CAPACITACIÓN PARA LOS ESTADOS MIEMBROS DE LA

CURSO CAPEV 1 2011

CURSO DE CAPACITACIÓN VIRTUAL:

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE SISTEMAS HÍBRIDOS COMBINADOS (AVANCES TECNOLÓGICOS Y REGULACIÓN)

Dr. Oscar Alfredo Jaramillo SalgadoCentro de Investigación en Energía. Universidad Nacional Autónoma de México

ojs@cie.unam.mx 24 de marzo 2011

Sistemas híbridos eólicos-hidroeléctricos micro, mediana

y gran escala.

Sistemas de bombeo de agua

Los sistemas de bombeo de agua son un tipo especial de aplicación. Estos sistemasusan la energía eólica como fuente de manera directa para operar una bomba deagua o bien para generar electricidad e impulsar una bomba eléctrica.

Los sistemas de bombeo de agua sepuede aplicar sobre una vasta área.Debido a la gran cantidad de aguanecesaria para el riego, la energíaeólica es raramente utilizada demanera directa para accionar lasbombas de manera mecánica. Escomún que las turbinas de viento másgrande y más eficientes sea plicadaspara generar suficiente electricidadpara uso en proyectos de riego .

Hay actualmente tres tipos de sistemas para bombeo de agua eólico: dos utilizanpotencia mecánica para bombeo de agua, mientras que el tercer convierte la energíaeólica en energía eléctrica:•Mecánica (bomba de pistón). Este sistema convierte la energía eólica rotatorio enmovimiento vertical, con una varilla y una bomba de pistón para levantar el agua.•Mecánica (bomba de aire comprimido). Este sistema utiliza la energía eólica paracargar un compresor y ese aire se bombea para sacar el agua.•Bomba eléctrica. En el sistema de bombeo eléctrico la energía eléctrica generada esdirectamente proporcionada a la bomba de agua, o a un sistema de almacenamientode respaldo como baterías.

El diseño del sistema depende de las necesidades de energía específica y si esnecesario por ejemplo un sistema de almacenamiento de respaldo con baterías.Sistemas híbridos de eólicos-fotovoltaico son considerados cuando el recurso eólicono está disponible durante algunos meses del año (es decir, durante el verano cuandoaumenta la demanda de agua). Nuevos sistemas de bombeo helicoidales pueden serpropulsados por energía solar-PV o energía eólica y respaldados por un sistema dediesel o baterías. Una bomba helicoidal (una bomba de desplazamiento positivo)debe proporcionar mayores tasas de flujo a profundidades de bombeo másprofundas con requisitos de energía más bajos que una bomba centrífuga (unabomba de alto volumen).

Muchos diseñadores de bombas de agua han adoptado el enfoque del uso debombas de desplazamiento positivo, que traen agua a una cámara y, acontinuación, la fuerzan usando un pistón o tornillo helicoidal. Esto hace unbombeo lento para la bomba en comparación con otros tipos de bombas, perotienen un buen rendimiento en condiciones de baja potencia y pueden lograr altaelevación. Tanto bombas sumergible como bombas de superficies estándisponibles. Bombas de superficies son menos costosos que las bombassumergibles, pero no están bien adaptados para la succión y sólo se puede sacar elagua desde unos seis metros verticales. Bombas de superficies son excelentespara empujar el agua largas distancias. En algunos casos, ambos tipos de bombaestán empleados en el mismo sistema, cuando la cabezal de la bomba es superiora 6 metros y el agua es bombeada a largas distancias.

En todo el mundo, muchos países como India, China, Australia, Grecia y Egipto,están llevando a cabo programas de bombeo de agua mediante el uso de energíaeólica. Los Estados Unidos llevó a cabo uno de los programas más importantes enesta área. En septiembre de 2004, R. Nolan Clark y Brian D. Vick del servicio deinvestigación agrícola de la USDA, inició un proyecto de investigación denominado“Remote Water Pumping and Electric Power Generation with Renewable Energy”Uno de los principales objetivos del proyecto era desarrollar y evaluar un sistemaautónomo de agua, propulsado por energía eólica, para sistemas de agua de riego,ganadería y consumo en una granja.

