UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA

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1 UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA ESCUELA TECNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES MÁSTER EN TECNOLOGÍA ENERGÉTICA PARA EL DESARROLLO SOSTENIBLE Especialidad en Eficiencia Energética DESARROLLO DE UN MODELO DE SIMULACIÓN PARA LA INTEGRACIÓN ENERGÉTICA DE RECURSOS DISTRIBUIDOS MEDIANTE TRNSYS TRABAJO DE FIN DE MÁSTER Autor: Xavier Serrano Guerrero Director: Dr. Guillermo Escrivá Escrivá Valencia, Septiembre de 2012

2 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Índice 1 Introducción Smart grids y energías renovables Redes de energía eléctrica Problemática Recursos y generación distribuidos Micro redes y Smart grids Microredes o Micro gids Smart grid Energías Renovables Energía Solar Energía Eólica Planteamiento del problema: Análisis energético del edificio 8E y 8F de la UPV Situación actual Problemática Escenario incorporando generación distribuida renovable Modelo de Simulación Estructura y lógica del modelo de simulación Diagrama de bloques del modelo de simulación Diagrama de bloques del flujo de energía Diagrama de flujo del modelo de simulación Alcance, funcionalidades y variables de salida Escenarios Planteados y Resultados Elementos del sistema de generación del edificio Sistema solar Sistema eólico Grupo electrógeno (generador diesel) Baterías Escenario 1: Generacion renovable orientada a cubrir la carga base del edificio 65 i

3 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Análisis anual, escenario Análisis estacional, escenario Escenario 2: Generacion renovable orientada a cubrir la carga base del edificio, prescidiendo de la energía eólica Análisis anual, escenario Análisis estacional, escenario Escenario 3: Óptimo económico según el software Homer Análisis anual, escenario Análisis estacional, escenario Análisis comparativo de los resultados Conclusiones y Recomendaciones Bibliografía Anexo 1: Manual del usuario Anexo 2: Manual del programador Entorno del Programa Componentes Tipo 109: Lector de datos y procesador de radiación Tipo 65c: Graficador online con archivo de salida Tipo 62: Enganche a Excel Tipo 194: Panel Fotovoltaico + Inversor Tipo 90: Aerogenerador Tipo 47: Baterías Tipo 24: Integrador Tipo 102a: Controlador de despacho para generadores diesel Tipo 120: Sistema de motor-generador diesel (DEGS) Integración de los componentes Creación de la aplicación mediante TRNSED y TRNEDIT Anexo 3: Catálogos ii

4 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Figuras Figura 1: Red eléctrica convencional... 4 Figura 2: Microred Figura 3: Celda de conexión Figura 4: Diversas fuentes de generación distribuida Figura 5: Almacenamiento de energía Figura 6: Microredes y control Figura 7: Comunicación en una microred Figura 8: Contribución de energías en una microred Figura 9: Smart grid Figura 10: Diferencias entre una smart grid y una red eléctrica convencional (1) Figura 11: Diferencias entre una smart grid y una red eléctrica convencional (2) Figura 12: Transmisión de datos en los contadores inteligentes Figura 13: Efecto fotoeléctrico Figura 14: Sistema fotovoltaico autónomo Figura 15: Sistema fotovoltaico conectado a red Figura 16: Energía eólica, Capacidad Instalada Figura 17: Potencias vs Velocidad del viento Figura 18: Tipos de aerogeneradores según la disposición del eje Figura 19: Elementos de un aerogenerador de eje horizontal Figura 20: Cuidad Politécnica de la Innovación Figura 21: Demanda del edificio en la primera semana de marzo obtenida de TRNSYS Figura 22: Emisiones de CO2 en la generación eléctrica en España Figura 23: Elementos de la red que producen pérdidas Figura 24: Consumo de energía Figura 25: Uso de la energía por tipo de combustible Figura 26: Contribución energética de un sistema con recursos distribuidos Figura 27: TRNSYS Figura 28: Diagrama de bloques del modelo de simulación Figura 29: Diagrama de bloques del flujo de energía del modelo de simulación Figura 30: Diagrama de flujo del modelo de simulación Figura 31: Resultado de potencias en el modelo de simulación Figura 32: Almacenamiento en baterías Figura 33: Modos de funcionamiento Figura 34: Visualización de potencias Figura 35: Visualización de energías Figura 36: Visualizador de energía almacenada o entregada (1) iii

5 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Figura 37: Visualizador de energía almacenada o entregada (2) Figura 38: Potencia contratada, escenario 1 (1) Figura 39: Potencia contratada, escenario 1 (2) Figura 40: Aporte de energía solar, escenario Figura 41: Aporte de energía eólica, escenario Figura 42: Aporte del generador diesel y baterías, escenario Figura 43: Energía utilizada para cubrir la demanda Figura 44: Generación y uso de la energía de red del sistema, escenario Figura 45: Aporte de energía desde el punto de vista de la demanda % Figura 46: Energía almacenada a lo largo de la simulación Figura 47: Uso de la energía del generador diesel Figura 48: Generación y uso de la energía de red del sistema, sin almacenamiento de energía, escenario Figura 49: Energía entregada a red Figura 50: Potencias en primavera Figura 51: Energía almacenada en baterías Figura 52: Potencias en verano (1) Figura 53: Potencias en verano (2) Figura 54: Potencias en otoño Figura 55: Potencias en invierno Figura 56: Producción solar vs Demanda, Escenario Figura 57: Potencias utilizadas, red, generador diesel y baterías, escenario Figura 58: Generación y uso de la energía de red del sistema, con almacenamiento de energía, escenario Figura 59: Aporte de energías desde el punto de vista de la demanda Figura 60: Evolución carga y descarga de baterías, escenario Figura 61: Generador diesel vs demada Figura 62: Energía entregada a red Figura 63: Potencias en primavera, escenario Figura 64: Potencias en verano, escenario Figura 65: Potencias en otoño, escenario Figura 66: Potencias en invierno, escenario Figura 67: Demanda vs producción de energía solar, escenario Figura 68: Demanda vs potencia utilizada de las baterías, escenario Figura 69: Demanda, potencia de red y del generador diesel, escenario Figura 70: Energías involucradas en el sistema, escenario Figura 71: Generación y uso de la energía de red del sistema, escenario Figura 72: Aporte de energías desde el punto de vista de la demanda, escenario iv

