DISEÑO DE SISTEMAS ENERGÉTICOS HÍBRIDOS BASADOS EN HIDRÓGENO PARA UNA POBLACIÓN DE LA PROVINCIA DE CÓRDOBA ARGENTINA

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1 DISEÑO DE SISTEMAS ENERGÉTICOS HÍBRIDOS BASADOS EN HIDRÓGENO PARA UNA POBLACIÓN DE LA PROVINCIA DE CÓRDOBA ARGENTINA Rodríguez C.R. (1), Jeandrevin G. (2), Ybáñez J.F. (3), Piumetto Miguel (3), Daniel Lago (3), Gabriel Correa (3), Leiva E.P.M. (4) (1) Departamento de Matemática, Facultad de Ciencias Exactas Físicas y Naturales, Universidad Nacional de Córdoba, Av. Vélez Sarsfield 299, 5010, Córdoba, Argentina, ramiro246@gmail.com (2) Instituto Universitario Aeronáutico, Avenida Fuerza Aérea km 6 ½, 5022, Córdoba, Argentina, gjeandrevin@iua.edu.ar (3) Departamento de Electrotecnia, Laboratorio de Baja Tensión, Facultad de Ciencias Exacyas Físicas y Naturales, Universidad Nacional de Córdoba, Av. Vélez Sarsfield 299, 5010, Córdoba, Argentina, jfybanez@gmail.com, mpiumetto@efn.uncor.edu, danielestebanlago@hotmail.com, gabriel.correa@polito.it (4) INFIQC, Departamento de Matemática y Física, Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Nacional de Córdoba, Haya de la Torre s/n, 5010, Córdoba Argentina, eleiva@fcq.unc.edu.ar del autor que recibe la correspondencia: ramiro246@gmail.com RESUMEN Se presenta en este trabajo el diseño de sistemas energéticos híbridos, uno de ellos basado en hidrógeno, utilizando recursos eólicos, solares y convencionales como fuentes primarias de energía. El estudio se aplicó a la población de Coronel Moldes ubicada en el Departamento de Río Cuarto, Provincia de Córdoba, Argentina. Se utilizaron mediciones eólicas realizadas en campo, tomadas a lo largo de varios años en el sitio, e información proveniente del Atlas Solar de la República Argentina. El análisis de factibilidad técnica, económica, ambiental y de ciclo de vida, se llevó a cabo utilizando software de apoyo para la toma de decisiones, desarrollados para evaluar la producción de energía, ahorros, costos de ciclo de vida, reducción de emisiones, aspectos financieros y de riesgo de varios tipos de tecnologías de energía eficiente y renovables: HOMER de uso libre. Palabras Claves: sistemas híbridos, hidrógeno, modelado 1. INTRODUCCIÓN 1.1 Motivación Desde hace algunas décadas se realizan estimaciones sobre los aspectos críticos en la demanda de energía a nivel nacional y mundial. Factores como un posible horizonte cercano de agotamiento de combustibles fósiles, el fuerte impacto ambiental devenido de su uso y las frecuentes inestabilidades que influyen en el precio del petróleo crudo, conducen a la necesidad del desarrollo de sistemas de energía sustentables. La energía juega un rol crucial en este tipo de desarrollo. La naturaleza de su disponibilidad influencia prácticamente todas las actividades sociales, económicas y políticas, así como el estado del medio ambiente y el clima y, frecuentemente, determina si las naciones viven en paz o en conflicto entre sí. Consideramos que el uso de la energía es sustentable cuando la suficiencia y permanencia en la disponibilidad de un recurso energético está asegurada, al mismo tiempo que el efecto negativo sobre la naturaleza de su abastecimiento, transporte y uso, es limitado. De este modo, los elementos estratégicos -relativos al uso de los recursosdeberían ser: igualdad del acceso y distribución, conservación, compatibilidad con el medio ambiente, bajo riesgo de uso y eficiencia económica [1]. Por otra parte, en la provincia de Córdoba la población rural es el 11,3 % de la población total de la Provincia y el 6% se encuentra en zonas aisladas. El 30% de la población rural no se encuentra conectado al sistema de distribución eléctrica [2]. En tal sentido, identificar los diferentes sitios potenciales para el desarrollo de