Inicio del uso de la energía hidráulica para la obtención de potencia mecánica

Integración de micro, mini y pequeños sistemas hidráulicos (independientes)Los sistemas micro, mini o pequeños hidráulicos pueden producir suficienteelectricidad para un hogar, granja, rancho o pueblo. Sistemas de micro y mini-hidroeléctrica son fuentes de potencia relativamente pequeñas que son apropiadosen la mayoría de los casos para usuarios individuales o para grupos de usuarios queson independientes del suministro de electricidad de la red.

Micro, mini y sistemas de pequeñas hidroeléctricas tienen los siguientescomponentes:•Una turbina que convierte la energía de un afluente o la caída de agua en energíamecánica que impulsa un generador, este genera energía eléctrica y es el corazón delun sistema de energía hidroeléctrica.•Un mecanismo de control para proporcionar energía eléctrica estable•Líneas de transmisión eléctrica para entregar la potencia a su destino•Dependiendo del sitio, se puede necesitar lo siguiente para desarrollar un sistema demicro y mini de hidroeléctrico.

•Un vertedero para desviar el caudal del curso de agua.•Un canal o tubería para llevar el flujo de agua a la cámara de carga •Un tanque o cámara de carga y soporte de basura para filtrar los desechos y evitar que se tapone la turbina en la entrada de la tubería.•Tubería de carga para transportar el agua a la casa de máquinas.•Una central eléctrica, en los que la turbina y el generador convierten la energía del agua en electricidad.•Un canal de descarga a través del cual se libera el agua al río o arroyo

Una turbina de impulso generalmente utiliza la velocidad del agua para mover laturbina y verter a la presión atmosférica. La corriente de agua golpea cada alabe enla turbina. No hay ninguna aspiración en la parte de abajo de la turbina, y el aguafluye fuera de la parte inferior de la carcasa de la turbina después de golpear losalabes. Una turbina de impulso es generalmente adecuada para un cabezal alto yaplicaciones de bajo flujo. He aquí algunos ejemplos de turbinas de impulso:• Pelton. Las turbinas Pelton están diseñadas para explotar grandes saltoshidráulicos de bajo caudal• Turgo Wheel. La turbina Turgo es una turbina de impulso, diseñada paraaplicaciones de cabezal medianas.• Cross-flow turbine. Es una maquina utilizada exclusivamente paracentrales de potencia pequeña; es apta para saltos de unos pocos metros hasta 100,y para caudales de 20 a 1000 litros / segundo.

Turgo Wheel

Cross-flow turbine

Una turbina de reacción desarrolla la potencia al combinar la presión y el movimientode agua. El rodete se coloca directamente en la corriente de agua que fluye a través delos alabes, en lugar de golpear cada alabe individualmente. Turbinas de reacción seutilizan generalmente para sitios con cabezal bajo y flujos superiores en comparacióncon los sitios en los que se adecuan a turbinas de impulso. Los ejemplos incluyen:

• A propeller turbine, which generally has a runner with three to six blades in which thewater contacts all of the blades constantly, like a boat propeller running in a pipe. The pressure isconstant through the pipe; otherwise, the runner would be out of balance. The pitch of the bladescan be fixed or adjustable. Besides the runner, the major components are a scroll case, wicketgates, and a draft tube. There are several different types of propeller turbines:o A bulb turbine, in which the turbine and generator are a sealed unit placed directly inthe water stream.o A straflo, in which the generator is attached directly to the perimeter of the turbine.o A tube turbine, in which the penstock bends just before or after the runner, allowing astraight line connection to the generator.o A Kaplan, in which both the blades and the wicket gates are adjustable, allowing for awider range of operation.• A Francis turbine, which has a runner with fixed buckets (vanes), usually nine or more ofthem. Water is introduced just above the runner and all around it and then falls through, causing itto spin. Besides the runner, the other major components are the scroll case, wicket gates, and drafttube.• A kinetic energy turbine, also called a free-flow turbine, which generates electricityfrom the kinetic energy present in flowing water rather than the potential energy from the head.The system can operate in rivers, man-made channels, tidal waters, or ocean currents. Kineticsystems utilize the water stream's natural pathway.

