SISTEMA EÓLICO DIESEL CON UNIDAD CINÉTICA DE TECNOLOGÍA MODERNA

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1 SISTEMA EÓLICO DIESEL CON UNIDAD CINÉTICA DE TECNOLOGÍA MODERNA Autores: José González Almeida p (I), Dr. Juan Imeldo Gómez Gómez (II), Dr. Francisco Arvelo Valencia (III) (I) Alumno 4º Curso de Física Aplicada de la Universidad de La Laguna. (II) Dr en Marina Civil y Profesor del Departamento de Ciencias y Técnica de la Navegación de la Universidad de La Laguna (III) Dr en Marina Civil, Jefe de Máquinas de la Marina Mercante RESUMEN El reto del proyecto que se presenta radica en la utilización de un aerogenerador convencional operando en paralelo con un grupo diesel de potencia equivalente. El sistema será capaz de parar el grupo diesel, siempre que la potencia del aerogenerador supere a la demandada, minimizando el consumo de energía de procedencia fósil. Palabra clave: Generador de aire, grupo diesel, minimizar el consumo ABSTRACT The challenge of the project presented here is the use of a conventional air generator operating in parallel with a diesel group of equivalent power. The system will be able to stop the diesel group, whenever the power of the air generator surpasses the demanded one, diminishing the consumption of energy of fossil origin. Key word: air generator, diesel group, diminishing the consumption. 1. INTRODUCCIÓN A pesar del rápido desarrollo de los medianos y grandes aerogeneradores conectados a red, que está teniendo lugar en nuestro país, los sistemas eólicos aislados para generación eléctrica han experimentado un desarrollo mucho más lento. Los sistemas eólicos para funcionamiento aislados presentan una 738 1

2 problemática claramente diferenciada respecto a los sistemas conectados a red, ya que el acoplamiento entre la energía demandada y la generada hace que requieran sistemas de acumulación y regulación específicos. Para alcanzar esta forma de operación, es necesario desarrollar un sistema de almacenamiento a corto plazo, que permita evitar las continuas fluctuaciones de potencia debidas a la turbulencia del viento y a las variaciones de la demanda, las cuales pueden producir continuos ciclos de arranque/parada del grupo diesel e inestabilidades en la red eléctrica a la cual se conectan las cargas. El sistema de almacenamiento deberá ser fiable (soportar un gran número de ciclos de carga descarga, robustez de sus componentes), seguro, modular, eficiente, transportable y viable comercialmente. a. Estado de los sistemas eólicos-diesel La necesidad de energía es vital para el desarrollo de cualquier pueblo. En el mundo existen infinidad de lugares, en los que por la inexistencia o por la lejanía de las grandes redes transporte de energía abastecidas a través de sistemas de generación centralizados, disponen de abastecimiento de energía de forma aislada, normalmente mediante grupos electrógenos con costes de explotación muy superiores a los convencionales. Las causas de la falta de centralizados son variadas: lugares remotos con bajos índices de población, bajo nivel de consumo, zonas protegidas, islas, bajo nivel de desarrollo imposibilidad de acometer las inversiones que suponen, etc. La dependencia de este tipo de sistemas, de generación aislada, combustibles de origen fósil, hacen que sus costes de operación este sometidos a las variaciones de mercado, normalmente exterior y a unos costes de transporte altos debido a su situación normalmente remota y alejadas de las grandes redes de comunicación. El reciente desarrollo de las tecnologías de aprovechamiento de las energías renovables, mas con de la energía eólica, ha dado explotación exitosa del potencial eólico en determinados lugares, a través de parques eólicos de gran potencia conectados a la red eléctrica. La disminución de costes de producción de aerogeneradores de media potencia ha abierto las posibilidades de utilización de dicha tecnología en aplicaciones aisladas, siempre y cuando el recurso renovable, en este caso el potencial eólico sea suficiente para hacer viable dicha instalación