6 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Figura 73: Energía inyectada a red, escenario Figura 74: Potencias en primavera, escenario Figura 75: Potencias en verano, escenario Figura 76: Potencias en otoño, escenario Figura 77: Potencias en inverno, escenario Figura 78: Aplicación TRNEdit Figura 79: Aplicación abierta en TRNEdit (1) Figura 80: Aplicación abierta en TRNEdit (2) Figura 81: Aplicación abierta en TRNEdit (3) Figura 82: Iniciar Simulación Figura 83: Pantalla de resultados Figura 84: Simulation Studio Figura 85: Abrir nuevo proyecto Figura 86: Elemento tipo Figura 87: Archivos externos Figura 88: Elemento tipo 65c Figura 89: Entradas, tipo 65c Figura 90: Special cards, tipo 65c Figura 91: Conexión Figura 92; Special cards, tipo Figura 93: Conexión, tipo Figura 94: Datos de salida, tipo Figura 95: Elemento tipo 47a, baterías Figura 96: Elemento tipo 24, integrador Figura 97: Insertar ecuación Figura 98: Insertar ecuación (2) Figura 99: Integración de los componentes Figura 100: Selección de TRNSED commands Figura 101: Bloqueo y desbloqueo de los elementos Figura 102: Aplicación con TRNEdit v

7 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Tablas Tabla 1: Tipos de células solares Tabla 2: Datos tabulados de la demanda Tabla 3: Uso de energías, escenario Tabla 4: Aporte de energías desde el punto de vista de la demanda Tabla 5: Uso de energías sin almacenamiento en baterías Tabla 6: Aporte desde el punto de vista de la demanda (2), sin almacenamiento en baterías Tabla 7: Generación y uso de la energía de red del sistema, con almacenamiento de energía, escenario Tabla 8: Aporte de energías desde el punto de vista de la demanda, escenario Tabla 9: Generación y uso de la energía de red del sistema, sin almacenamiento de energía, escenario Tabla 10: Aporte de energías desde el punto de vista de la demanda Tabla 11: Generación y uso de la energía de red del sistema, con almacenamiento de energía, escenario Tabla 12: Aporte de energías desde el punto de vista de la demanda Tabla 13: Costo de la energía y emisiones de CO2 por tecnología Tabla 14: Comparativa de los tres escenarios Tabla 15: Resumen de resultados Tabla 16: Ecuaciones insertadas, variables de entrada y salida vi

8 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Dedicatoria Todo el trabajo y esfuerzo realizado en este año de estudios lo dedico a mi familia que a la distancia me ha apoyado en todo momento, de manera especial a mi madre que con su ejemplo de dedicación, trabajo y superación ha contribuido en mi formación personal. A mis sobrinos: Emilio, Mathías, Sofía y Juliana que cada día llenan de alegría a toda la familia. vii

9 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Agradecimiento El agradecimiento va dirigido a todas aquellas personas que han hecho mi estancia en España una experiencia extraordinaria y enriquecedora, luego de este año de estudios, estoy seguro de ser una mejor persona. A toda esa gente que me ha brindado su amistad y con la cual se ha compartido un montón de cosas, viajado, comido, bebido, bailado, a todos ellos, GRACIAS. De manera especial mi agradecimiento al Dr. Guillermo Escrivá que me ha orientado de forma estupenda en la culminación de este trabajo. viii

10 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. 1 Introducción En las últimas décadas se ha visto como la demanda de energía a nivel mundial se ha incrementado de manera notable, esto debido al uso cada vez más frecuente de diversos dispositivos eléctricos y electrónicos en nuestros hogares, industrias, etc., lo cual provoca que las redes eléctricas ya construidas, trafos, etc., muchas veces sufran sobrecargas por esta demanda creciente, haciendo necesario re-potenciar estos elementos de la red con el consecuente coste adicional que genera. El despertar económico de algunos países en desarrollo como China e India, han hecho que la demanda energética a nivel global se incremente considerablemente, por ende los precios de los fluidos energéticos (petróleo, carbón, gas natural, etc.,) y de la energía, cada vez son mayores. Con el incremento del consumo energético emerge otro problema, el aumento de emisiones de gases como CO2, NO x, etc., que afectan el medio ambiente, contaminando el entorno, lo cual afecta a fauna, flora y seres humanos, comprometen la sostenibilidad del sistema energético y provocan cambios climáticos graves en nuestro planeta. En la actualidad como solución a estos inconvenientes se ha planteado la introducción de la generación distribuida con tecnologías limpias, es decir libres de emisiones de CO2 y otros gases. Con un escenario en el cual cada industria, edificio, vivienda, etc., posean sistemas de generación basados en energías renovables, los cuales produzcan la energía necesaria para cubrir sus necesidades energéticas y que además presenten un beneficio económico a sus propietarios. Esto contribuirá de gran manera a solucionar los problemas antes mencionados y también a disminuir las pérdidas por transmisión eléctrica en la red y por lo tanto ayudará a hacer el sistema eléctrico más eficiente. En el presente trabajo se plantea desarrollar un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante el software Trnsys, el cual esté en la capacidad de realizar un análisis energético basado en: La demanda de energía eléctrica del objeto de estudio. Velocidad del viento media en la zona. Nivel de radiación solar en la zona. Potencia contratada. Para realizar este análisis será necesario dimensionar los sistemas de energía alternativos tales como: El sistema de energía fotovoltaica. 1