Kaplan TurbineFrancis turbine

Propeller turbine

La necesidad de acoplar sistemas eólicos y de hidroelectricidadA menudo el tamaño de una instalación de suministro eléctrico hidráulica o deviento no es, por sí mismo, bastante para satisfacer demandas de electricidad através del año, o por razones económicas es posible considerar crear un sistemahíbrido que conjunta ambas tecnología. Si otra fuente de producción eléctrica estápresente, esa fuente puede convertirse en un complemento de la energía delsistema híbrido.

Incluso en caso de que el tamaño de la central está correcto, es posible que exista undéficit para satisfacer la demanda estimada (i.e. largo periodo de sequía o dedisminución del viento por largos periodos). Por supuesto, el suministro de energíadebe ser asegurado y es por lo tanto recomendable tener un sistema de generaciónque permita que la seguridad adicional haga frente a estas situaciones. Para asegurarun estado aceptable de la carga de baterías, y una extensión de su vida, una fuentede energía convencional se considera a menudo como sistema auxiliar. La energíaeólica, como la energía hidráulica, es un producto indirecto de la energía solar; porlo tanto, ambos varían extensamente con el año, generalmente, en el hemisferionorte, teniendo elevados valores durante los meses de invierno y los valores bajosdurante los meses del verano. Esta es la razón por la cual los apremios estacionalesson importantes; el agua disponible se puede almacenar durante el invierno, que esperfectamente complementario a las energías eólicas que tienen su disponibilidadmínima en verano.

Los sistemas micro y mini de hidroelectricidad no necesitan estar situados cerca deun río caudaloso: un pequeño flujo de agua es suficiente, a condición de que hayauna corriente conveniente o una caída de agua conveniente. Diversas clases deturbina hidráulicas se diseñan para diversas combinaciones de pendiente y flujo: lasturbinas hidráulicas más pequeñas funcionan con poca agua y pendientespronunciadas. Sin embargo, las turbinas de viento necesitan ser particularmentelocalizadas donde está disponible el recurso del viento y sólo las condiciones delterreno permiten la instalación de la tecnología.

Diferentes tipos de sistemas de energía de viento/hidro

La energía hidroeléctrica proviene de la conversión de energía cinética de unafluente de agua en energía mecánica útil por medio de una turbina. La energíaeólica es la conversión de la energía cinética del viento, medianteaerogeneradores. En ambos casos, la energía mecánica se convierte en electricidadmediante un generador eléctrico, en la que se mide la energía eléctrica en vatios(W), kilovatios (kW) o megavatios (MW).

Los sistemas viento/hydro (WHPSs wind/hydro power systems) se clasifican comograndes, medianos, pequeños, mini, micro de acuerdo con su capacidad degeneración de potencia instalada. Un sistema de micro-potencia generalmente seclasifica por tener una capacidad de generación de menos de 100 kW, mientras quelos sistemas que tienen una capacidad de instalación de entre 100 kW y 1000 kW(1.0 MW) se conocen como sistema de mini-poyencia; ambos sistemas soncomúnmente fuera de la o independientes. Un pequeño WHPS se define por unacapacidad de más de 1,0 MW y menos de 10 MW. Sistemas de alimentación demedio tienen una capacidad de entre 10 MW y 30 MW, mientras que un granWHPS se refiere a un sistema con una capacidad superior a 30MW. Estos sistemasson comúnmente interconectados a la red.

