PAUL ANDRÉS MANRIQUE CASTILLO

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1 Metodología para el diseño de Sistemas Híbridos para Generación de Energía Eléctrica y análisis de su viabilidad mediante el empleo de un Sistema de Información Geográfica. PAUL ANDRÉS MANRIQUE CASTILLO UNIVERSIDAD DEL VALLE FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA PROGRAMA DE POSGRADO EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA DOCTORADO EN INGENIERÍA (ÉNFASIS INGENIERÍA ELÉCTRICA) ÁREA DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA 2012

2 Metodología para el diseño de Sistemas Híbridos para Generación de Energía Eléctrica y análisis de su viabilidad mediante el empleo de un Sistema de Información Geográfica. PAUL ANDRÉS MANRIQUE CASTILLO INGENIERO ELECTRICISTA UNIVERSIDAD DEL VALLE FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA PROGRAMA DE POSGRADO EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA DOCTORADO EN INGENIERÍA (ÉNFASIS INGENIERÍA ELÉCTRICA) ÁREA DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA 2012

3 Metodología para el diseño de Sistemas Híbridos para Generación de Energía Eléctrica y análisis de su viabilidad mediante el empleo de un Sistema de Información Geográfica. PAUL ANDRÉS MANRIQUE CASTILLO INGENIERO ELECTRICISTA Documento final de investigación para optar al título de Doctor en Ingeniería (Énfasis Ingeniería Eléctrica) Director Ing. JAIRO ARCESIO PALACIOS PEÑARANDA Ph.D. UNIVERSIDAD DEL VALLE FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA PROGRAMA DE POSGRADO EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA DOCTORADO EN INGENIERÍA (ÉNFASIS INGENIERÍA ELÉCTRICA) ÁREA DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA 2012

4 CONCIENCIA Vas por delante de la gente. Lo haces excepcionalmente o como guía? Tal vez se trate de un tercer caso: eres desertor Es el primer caso de conciencia. Finges o eres veraz? Representas o te representan? Tal vez sólo seas un actor a quien imitan Es el segundo caso de conciencia. Acaso eres de los que miran a quienes obran? Acaso cooperas? O tal vez desvías la mirada y te apartas?... Es el tercer caso de la conciencia. Sientes disposición para acompañar, o ir por delante, o apartarte? Necesitas saber qué quieres y si quieres Es el cuarto caso de conciencia. Friedrich Wilhelm Nietzsche ( )

5 TABLA DE CONTENIDO Pág. 1.1 INTRODUCCIÓN OBJETIVOS Objetivo general Objetivos específicos CONTENIDO Y ESTRUCTURA DE LA TESIS 5 2. SISTEMAS HÍBRIDOS DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA (SHGEE) FUNDAMENTOS TEÓRICOS Sistemas híbridos para generación de energía eléctrica (SHGEE) SHGEE: Categorías y modos de funcionamiento Estructuras de un SHGEE ANTECEDENTES Recurso energético alternativo (REA) Sistemas híbridos para generación de energía eléctrica (SHGEE) SHGEE Fotovoltaico SHGEE Eólico SHGEE Fotovoltaico Eólico Otras configuraciones de SHGEE MODELADO DE COMPONENTES Generador fotovoltaico (FV) Principio de funcionamiento Modelo eléctrico de la celda fotovoltaica Modelo eléctrico del módulo o panel fotovoltaico Características de los paneles o módulos fotovoltaicos Constitución y funcionamiento del generador fotovoltaico Modelos empleados en el trabajo de investigación Parámetros del generador fotovoltaico empleados en la investigación Aerogeneradores Principio de funcionamiento Curva de potencia Parámetros de los aerogeneradores Instalación de los aerogeneradores Modelo empleado para el cálculo de la potencia generada por el aerogenerador Parámetros del aerogenerador empleados en la investigación La turbina hidráulica Modelo empleado para el cálculo de la potencia generada por la microturbina Parámetros de la microturbina empleada en la investigación El inversor Características de los inversores Parámetros de los inversores empleados en la investigación 35

6 2.3.5 El rectificador (conversor AC / DC) Parámetros de los rectificadores empleados en la investigación El regulador de carga de las baterías Tipos de reguladores de carga El generador de AC Consumo y eficiencia Modelo empleado para el generador de AC (Diesel) Parámetros de las máquinas de combustión interna empleadas en la 43 investigación Baterías Funcionamiento de la batería Parámetros de las baterías Modelos de carga y descarga de las baterías Parámetros empleados en la investigación HERRAMIENTAS COMPUTACIONALES PARA EL DIMENSIONAMIENTO, DISEÑO Y SIMULACIÓN DE SISTEMAS HÍBRIDOS PARA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA Herramientas computacionales Herramientas para el análisis de microrredes Otras herramientas SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA FUNDAMENTOS TEÓRICOS Introducción Definición de Sistema de Información Geográfica Funciones principales de un sistema de información geográfica SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA APLICADOS A LOS REA HERRAMIENTAS COMPUTACIONALES APLICADAS A LOS SIG Manejo adecuado de los programas para la creación de un SIG Programas SIG METODOLOGÍA INTRODUCCIÓN PRIMERA ETAPA GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD CON REA SEGUNDA ETAPA VALIDACIÓN DE PROPUESTAS DE GENERACIÓN DE 88 ELECTRICIDAD CON RECURSO ENERGÉTICO ALTERNATIVO Herramientas computacionales Homer Simulación Optimización Análisis de sensibilidad Hybrid Introducción Descripción general del modelo hybrid

7 Estructura de la interfaz gráfica de resultados Hoga Simulación Costo equivalente de la electricidad (LEC) Cálculo del LEC Cálculo del LEC para algunas instalaciones de producción eléctrica Instalaciones fotovoltaicas aisladas Instalaciones eólicas aisladas Sistema diesel individual Conexión a red Sistema diesel central Análisis económico Generalidades Costo del ciclo de vida útil (CCVU) Pasos en la aplicación del CCVU TERCERA ETAPA VIABILIDAD DE LA IMPLEMENTACIÓN DE SHGEE CASO DE APLICACIÓN INTRODUCCIÓN Casos de aplicación CASO DE APLICACIÓN Localidad de Tabaquén, Guainía Primera etapa metodológica Segunda etapa metodológica Resultados HOMER (Dimensionado + simulación) Tercera etapa metodológica ANÁLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES INTRODUCCIÓN ANÁLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES Recurso energético alternativo Tecnologías (aspectos técnicos y económicos) Demanda eléctrica Resultados de las simulaciones 139 BIBLIOGRAFÍA 140 ANEXOS 147