11 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia El sistema de energía eólico. Banco de baterías. Sistema electrógeno. Potencia de la red. Al realizar la simulación se puede determinar la contribución energética de cada tipo de sistema, el exceso de energía que podría ser inyectado a la red, de tal manera que solamente al cambiar los parámetros de diseño se pueda optimizar el sistema y predecir de una manera muy acertada el comportamiento del consumo y generación de energía en el edificio objeto de estudio. 2

12 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. 2 Smart grids y energías renovables 2.1 Redes de energía eléctrica Una red eléctrica es un conjunto de líneas, transformadores e infraestructuras que llevan la energía eléctrica desde los centros de producción hasta todos los consumidores. Estas redes son las encargadas de transportar y distribuir la electricidad generada en las centrales (ya sean nucleares, hidráulicas, de carbón, ciclo combinado o renovables) hasta los puntos de consumo final. Sin embargo las redes actuales están diseñadas de tal forma que los principales centros de producción estén lejos de las poblaciones, por lo tanto deben de ser rediseñadas para convertirse en redes más efectivas y robustas, de forma que puedan soportar las necesidades futuras (tanto desde el punto de vista de los consumidores, como de las características de las centrales basadas en energías alternativas). En todas las redes se pierde parte de la energía en el transporte y la distribución. La actividad de transporte consiste en la conducción de la energía eléctrica a muy alta tensión (generalmente 400kV y/o 220kV), ya que se aseguran unas pérdidas de red menores, debido a que se puede transportar la energía con una corriente más baja. Por otra parte la actividad de distribución consiste en la transmisión o transporte de energía eléctrica a tensiones de 132kV e inferiores, desde las redes de transporte hasta los puntos de consumo. A medida que nos acercamos a los puntos finales de consumo es preciso conseguir valores de tensión dentro de la baja tensión (normalmente tensiones que no superan los 1000V). Para realizar los cambios en los niveles de tensión se requiere de los centros de transformación. Entre la instalación final del usuario y los centros de transformación existe una infraestructura, denominada red de enlace, que permite la interconexión y protección de las instalaciones. Todas estas transformaciones están soportadas por diferentes elementos tales como transformadores, protecciones, seccionadores, elementos de control y mando, equipos de medida, etc., elementos que al igual que el resto de la infraestructura deben soportar las necesidades futuras. 3

13 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Figura 1: Red eléctrica convencional Fuente: El gran crecimiento de la demanda obliga a la modificación de las infraestructuras para garantizar el servicio, esto hace que los sistemas eléctricos funciones en condiciones cercanas a sus límites Problemática La infraestructura de red eléctrica tiene que mejorar notablemente desde el punto de vista del usuario final y las funcionalidades que se espera de ella. Las previsiones indican un crecimiento moderado de la demanda, un fuerte incremento de las energías renovables y una necesidad de potencia firme y flexible. Todo ello está 4

14 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. haciendo que aparezca un nuevo concepto de red eléctrica, las redes inteligentes cuya definición básica puede corresponder a Las redes inteligentes son las redes eléctricas que pueden integrar de manera inteligente el comportamiento y las acciones de todos los actores conectados a ellas (quienes generan electricidad, quienes la consumen y quienes realizan ambas acciones) para proporcionar un suministro de electricidad seguro, económico y sostenible. Además de los aspectos anteriormente mencionados relacionados con la descripción actual de la red eléctrica, hay otra serie de problemas y/o necesidades como por ejemplo la antigüedad de las infraestructuras, necesidades de integración de las nuevas energías renovables, el coche eléctrico, etc. Cada día es más caro el combustible utilizado por las plantas de generación de energía tradicionales, lo mismo que lo es la propia construcción de las centrales. Por otro lado, está el problema que se produce durante los picos de demanda, que obliga a activar plantas especiales para poder suministrar esas necesidades de energía. Estas plantas se utilizan únicamente durante estos periodos, con los sobrecostes que ello supone. Los picos se suelen producir en franjas horarias donde todos los consumidores acceden simultáneamente a sus electrodomésticos, aunque en general no sean conscientes de ello. La posibilidad de conocer en tiempo real el coste de la energía por parte del usuario final hace que pueda elegir cuándo utilizar determinados electrodomésticos repercutiendo en el coste final de sus facturas y a reducir los picos de consumo. Para ello sería necesario disponer de contadores inteligentes en todos los puntos de consumo, principalmente usuarios domésticos. Otro aspecto que estos contadores permitirían mejorar sería la integración de las energías renovables para los usuarios finales que dispongan por ejemplo de paneles solares (o de elementos de micro o cogeneración) permitiendo, además de generarse su propia electricidad, la inyección en la red (y su correspondiente pago) de la energía generada. A más del coste propio de las materias primas, la amenaza que supone la dependencia, en todos sus aspectos del suministro éstas y más si lo son de otros países, representa un gran problema. Subidas en los precios o restricciones en los suministros pueden hacer no viables estrategias y proyectos importantes para la sociedad. La facilidad de la integración de las energías renovables (cuya generación es habitualmente local) y un consumo sostenible, razonable y controlado por parte de los usuarios puede hacer que se reduzcan esas dependencias y los costes asociados. Muchas de las centrales actuales utilizan combustibles fósiles (petróleo, carbón, etc.) con sus correspondientes implicaciones en emisiones de humos y gases que provocan el 5