2 energías sustentables a nivel provincial junto con las diferentes alternativas de implementación de las mismas que posee cada zona, podría dar solución a esta problemática. Córdoba cuenta con un importante potencial de recursos renovables solares [3], eólicos [4] e hídricos [5] en la actualidad casi sin explotar, que podrían sustentar y hacer económicamente redituables el uso de estas energías combinadas con la producción de hidrógeno. En el presente trabajo se presenta el diseño de sistemas energéticos híbridos basados en hidrógeno, utilizando el programa de uso libre HOMER [6] con el uso de datos de RETSreen [7]. Se utilizaron recursos eólicos, solares y convencionales como fuentes primarias de energía. El estudio se aplicó a la población de Coronel Moldes (ca habitantes) ubicada en el departamento de Río Cuarto, Provincia de Córdoba, Argentina. Con el objetivo de buscar un sistema híbrido capaz de abastecer a zonas aisladas, se supone en este trabajo que esta población está aislada de la red eléctrica. 2. DESARROLLO DEL TRABAJO 2.1 Evaluación Eólica La evaluación del recurso eólico para la generación eléctrica, viene realizándose mediante mediciones de campo desde el año Estancia La Panchita, pedanía 3 de Febrero, a una distancia de 30 km hacia el sudoeste de la localidad de Coronel Moldes, indicada con el punto amarillo en el mapa de densidad de potencia eólica [4] en la Figura 1. La torre de medición de 48 m de altura se encuentra ubicada en las Coordenadas Geográficas W 64º 46 4, S 33º La altura del sitio de medición es 367 m SNM. En la torre se instalaron dos anemómetros, dos veletas, dos sensores de temperatura y un sensor de presión. Con estas mediciones fue posible determinar los perfiles de velocidad del viento y térmico del lugar, respectivamente. El promedio de velocidades de viento para el año 2008 utilizado en la presente evaluación es de 6,35 m/s a 42 m de altura (el SIG Eólico prevé 7 m/s a 50 m de altura). 2.2 Evaluación Solar Los datos de Radiación Solar Horizontal Diaria en [kwh/m 2 /día], utilizados para la evaluación solar, se tomaron de la base de datos del programa RETScreen, en la zona del Aeropuerto de Río Cuarto, distante 68 km de La Laguna. Esta correlación de datos se justifica, ya que ambos sitios presentan una misma distribución espacial; tanto del promedio de la irradiación solar global diaria sobre un plano horizontal, como de la heliofanía efectiva diaria, según se corrobora en las cartas mensuales del Atlas de energía solar de la República Argentina [3]. 2.3 Modelado mediante HOMER El programa simula la operación de un sistema mediante el cálculo del balance de energía para cada hora del año. Compara las demandas eléctrica y térmica horarias, con las fuentes de abastecimiento de energía que puedan proveer en este mismo intervalo. De esta manera calcula el flujo de energía desde y hacia cada componente del sistema. Figura 1. Mapa de densidad de potencia eólica. El punto amarillo indica la ubicación de la Estación Meteorológica La Laguna. El lugar donde se encuentra instalada la torre meteorológica de medición se denomina La Laguna, el cual, según el mapa eólico nacional [3], es un lugar adecuado para implementar el estudio de un proyecto eólico. La Laguna se encuentra en el departamento Río Cuarto, 2.4 Entradas a. Carga eléctrica primaria. La demanda horaria a satisfacer en esta localidad es de 1800 kwh/día, con un pico de consumo de 110 kw. El perfil diario y los promedios mensuales de la carga eléctrica primaria, se muestran en la Figura 2. 2

3 la curva de potencia de la máquina, facilitada por el fabricante. Las curvas de distribución de velocidades de viento obtenidas mediante HOMER y con el software Symphonie Data Retriever [9], se muestran en las Figuras 4 y 5. Entre ambos resultados se registra una diferencia del 8,3%. 16% % Dist Frec Hs/año % 10% Figura 2. Carga eléctrica primaria en [kw] 8% 6% 4% b. Recurso eólico. La Figura 3 muestra los valores medios mensuales de velocidad de viento obtenidos mediante mediciones de campo, a 42 m de altura en la estación La Laguna, durante el año % 0% Rango Velocidades Viento (m/s) Figura 5. Distribución de probabilidad de las velocidades de viento obtenida con Symphonie Data Retriever. Velocidad promedio 6,35 [m/s] c. Recurso solar. La Figura 6 muestra los valores medios mensuales de la radiación solar horizontal diaria, obtenidas según se describió anteriormente en el inciso 2.2. Figura 3. Velocidad de viento media mensual 2008 en [m/s] El principal dato de la cantidad de viento aprovechable, surge de una función acumulada conocida con el nombre de Factor de Capacidad (FC). Esto es un valor porcentual de la energía que una turbina eólica entregará