Los generadores de energía renovable son independientes o con conexión a la red.En sistemas independientes, los WHPSs (con o sin otros generadores de back-up oalmacenamiento de energía), suministran la parte principal de la demanda. En unWHPS de conexión a la red, la energía renovable alimenta la potencia a una redgrande interconectada, también alimentada por una variedad de otrosgeneradores. La distinción fundamental aquí es que la potencia inyectada por elsistema híbrido es sólo una pequeña fracción de los generados comparado con latotalidad de los generadores de la red. La distinción entre generadoresindependientes y conexión a la red es útil, pero no siempre es clara. A veces surgeconfusión cuando la palabra a red se utiliza para referirse a un red eléctricaindependiente relativamente pequeña; el término red suele utilizarse librementepara describir la totalidad de la red. La conexión a la red significa concretamenteconectado a cualquier parte de la red. Integración significa concretamente laconexión física del generador a la red con la debida operación del sistema demanera segura y el control del generador. La integración adecuada de cualquiergenerador eléctrico en un sistema de energía eléctrica requiere un conocimientode los principios bien establecidos de la ingeniería eléctrica. La integración de losgeneradores que alimenta a partir de fuentes de energía renovables esfundamentalmente similar los generadores accionados mediante energía fósiles yse basa en los mismos principios, pero las fuentes de energía renovables son amenudo variables y geográficamente dispersas.

El desarrollo de un WHPS con el fin de suministrar electricidad depende de la escalade la central. WHPSs grandes y medianas pueden ser colocados en diferentesregiones de un país y son operados en combinación para complementarsemutuamente y proporcionar estabilidad a la red eléctrica. La energía eólica es no-despachable, lo que significa que, para la operación económica, toda la salidadisponible deben utilizarse cuando está disponibles. Pequeño, mini y micro WHPSsson comúnmente establecidos en las regiones donde el viento y recursoshidráulicos están disponibles. Están diseñados para suministrar energía a la regiónlocal y en muchos casos son sistemas independientes.

Sistemas de generación de potencia WHPS medianos y grandes

Se ha propuesto sistemas WHPSs medianos y grandes como fuente de alimentaciónde potencia firme o constante. El sistema híbrido constantemente combina laenergía eólica y energía hidroeléctrica en tiempo real en el fin de garantizar lapotencia constante. Como ya se ha dicho, la energía eólica se está sujeta afluctuaciones a corto plazo y la energía hidroeléctrica se utiliza para compensar estasvariaciones. Esto indica que la planta de energía hidroeléctrica en cualquier WHPSdebe ser capaz de aumentar o disminuir la producción muy rápidamente en el fin deobtener energía constante.

Almacenamiento mediante bombeo de agua.

Un sistema de almacenamiento de agua para generación hidroeléctrica tiene dos omás depósitos a diferentes alturas. En la demanda de electricidad baja de losconsumidores la potencia disponible excesiva se utiliza para bombear agua desdeel embalse inferior a la superior. Cuando aumenta la demanda, se libera la energíapotencial almacenada en el embalse superior. El agua es liberada de la reservasuperior de una manera controlada, pasando por las turbinas para generarelectricidad.

La utilización de los sistemas de almacenamiento por bombeo, se considera amenudo como una solución prometedora para el almacenamiento de energía . Losposibles beneficios incluyen: una mayor penetración en l uso de la energía eólica,suavizar las variaciones de la energía eólica y proporcionar un grado de“despachabilidad" del sistema híbrido hidro-eoloeléctrico, garantizando unacapacidad de generación por un tiempo determinado.

Cuando aumenta el tamaño del sistema de potencia más allá de unos 100 kWs, elalmacenamiento en baterías, volantas y otros medios similares puede ser técnica yeconómicamente inviable, y resulta el sistema de bombeo como la única soluciónposible.

El concepto fundamental de funcionamiento de los sistemas híbridos hidro-eoloeléctricos es bastante simple: Cuando la energía eólica disponible presentasuperávit este excedente de energía eólica se emplea para el bombeo de agua, y laenergía se almacena en el embalse superior. Esta energía se recuperaposteriormente, cuando la capacidad de generación eólica se encuentra en déficitrespecto al la carga por ejemplo en las horas pico de carga. La energía potencial delembalse superior se transforma en energía cinética por el desfogue de agua y estaúltima es aprovechada por la turbina hidroeléctrica para generar electricidad.