8 LISTA DE TABLAS pág. Tabla 1 Rendimientos para distintas tecnologías de los paneles fotovoltaicos 14 Tabla 2 Reacciones de oxidación y reducción 46 Tabla 3 Resumen de las herramientas computacionales para simulación y dimensionado de Sistemas Híbridos FV (FV + Diesel) 59 Tabla 4 DSS basados en SIG para integración de energías renovables en regiones europeas 65 Tabla 5 Aplicación de SIG a la generación distribuida de electricidad con fuentes renovables 68 Tabla 6 SIG y generación descentralizada de energía para electrificación rural 69 Tabla 7 Generalidades sobre el suministro eléctrico en zonas rurales en Colombia 75 Tabla 8 Energías renovables y sus aplicaciones 77 Tabla 9 Factores de transformación del dinero en el tiempo 112 Tabla 10 Situación geográfica de la localidad: La Tagua, Putumayo 116 Tabla 11 Información de recurso energético alternativo 116 Tabla 12 Propuestas de electrificación en función del recurso energético identificado 119 Tabla 13 Viabilidad del recurso identificado en la producción de electricidad 119 Tabla 14 Resultados de configuraciones de producción eléctrica 121 Tabla 15 Situación geográfica de la localidad: Solano, Caquetá 130 Tabla 16 Información de recurso energético alternativo 130 Tabla 17 Propuestas de electrificación en función del recurso energético identificado 133 Tabla 18 Viabilidad del recurso identificado en la producción de electricidad 133 Tabla 19 Resultados de configuraciones de producción eléctrica 135

9 LISTA DE FIGURAS pág. Figura 1 SHGEE Estructura serie 9 Figura 2 SHGEE Estructura conmutada 10 Figura 3 SHGEE Estructura paralelo 11 Figura 4 Circuito equivalente de una celda solar fotovoltaica 16 Figura 5 Curva característica I V de una celda solar 17 Figura 6 Curva característica I = f(v) de una módulo solar comercial 18 Punto de operación del panel fotovoltaico conectado a baterías (a) y conectado a un Figura 7 20 sistema sin baterías (b) Figura 8 Curva C P = f ( λ) típica de una turbina eólica 26 Figura 9 Curva de potencia para un aerogenerador comercial 26 Figura 10 Carta de selección de turbinas hidráulicas 32 Figura 11 Curva de eficiencia para un inversor comercial 35 Figura 12 Curva de consumo y eficiencia para una planta diesel 41 Figura 13 Circuito equivalente de la batería plomo - ácido 46 Figura 14 Representación de la información geográfica manejada por un SIG 61 Figura 15 Funciones principales de un SIG 63 Figura 16 Primera etapa metodológica 76 Figura 17 Generación de electricidad: posibles fuentes de suministro 77 Figura 18 Representación esquemática de la carga diferible 79 Figura 19 Registradores industriales a) monofásico, b) trifásico para la determinación de perfiles diarios de demanda y c) registradores monofásicos de uso residencial 79 Figura 20 Perfil diario de demanda empleado como insumo en la metodología 80 Figura 21 Demanda de electricidad promedio para ZNI 81 Figura 22 Mapa de estaciones de referencia para la medición del recurso eólico. A nivel nacional y departamental (Valle del Cauca) 82 Figura 23 Flujograma de recolección de información para elaboración de mapas de radiación solar global 83 Figura 24 a) Ubicación de las estaciones de medida empleadas en el Valle del Cauca y, b) Representación gráfica de la información anual promedio 84 Figura 25 Organización de las celdas de información obtenibles de SWERA 85 Figura 26 Organización de las celdas de información obtenibles de SSE - NASA 86 Figura 27 Información geográfica tipo vectorial 87 Figura 28 Información geográfica tipo raster: a) SRTM, b) Aster GDEM 88 Figura 29 Segunda etapa metodológica 89 Figura 30 Relación conceptual entre la simulación, la optimización y el análisis de la sensibilidad en la herramienta Homer 90 Figura 31 Simulación, optimización y análisis de la sensibilidad en Homer 92 Figura 32 Estructura de la herramienta computacional Hybrid2 92 Figura 33 Estructura GUI 96 Figura 34 Simulación en HOGA 97

10 Figura 35 Comparación de CCVU s para determinar la preferencia por un SHGEE o un sistema alternativo (los costos de funcionamiento incluyen todos los costos exceptuando los 109 iniciales) Figura 36 Tercera etapa metodológica 113 Figura 37 Áreas en Colombia que no poseen acceso al Sistema de Interconectado Nacional Área de aplicación de la metodología 115 Figura 38 Demanda de electricidad para la localidad de la Tagua - Putumayo 117 Figura 39 Información geográfica para la Tagua 118 Figura 40 Demanda de electricidad para la localidad de Solano Caquetá a)servicio 24 horas y b)servicio 16 horas 131 Figura 41 Información geográfica para Solano, Caquetá 132