3 Hoy en día existe en el mundo un gran número de instalaciones de generación de energía aislada mediante sistemas denominados eólicos-diesel. Normalmente se encuentran localizadas en islas aunque también hay sistemas en áreas continentales. b. Análisis de la problemática Los primeros sistemas híbridos eólico diesel no disponían de sistema de almacenamiento. Eran lo que se denominan sistemas eólicos-diesel de baja penetración eólica, ya que el o los grupos diesel debían operar durante todo el tiempo, aunque hubiera energía suficiente de procedencia eólica, durante algunos periodos, para suministrar la carga. Incluso durante los periodos de generación eólica había que disipar energía para mantener estables los parámetros de red (tensión y frecuencia) operando por tanto el grupo diesel por debajo del 40% de la potencia lo cual suponía un derroche tremendo de combustible Este tipo de sistemas se han continuado haciendo, pero para grandes potencias (MW), por ejemplo como sistema de electrificación de islas en las cuales el sistema de gestión o despacho de potencia se encarga de regular de forma coherente Hoy en día existe en el mundo un gran número de instalaciones de generación de energía aislada mediante sistemas denominados eólicos-diesel. Normalmente se encuentran localizadas en islas aunque también hay sistemas en áreas continentales todos los generadores existentes (convencionales y renovables) de forma que la demanda está garantizada con una calidad de señal suficiente. La tecnología fue avanzando y se comenzaron a diseñar sistemas eólicos-diesel más optimizados mediante la inclusión de sistemas de almacenamiento de energía. El almacenamiento de energía sigue siendo una asignatura pendiente. Hoy en día, se puede decir que continúa siendo el sistema más fiable, el basado en baterías electroquímicas, normalmente de plomo-ácido aunque ya existen nuevas tecnologías con distintas ventajas dependiendo de los requerimientos de la aplicación a la que vayan destinadas. Los primeros sistemas eólico-diesel con capacidad de parar el motor diesel se empezaron a diseñar con almacenamiento mediante baterías electoquímicas. Con ello comenzó a desarrollarse los sistemas de control y acondicionamiento de potencia ya que la batería al ser una fuente de tensión continua, debía disponer de 740 3

4 elementos convertidores, para poder conectar ese dispositivo a la red alterna del sistema. En principio se utilizaron convertidores rotativos compuestos por la operación conjunta de dos máquinas eléctricas acopladas mecánicamente. Se acoplaba una máquina eléctrica alterna (lado de red) y una máquina eléctrica de continua (lado de la batería). El surgimiento de la electrónica de potencia hizo que esta tecnología de acondicionamiento de potencia fuera sustituyéndose por convertidores de potencia que efectuaban la misma conversión pero con mayor eficiencia y facilidad de instalación. Por otro lado, en un principio se dudaba de su fiabilidad, y en lugares remotos era complicado su mantenimiento. Hoy en día, el grado de confianza en los convertidores electrónicos de potencia ha crecido y por esta razón, junto con el descenso de sus precios, ha hecho que la mayoría de los sistemas eólico-diesel con batería dispongan de estos equipos para la realización del proceso de carga y descarga de las mismas perfectamente. Está claro que para almacenamiento a medio plazo (autonomía de días) la batería electroquímica es la solución más fiable, aunque desde el punto de vista de eficiencia, vida útil, mantenimiento, instalación, o medioambiental, no sea la solución óptima. Existe otro punto debido al cual, la batería electroquímica operando en paralelo con un aerogenerador no sea la mejor solución, ya que desde el punto de vista dinámico, las continuas fluctuaciones de la velocidad de viento, hacen que sobretodo en aerogeneradores de velocidad constante, basados en generadores de inducción, se produzca puntas de potencia instantanea que afectan a la vida de la batería. El gran número de ciclos de carga/descarga al que están sometidas puede hacer envejecer a la batería de forma prematura con el consiguiente sobrecoste por reposición. Además, dependiendo del país donde esté instalado el sistema, se pueden dar problemas medioambientales al no existir cauces adecuados para el tratamiento del residuo generado. De cara a evitar los problemas anteriormente tratados, se comenzaron a realizar sistemas eólico-diesel con otras soluciones de almacenamiento. La idea de partida era utilizar el grupo diesel como sistema de garantía de energía pero poder prescindir de él, cuando la energía de origen eólico fuera mayor que la energía demandada. Para conseguir este objetivo, había que evitar que las continuas fluctuaciones de la potencia de salida del aerogenerador, debido a la propia naturaleza turbulenta del viento provocasen continuos procesos de arranque/parada del grupo diesel. También había que evitar que una ráfaga pudiera desestabilizar al 741 4