Modelación de la granja eólica.

WAsP –the Wind Atlas Analysis

and Application Program

Las restricciones sobre la producción de energía del sistema híbrido se relacionancon la capacidad de absorción de energía del sistema autónomo. Las limitacionesresultantes son variables en el tiempo y dependen del nivel de carga, el algoritmode despacho para los generadores convencionales, así como las consideraciones deestabilidad para el sistema, relacionado con su capacidad para compensar lasfluctuaciones de la energía eólica, incluso en caso de una pérdida repentina de lapotencia total del sistema híbrido. La penetración máxima permitida para la centraleléctrica híbrida se define por las siguientes dos restricciones:

La primera restricción se asegura de que ninguno de los generadores diesel seráncargados por debajo de su mínimo técnico. La segunda restricción limita lapenetración de hasta un máximo predefinido, en relación a las consideraciones deestabilidad transitoria para el sistema eléctrico. La experiencia de las redes insularesexistentes con la energía eólica ha demostrado que la estabilidad Pmax (límitedinámico) no puede exceder el 30-50%, dependiendo del número, tipo y ladispersión geográfica de los aerogeneradores, así como en los motores diesel y suscaracterísticas de regulador.

Una red típica aislada isla de tamaño mediano con una demanda de carga máximade 17 MW y un perfil de carga anual, como se muestra en la figura. 2 se considera eneste trabajo. La demanda mínima de carga es de 4,1 MW, carga media es igual a 9,33MW y la demanda de energía anual de 81.696 MWh.

La capacidad total instalada de la central diesel es de 23,3 MW, que consta de seisunidades diesel, entre 1,5 a 6,3 MW. Los mínimos técnicos de cada unidad es de50% de su capacidad nominal (Tabla 1).

A wind park consisting of several 800 kW pitch regulated turbines is considered.The annual wind speed time series used in the simulation is shown in Fig. 3(average 9.5 m/s).

La estación de bombeo consta de 2-10 bombas de velocidad fija o variable, cadauna con capacidad de 10% de la potencia del parque eólico. La estaciónhidroeléctrica comprende 1-6 turbinas Pelton con una potencia de salida nominalde 1.000 kW cada una. Se supone un cabezal de 300 metros, mientras que lalongitud de tubería de carga se toma igual a 1500 m. Las pérdidas de carga debido ala fricción en las tuberías se calculan como se describió anteriormente. La eficienciaeléctrica se considera fija en 90%, mientras se utilizan curvas de eficiencia típicapara las bombas y las turbinas. La capacidad de reserva de agua se determina paraasegurar el funcionamiento de las turbinas a la potencia nominal en un intervalo de48 a 96 horas.

Estrategia 1: La restricción expresada por las ecuaciones (5) y (6) se considera quese aplican a la potencia de salida del sistema híbrido en total. Por lo tanto, la unidadde almacenamiento se utiliza para almacenar la energía eólica superior al límite depenetración de bombeo de agua, mientras que las turbinas hidroeléctricasfuncionan cuando la energía eólica disponible es menor que el límite depenetración. Las unidades diesel deben mantener siempre la reserva completa

Strategy 2. Las turbinas hidráulicas garantizan una alimentación del sistema en lashoras pico de carga, sustituyendo así al diesel (operación 'hidro despachable').Operan a un nivel predeterminado de energía (dependiendo de la demanda decarga prevista, pero no en la energía eólica). Las unidades diesel mantienen lareserva total csolamente para la energía eólica y el límite de penetración se calculaa partir de las ecuaciones. (5) y (6), teniendo en cuenta la potencia dieselsolamente. Los excedentes de energía eólica durante la operación 'despachable' nopueden ser empleados para el bombeo, ya que se cuenta con una sola tubería decarga se supone para la central hidroeléctrica.