11 LISTA DE ANEXOS pág. Anexo A Matriz de simulaciones 156

12 CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN 1.1 INTRODUCCIÓN A partir de la primera revolución industrial, la demanda masiva de energía ha obligado a buscar recursos energéticos capaces de sostener el acelerado crecimiento del desarrollo industrial y del nivel de bienestar. Durante los primeros años este crecimiento se basó en la minería del carbón para pasar después al consumo de combustibles derivados del petróleo, del gas natural y finalmente de la energía nuclear. En la actualidad, la estructura energética mundial se basa, en gran parte, en el consumo de las energías fósiles (carbón, petróleo y gas natural) y nuclear, dejando aparte la energía hidráulica de gran potencia. Esta situación conduce a la emisión de gases de efecto invernadero, la generación de residuos sólidos y líquidos, el riesgo de accidentes graves y el agotamiento paulatino de los yacimientos existentes. A fin de no llegar a una situación insostenible, es preciso acudir a los Recursos Energéticos Alternativos (REA), poner a punto la tecnología que aumente su eficiencia y crear los instrumentos sociales y políticos que favorezcan su viabilidad económica [1]. De otro lado, a la par con el desarrollo industrial y económico de pocas naciones, existen bastantes en condiciones de subdesarrollo, inclusive nulo, sin contar aquellas en vías de desarrollo, las cuales concentran un elevado número de hogares que no cuentan con un servicio básico de electricidad. Estos hogares se concentran fuera de las áreas urbanas, o zonas rurales, donde por razones geográficas, sociales y económicas la electrificación supone una altísima inversión económica la cual tiene que ser asumida por las entidades gubernamentales. Aún cuando han existido, y se continúan desarrollando, programas de electrificación rural en estos países, los cuales han permitido acceder a la población de la utilización de la energía eléctrica en igualdad de condiciones con respecto a los usuarios urbanos, también han involucrado grandes costos con cargo al presupuesto estatal y/o regional de estos países [2]. Cerca de un tercio de la población mundial continúa recurriendo al uso de la energía animal y a combustibles no comerciales. Un poco más de 1.7 billones de personas no tienen acceso a la electricidad [3]. Dados el crecimiento demográfico y los recursos financieros disponibles a escala mundial para la electrificación rural, la población sin acceso a la energía eléctrica continuará siendo del orden de millones de personas en el horizonte del año

13 En este punto ha tomado un enorme interés la utilización de recursos energéticos alternativos para la electrificación rural, en especial, su implementación en pequeños sistemas aislados o descentralizados. Sin embargo, es notable el uso generalizado de plantas diesel en la prestación del servicio de energía eléctrica en zonas remotas, lo que ha generado un sinnúmero de inconvenientes técnicos y operativos que terminan por convertir en obsoleto este mecanismo convencional de energización. De manera paradójica, las zonas atendidas por plantas diesel poseen valiosos recursos energéticos alternativos, ignorados, que podrían complementar la generación con combustible fósil. Es este el principal motivo que impulsa esta investigación. Los recursos energéticos alternativos son especialmente adecuados para las aplicaciones descentralizadas al tratarse de recursos dispersos. Por otra parte, la consolidación cada vez mayor, a nivel mundial, de estos recursos energéticos como una de las soluciones al problema de la diversificación e independencia energética de cada comunidad, ha dado lugar en Colombia a una preocupación de las distintas entidades relacionadas con la energía, empresas y profesionales del sector, por conocer los recursos renovables para incluirlos en las planificaciones energéticas o en los estudios prospectivos [4]. Colombia, por su posición geoespacial, presenta enormes potenciales de recursos energéticos alternativos renovables y no renovables, como son: Sol, viento, recursos hídricos, biomasa, energía de los océanos y geotermia. [5] En los últimos años, se ha identificado que el empleo de sistemas de generación multifuente, denominados Sistemas Híbridos de Generación de Energía Eléctrica (SHGEE), en términos técnicos y económicos son viables y efectivos para la atención de la demanda eléctrica en zonas con alta dependencia de consumo de recursos energéticos fósiles donde es posible disponer de recursos energéticos alternativos. Esta tecnología se caracteriza por la posibilidad de incluir tanto recurso energético alternativo como convencional lo que permite aprovechar las capacidades locales de los recursos energéticos con las tecnologías convencionales de suministro y, de paso, brinda una alternativa más a la diversificación e independencia energética. Los SHGEE históricamente surgieron como alternativas de respaldo a la generación con combustibles fósiles, hoy se han popularizado, en parte, a la adecuada valoración del recurso energético y a la masificación de las tecnologías de transformación de estos energéticos. Prácticamente hoy día existen muchos SHGEE que producen electricidad, calor o fuerza motriz solamente a partir de recursos energéticos alternativos lo que ha permitido evitar la emisión de gases de efecto invernadero y aprovechar al máximo los recursos energéticos locales evitando la dependencia y el monopolio sobre la generación de energía eléctrica. Un SHGEE puede disponer de las siguientes fuentes de energía para su implementación: Solar, Eólica, Hidráulica, Biomasa, Hidrógeno junto con las convencionales plantas eléctricas impulsadas por combustible fósil. Básicamente cualquier fuente de energía susceptible de transformarse en electricidad, calor o fuerza motriz puede hacer parte de un SHGEE. 2

14 Estos sistemas pueden ser conectados a la red eléctrica o trabajar de manera aislada. En este trabajo de investigación sólo se considerarán los sistemas aislados, aunque su dimensionamiento y dependiendo de la accesibilidad a la red se pueden considerar dentro de esquemas de Generación Distribuida [6]. Este documento propone el desarrollo de una metodología que permite complementar la capacidad de generación diésel con recursos energéticos alternativos, y que estos recursos energéticos al ser de naturaleza local, permiten coadyuvar estrategias de desarrollo agroindustrial permitiendo el crecimiento y desarrollo sostenibles de comunidades rurales. La metodología abarca desde la consecución de información del recurso energético alternativo a emplear, el conocimiento del recurso energético, alternativo o convencional, que se está aprovechando, la evaluación de la demanda, la caracterización técnico-económica de las tecnologías disponibles y, por último, la integración de esta información dentro de un Sistema de Información Geográfica (SIG) con el fin de presentar las diferentes configuraciones posibles tanto con los recursos energéticos alternativos, como con los recursos energéticos convencionales empleados. El uso de los Sistemas de Información Geográfica (SIG) en la metodología obedece a que la recolección y caracterización de la información reúne aspectos regionales muy específicos que en muchas ocasiones no pueden considerarse de carácter general o global, y los cuales traen implícito una marcada tendencia geográfica. Estas herramientas son verdaderamente sistemas de soporte de decisiones de la planificación energética, suministrando información, a los agentes de decisión, del potencial regional de las tecnologías disponibles, tanto renovables como convencionales. Los SIG tienen ventajas de rapidez, volumen de información, capacidad de análisis, etc.; con los cuales es posible llevar a cabo un análisis de la información regional, complementando la metodología para el dimensionamiento de sistemas híbridos para generación de energía eléctrica, y evaluando la viabilidad para las alternativas de suministro con fuentes convencionales y renovables. Finalmente, esta metodología se convierte en la base de trabajo que permitirá desarrollar un vasto conocimiento de los SHGEE como mecanismos de producción eléctrica que permitan una mayor fiabilidad en la producción de electricidad que aquellos sistemas que solo poseen una fuente energética (incluidos aquellos sistemas convencionales como las redes eléctricas o las plantas eléctricas impulsadas por combustibles fósiles) y que adicionalmente brindan ventajas medioambientales en su utilización. 3

