas. En la tabla 3, se muestra el análisis del sistema que se ofreció con y sin almacenamiento de energía para ilustrar los beneficios económicos de los sistemas de almacenamiento de energía.
Mediante los resultados del análisis, se demostró una recuperación de la inversión en seis años tan solo mediante la combinación de la energía fotovoltaica con el diésel. La recuperación de la inversión disminuyó a menos de cinco años con la integración de un sistema de almacenamiento de energía de 250 kW, a pesar de que ese sistema resultaría en un mayor gasto total de capital.
En el sistema, se demuestra el valor del concepto de microrred a la hora de combinar los beneficios y descentrar las limitaciones tanto de la generación de energía convencional como de energía renovable. El sistema con almacenamiento de energía integrado ofrece rápidos beneficios económicos junto con una mejor estabilidad y disponibilidad del sistema de potencia.
El sistema incluye paneles fotovoltaicos montados en azoteas, ya que el espacio en el suelo era muy escaso y demasiado valioso para ese fin. Este incluye 2.316 módulos solares y la estructura de rejilla necesaria para montar los paneles en las azoteas de varias ubicaciones. También se incluyen los inversores centralizados.
El sistema de almacenamiento de energía consiste en un Inversor de Almacenamiento de Energía Bidireccional BDP250 Cat® y dos cadenas de baterías. El inversor interactúa con la frecuencia y el voltaje del sistema de potencia para incorporar energía cuando sea necesario para compensar las fluctuaciones de energía. El efecto de estabilización de la red de almacenamiento de energía integrada sirve de ayuda al conjunto de la planta de energía a mantener el voltaje y la frecuencia del sistema en una banda de control más estrecha.
El sistema compensa con rapidez las fluctuaciones de la producción de energía de los paneles solares. En la Figura 5, se compara la generación de energía del sistema fotovoltaico solar del conjunto en un día despejado y uno nublado. Durante los períodos nublados, la generación de energía solar puede variar del 50 al 100 % de la capacidad del conjunto durante períodos breves de 10 segundos o menos. Un fuerte descenso de la producción de energía fotovoltaica causa un fuerte aumento de la potencia que se requiere de los grupos electrógenos a diésel. Esto genera una caída del voltaje y la frecuencia del sistema, ya que los generadores a diésel responden a la carga.
El beneficio del almacenamiento de energía se demuestra cuando disminuye la frecuencia de la barra colectora. El inversor de almacenamiento de energía produce potencia para ayudar al grupo electrógeno a responder al suceso transitorio. Por lo tanto, se reduce la intensidad de las caídas de la frecuencia y el voltaje. El inversor de almacenamiento de energía puede proporcionar 250 kW de manera continua hasta colmar la capacidad de almacenamiento de la batería. En una operación transitoria, el inversor tiene una mayor capacidad de potencia, 150 % durante 30 segundos o 200 % durante 3 segundos. En este ejemplo, la capacidad de la batería puede alimentar al inversor durante 10 minutos a 250 kW.
Un beneficio adicional del inversor del almacenamiento de energía es la mejora global de la eficiencia de la potencia diésel. El sistema de almacenamiento de energía puede suministrar reserva de operación o reserva rodante para la planta de energía. A medida que la carga de la planta de energía aumenta, los grupos electrógenos adicionales suelen arrancar cuando la carga de operación alcanza entre el 80 y 90 % de la capacidad de funcionamiento de los grupos electrógenos. Esto proporciona una capacidad adicional para responder a las cargas transitorias. Al utilizar la energía almacenada como reserva de operación, el operador del sistema puede esperar para despachar grupos electrógenos adicionales hasta que la carga del sistema de potencia alcance un nivel de entre el 95 y 100 % de la capacidad de las unidades en funcionamiento. Por lo tanto, la carga promedio general de los grupos electrógenos a diésel es mayor, lo que resulta en una mayor eficiencia general de la planta de energía.
El sistema de control de microrred Cat se puede utilizar con o sin almacenamiento de energía en una planta de energía existente para controlar la red e integrarse en todas las fuentes de energía. Su objetivo es proporcionar control coordinado de los grupos electrógenos a diésel, las fuentes de energía eólica, el almacenamiento de energía y los paneles fotovoltaicos. Esto es importante porque una gran dependencia en la generación de energía renovable puede causar que el voltaje aumente en algunos circuitos del alimentador de potencia. Los controles de la microrred se ajustan de forma automática para mantener el voltaje y la calidad de la potencia del sistema dentro de las especificaciones. El controlador monitorea el funcionamiento del grupo electrógeno y mantiene niveles de carga mínimos en los grupos electrógenos a diésel en respuesta a los puntos de ajuste que determina el operador.
Cuando la información del consumo de combustible esté disponible, se puede utilizar el controlador de la microrred a fin de despachar el grupo electrógeno más eficiente o la combinación de grupos electrógenos para una modalidad de operación particular.
CONCLUSIÓN
Una forma de simplificar el proyecto consiste en escoger un socio con amplia experiencia en sistemas de potencia, sobre todo en microrredes híbridas. Este debería demostrar experiencia en la instalación e integración de los sistemas y contratar técnicos de servicio locales que puedan proporcionar un respaldo que incluya desde mantenimiento planificado básico hasta convenios de servicio completos a largo plazo. La organización ideal debería estar calificada para administrar la ingeniería, obtención y construcción de todo el proyecto, al mismo tiempo que debería suministrar todos los componentes principales y equipos auxiliares.
Otro atributo relevante es diversificar la capacidad económica con conocimiento experimentado y práctico de las necesidades especiales de los proyectos de energía. Esto puede incluir la capacidad de proporcionar financiación más allá de los equipos de generación de energía para incluir toda la infraestructura de energía, además de ofrecer programas flexibles con el fin de adaptarse a las necesidades específicas. La financiación para la construcción del proyecto es de especial utilidad, ya que proporciona un préstamo puente mientras este se desarrolla y aún no se produce flujo de caja. Luego, se convierte en una financiación a largo plazo cuando el proyecto está casi completo.
El bajo y decreciente costo de las energías eólica y fotovoltaica solar ofrece nuevas posibilidades para la potencia eléctrica rentable, confiable y limpia en las configuraciones de microrredes híbridas. Las microrredes se pueden implementar de manera rápida y rentable en ubicaciones remotas más allá del alcance de la red de servicios públicos o donde la red es inestable. Es momento oportuno de investigar el concepto de microrred híbrida como alternativa a la generación de energía convencional.
Acerca de los autores
Francois-Xavier Saury es gerente de desarrollo comercial de microrredes de Europa, África, Oriente Medio y la Comunidad de Estados Independientes de Caterpillar Inc. y está radicado en Ginebra, Suiza.
Craig Tomlinson es gerente de disposición del respaldo al producto con el equipo de microrredes en la división de Potencia Eléctrica de Caterpillar Inc. y está radicado en Houston, Texas.