Diciembre 2010 Ing. Reinaldo Medina Kempter
WindAR 2010 –3er Congreso y Exposición
Sudamericana de Energía Eólica
TURBINAS EÓLICAS TURBINAS HIDROCINÉTICAS
DESARROLLO DE TECNOLOGÍA PARAGENERACIÓN ELÉCTRICA A PARTIR DE FUENTES RENOVABLES
ACTIVIDADES DE INVAP EN ENERGÍA EÓLICA
Evaluación del recurso:Campañas de medición, procesamiento de datos, mapeos eólicos, estudios de factibilidad de parques
Líneas de desarrollo de aerogeneradores:
1- Baja Potencia2- Media Potencia3- Alta potencia
Terreno fiscal: delimitado por línea roja
Cuadrícula.Horizontal: 1500mVertical: 1800m
N
S
EO
Proyecto Parque Eólico C° Policía (45 Km2 sobre planicie de 500 Km2)
N
S
EO
Estudio CFD-Dirección del viento: superposición de N, NO, O, SO y S
Zonas restringidas (vientos a 80m sobre la barda)Azul: por velocidad ascendenteRojo: por velocidad descendenteVerde: por turbulencia
POSIBILIDAD DE POTENCIAR ESTAS CENTRALES INSTALANDO EN SU CERCANÍA GRANDES PARQUES EÓLICOS (utilizando infraestructura existente )
Fuente: CAMMESA
ESPECIFICACIONES GENERALES AEROGENERADOR IVS-4500
� 1) Potencia nominal 4500 watts.
� 2) Velocidad de viento para potencia nominal: 12 m/s. Veloc. de arranque: 4,2 m/s.
� 4) Velocidad máx. de viento en operación normal: 110 Km/h (30,5 m/s). Supervivenciahasta 160 Km/h.
� 5) Diámetro de hélice: 4,50 mts.
� 6) Tipo de hélice: bipala con perfiles aerodinámicos laminares de alta eficiencia.
� 7) Control de velocidad: pasivo por plegado de hélice.
� 8) Freno de parada manual: plegado de cola y freno eléctrico.
� 9) Voltaje: 24, 48 volts CC, 380 volts CA frecuencia variable (bombeador).
� 10) Aplicaciones:En corriente continua, para carga de baterías (alimentación a viviendas, proteccióncatódica de gasoductos, oleoductos, sistemas de telesupervisión, etc).
En corriente alterna, aplicación en bombeo de grandes cantidades de agua,especialmente para agricultura, dependiendo del lugar de implantación y la alturade elevación del agua, se puede llegar a un máximo cercano a 30.000 lts / h.
� 11) Mantenimiento: revisión anual mínima, recorrida completa cada 5 años.
Esquema (p/ potencia hasta 22 KW)
G
G
Regulador rectificadorGrupo Electrógeno
On/Off
Banco de Baterías
Regulador rectificador
Aerogenerador
Inversor
Consumo Trifásico
Consumo Fase 1
Consumo Fase 2
Consumo Fase 3
Consumos en Corriente Continua
2. Sistemas Híbridos Autónomos
Mediana Potencia
Hasta 150 KW
Para zonas aisladas y para generación distribuída
Aspectos Innovadores
• Alta modularidad en función de las necesidades de consumo y de la disponibilidad de recursos energéticos.
• Los inversores permiten suministrar electricidad a 220/380 V 50 Hz en Corriente Alterna trifásica.
• Nuevos desarrollos de Aerogeneradores de 30 KW y 150/200 KW, aptos tanto para uso en Sistemas Híbridos como para generación distribuída en redes, así como bombeo directo de agua en volúmenes importantes.
Aerogenerador de 30 KW
Aún no se ha iniciado el desarrollo.
Aerogenerador de 150/200 KW
(Actualmente está en fabricación el primer prototipo).
CARACTERISTICAS GENERALES:Potencia Nominal :
30 KW, para vientos clase I y II (Norma IEC 61400)
Rotor: de tres palas con control de paso, de velocidad variable.Generador: de imán permanente, con acople directo al eje primario, generaciónen Tensión y frecuencia variable.
Electrónica de potencia: rectificador y ondulador (Full Power Converter)Sistema de orientación: pasivo, del tipo barlovento, con colaSistema de control y seguridad: PLC
Este proyecto que se inicia en el año 2004, para ese tiempo no
tenía ningún antecedente en el mundo en lo que se refiere al
tamaño y a la clase de viento para el cual estaba pensado.
Para esos tiempos no existía máquina alguna para vientos
Clase I plus y de una potencia de 1500 KW.
Lo que implicó un severo desafío tecnológico de importancia
para ese entonces.
Otro desafío fue el bajo costo de generación que se requirió,
recordemos que para aquellos tiempos, las tarifas se habían caído
por la finalización de la convertibilidad.