15 1.2 OBJETIVOS Objetivo General Desarrollar una metodología de diseño de un Sistema Híbrido de Generación de Energía Eléctrica Solar fotovoltaico diesel/biogás y cuyo análisis de viabilidad se realice mediante el empleo de un Sistema de Información Geográfica proponiendo que, tanto la metodología desarrollada como el análisis mediante un sistema de información geográfica, permita el uso de herramientas de libre acceso (freeware) desde la perspectiva del mínimo uso de licencias comerciales maximizando la divulgación y apropiación de la metodología para la aplicabilidad de la misma Objetivos Específicos Analizar las diferentes técnicas o métodos de dimensionado de los componentes de un Sistema Híbrido de Generación de Energía Eléctrica (SHGEE). Comparar las diferentes metodologías de diseño de SHGEE, en especial aquellas que involucren el uso de energía solar y aprovechamiento de biogás en la alimentación de plantas diesel. Probar y comparar algunas de las herramientas computacionales de libre uso disponibles para el dimensionado de SHGEE. Evaluar la aplicabilidad de los Sistemas de Información Geográfica para el análisis de factibilidad de sistemas híbridos de generación de energía eléctrica. Proponer y determinar la capacidad de un sistema de información geográfica de libre acceso para analizar la viabilidad del SHGEE. Sugerir la implementación de SHGEE Solar Fotovoltaico biogás/diesel como mecanismos de desarrollo sostenible en regiones rurales con o sin acceso al sistema de distribución convencional. Demostrar como la metodología propuesta permitiría mejorar las condiciones técnico - económicas de sistemas que emplean solamente combustible diesel en zonas aisladas del país. 4

16 1.3 CONTENIDO Y ESTRUCTURA DE LA TESIS El siguiente documento está estructurado en 8 capítulos, 6 de ellos principales los cuales se mencionan a continuación: El capítulo 1 corresponde al marco introductorio de la investigación indicando de manera global el punto de partida y el interés en aplicar los conceptos de SHGEE y SIG en la producción de electricidad a nivel rural y mencionando los objetivos que se alcanzarán con la investigación. El capítulo 2 presenta de manera un poco más específica el concepto de los Sistemas Híbridos de Generación de Energía Eléctrica el cual es uno de los pilares de la investigación. Aquí se incluyen los aspectos teóricos, antecedentes, modelado de componentes (de las herramientas computacionales empleadas) y finalmente se incluye una breve recopilación de herramientas computacionales disponibles para el diseño, simulación y dimensionamiento de estos sistemas. El capítulo 3 presenta el segundo pilar de la investigación: los Sistemas de Información Geográfica. Aquí se mencionan aspectos teóricos, así como los antecedentes actuales en la utilización de los SIG en la producción de electricidad con recursos energéticos alternativos. Adicionalmente, se ofrece un panorama de las herramientas disponibles en el tratamiento y procesamiento de la información geográfica. El capítulo 4 corresponde a la presentación de la metodología propuesta en el trabajo de investigación. Esta metodología incluye aspectos como: identificación del sitio y de los recursos energéticos, su cuantificación y posibilidades de transformación en electricidad. Paso seguido se emplean las herramientas computacionales de diseño, simulación y dimensionamiento para identificar que efectivamente se atiendan las necesidades energéticas de la zona en cuestión y se establecen los indicadores que alimentarán el SIG para evaluar la viabilidad del sistema. Al finalizar se comparan las configuraciones de los sistemas de generación eléctrica y se identifica cual es la alternativa que efectivamente atiende la demanda de electricidad del lugar seleccionado. El capítulo 5 muestra un caso de aplicación de la metodología propuesta en la implementación de un SHGEE y cuya viabilidad se identifique mediante un SIG. El capítulo 6 presenta y discute los resultados obtenidos con la metodología identificando fortalezas y debilidades de la misma con el fin de identificar los futuros trabajos a desarrollar en el tema. Los capítulos restantes corresponden a la bibliografía y a los anexos para completar el número total de capítulos mencionados al inicio de este numeral. 5

17 CAPÍTULO 2 SISTEMAS HÍBRIDOS DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA - SHGEE 2.1 FUNDAMENTOS TEÓRICOS [7-9] Sistemas híbridos para generación de energía eléctrica (SHGEE). Los sistemas de conversión de energía basados en recursos energéticos alternativos (REA) son empleados bajo dos aplicaciones claramente diferenciadas: La primera, corresponde a sistemas de conversión vinculados eléctricamente a una red de distribución de gran potencia. Dentro de esta categoría se encuentran sistemas de generación de potencia elevada, del orden de los centenares de kw, como por ejemplo los que pueden hallarse en granjas eólicas o fotovoltaicas. La segunda, comprende sistemas de conversión de energía autónomos, es decir sistemas aislados de una red de distribución de gran potencia. Estos sistemas se emplean generalmente para alimentar cargas de baja potencia o redes locales débiles. Históricamente los sistemas autónomos han empleado el generador diésel. Sin embargo, en lugares aislados su empleo acarrea problemas operativos tanto desde el punto de vista del suministro de combustible como de su reparación y mantenimiento. A la par de ello, los recursos energéticos alternativos REA (sol, viento, hídricos, biomasa, etc.) al ser inagotables, no contaminantes y dependientes del sitio para su aprovechamiento, se han convertido en opciones viables para su implementación en áreas aisladas. Pero, la dependencia de un solo REA termina en un sobredimensionamiento del sistema con el propósito de incrementar su confiabilidad. De ahí que, hoy en día una de las aplicaciones más promisorias en la tecnología de energías alternativas sea la implementación de Sistemas Híbridos para Generación de Energía Eléctrica en áreas remotas donde las condiciones de instalación de redes eléctricas y plantas diésel no son viables económicamente. Se ha demostrado que los SHGEE reducen significantemente el costo total del ciclo de vida útil de los sistemas energéticos aislados para variadas aplicaciones, al tiempo que proveen un suministro confiable de electricidad mediante la combinación de diferentes fuentes energéticas. El término Sistemas Híbridos describe un sistema aislado de generación eléctrica que combina varias fuentes energéticas alternativas y convencionales junto a un sistema de almacenamiento químico mediante baterías de plomo ácido. 6

