RESUMEN DE TRABAJO DE TESIS

Transcripción

1 RESUMEN DE TRABAJO DE TESIS IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA HÍBRIDO EÓLICO- TÉRMICO A GAS NATURAL PARA DISMINUIR EL CONSUMO DE GAS COMBUSTIBLE EN EL SUMINISTRO ELÉCTRICO DEL YACIMIENTO PETROLERO LOTE-X DE TALARA En el Perú de hy, se utilizan ls cmbustibles fósiles, vale decir, petróle, diesel y gas natural, para generar la energía necesaria en la expltación de ls yacimients petrlers. Será factible utilizar el ptencial eólic aprvechable cn que cuenta el país? Autres: Francisc Prles Ocha 1, James Cris Cáceres 2 En nuestr país, ls yacimients de petróle y gas, pr su extensión y ubicación gegráfica, n se encuentran cnectads al sistema eléctric intercnectad nacinal (SEIN), requiriend para ell elevads csts de inversión. Según el Infrme Mensual (Setiembre 2014) de Perupetr, existen en el país 70 cntrats de hidrcarburs vigentes, de ls cuales, 46 están en la etapa de explración y 24 en la etapa de expltación. De ests 24 cntrats de expltación, es decir, en prducción, 11 se ubican en la csta (nreste), 10 en la selva y 3 en el zócal. El presente trabaj de investigación 3, plantea la utilización de la energía eólica cm fuente de energía alternativa para la prducción de electricidad en un yacimient petrler ubicad en el nreste del país, y evalúa la implementación de un sistema híbrid eólictérmic a gas natural para el abastecimient de electricidad en dich yacimient, -el cual actualmente autgenera electricidad para su prpi cnsum mediante energía térmica-, cn el bjetiv de disminuir el cnsum de gas natural para la generación eléctrica y reducir ls alts índices de interrupcines en el suministr eléctric. Asimism, el presente trabaj realiza un Análisis de Estabilidad y Cnfiabilidad del sistema eléctric resultante, a efects de viabilizar su implementación. 1 Ingenier Mecánic (Universidad Católica del Perú) 2 Ingenier Electricista (Universidad Nacinal del Centr) 3 Trabaj de tesis titulad: IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA HÍBRIDO EÓLICO-TÉRMICO A GAS NATURAL PARA DISMINUIR EL CONSUMO DE GAS COMBUSTIBLE EN EL SUMINISTRO ELÉCTRICO DEL YACIMIENTO PETROLERO LOTE-X DE TALARA ; realizad para btener el grad de Maestr en Ciencias cn mención en Energía. Maestría rganizada pr la Facultad de Ingeniería Mecánica (FIM-UNI) en cnveni cn el CARELEC (Ministeri de Energía y Minas).

2 El yacimient petrler en expltación materia del presente estudi es el Lte-X, ubicad en el distrit El Alt, prvincia de Talara, departament de Piura (ver Figura 1), que pera en frma aislada al Sistema Eléctric Intercnectad Nacinal (SEIN). Es un aut prductr de energía eléctrica y cuenta para ell cn generación lcal prpia a través de una central termeléctrica de 8,3 MW de ptencia instalada, equipada cn nueve (09) grups electrógens que usan cm cmbustible el gas natural prducid en el mism yacimient. Las cargas principales están representadas pr mtres eléctrics asíncrns trifásics cn rtr del tip jaula ardilla, de ptencia variable entre 5 y 75 HP cn tensión de alimentación de 460 vltis, utilizads para accinar las unidades de bmbe mecánic de ls más de 1,700 pzs prductres que se encuentran ubicads en frma dispersa en td el yacimient, en un área de más de 47,000 hectáreas (470 Km²), cnfrmand pequeñas y medianas agrupacines de carga que varían entre 80 KVA a 800 KVA. CTE El Alt REDES DE DISTRIBUCIÓN ELÉCTRICA LOTE X LOTE X Área: 470 Km2 (47000 hectáreas) N Pzs: más 1700 Zna Cstera (ventsa) Distrit de El Alt Prvincia de Talara Departament de Piura Pzs prductres Figura 1. Ubicación gegráfica del yacimient Lte-X y de su sistema eléctric para el abastecimient de electricidad a ls pzs prductres de petróle y gas. Para realizar el mdelamient y las simulacines eléctricas, se utilizó el sftware DIgSILENT Pwer Factry, así cm también, el sftware HOMER cm herramienta