Donde el incentivo de 1 centavo por KW otorgado por Nación a lo
que alguna provincia agrego un ½ centavo, no alcanzaba para
modificar la ecuación de costos ni en lo mas mínimo.
Hubo parques ya instalados antes de ese tiempo por
cooperativas eléctricas que con un esfuerzo loable y
con un criterio fundamentalmente social se
embarcaron a instalar aerogenerdores para
generar en forma limpia y sustentable .
Este esfuerzo o el reconocimiento a este esfuerzo nunca fue
tomado en cuenta .
Y la generación a pérdida fue tan dura para
las cooperativas que muchas veces las máquinas quedaban
largos periodos fuera de servicio por falta de repuestos.
Cosa que terminaba siendo una situación de alivio porque evitaba
pérdidas aún mayores.
En este contexto general de la generación local se busco la
arquitectura tecnológica de un diseño que cumpliera
plenamente con generar al menor costo y con una calidad de
energía generada compatible con las normas internacionales
vigentes.
Esta arquitectura también permite asegurar
factores es de disponibilidad del aerogenerador
superiores al 98%
Con el más estricto cumplimiento de estas condiciones se
desarrolló primero la ingeniería básica
y
posteriormente la ingeniería de detalle de el
EOLIS 15
Con una potencia nominal de 1,5MW
HIDROELECTRICA CONVENCIONAL
Energía potencial
• Típica instalación de turbinas que requieren altura diferencial (head).
• Estas turbinas captan la Energía Potencial ,obtenida por la diferencia de altura de los niveles del agua.
• Esto implica una gran inversión en obra civil e instalaciones, y también sensibles modificaciones del medio ambiente.
ENERGIA CINETICA - Esquema de instalación
• Típica instalación de turbina hidrocinética (THC), anclada en el curso de un río, y que no requieren altura diferencial.
• Estas turbinas captan la Energía Cinética que posee la masa de agua en la corriente de un rio, corrientes oceánicas o de mareas.
• No requieren obra civil significativa y tienen casi nula acción sobre el medio ambiente.
Alta Potencia (Ejemplo con venturi * )
Potencia = 1 Mw
Diámetro turbina = 11.5 metros
Longitud del ducto = 19.2 metros
Utilización : corrientes oceánicas , mareas y ríos
muy caudalosos
(*) Vista de la THC con su cubierta
( venturi) destinada a aumentar la
velocidad del agua en su pasaje por las
palas.
Método utilizado para el desarrollo:
• Consolidación de datos de entrada
• Caracterización por CFD de diferentes perfiles de álabes
• Caracterización de distintos aumentadores
• Diseño de la turbina
• Generación del modelo en 3-D
• Modelado por CFD
• Obtención de las curvas de performance Construcción del prototipo
• Ajustes y calibraciones en banco de pruebas
• Determinación experimental de curvas de performance
• Comparación de los resultados con el fin de validar el modelo de
• cálculo para su utilización en maquinas de tamaños mayores
Proyecto INVAP-THC
Etapa 1 Construcción modelo 0,8-1,0 KW
• Desarrollo y fabricación de un Modelo de 0.8-1,0 KW, para ensayarlo en un flujo de agua libre, con el objeto de validar las herramientas de cálculo y diseño utilizadas CFD (Dinámica de los Fluidos Computacional), para el diseño de un Prototipo THC de 4.5 Kw.
• Desarrollo y fabricación de una cubierta (venturi).
• Potencia Nom. = 0.8 Kw• Diámetro de palas = 0.86 m• Velocidad agua = 2 m/s
Modelado conceptual inicial
Proyecto INVAP-THC
Etapa 1 Construcción modelo 0,8-1,0 KW
Detalle de la THC prototipo, visto desde aguas abajo, con el dispositivo Venturi montado.
Proyecto INVAP-THC
Etapa 1 Modelado CFD del prototipo 1
Algunos resultados iniciales de la modelización CFD donde se visualiza al intensidad de turbulencia, un parámetro de diseño importante para mejorar la performance del equipo
Curvas de performance predichas por el modelo
Comparación de los resultados en CFD (FLUENT) con y sin aumentador
Velocidad infinito: 2 m/seg
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
50 100 150 200 250 300w [rpm]
P [W
]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
eff [
%]
2.5 m/s
2.0 m/s
3.0 m/s
1.6m/s
eff 3.0m/s
eff 2.5m/s
eff 2.0m/s
eff1.6m/s
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325rpm
Pot
enci
a al
eje
[W]
0%
50%
100%
150%
200%
250%
300%
aum
ento
por
cent
ual d
e po
tenc
ia
2 m/s - sin aumentador
2 m/s - con aumentador
aumento porcentual de potencia
Curvas de performance de ensayo
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
50 75 100 125 150 175 200 225 250rpm
Pot
enci
a al
eje
[W]
0.0%
5.0%
10.0%
15.0%
20.0%
25.0%
30.0%
35.0%
40.0%
45.0%
50.0%
dife
renc
ia p
orce
ntua
l abs
olut
a
1.6m/s modelo CFD
1.6m/s experimental
diferencia porcentual absoluta
Proyecto INVAP -THC
Etapa 2 Construcción Prototipo 9 Kw (4.5 Kw + 4.5 Kw )
• La unidad de 4,5 KW y la de 9 KW ( con dos rotores gemelos) serán
en sí mismas los dos modelos comerciales de menor potencia, dentro
de la gama de turbinas previstas.