18 Entre las principales aplicaciones de los SHGEE se encuentran: la provisión de energía eléctrica para pequeños asentamientos poblacionales y/o agroindustriales en áreas aisladas, en centrales repetidoras de telecomunicaciones, estaciones de bombeo de fluidos, atención hospitalaria básica, construcciones civiles, atención a desastres, puestos militares, recreación, etc SHGEE: Categorías y modos de funcionamiento. Los SHGEE, se pueden clasificar en dos categorías: Sistemas basados principalmente sobre recurso energético no alternativo (por ejemplo combustible diésel), con suministro suplementario de energía a través de recursos energéticos alternativos (eólico, solar, hidráulico, biomasa, etc.). Estos últimos aportan la energía base durante periodos de baja demanda, así como también la carga de un banco de baterías cuando exista exceso de generación eléctrica. Generalmente, el banco de baterías es llevado a un alto estado de carga (State Of Charge en inglés) para optimizar la operación del generador diésel. La energía generada por los REA es considerablemente menor que los requerimientos diarios de carga y el banco de baterías se diseña para ser ciclado periódicamente. Sistemas basados principalmente en recursos energéticos alternativos, con generación de respaldo mediante un generador diésel cuyo suministro se establece para periodos de alta demanda o cuando no existan condiciones de generación suficientes para atender la demanda. Para la atención de un alto porcentaje de la demanda diaria de energía, tanto el banco de baterías como los equipos de transformación de los recursos energéticos alternativos deberán ser mucho más grandes que los descritos en el punto anterior. Muchos SHGEE están diseñados para operar entre estas dos categorías, dependiendo de la localización y el análisis del costo del ciclo de vida útil para la aplicación en particular. Es evidente que una mayor disminución en el costo de la tecnología de recursos energéticos alternativos, en especial los paneles fotovoltaicos, brindará una mayor confiabilidad hacia los recursos energéticos alternativos. De otro lado, los SHGEE poseen diferentes modos de funcionamiento. Estos modos están determinados por las condiciones ambientales bajo las cuales el sistema se encuentra operando, por las condiciones de carga del subsistema de almacenamiento y por la demanda energética que impone la carga. Básicamente estos modos de funcionamiento están definidos por el balance energético entre la generación y el consumo, considerando dentro de este último tanto los requisitos provenientes de la carga como la recuperación del estado de carga del banco de baterías Estructuras de un SHGEE. Existen diferentes criterios de clasificación de un Sistema Híbrido de Generación de Energía Eléctrica SHGEE. Entre ellos podemos encontrar divisiones que hacen hincapié en los recursos energéticos utilizados, otras que los agrupan respecto a su funcionalidad (carga de baterías, bombeo de agua, interconexión a redes, etc.). Uno de los criterios de clasificación más utilizado consiste en agruparlos de acuerdo a la estructura de conexión bajo la cual se vinculan los módulos componentes del sistema. 7

19 De acuerdo con este criterio se han propuesto tres estructuras básicas de clasificación, las cuales son: estructura serie, estructura conmutada y estructura paralelo. A continuación describiremos estas estructuras: a. Estructura Serie. Toda la energía pasa a través de un banco de baterías y la energía eléctrica de A.C. es entregada a la carga mediante la inclusión de un inversor, cicloconvertidor o una unidad motor-generador como se muestra en la figura 1. El sistema puede operar en modo manual o automático, con la inclusión de un adecuado sensor de nivel de voltaje de la batería y un control de arranque/parada del generador diésel. Ventajas: No es requerida una conmutación entre las diferentes fuentes de generación del sistema, lo cual simplifica la tarea de control. La potencia suministrada a la carga no se ve interrumpida cuando el generador diésel entra a operar. El generador diésel puede ser diseñado para entregar toda su potencia útil aún cuando carga el banco de baterías, hasta alcanzar para este un estado de carga del 75 al 85%. Desventajas: El inversor debe estar seleccionado para suministrar en todo momento el pico de carga del sistema (un inversor de mayor potencia es más costoso). El banco de baterías es ciclado frecuentemente lo que acorta su vida útil. El ciclado frecuente requiere de un banco de baterías mayor. Figura 1. SHGEE Estructura Serie Generador Diesel Rectificador Banco de baterías Inversor Carga A.C. Marcha/parada Paneles Solares MPPT Controlador de carga Control Fuente [8] b. Estructura Conmutada. A pesar de sus limitaciones, la estructura conmutada mostrada en la figura 2 actualmente continua siendo una de las instalaciones más comunes. Esta estructura permite operar, ya sea con el generador diésel, los recursos energéticos alternativos o el inversor como fuente de energía, pero no permite la operación en paralelo de los recursos y equipos de generación. La operación conmutada de los recursos de generación permite en algún momento reducir el ciclado del banco de baterías lo que redunda en una mayor vida útil del sistema. Esta estructura puede ser operada en modo manual, sin embargo la complejidad del manejo de las fuentes de generación hace deseable la inclusión de un sistema de control que complete las tareas de censado del nivel de tensión del banco de baterías y la marcha/parada del generador diésel. 8