5 sistema, por lo que el sistema a desarrollar debería tener una respuesta dinámica rápida y por último, debería poder responder ante continuos ciclos, sin que ello afectase de forma decisiva a su vida útil. La respuesta era desarrollar un sistema de almacenamiento a corto plazo (capacidad para almacenar/ entregar energía entorno a dos minutos la potencia nominal. Se han probado múltiples sistemas de almacenamiento de éste tipo basados en aire comprimido, baterías de tracción, volantes de inercia, siendo éstos últimos los que en principio se presentan como mejor solución a la problemática propuesta. La solución del volante de inercia, como sistema de almacenamiento de energía es antigua. Se basa en la energía cinética que puede almacenar una determinada masa cuando se encuentra en rotación. La energía que puede almacenar un determinado volante de inercia es función de la masa que gira, también llamado rotor, del cuadrado del radio de dicho rotor y del cuadrado de la velocidad de rotación. Ecuación: E c = 2 Iω Ecuación: Siendo: E c la energía cinética en Joules, I: el momento de inercia en Kgm 2 ω: la frecuencia angular en radianes 2 I =?mr Siendo: m: masa del rotor en kg R: el radio del rotor en metros La primera tecnología de volante de inercia utilizada para este tipo da aplicaciones se basa en alcanzar energía requerida mediante la masa del rotor. La velocidad de rotación es baja y constante por lo que toda la capacidad de almacenamiento depende del radio del rotor y de su masa. Son volantes de acero acoplados mecánicamente en el eje que une el motor diesel con el alternador o generador síncrono del grupo electrógeno. Esta tecnología es muy robusta pero tiene algunos inconveniente como es la baja relación entre energía real almacenada y energía útil, ya que al operar a velocidad de rotación casi constante, puede absorber o entregar muy poca energía. El volante rueda solidario con el eje del generador síncrono, este eje gira a velocidad casi constante, normalmente 1000 o 1500 revoluciones por minuto, dependiendo de las 742 5

6 características de la máquina eléctrica, la cual debe mantener la frecuencia de la red lo más estable posible y dentro de los limites de operación. Otra desventaja es que si el sistema opera sólo con el grupo diesel, las pérdidas debido al arrastre del volante son altas y por último el gran peso del volante hace que sea difícil de mantener. Se debe tener en cuenta que el volante debe estar continuamente rodando. Para mejorar la relación energía/almacenada/energía útil del volante de inercia se comenzaron a desarrollar volantes con capacidad de operar a velocidad variable. Esta característica hace que para la misma energía útil se pueda fabricar el volante más ligero lo que es lo mismo con menos masa Se han desarrollado varios prototipos de volantes de inercia con capacidad de operar a velocidad variable) mediante una transmisión mecánica o. convertidores El Rutherford Appleton Laboratory (RAL) ha desarrollado dos prototipo de volante (uno con máquina de inducción y otro con máquina síncrona) con capacidad de operar a velocidad variable hasta 6000 r.p.m. Ambos sistemas se han realizado con volantes de acero con una capacidad de suavizar fluctuaciones de potencia de frecuencias hasta 0,5 Hz. Por último están los volantes de inercia que además de poder variar sus vueltas, operan a alta velocidad (> r.p.m.) con lo que obtienen mayor capacidad de almacenamiento con dimensiones y masas realmente reducidas. c. Descripción del proyecto: El proyecto Sistema Eólico Diesel con Unidad Cinética de Tecnología Moderna comenzó su andadura en septiembre del año 1998, con el animo de desarrollar un sistema híbrido eólico - diesel de generación de energía eléctrica, para abastecer un consumo medio en zonas aisladas de la red eléctrica, con alto potencial eólico. El reto tecnológico de éste proyecto, ya comentado, radica en obtener una gran penetración eólica, en otras palabras, cubrir la necesidad de abastecer la demanda energética, el mayor tiempo sólo con energía procedente del viento. Para cumplir este requisito, el sistema debe ser capaz de operar de forma estable, con el grupo diesel parado, siempre que la potencia de salida aerogenerador sea mayor que la potencia de la carga conectada. Existen múltiples soluciones tecnológicas para obtener un nivel de penetración eólica alto. (Se define como alta penetración eólica alcanzar una relación de energía 743 6