durante todo un año, en relación a la cantidad de energía que podría entregar una turbina trabajando el 100% del tiempo [8]. Figura 6. Radiación Solar Horizontal Diaria en [kwh/m 2 /día] 2.5 Configuraciones simuladas. a. Sistema eólico Componente Potencia Costo (Co) $ Reemplazo $ O & M Duración Efic. % Figura 4. Distribución de probabilidad de las velocidades de viento obtenida por HOMER. Velocidad promedio 6,92 [m/s] La energía anual a despachar por un aerogenerador, se obtiene integrando entre la distribución de probabilidad de velocidades de viento (obtenida de acuerdo a las mediciones en el campo) y la función matemática que describe Electrolizador kw 1500 $/ kw 80% Co 30 $/año 7 años 75 T anque de Hidrógeno kg H $/ kw 1200 $/ kw 15 $/año 25 años Generador Diesel kw 350 $/kw 80% Co 0.8 $/h/kw h 30 Turbina Eólica kw 2000 $/kw 80% Co 2 % Co / año 25 años Generador Hidrógeno kw 500 $/kw 80% Co 0.02 $/h/kw h 30 Tabla 1. Resumen de costos y performance de los componentes La Tabla 1 muestra los costos en dólares ($) y la performance de los diversos componentes utilizados en las propuestas esquemáticas de 3

4 constitución de los sistemas aislados de la red eléctrica, tomados de [10] y las referencias allí citadas. Se considera inicialmente un sistema constituido únicamente por generadores eólicos Führlander 500 de 300 kw AC, abasteciendo a la localidad con energía eléctrica. El propósito es determinar la energía máxima posible a proveer con recurso eólico. Por lo tanto, se espera cuantificar la porción de la demanda energética que no es posible abastecer por falta del recurso. A partir de este dato, se diseña el equipo de generación térmica necesario para alcanzar a cubrir la totalidad de la demanda eléctrica y servir de soporte al sistema. igura 9. Figura 9. Sistema eólico_diesel-2 d. Eólico_diesel-3 Figura 9. Sistema eólico-diesel-2 d. Eólico-diesel-3 Este sistema consta de 2 generadores eólicos Führlander 250 de 250 kw AC + 2 generador diesel que suman 120 kw. El esquema se muestra en la Figura 10. Figura 7. Sistema abastecido solamente con generación eólica b. Sistema eólico-diesel-1 Este sistema consta de 2 generadores eólicos Führlander 250 de 250 kw AC + 1 generador diesel de 120 kw. El esquema se muestra en la Figura 8. Figura 10. Sistema eólico-diesel-3 e. Eólico-diesel-fotovoltaico Figura 8. Sistema eólico_diesel-1 c. Eólico-diesel-2 Este sistema consta de 2 generadores eólicos Führlander 500 de 300 kw AC + 1 generador diesel de 120 kw. El esquema se muestra en la Figura 11. Sistema eólico-diesel-fotovoltaico Este sistema consta de generador eólico Führlander 250 de 250 kw AC + 1 generador diesel de 70 kw + 1 arreglo fotovoltaico de 100 kw + 1 convertidor de 100 kw. El esquema se muestra en la Figura 11. 4

5 f. Eólico-diesel-hidrógeno Este sistema consta de 1 generador eólico Führlander 250 de 250 kw AC + 1 generador diesel de 70 kw + 1 generador a hidrógeno de 50 kw + 1 tanque de hidrógeno de 10 kg + 1 electrolizador de 20 kw + 1 banco de 30 baterías en paralelo. El esquema se muestra en la Figura 12. demanda eléctrica no satisfecha. El costo del kwh es de 0,168$. En las simulaciones realizadas, el esquema con dos molinos mejora el porcentaje de la carga alcanzada sobre la disposición con un solo molino, así como también el exceso de energía que puede ser almacenada. Finalmente este sistema requiere de un sistema de soporte para considerar situaciones de parada del sistema. El promedio de producción eléctrica mensual se muestra en la Figura 13. Figura 13. Producción eléctrica mensual media para el sistema eólico Figura 12. Sistema eólico-diesel-hidrógeno b. Sistema eólico-diesel-1 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Sist. Capital NPC COE Prod. Eléct. % de Exc. Eléct. Emisiones Inicial ($) $ ($)/kwh (kwh/año) Renov. (kwh/año) kg CO 2 /año a , ,0 79,1 0 b , ,0 55, c , ,0 74, d , ,0 56, e , ,2 44, f , ,6 25, Tabla 2. Valores relevantes de performance para los sistemas planteados Se utilizó la herramienta de simulación HOMER para optimizar el diseño de sistemas de generación de energía eléctrica, estimar las características operacionales de sus componentes y optimizar el costo presente neto total de los sistemas. Con el objetivo de comparar los valores relevantes