20 Ventajas: Las fuentes energéticas pueden alimentar la carga directamente. Desventajas: Se interrumpe la transferencia de energía a la carga cuando se cambia de fuente energética. El generador diésel debe estar seleccionado para atender la demanda pico del sistema. Una combinación óptima de recurso energético alternativo y diésel no es posible. Figura 2. SHGEE Estructura Conmutada Generador Diesel Rectificador Banco de baterías Inversor Carga A.C. Marcha/parada Paneles Solares MPPT Controlador de carga Control Fuente [8] c. Estructura Paralelo. La estructura paralelo mostrada en la figura 3 permite a todas las fuentes energéticas suministrar energía para baja y medias demandas, así como también proveer la energía necesaria para la atención de picos de demanda. En esta estructura es posible incluir inversores, rectificadores y/o convertidores bidireccionales los cuales permiten cargar el banco de baterías cuando haya exceso de energía en el sistema o aportar la energía demandada por la carga cuando esta lo requiera. Esta topología ofrece una serie de ventajas con respecto a las otras: Atención de la demanda de energía en forma óptima. Eficiencia del generador diésel maximizada. Mantenimiento del generador diésel minimizado. Reducción en las capacidades nominales de los equipos aún atendiendo la demanda de energía. Actualmente, los SHGEE presentes en la literatura responden estructuralmente a una única topología general como la que se presenta en la figura 3. Luego, cada aplicación en particular reducirá esta estructura general de acuerdo a los tipos de subsistemas de generación y almacenamiento que utilice, al tipo de carga y a los fines específicos buscados. Entre los buses colectores y cada módulo de generación se dispone de convertidores estáticos de energía. Estos no sólo permiten adaptar las características de la energía suministrada, sino que 9

21 comúnmente también se los utiliza como medio para controlar el punto de operación de los módulos generadores. Estructuralmente la topología presentada en la figura 3 describe la ventaja de la modularidad de estos sistemas. Es decir, nuevos recursos de generación, de igual o diversa naturaleza, pueden ser integrados al sistema sobre el bus de CA o sobre el de CC. La única restricción existente consiste en adaptar la forma de suministro de la energía. De esta manera, la potencia nominal del sistema puede ser incrementada a pasos discretos con el fin de adaptarse a nuevos requisitos de carga. Figura 3. SHGEE Estructura Paralelo Fuente [8] 2.2 ANTECEDENTES Recurso Energético Alternativo (REA). En las dos últimas décadas el desarrollo en el campo de los recursos energéticos alternativos como fuente innovadora y complementaria de producción energética ha jugado un papel importante, no solo, en planes de electrificación rural aislada debido a la confiabilidad, desempeño y economía de estos sistemas demostrados mediante procedimientos de diseño, modelado, simulación, análisis técnico y económico de tecnologías, y pruebas a prototipos [10 43], sino también, en el aprovechamiento de las redes eléctricas existentes para su inclusión en los sistemas de distribución convencionales, ya sea para esquemas de Generación Distribuida (GD) y apoyo a procesos de generación eléctrica mediante su interconexión a sistemas de potencia y análisis de los efectos de la inclusión de REA a la red [44-76] Sistemas híbridos para generación de energía eléctrica (SHGEE). La integración de diferentes recursos energéticos ha permitido a los SHGEE ser opciones, técnica y económicamente, viables no sólo para suministro energético en zonas aisladas [77 96], sino también, como se observó anteriormente, su inclusión en planes energéticos rurales de generación dispersa y en sistemas de potencia a partir de redes de distribución existentes [46, ]. 10

22 En zonas remotas y/o aisladas donde sea rentable la instalación de SHGEE, el empleo de recursos energéticos alternativos no sólo atiende la generación eléctrica sino también otras formas de producción energética como calor, fuerza motriz, etc.; y son los recursos energéticos del sitio en cuestión los que determinan el tipo de SHGEE a implementar. Es así como dentro de la literatura revisada encontramos diferentes configuraciones de SHGEE tales como: fotovoltaico-diésel, eólicodiésel, fotovoltaico-eólico-baterías, fotovoltaico-eólico-diésel-baterías, fotovoltaico-celdas de combustible, eólico-celdas de combustible, eólico-fotovoltaico-hidráulico, etc. A continuación mencionaremos las configuraciones más publicadas junto a los detalles que servirán de base para esta propuesta de investigación SHGEE Fotovoltaico. Los sistemas fotovoltaicos son la opción más viable de obtener electricidad en sitios con unas condiciones adecuadas de recurso solar [ ]. Sin embargo su alto costo de inversión aún no permite depender totalmente de este recurso para la atención de necesidades eléctricas. De ahí que la complementariedad con un recurso energético permita disponer de un sistema confiable y rentable. Los SHGEE Fotovoltaicos se componen de paneles solares, reguladores de carga, baterías, inversores y un sistema de respaldo que generalmente es un generador diésel. Estos sistemas tienen un excelente desempeño para el suministro de pequeñas cargas en zonas aisladas. Existen numerosos estudios que sustentan la viabilidad de la implementación de SHGEE Fotovoltaicos. Varias investigaciones incluyen aproximaciones probabilísticas o determinísticas que se emplean para evaluar el desempeño de los SHGEE Fotovoltaicos encontrando la combinación óptima solar/diésel. Los sistemas modelados incluyen o no el sistema de baterías. Al respecto el estado de carga del banco permite el diseño óptimo del sistema [107]. De otro lado, se presentan oportunidades para el empleo de SHGEE Fotovoltaicos en climas cálidos [86], diseño de SHGEE Fotovoltaicos mediante herramientas matemáticas computacionales [96, 106], metodologías de diseño que se sustentan sobre un análisis económico del sistema [84, 109, 110]. Otras herramientas como el análisis del costo de ciclo de vida se presentan para configuraciones que emplean como sistema de respaldo plantas de combustión alimentadas con gases combustibles provenientes de gasificadores o biodigestores [85]. Algunos SHGEE Fotovoltaicos sustituyen el sistema de respaldo diésel por celdas de combustible [110], y otros, al no emplear el análisis económico clásico, recurren a índices de confiabilidad como el LOLE (Loss of Load Expectation) o Expectativa de Pérdida de Carga [112] y el LOLP (Loss of Load Probability) o Probabilidad de Pérdida de Carga [16, 107, 113]. Finalmente se encuentran metodologías de optimización [107, 114] y operación del sistema [115], métodos de cálculo del costo de producción de energía para SHGEE Fotovoltaicos con almacenamiento por baterías [116] y métodos de predicción a largo plazo para el desempeño de SHGEE Fotovoltaicos [13] SHGEE Eólico. Para el aprovechamiento eólico de una manera efectiva y económica se debe seleccionar un sitio con un adecuado potencial [ ]. La predicción del desempeño económico y la confiabilidad de los SHGEE Eólicos pueden darse mediante modelos basados el método de simulación de Montecarlo [101, 120] y mínimo costo de producción eléctrica a largo plazo [81]. También se encuentran herramientas analíticas estocásticas para el óptimo análisis técnico 11