15 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia efecto invernadero. Es preciso avanzar en investigaciones y sistemas que ayuden a mejorar aspectos como la eficiencia y la reducción de gases así como la facilidad de integración de las energías renovables, tanto desde ubicaciones centralizadas como desde puntos de generación distribuidos. La fiabilidad de la energía y su distribución es otro matiz a tener en cuenta. A pesar de que hoy en día la fiabilidad es muy alta, aún existe una gran pérdida económica y social debida a la falta de electricidad en determinadas ocasiones. Además, muchas veces las propias compañías no detectan dichos apagones hasta que los usuarios finales les informan y es habitual que sea necesario el desplazamiento físico de los empleados para determinar qué partes de la red están dañadas. Adicionalmente si no se detecta rápidamente el fallo, se puede provocar un fallo en cascada debido a la congestión y sobrecargas que se producen. La implementación de sistemas automáticos inteligentes puede hacer que las eléctricas tengan un conocimiento en tiempo real de toda la red permitiendo una rápida reacción, la detección previa de problemas potenciales y la minimización del impacto de un fallo. Es preciso la inversión en nuevas infraestructuras, con la reducción de costes de las telecomunicaciones, los avances en sensores, sistemas inteligentes, procesadores más potentes y rápidos se permitirá que la generación, distribución y gestión de energía sea más barata, ecológica y permita ofrecer una nueva serie de nuevos servicios a los usuarios finales. Para ello es importante la definición de estándares. Si la infraestructura de las eléctricas tiene que interoperar con otros sistemas e industrias, tales como calefacción y aire acondicionado, dispositivos del hogar, en futuro los coches eléctricos, etc., ésta debe estar acompañada de estándares que permitan esa interoperabilidad. Todas estas motivaciones lleva a la definición de lo que son las Smart grids Recursos y generación distribuidos Una generación distribuida se define como la utilización de tecnologías de generación de pequeña potencia (0-5 MW) y modulares, dispersas a lo largo del sistema de distribución de una compañía eléctrica ( utilities ); con el fin de disminuir la carga de transporte y distribución (T&D), moderar el crecimiento de la carga, y por tanto aplazar la reinversión en T&D de las utilities, reducir pérdidas en el sistema y mejorar la calidad y fiabilidad. 6

16 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Los recursos distribuidos abarcan la generación distribuida, generación de reserva, cogeneración, almacenamiento de energía, mejora de la eficiencia de las instalaciones y gestión de respuesta de la demanda (DSM). Las fuentes de energía que proporcionan recursos distribuidos pueden ser: Motores de combustión interna alternativos Turbinas de gas Turbinas eólicas Turbinas hidráulicas Pilas de combustible Paneles fotovoltaicos Dentro de otros aspectos importantes en el consumo de energía eléctrica es la gestión de la demanda, la cual se encarga de introducir cambios en los patrones de consumo de los clientes para modificar la curva de demanda del sistema. Todas aquellas, acciones dirigidas por el mercado, que conlleven la participación de los consumidores como respuesta a los precios de la energía Ventajas de la generación distribuida (DG) Los generadores pequeños han mejorado su coste y eficiencia acercándose a las grandes centrales de generación. De igual manera empresas generadoras de energía se encuentran cada vez con más obstáculos a la hora de construir grandes instalaciones (centrales y líneas de transmisión). Rapidez de instalación de la DG, evita la necesidad de realizar grandes proyectos. La DG retrasa tener que ampliar las instalaciones de transmisión y distribución de energía. La DG reduce las pérdidas y mejora los niveles de tensión, con una configuración adecuada, se puede mejorar la fiabilidad y calidad del sistema. Los generadores distribuidos son más rentables si el consumidor tiene la necesidad de realizar cogeneración, es decir el uso del calor residual del generador mejora de forma significativa la rentabilidad de muchas aplicaciones, ya sea mediante la producción de vapor, calentamiento de agua, aire acondicionado, etc. En cuanto a la fiabilidad muchas instalaciones tienen la necesidad de disponer generadores de reserva para aumentar la fiabilidad de sus instalaciones. 7