3 para el diseñ, mdelad, ptimización y análisis de factibilidad del sistema híbrid eólictérmic (a gas natural). Para ell, se evaluarn cuatr (04) escenaris cn generación eólica y un (01) escenari base, cn la finalidad de pder abarcar ls suficientes escenaris que permitan determinar la cnexión eléctrica más óptima: Escenari Base: sistema actual de generación cnvencinal a partir de la única central termeléctrica existente, cnfrmad pr grups electrógens a gas natural. Escenari 1: sól generación eólica, de manera centralizada y ubicada en el Distrit El Alt. Escenari 2: sól generación eólica distribuida pr znas a l larg de tda la extensión del yacimient. Escenari 3: generación híbrida (eólica térmica a gas natural) instalads en la actual ubicación de la central termeléctrica. Sub-escenari 3.1: generación eólica cubriend hasta el 14,3 % de la demanda eléctrica del yacimient, el rest cn generación térmica a gas natural. Sub-escenari 3.2: generación eólica cubriend hasta el 28,59 % de la demanda eléctrica del yacimient, el rest cn generación térmica a gas natural. Sub-escenari 3.3: generación eólica cubriend hasta el 42,89 % de la demanda eléctrica del yacimient, el rest cn generación térmica a gas natural. Escenari 4: generación híbrida (eólica térmica a gas natural) distribuida pr znas a l larg de tda la extensión del yacimient. Sub-escenari 4.1: generación eólica cubriend hasta el 14,3 % de la demanda eléctrica del yacimient, el rest cn generación térmica a gas natural. Sub-escenari 4.2: generación eólica cubriend hasta el 35,74 % de la demanda eléctrica del yacimient, el rest cn generación térmica a gas natural. Sub-escenari 4.3: generación eólica cubriend hasta el 42,89 % de la demanda eléctrica del yacimient, el rest cn generación térmica a gas natural. Respect al recurs eólic a utilizar, ls dats meterlógics del vient se pueden imprtar del prgrama HOMER, pudiend además btenerse del prgrama METEONORM ls valres hraris de la velcidad del vient para la zna en estudi. Sin embarg, se ha utilizad la base de dats histórica de medicines de vient que fuern registrads pr la Estación Meterlógica de Talara perteneciente a CORPAC 4. El rang de velcidades del vient utilizad, según el registr históric de vient en Talara es: 4,0 m/s; 5,0 m/s; 5,5 m/s; 6,5 m/s y 7,0 m/s (Ver Figura 2). 4 CORPAC S.A, Crpración Peruana de Aerpuerts y Aviación Cmercial.

4 Figura 2. Sensibilidad de la velcidad del vient en m/s (zna de Talara) en HOMER. Desde el punt de vista técnic-ecnómic, para un suministr más cnfiable de energía eléctrica, se requerirá un sistema híbrid eólic-térmic a gas natural, cmpuest pr: Ds (02) aergeneradres VESTAS mdel V100-1,8MW similar, ls cuales pseen un rtr a barlvent equipad cn tres palas a 120 entre ellas. Dentr de cada aergeneradr se encuentran ls equips de cntrl y cnexión en baja tensión. La ptencia individual de cada aergeneradr es de 500 kw a la velcidad de vient prmedi de 6 m/s, ttalizand para el parque eólic 1,000 kw dispnibles para el despach eléctric. Cuatr (04) grups electrógens CUMMINS mdel 1250GQNA de 1,028 kw cada un. Ds (02) grups electrógens CATERPILLAR mdel 3516LE de 428 kw cada un. N es necesari cntar cn banc de baterías ni cnvertidres, pues n hay exces de energía eléctrica para almacenar.

5 Cm resultad del estudi de estabilidad transitria, ls escenaris más viables desde el punt de vista de estabilidad sn el Sub-escenari 3.1 y el Sub-escenari 4.1. Se establece hasta un 14,3% cm máxim de penetración de energía eólica en el sistema eléctric del yacimient (ver Tabla 1 y Figura 2). Asimism, ests sub-escenaris presentan valres de frecuencia y tensión ligeramente fuera del rang tlerable durante y después de la perturbación. Sin embarg,para el estad de restablecimient se presentan scilacines sstenidas que n se amrtiguan ni se estabilizan, pr l que se requiere de un estabilizadr de ptencia PSS para que su implementación sea viable. Estas scilacines sn psibles de amrtiguar mediante la aplicación de estabilizadres de sistemas de ptencia PSS s (Pwer System Stabilizer) en ls generads síncrns. El mdel prpuest es el PSS-IEEEST. Ptencia efectiva de la central eléctrica kw Númer de aergeneradres de 450 kw a 6 m/s. Generación eólica (kw) Despach (kw) de generadres Generación eólica cubriend el 14,3 % de la demanda de la central eléctrica en kw ,72 kw (04 GG.EE CUMMINS a kw + 03 GG.EE CATERPILLAR a 427,9 kw) Ttal Demanda(kW) 6, Tabla 1. Despach de generación Sub-escenari 3.1.

6 Figura 3. Ángul del rtr de cada generadr síncrn - Sub-escenari 3.1. Cm parte de ls resultads del análisis técnic-ecnómic realizad cn el prgrama HOMER, se cncluyó que sí es psible reducir el cst de electricidad para el autabastecimient del yacimient Lte-X a través de la penetración de la energía eólica dispnible en la zna. Así se btuv una reducción en el cst prmedi de energía (COE) incluyend el cst del gas cmbustible - de 11.2 %, es decir, de US$/kWh cn el escenari base a US$/kWh cn ls sub-escenaris 3.1 y 4.1 (ver Figura 4). Est representa un ahrr ecnómic para el peradr del yacimient de aprximadamente 551,880 US$/añ, que pdrá ser invertid para ptimizar su prducción de petróle y gas.