• Se diseñó una máquina simple, de paso fijo, que gira a régimen
variable de rpm y genera en tensión y frecuencia variables, para luego
obtener la tensión de red y los 50 Hz mediante un convertidor, igual al
de los aerogeneradores, pero con la ventaja de no necesitar
prácticamente, un banco de baterías.
Proyecto INVAP-THC
Etapa 2 Construcción Prototipo 4.5 Kw
Esquema de la THC de 4,5 KW de INVAP con su cubierta (venturi) destinada a aumentar la velocidad del agua en su pasaje por las palas.
Potencia = 4.5 KW Velocidad nominal de la corriente de agua = 1,3 m/s
Proyecto INVAP-THC
Etapa 2 Prototipos 4.5 Kw
Ejemplo de una THC con su cubierta achatada (venturi) destinada a aumentar la velocidad del agua en su pasaje por las palas.
Potencia = 4.5 Kw Diámetro rotor = 1.5 metros
Importante potencial para el uso de
las THC en: Mareas oceánicas,
Corrientes oceánicas, ríos y canales
AVANCE ACTUAL DEL PROYECTO:
• SE VALIDÓ MODELO DE CALCULO Y DISEÑO
• SE CONSTRUYE PROTOTIPO DE 4,5 KW
• SE DISEÑA PROTOTIPO DE 30 KW
• EXPERIENCIA APLICABLE A DISEÑOS DE THC DE ALTA POTENCIA
La Energía Eólica en el Mundo
� La capacidad mundial instalada aumentó en 20.000 MW durante el año 2007, en 27.000 MW durante 2008, y en 2009 se agregaron mas de 35.000 MW, a pesar de la crisis que frenó la economía mundial.
� Hoy en día la potencia total instalada alcanzó los 175.000 MW, y podría llegar a unos 200.000 MW a fin de 2010.
� El sector eólico ha creado más de 500.000 puestos de trabajo en todo el mundo.
� Estados Unidos tomó el primer lugar en potencia instalada: 36.200 MW y continúa creciendo (agregó 10.000 MW en 2009). Le siguen China con 33.000 MW y Alemania, que cuenta con algo mas de 25.000 MW instalados.
� China sigue siendo el mercado más dinámico en los últimos 3 años, superando a Alemania y a España (que cuenta con 20.000 MW).
� Europa muestra estancamiento, desarrolla Offshore.
� Se estima un crecimiento global de más de 12 veces para el año 2020.
Generación Eléctrica total
Situación actual en Argentina(hidroeléctrica + térmica + nuclear)
Generación bruta del MEM
Fósil
60%
Hidráulica
33%
Nuclear
7%
Fuente: CAMMESA - CNEA
Tasas medias interanuales de crecimiento del consumo eléctrico y la capacidad instalada
0.00%
1.00%
2.00%
3.00%
4.00%
5.00%
6.00%
7.00%
Capacidad GW
Consumo/generación GWH
Exponencial (Consumo/generación GWH )
Exponencial (Capacidad GW)
Capacidad GW 6.00% 3.60% 4.20% 1.00% 2.80%
Consumo/generación GWH 6.30% 2.10% 6.30% 4.00% 5.30%
1970-1980 1980-1990 1990-2000 2000-2008 1990-2008
Incremento medio interanual por período
Evolución de la nueva potencia a instalarEscenario Estructural
Evolución de la nueva potencia a instalarEscenario Estructural
Fuente: Secretaría de Energía
USD por MWh
Solar $450 a $570Diesel $ 340,00Fuel Oil $ 215,00Gas Natural $ 95,00Nuclear $ 85,00Biomasa $ 82,00Pequeñas Centrales Hidroelectricas $ 81,00Carbón Nacional $ 80,00Eólica $ 75,00Grandes Centrales Hidroeléctricas $ 60,00
Costo promedio de generación E. Eléctrica en Brasil
• PAIS Industrial media tensión Residencial
• Uruguay 133 261
• Chile 134 219
• Brasil 166 256
• Argentina 40 25
• Fuente SEG –ROU Octubre 2010
PRECIOS DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA EN LA REGIÓN
en $US/ MW hora