17 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Dificultades en la implementación de recursos distribuidos No siempre es fácil integrar en los sistemas de distribución actuales generadores distribuidos, esto debido principalmente a que: Los sistemas de distribución no se diseñaron para incluir generación. Los sistemas de distribución fueron diseñados para un sentido de transmisión de potencia, desde la subestación a los usuarios finales. La generación distribuida puede interrumpir la operación de la red de distribución si no se considera adecuadamente. Una situación crítica se produce cuando un interruptor aísla una sección de la red de distribución y el generador puede continuar alimentado la carga en ISLA ( Islanding ). 2.2 Micro redes y Smart grids Microredes o Micro gids Las microredes son entidades que coordinan los recursos de energía distribuidos (Distributed Energy Resources, DER), de forma consistente y más descentralizada, reduciendo la complejidad en el control de la red y permitiendo explotar todos sus beneficios potenciales. Se compone de un grupo de DERs de baja tensión (<1 kv) o media tensión (entre 1 69 kv) controlados localmente que se comporta, desde el punto de vista de la red, como un único generador o carga tanto eléctricamente como dentro del mercado. Las microredes operan de forma segura y eficiente dentro de su red de distribución local, pero también es capaz de operar de forma aislada. Se entienden también como microredes pequeños sistemas de potencia aislados. Ventajas de una Microgrid La microgeneración en el sector eléctrico abre una posible introducción de numerosas y nuevas empresas. Reduce el poder de mercado de las grandes empresas ya establecidas. Crea numerosos puestos de trabajo. Puede utilizar un gran aporte de energías limpias, suponiendo un escaso impacto ambiental. 8

18 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. En términos generales, se intenta mejorar el rendimiento económico y los aspectos funcionales de las redes. Sistema más flexible. Se reducen las distancias entre generación y consumo, reduciéndose las pérdidas en transporte y distribución. La descentralización de los suministros aumenta la fiabilidad y la calidad de los servicios, pues existe una menor dependencia de unos pocos generadores y líneas de transporte y distribución. Aumenta la seguridad por el mayor número de protecciones que se deben tener en cuenta. Se promueve la creación de redes de calidad y servicios diferenciados. Desventajas y dificultades de la MicroGrid Son mucho más difíciles de controlar (tanto desde el punto de vista de mantener la calidad de la energía como del balance de potencia). El sistema de protección es mucho más complejo Requiere una gran inversión. Ausencia de soluciones fiables. Falta de experiencia. Barreras reguladoras del Gobierno. Operación del sistema En la operación del sistema existen dos modos de operación: Unida a la red principal de media tensión (MT), inyectando energía (modo normal). En caso de fallo en la red de MT, aislada y totalmente autónoma (modo emergencia). 9

19 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia MGCC = MicroGrid Central Controler. MC= Micro Source Controller. DMS = Distribution Management System. LC= Load Controller. Figura 2: Microred Fuente: Microredes, Máster Universitario en Tecnología Energética para Desarrollo Sostenible, Joan Pons Llinares La microgeneración consistirá en: Pilas de combustible. Aerogeneradores. Paneles fotovoltaicos. Microturbinas de gas natural o biocombustibles Elementos de una Microgrid Interruptor de interconexión La microred normalmente tiene un punto frontera de conexión con el resto de la red de distribución, aunque también se pueden plantear microredes completamente aisladas de las redes de distribución. En ocasiones puede presentar más de un punto de unión, pero esto complica el control de la microred. El punto de unión se realiza a través del interruptor de interconexión. Los interruptores más modernos integran funciones diversas como la protección diferencial, medida o comunicaciones. Se miden las condiciones tanto en el lado de la red 10

20 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. de distribución como en el lado de la microred, utilizando transformadores de corriente y de potencia. Figura 3: Celda de conexión Fuente: Microredes, Máster Universitario en Tecnología Energética para Desarrollo Sostenible, Joan Pons Llinares Generación distribuida: La generación distribuida (GD) son pequeñas fuentes de energía localizadas en o al lado del punto de consumo. La generación típica fundamentalmente se compone de paneles fotovoltaicos (FV), aerogeneradores, pilas de combustible, microturbinas de gas, sistemas de cogeneración, grupos electrógenos con motor de combustión interna. La mayoría requieren un dispositivo de electrónica de potencia para convertir la tensión entregada a la utilizada por la red en términos de valor eficaz y frecuencia. Para ello se utiliza un rectificador y un inversor con sus correspondientes filtros, pudiendo incluir sistemas de protección, tanto para el generador como para la red. 11

21 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Figura 4: Diversas fuentes de generación distribuida Fuente: Microredes, Máster Universitario en Tecnología Energética para Desarrollo Sostenible, Joan Pons Llinares Almacenamiento distribuido: El almacenamiento se utiliza debido a que la potencia de muchos de los generadores distribuidos no puede ser controlada (paneles FV, eólica). De la misma manera facilita el balance de potencia entre generación y consumo. La capacidad de almacenamiento se define en términos del tiempo durante el cual se puede suministrar la potencia nominal de las cargas que componen la microred. El almacenamiento distribuido mejora el comportamiento global de la microred pues: Estabiliza y permite a las unidades de GD funcionar de forma constante y estable a pesar de las fluctuaciones de carga. Permite cubrir las necesidades en intervalos de tiempo en los que la potencia generada por los sistemas solares, eólicos e hidráulicos disminuye. Relativiza los picos de demanda y las perturbaciones momentáneas de potencia. Da tiempo para que los generadores de reserva entren en operación. Existen diversas formas de almacenamiento utilizadas en microredes: Baterías. Supercondensadores. Volantes de inercia (se vuelven a utilizar gracias a su rápida respuesta frente a los almacenamientos de energía electro-químicos). 12