7 Figura 4. Resultad final de Sensibilidad cn HOMER para el Sub-escenari 3.1_4.1, para velcidad de vient entre 3 y 4 m/s, preci del gas natural de 0.1 US$/m³ y cumpliend la restricción del Estudi de Estabilidad de 14.3 % (rednde a 0.15). A partir de ls registrs histórics de peración del sistema, que abarcan un períd de 10 añs ( ) y cn la utilización del sftware DIgSILENT, se determinarn índices de cnfiabilidad (ver Tabla 1) del sistema de sub-transmisión, tales cm el índice de frecuencias de interrupcines prmedi del sistema (SAIFI), índice de duración de interrupcines prmedi del sistema (SAIDI), índice de duración de interrupcines prmedi pr cliente (CAIDI), índice de dispnibilidad de servici prmedi (ASAI) y energía n suministrada del sistema (ENS).

8 Tabla 1. Cuadr cmparativ de índices de cnfiabilidad de ls escenaris simulads. Del análisis cmparativ de ls sub escenaris simulads, se btuviern las siguientes cnclusines: El sub-escenari 4.3 presenta en primer lugar ls valres más bajs de ls índices SAIFI, SAIDI, CAIDI, ENS y mayr valr del índice ASAI. Además, de acuerd al estudi de estabilidad transitria, este escenari n es viable pr las scilacines sstenidas de tensión y frecuencia después de currida una gran perturbación. Este sub escenari presenta una (01) falla cada 263 hras. El sub-escenari 4.2 presenta en segund lugar ls mejres índices de cnfiabilidad para el sistema y representa la generación eólica distribuida cn el % de la demanda eléctrica, y de acuerd al estudi de estabilidad transitria n representa una pción viable. Este sub escenari presenta una (01) falla cada 255,796 hras. El sub-escenari 4.1 presenta en tercer lugar ls mejres índices de cnfiabilidad y representa la generación eólica distribuida cn el 14,3% de la demanda eléctrica, y de acuerd al estudi de estabilidad transitria representa la pción más viable para implementarse. Este sub escenari presenta una (01) falla cada 237,154 hras. De manera general se cncluye que, de acuerd a ls índices de cnfiabilidad de la tplgía de red del Sub-escenari 4.1, éste n repercute significativamente en la tplgía actual de la red, pr l que pdems asegurar que la incrpración del 14.3 % de generación eólica distribuida pr znas en el sistema actual, n afectará la peración del sistema y pr l tant es el sub-escenari recmendad para implementarse cn generación eólica. Además, cnsiderand una vida útil del pryect de 10 añs, el Escenari Base cnsumirá anualmente en prmedi 12.7 millnes metrs cúbics (448,5 millnes pies cúbics) de gas natural cm gas cmbustible, mientras que ls Sub-escenaris 3.1 y 4.1 (sistema de energía híbrid térmic-eólic) cn 14.3% de penetración de la energía

9 eólica cnsumirá millnes metrs cúbics (338.2 millnes pies cúbics), es decir, una reducción anual del 24.6 % en el cnsum de gas natural. Respect a la emisines cn el sistema híbrid óptim btenid, se alcanzará una prducción de ,022 kg/añ, lgrándse reducir las emisines de gases de efect invernader (CO2) en un 36.4 % respect al Escenari Base, cn el cual se llegará a prducir ,150 kg/añ. Ls beneficis ecnómics ambientales que ell cnlleve, se pdrán sumar a ls beneficis ecnómics pr el menr COE (ahrr energétic btenid). Se demuestra que la velcidad del vient, es la variable termdinámica determinante para la cnfiguración del sistema híbrid, cnsiderand el ptencial energétic existente en la zna. Se determinó que la velcidad prmedi de velcidad del vient dispnible en la zna es de 5 a 6 m/s, y para cumplir la restricción de 14.3 % de máxima penetración eólica se requiere cm mínim 3.75 m/s, la cual es plenamente cubierta pr la velcidad prmedi dispnible. Finalmente, se cncluyó que un sistema híbrid (térmic-eólic) para la generación de energía eléctrica bien dimensinad hasta una penetración de renvable del 14.3%, tiene la ventaja de la estabilidad y cnfiabilidad en el suministr eléctric que requiere el yacimient Lte-X. Cn la infrmación eólica que existe hy en la zna nrte, un sistema de energía híbrid es factible de planificar, mdelar y diseñar. Asimism, hy el Perú está cmprmetid cn las energías renvables, prueba de ell es la presentación pr parte del Ministeri de Energía y Minas (MINEM) del Plan Energétic Nacinal , que establece incrementar la participación de las centrales renvables n cnvencinales (eólica, slar, etc.) prgresivamente hasta alcanzar una participación de 20% en el ttal de la generación eléctrica al 2025 en cnjunt cn las hidreléctricas menres de 20 MW.