23 económico [121], así como también, se evalúa el efecto del impacto de la capacidad de almacenamiento del banco de baterías para la determinación de su tamaño óptimo [105]. El factor de capacidad de las turbinas eólicas es un parámetro de decisión para la elección del tipo de turbina a seleccionar para posicionar en el sitio seleccionado. También se documenta una metodología para simular la operación del sistema [49] SHGEE Fotovoltaico Eólico. Los sistemas autónomos solar fotovoltaico o eólico no producen energía aprovechable durante un buen periodo del año. La combinación de estos dos recursos más el sistema de almacenamiento por baterías y el sistema de generación de respaldo aumentan la confiabilidad en el suministro influyendo notoriamente en la reducción del consumo de combustible fósil y el número de baterías del sistema. Sobra decir que un SHGEE Fotovoltaico Eólico debe contar con un buen recurso energético que depende enormemente del sitio de interés para la generación. Algunos estudios presentan resultados en sitios excepcionalmente aptos para el aprovechamiento de estos sistemas [86 88, 106, 122]. En este tipo de sistemas, todos los componentes juegan un rol fundamental en el diseño óptimo y rentable [78]. Es así como la literatura presenta diferentes enfoques para la viabilidad técnica y económica de estos sistemas [123, 124]. Una metodología con enfoque probabilístico es desarrollada para modelar y simular la operación de un SHGEE Fotovoltaico Eólico [125]. Este enfoque probabilístico es utilizado para evaluar el desempeño del sistema híbrido [126, 127]. Otros estudios apuntan a optimizar la selección de uno de los elementos del sistema como es el caso de los paneles fotovoltaicos [128] y las baterías [129] dado que son los elementos más costosos del sistema. Las herramientas computacionales también son definitivas en el diseño de SHGEE Fotovoltaicos Eólicos [80, 89, 130, 131]. Los balances energéticos junto a técnicas iterativas son otro proceso de diseño y análisis [79]. Otras propuestas apuntan a la sustitución de la planta diésel por celdas de combustible [77, 132, 152,]. Algunos esquemas proponen técnicas de simulación de Montecarlo para la evaluación confiables del sistema [133], así como el empleo de algoritmos genéticos para el diseño óptimo del sistema [134]. Con respecto a los recursos energéticos, es posible emplear series de datos sintetizadas de manera que los cálculos para el desempeño del sistema sean más rápidos sin necesidad de procesar toda la información disponible [131]. Los índices de confiabilidad como el LOLP (Loss of Power Supply), y de costo energético como el LEC (Levelized Energy Cost) se presentan con algunas propuestas [135, 136]. Con la actual problemática ambiental, se incluyen estudios que evidencian la reducción de emisiones de efecto invernadero a partir de la utilización de estos sistemas [137]. Otras aproximaciones al diseño de sistemas híbridos emplean construcciones gráficas para la selección de los componentes [138] Otras configuraciones de SHGEE. En la siguiente tabla se relacionan algunas configuraciones encontradas en la literatura y que sustentan la enorme popularidad que gozan los sistemas híbridos: 12

24 SHGEE Investigadores Fotovoltaico Eólico Hidráulico Biogás [139, 140] Fotovoltaico - Eólico Hidráulico [95, 141] Fotovoltaico Eólico Planta de ciclo combinado (CHP) [142] 2.3 MODELADO DE COMPONENTES [143] Generador Fotovoltaico El generador fotovoltaico es el encargado de convertir la radiación solar en electricidad con unas características de tensión y de corriente que dependen de la cantidad de la radiación solar incidente, la temperatura y otros factores meteorológicos, así como de los parámetros constructivos del mismo. Un generador fotovoltaico generalmente consta de varios paneles o módulos fotovoltaicos conectados en serie y/o paralelo. Actualmente el material más utilizado en la fabricación de las células de los módulos fotovoltaicos es el silicio (mono o policristalino). Otra alternativa es el uso de silicio amorfo, que presenta rendimientos muy bajos, pero con la ventaja de que se pueden obtener celdas de espesor muy delgado por su gran capacidad de absorción de la radiación solar. En la tabla 1 se muestran algunos de los materiales más empleados junto con sus eficiencias de conversión fotovoltaica (radiación solar en electricidad DC). Tabla 1. Eficiencia para distintas tecnologías de los paneles fotovoltaicos Tecnología % Silicio amorfo (a-s) 2,4 8 Silicio policristalino (p-s) 5,4 16,5 Silicio monocristalino (m-s) 8,1 19,3 Silicio microcristalino (µc-si / a-si) 7,7 9,2 Silicio cristalino esférico (Spheral c-si) 7,4 7,6 Cinta de silicio policristalino ( Ribbon Si) 11,6 13,1 Teluro de Cadmio (CdTe) 9,7 10,4 Diseleniuro Indio Cobre (CIS) 6,9 11,8 Diseleniuro Indio Cobre Galio (CIGS) 6,2 11,2 Heterounión con capa delgada intrínseca (HIT) 14,6 17,4 Fuente: Revista Photon Principio de funcionamiento El principio de funcionamiento se basa en el efecto fotovoltaico, es decir en la conversión de la radiación solar en electricidad DC por medio de las celdas fotovoltaicas. 13