22 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Figura 5: Almacenamiento de energía Fuente: Microredes, Máster Universitario en Tecnología Energética para Desarrollo Sostenible, Joan Pons Llinares Sistemas de control: El sistema de control de una microred se diseña para que pueda operar conectada a la red y aislada y puede estar constituido por un controlador central y/o un conjunto de controladores asociados a cada uno de los generadores. Cuando la microred opera de forma aislada, el sistema debe controlar el valor eficaz y la frecuencia de la tensión local, de la misma manera el balance de potencia entre generación y consumo, tanto de activa como de reactiva. El sistema también debe proteger la microred. Las estrategias de control suelen introducir inercias virtuales en sus bucles para favorecer la estabilidad, lo cual se denomina como droop method. El resultado del método es bajar la frecuencia de la tensión de salida del inversor de forma proporcional al aumento de potencia activa. Control del valor eficaz de la tensión: se debe controlar férreamente para evitar oscilaciones de la tensión, las cuales son más usuales en este tipo de sistemas con DERs. 13

23 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Control de una microred En una red inteligente el Microgrid Supervisory Control debe asegurar un conjunto de funciones: Generar la energía eléctrica y/o térmica necesaria. Participar en el mercado eléctrico. Servicio pre-asignado a cargas críticas. Reconexión tras un apagón de la red principal. Etcétera Los objetivos perseguidos se pueden alcanzar mediante dos tipos de controles: Control supervisor centralizado. Control supervisor descentralizado. A su vez, estos controles tienen tres niveles jerárquicos: 1. Operador de la red de distribución y operador del mercado (DNO y MO). 2. Controlador de la microred (MCC). 3. Controladores locales de cada unidad de DER y/o carga(lcs) DNO y MO: El DNO está vinculado a un área donde existe más de una microred, a su vez, el MO es responsable por las funciones del mercado de una determinada área. Estas dos entidades no pertenecen a la microred pero tienen potestad de actuación sobre ella. El MCC: La principal interfaz entre el DNO/MO y las microredes es el MCC. El MCC asume diferentes roles desde potenciar el valor de la microred hasta coordinar los LCs. El LC: El LC controla la unidad de DER y las cargas controlables dentro de la microred. Dependiendo del control desarrollado, cada LC puede tener un determinado nivel de inteligencia. En un sistema centralizado, el LC recibe las órdenes del correspondiente MCC. En un sistema descentralizado, cada LC toma sus propias decisiones locales. 14

24 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Figura 6: Microredes y control Fuente: Microredes, Máster Universitario en Tecnología Energética para Desarrollo Sostenible, Joan Pons Llinares El MCC optimiza el intercambio de la microred con la red principal o sistema huésped, maximizando la producción local dependiendo de los precios del mercado y los límites impuestos por la seguridad. Se establecen puntos de control en los generadores y las cargas. Se precisa un canal de doble comunicación, tal y como se ve en la figura. Figura 7: Comunicación en una microred Fuente: Microredes, Máster Universitario en Tecnología Energética para Desarrollo Sostenible, Joan Pons Llinares El MCC toma decisiones en intervalos de tiempo ya asignados, basándose en los precios del mercado y las capacidades de las unidades, el DER LCs lanzan ofertas. De forma similar, las cargas LCs lanzan demandas. Tratando de optimizar, el MCC da las órdenes correspondientes. 15

25 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Figura 8: Contribución de energías en una microred Fuente: Microredes, Máster Universitario en Tecnología Energética para Desarrollo Sostenible, Joan Pons Llinares La ventaja de esta forma de operar es que se maximiza la autonomía de las unidades de energía distribuida y las cargas dentro de la microred, para ello es necesario que los LCs sean inteligentes y puedan comunicarse entre ellos. El objetivo no tiene porqué ser el de maximizar cada una por separado sino conseguir el máximo del conjunto. La operación del mercado asume que un agente está encargado de negociar con el MO, sin embargo, las ofertas y las demandas aparecen como resultado de negociar con los agentes locales. Existen dos formas de que una red de este tipo opere, la primera es que esté conectada a red y la segunda forma de operación sería que no lo esté. Microred conectada a la red La microred debe ser capaz de importar o exportar energía desde y/o hacia la red principal para controlar los flujos de potencia activa y reactiva de acuerdo con la generación y almacenamiento distribuidos. En este modo de operación, la dinámica del sistema viene fijada en gran medida por la red principal debido al pequeño tamaño de los recursos distribuidos, en comparación a la microred. Microred aislada 16