7 consumida de origen eólico sobre la energía anual total consumida durante un determinado periodo (mensual o anual) de al menos el 60%. ) En éste proyecto se desea realizar un sistema que sea compatible con aerogeneradores con regulación de potencia por pérdida (paso fijo) y velocidad constante. El electrógeno estará compuesto por un motor diesel estándar y un generador síncrono, cuyos ejes estarán acoplados mediante un embrague electromagnético que permita continuar girando al alternador de forma sincrónica con la red, incluso con el motor diesel parado. En este proyecto la máquina síncrona podrá operar como generador cuando está acoplado al motor diesel o como compensador síncrono cuando esté desacoplado del motor diesel realizando la compensación de la potencia reactiva demandada por el generador asincrono de jaula de ardilla del aerogenerador. 2. CONCLUSIONES. El modo de operación del sistema obliga a implementar un sistema de acoplamiento entre el aerogenerador y el grupo electrógeno que permita evitar las continuas turbulencias del viento o del consumo, las cuales causarían frecuentes procesos de arranque y parada del grupo electrógeno, con el consiguiente incremento de consumo de combustible. Este sistema de acoplamiento normalmente se basa en un sistema de almacenamiento a corto plazo normalmente baterías electroquímicas, volantes de inercia o ambos que permiten extraer o entregar energía al sistema. Uno de los retos de este proyecto es el diseño de un sistema de acumulación de corto plazo basado en un sistema electromecánico de almacenamiento inercial de alta velocidad de rotación con capacidad de variar en vueltas (de a rpm), 50 kw de potencia y una capacidad de acumulación de energía del entorno de 4,5 MJ (1,25 kwh ) (1 minuto 50kw). El nivel de potencia seleccionado para realizar el sistema prototipo es 50 kw. A partir de este prototipo, se espera sacar todas las conclusiones necesarias para realizar sistemas para aplicaciones reales de mayor potencia. 3. BIBLIOGRAFÍA. 1 Cruz I., Avía F., Arribas L.M:., Arias F., Fiffe R.P. García Tabares L. Iglesias I.J., Pérez J. L. Experimental wind/diesel system with a short time storage system based on high speed flywheel Wind Power for the 21 St Century Conference Septiembre 2000 Kassel.Alemania

8 2.-Cruz I. Desarrollo de un sistema eólico diesel de alta penetración eólica mediante un sistema de almacenamiento cinético de alta velocidad de rotación I Jornadas Internacionales de Equipos Eléctricos. Octubre 2001 Bilbaoç 3.-Gonzalez J.A. Güemes A., Arias F., Cruz I. Estudio de materiales compuestos adecuados para la fabricación de volantes de Inercia MACOMP III Congreso Nacional de Materiales Diciembre 1999 Málaga 4.-Hunfer H.. Elliot George Wind Diesel Systems. A Guide fo the Technology and its lmplementation. Edited by Cambridge Universitv Press Iglesias I. J. Garcia Tabares L., Angulo A. Cruz., Arriba L. M. Desing and simulation of a stand alone wind diesel generator with a flywheel storage system to supply the requerid active and reactive power 31 st IEEE Power Electronic Specialist Conference. Junio 2000 Galway, Irlanda 4. CORRESPONDENCIA. Persona de contacto: José González Almeida Estudiante de 4º Curso de Física Aplicada de La Universidad de La Laguna Dirección : Finca España calle Granada, nº 1, piso 2º La Laguna (Tenerife) Tfn <jagonal@ull.es> <pacoarvelo@canariastelecom.com> 745 8