en la performance para los sistemas planteados, los valores obtenidos se comparan en la Tabla Discusión de los sistemas a. Sistema eólico El abastecimiento de los requerimientos energéticos solamente con energía eólica no es una solución viable. Si bien existe un exceso de producción de energía eléctrica del 79,1%, los datos obtenidos muestran que hay un 26,4% de Figura 14. Producción eléctrica mensual media para el sistema eólico-diesel-1 En este sistema es posible satisfacer la demanda eléctrica anual y el exceso de electricidad es 55,1%. Por otra parte la fracción de utilización de recurso eólico es elevada e igual a 79%. El costo de la electricidad es 0,381$/kWh. La Figura 14 muestra la producción eléctrica mensual media para este sistema. c. Eólico-diesel-2 Esta configuración es semejante a la del sistema eólico-diesel-1, en su constitución y en la producción eléctrica. No obstante, como aquí los aerogeneradores son de mayor potencia, el exceso de electricidad de 74,3%, es mayor que en aquel caso, la fracción de uso de renovables aumenta a 90,5% y el costo de la electricidad disminuye a 0,327$/kWh. d. Eólico-diesel-3 En este sistema la producción de energía se optimiza con dos generadores diesel de 50 y 70 kw. El exceso de energía es de 56,9% y la 5

6 fracción de renovables 72%. El costo de la electricidad aumenta a 0,333$/kWh. La Figura 15 muestra la producción eléctrica mensual media para este sistema. optimiza con dos generadores: diesel de 70 e hidrógeno 50 kw. El exceso de energía es de 25,2% y la fracción de renovables 67,6%. El costo de la electricidad 0,338$/kWh. 4. CONCLUSIONES Figura 15. Producción eléctrica mensual media para el sistema eólico-diesel-3 Los sistemas b, c y d presentan el mismo capital inicial y variaciones no demasiado significativas en los parámetros mostrados en la Tabla 2. Sin embargo, se puede considerar que el mayor exceso de energía del sistema c, podría utilizarse en la satisfacción de carga térmica, combinado con producción de hidrógeno. e. Eólico-diesel-fotovoltaico El exceso de electricidad es 44,2%, la fracción de renovables 66,2%, la carga no satisfecha 1,4% y el costo de la energía es 0,508$/kWh. La demanda puede abastecerse con este sistema, pero el capital inicial es más del doble de los sistemas discutidos anteriormente, debido al costo elevado de los paneles fotovoltaicos. La Figura 16 muestra la producción eléctrica mensual media para este sistema. Figura 16. Producción eléctrica mensual media para el sistema eólico-diesel-fotovoltaico f. Eólico-diesel-hidrógeno Figura 17. Producción eléctrica mensual media para el sistema eólico-diesel-hidrógeno La figura 17 muestra la producción eléctrica del sistema basado en el uso de hidrógeno electrolítico. La producción de energía se Se analizaron distintos sistemas energéticos diseñados con el objeto de proveer el servicio eléctrico a la localidad Coronel Moldes, considerada como aislada de la red eléctrica. Del análisis de los resultados obtenidos y su discusión se concluye que la satisfacción de la demanda eléctrica se puede realizar con variadas configuraciones. En cada una de ellas hay distintos parámetros a considerar, como se detalla en la Tabla 2, pero se enfatiza la consideración sobre el porcentaje de uso de energías renovables y la consecuente disminución en la emisión de contaminantes. 5. AGRADECIMIENTOS Este trabajo fue financiado por el proyecto Secyt-UNC REFERENCIAS [1] Renewable energies. Innovations for the future. Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation and Nuclear Safety. April [2] INDEC. Censo Nacional de Población, Hogares y Viviendas [3] Atlas de energía solar de la República Argentina, H. Grossi Gallegos y R. Righini. Publicado por la Universidad Nacional de Luján y la Secretaría de Ciencia y Tecnología, Buenos Aires, Argentina, marzo de [4] SIG-Eólico: [5] Estudio prospectivo de energías renovables. Fundación Bariloche, [6] [7] [8] Soares M., Kind S., Fernández O., Estado de la Industria Eólica en Argentina Cámara Argentina de Energías Renovables. [9] [10] Ibrahim M.Z., Zailan R, Ismail M. and Muzathik A. M. Pre-Feasibility Study of Hybrid Hydrogen Based Energy Systems for Coastal Residential Applications. Energy Research Journal 1 (1): 12-21,