26 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. La microred se desconecta de la red principal en dos tipos de escenarios: Operación aislada prevista: determinados sucesos en la red principal como huecos de tensión de larga duración. Operación aislada imprevista: apagón de la red principal. Después de un apagón, la microgrid debe ser capaz de arrancar correctamente imponiendo por ella misma las condiciones de frecuencia y amplitud de la tensión, conectando progresivamente las cargas y los generadores según un orden jerárquico (operación en apagón). La dinámica del sistema viene caracterizada por los DERs, los cuales normalmente regulan la tensión y la frecuencia de la microred. Pueden existir desviaciones de los valores nominales de frecuencia y valor eficaz de la tensión, en mayor grado que cuando estos vienen impuestos por la red principal. Los generadores deben responder inyectando o absorbiendo potencia para devolver dichas magnitudes lo más cerca de sus valores nominales. El sistema de control debe garantizar: Gestión de la frecuencia y el valor eficaz de la tensión. Balance de consumo y generación. Calidad de la energía Smart grid Esta es la evolución de una microred. Smart grid es un término inglés que puede traducirse como red de distribución de energía eléctrica inteligente, utiliza la tecnología informática para optimizar la producción y la distribución de electricidad de tal manera que puede equilibrar mejor la oferta y la demanda entre productores y consumidores. La incursión de las energías renovables en el panorama energético ha cambiado notablemente los flujos de energía en la red eléctrica, ahora los usuarios no sólo consumen sino que también pueden producir electricidad a través de la misma red: por tanto, el flujo de energía muchas veces ahora es bidireccional. En la actualidad se necesitan nuevos modelos que permitan un uso más eficiente de la energía, acorde con los tiempos que corren. El modelo clásico, centralizado de las 17

27 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia centrales eléctricas, no se ajusta a las energías renovables, ya que estas no proporcionan un flujo constante de energía debido a que dependen del sol, del viento, etc.,. La objetivo principal de una smart grid es el de ahorrar energía, reducir costes e incrementar la fiabilidad. Para conseguir este objetivo es necesario un reparto óptimo de la energía que implicaría bien su almacenamiento cuando existe un excedente (algo realmente complejo y costoso) o una reestructuración del sistema actual para adaptarse a la demanda de forma flexible aprovechando las tecnologías existentes. La solución pasa por implicar al usuario consumidor, que tiene un papel muy importante, ya que se convierte en un elemento más dentro de la red inteligente (smart grid). Los usuarios también pueden ser proveedores de energía (read/write grid). Las energías renovables constituyen una buena forma de producir energía y el excedente podría ser distribuido apropiadamente a través de la smart grid, con el consiguiente beneficio económico para el usuario. Relacionado con esto, existe también el denominado vehicleto-grid que trata de aprovechar el exceso de energía que un vehículo eléctrico pudiese generar en determinados momentos para venderla en los puntos de recarga. El futuro es prometedor. Ya existen grandes empresas como Google o Cisco que apuestan por el desarrollo de estas tecnologías e incluso Microsoft tiene su propio producto/servicio llamado Microsoft Hohlm, el cual es ya una garantía de que hay todo un mercado emergente por explotar. El nuevo modelo energético pretende transformar el sistema actual en un sistema distribuido, en el cuál cualquier agente que esté conectado a la red tiene la posibilidad de aportar energía, posibilitando la creación de microgeneradores, de forma que no existe una dependencia tan directa como con la generación energética actual. 18

28 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Figura 9: Smart grid Fuente: La Smart Grid mantiene una constante comunicación, por lo que los controles se pueden hacer en tiempo real y se pueden utilizar como un puente para la creación de sistemas inteligentes de ahorro de energía en las casas. Uno de los primeros dispositivos de este tipo, fue el de demanda pasiva que permite determinar las variaciones de frecuencia en la provisión de energía en las casas. Dispositivos domésticos e industriales como los aires condicionados, heladeras, y calentadores ajustan su ciclo de trabajo para evitar su activación en los momentos en donde exista un pico en la utilización de energía, evitando así la sobrecarga de los sistemas de abastecimiento. Especificaciones necesarias el sector eléctrico del futuro Participación activa del usuario: En la red actual el usuario es una parte completamente pasiva, el desarrollo de las redes pretenderá desarrollar una actuación del usuario más participativa, surgiendo oportunidades de microgeneración, demanda energética flexible, servicios adaptados a sus necesidades, etc. Para lograr este punto será necesario incentivar la participación del usuario a la hora de entregar energía generada localmente, en función de su cantidad y la franja horaria. Automatización de la red eléctrica: Esto permitirá realizar un mantenimiento mucho más eficiente de todos los componentes de la red, incluso implementando soluciones de 19

29 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia gestión remota. Por tanto será necesario realizar una fuerte inversión en la renovación de las infraestructuras existentes. Seguridad en la generación centralizada: El crecimiento de la red y su capacidad de generación, obligará a renovar las centrales generadoras con el fin de asegurar un suministro seguro. Generación distribuida y fuentes de energía renovable: Gestión energética local, reducción de pérdidas y emisiones, integración en redes de potencia. Interoperabilidad con las redes eléctricas externas: Es necesario tener una gran capacidad de transporte a largas distancias. Gestión de la demanda: Desarrollo de estrategias para la regulación local de la demanda y control de cargas mediante medición electrónica y sistemas automáticos de gestión de medidas. Aspectos sociales y demográficos: Consideración del cambio de la demanda producido por la sociedad al incrementar su confort y calidad de vida. Mejora de la calidad eléctrica: Será posible la elección del grado de calidad eléctrica requerido por cada usuario, permitiendo un abanico de posibilidades a la hora de contratar el servicio energético. De esta forma será posible cubrir las necesidades para aplicaciones que requieren un nivel de calidad elevado en el suministro eléctrico, evitando microcortes, perturbaciones, huecos de tensión, etc. Monitorización de la red: Aunque en la actualidad existen diversos sistemas de monitorización implantados en la red de transporte, éstos se verán ampliados en gran medida, integrándose también en la red de distribución y en los usuarios finales. En resumen, una Smart Grid se basa en el uso de sensores, comunicaciones, capacidad de computación y control, de forma que se mejora en todos los aspectos las funcionalidades del suministro eléctrico. Un sistema se convierte en inteligente adquiriendo datos, comunicando, procesando información y ejerciendo control mediante una realimentación que le permite ajustarse a las variaciones que puedan surgir en un funcionamiento real. Gracias a todas estas funcionalidades aplicadas a la red, es posible conseguir las características descritas anteriormente. A continuación se representan las principales características que implementarán las Smart grids, realizando una comparación de dichas características con las equivalentes en la red eléctrica actual: 20