25 El material base de la celda fotovoltaica es el silicio, que dopado con fósforo da lugar a un semiconductor tipo N, mientras que dopado con boro da lugar a un semiconductor tipo P. En los semiconductores tipo N los portadores de carga mayoritarios son los electrones y los minoritarios los huecos. En los de tipo P sucede lo contrario. Las impurezas añadidas son del orden de (1) una parte por millón. Cuando se unen dos semiconductores, uno N y otro P, algunos electrones se desplazan por difusión desde la zona N a la P y algunos huecos de la zona P a la N. De esta manera, aparece carga negativa en la zona P de la unión y carga positiva en la zona N (zonas de carga espacial), creándose un campo eléctrico en la unión, alcanzándose el equilibrio cuando los procesos de difusión y de campo se neutralizan mutuamente. El campo eléctrico impide que pasen más portadores mayoritarios, pero puede contribuir a que los portadores minoritarios crucen la unión. Es decir, si se genera un par electrón-hueco en la zona N, el campo eléctrico inyectará el hueco hacia la zona P, pero no dejará que el electrón pase a través de la unión. La unión P-N en las células se obtiene difundiendo una capa de fósforo en una oblea de silicio que originalmente está ya dopada con boro. La zona donde se difunde el fósforo se convierte en zona N y el resto en zona P. Al incidir la radiación solar en la zona N, siempre que el fotón incidente comunique una energía superior al ancho de la banda prohibida (gap), dará lugar a la generación de un par electrón-hueco. Debido al campo eléctrico de la unión, se separan los electrones y huecos antes de que puedan recombinarse de nuevo. Los huecos se difunden hacia la capa de carga espacial, donde el campo eléctrico de la unión los inyecta en el lado P. El campo eléctrico no deja pasar los electrones a través de la unión. Si la célula solar se conecta a una carga externa, los electrones saldrán del lado N pasando por la carga y llegando al lado P donde se recombinan. De este modo se establece una diferencia de potencial y una corriente que sale del lado P (terminal positivo) y va al lado N (terminal negativo). Así se obtiene lo que se denomina fotocorriente ( I ). Esa diferencia de potencial en los terminales de la célula provoca la disminución del campo eléctrico de la unión y el equilibrio inicial de los procesos de difusión y de campo se rompe a favor de los primeros, dando lugar a la difusión de los electrones de N a P y de huecos de P a N, apareciendo la corriente de diodo ( I d ), (tal y como ocurre en cualquier diodo polarizado en directa) que va en sentido contrario a la fotocorriente y que se puede considerar como un efecto negativo, pues consume corriente al considerar la célula fotovoltaica como un generador. En general, las celdas fotovoltaicas poseen potencias nominales próximas a 1 Wp con una radiación de 1000 W/m 2 y proporcionan una tensión máxima del orden de 0,5V, por lo que para que sean aplicables se conectan varias de estas celdas en serie o paralelo, según las necesidades de tensión y potencia, formándose así los paneles o módulos fotovoltaicos descritos anteriormente. f 14

26 Modelo eléctrico de la celda fotovoltaica La operación de una celda o célula fotovoltaica puede modelarse a través del circuito equivalente mostrado en la figura 4. En dicha figura la celda se representa mediante un generador de corriente asociado con una resistencia serie, otra en paralelo y un diodo. Figura 4. Circuito equivalente de una celda solar fotovoltaica. Fuente: Elaboración propia Estos componentes representan: Resistencia serie ( R S ): permite considerar las pérdidas de potencia debido a los contactos eléctricos y a la resistividad que presenta el silicio al movimiento de los electrones. Resistencia paralelo ( R P ): Permite considerar las pérdidas en la unión P-N. Por ella circula la corriente I P. Intensidad generada ( I ): Es la corriente existente a la salida de la celda fotovoltaica. Intensidad fotovoltaica ( I L ): Es la corriente generada debido a la incidencia de la luz solar en la celda fotovoltaica. Es proporcional a la irradiancia (potencia de la radiación solar por unidad de superficie, medida en W/m 2 ). Intensidad de diodo ( I ): Corriente del diodo equivalente polarizado en directa. D En el circuito equivalente se cumple: I = I I I [1] L D P Desarrollando la ecuación anterior se obtiene la siguiente expresión (resuelta mediante métodos numéricos): q( V + IR ) ( AKT ) V + IR S S I = I L I O ( e 1 ) [2] R Donde IO es la corriente inversa de saturación del diodo, V es la tensión en bornes de la célula, q representa la carga del electrón (1,6021x10-19 C), K es la constante de Bolztman (1,380658x10-23 J/K), T es la temperatura absoluta interna de la célula ( K) y A es el factor de idealidad del diodo P 15

27 (diodo ideal A = 1), suele ser 1 < A < 2, aunque algunas células se comportan según un valor de A mayor. Al factor KT q se le suele llamar la tensión térmica y tiene un valor de 25 mv para una temperatura interna de la célula de 25 C. La potencia generada por la célula fotovoltaica se obtiene multiplicando a la expresión anterior por la tensión de salida (V): L O q( V + IR ) ( AKT ) ( e ) V + IR S P = V I V I S 1 V [3] RP A partir de las ecuaciones estudiadas se pueden construir las curvas que representan las características tensión corriente I = f (V ) y potencia tensión P = f (V ) de una celda fotovoltaica. Figura 5. Figura 5. Curva característica I V de una celda solar. Fuente: Los parámetros más importantes de la celda fotovoltaica son los siguientes: Corriente de cortocircuito ( I sc ): Es la corriente en la célula cuando sus bornes están cortocircuitados ( V = 0 ). Tensión de circuito abierto ( V ): Es la tensión cuando no hay conectada ninguna carga ( I = 0 ). oc Potencia máxima, P max : Es el máximo de la función P = I V. Para este punto se obtiene la corriente de potencia máxima ( I P max ) y la tensión de potencia máxima ( V P max ). En la figura 6 se muestra la curva I = f (V ) para distintos valores de irradiancia (potencia de la radiación incidentes por unidad de superficie) y temperatura. Estos parámetros son los factores ambientales que más influyen en la potencia de salida de los generadores fotovoltaicos. En la figura se puede observar que para cada valor de irradiancia y temperatura la corriente generada presenta un valor prácticamente constante hasta un determinado valor de tensión a partir del cual se hace 16