30 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Figura 10: Diferencias entre una smart grid y una red eléctrica convencional (1) Fuente: SMART GRIDS Y LA EVOLUCIÓN DE LA RED ELÉCTRICA., Fedit, Centros Tecnológicos de Espáña 21

31 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Figura 11: Diferencias entre una smart grid y una red eléctrica convencional (2) Fuente: SMART GRIDS Y LA EVOLUCIÓN DE LA RED ELÉCTRICA., Fedit, Centros Tecnológicos de Espáña 22

32 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Faces hacia la red inteligente El desarrollo e implantación de las Smart grids será algo progresivo y tendrá una fuerte dependencia con los avances tecnológicos y políticos que hoy en día se están llevando a cabo. Aunque son numerosos los campos en los que se trabaja actualmente, a continuación se describe en algunos de ellos, los avances más destacados. Centros de transformación Generalmente los transformadores son dispositivos muy fiables, con una vida útil entre 20 y 35 años, es un asunto de vital importancia, el desarrollo de técnicas para prevenir la ruptura de los tanques de aceite. Además desde el punto de vista de diseño de nuevos transformadores, se están siguiendo nuevas líneas de diseño para optimizar la seguridad de funcionamiento. Otro tema que se aborda en relación a estos elementos, es el del diagnóstico y optimización de su vida útil. En este campo se está trabajando realizando modelos de predicción y simulaciones de forma que se pueda conocer el comportamiento de los transformadores. Equipos de alta tensión La creciente demanda energética está obligando a la red eléctrica a implementar nuevos métodos en la parte de generación y transporte de alta tensión. Así surgen temas como la generación de ultra alta tensión (UHV), conmutación de líneas, y optimización de la infraestructura existente para adaptarla a las nuevas necesidades de la sociedad. La optimización y ampliación de la infraestructura existente requiere métodos de monitorización y visualización de los parámetros críticos. Los sensores de tensión y de corriente ópticos proporcionan un excelente aislante en entornos de alta tensión, permitiendo medir altos voltajes y corrientes de una forma no intrusiva. Estas características, junto a su tamaño compacto y su amplio ancho de banda, hacen que estos dispositivos resulten perfectos para realizar estas medidas. Subestaciones La creciente población, urbanización e industrialización en conjunto con la generación de energía remota, especialmente en el caso de energías renovables está incrementando la necesidad de transmisión con un mayor volumen de energía a grandes distancias. Esto sitúa las subestaciones como una pieza clave en la entrega y recogida energética. 23

33 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Dada la creciente densidad de población en las ciudades, cada vez es más complicado encontrar un emplazamiento adecuado para las subestaciones eléctricas. Dado este problema, surge la idea de integrar las subestaciones bajo los edificios de apartamentos o centros comerciales. Esta tarea requiere de una serie de especificaciones y estudios que aseguren un correcto funcionamiento de la red eléctrica. Por otro lado se está tendiendo a integrar cierta capacidad de computación y automatización en las subestaciones como primer paso hacia la Smart grid. Protección y automatización de la red Los sistemas de automatización en subestaciones, encargados de interconectar una serie de dispositivos han existido desde hace unos 20 años, usando protocolos propietarios, esos sistemas se han encargado principalmente de la supervisión de elementos. Hoy en día, este tipo de sistemas han evolucionado y siguen haciéndolo siguiendo como base los protocolos y actuaciones declarados en normas, utilizando comunicaciones peer-to-peer y habilitando el intercambio de datos entre sistemas a diferentes niveles y con herramientas diferentes, permitiendo además de la supervisión, controlar una serie de dispositivos o variables. Sistemas de información y telecomunicaciones Las comunicaciones entre los diferentes dispositivos del centro de transformación y el centro de control y supervisión tradicionalmente no han tenido un desarrollo de comunicación de datos eficiente, dificultando la implantación de los sistemas SCADA en los centros de transformación. Además, la interfaz con los relés era en muchos casos inexistente. Para solventar estos problemas se ha creado el protocolo internacional IEC 61850, que define la comunicación entre diferentes dispositivos conectados a una red de área local y se han desarrollado nuevos dispositivos que integran elementos de comunicación para el telecontrol. Regulación y mercado eléctrico La evolución actual de las TICs (tecnologías de información y comunicación), sistemas de monitorización, gestión energética a nivel local, así como las tecnologías inteligentes para el hogar abren nuevas oportunidades para las iniciativas del lado de la demanda en el negocio eléctrico. Al mismo tiempo, hay una creciente necesidad de participación de parte del consumidor en la cadena de suministro eléctrico. De forma que la generación local cobrará un interés alto. Todo este cambio en el sistema eléctrico requerirá nuevas políticas de regulación y normativas que faciliten la transformación de la red. 24

34 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Contadores inteligentes Es necesario un desarrollo y abaratamiento de costos del equipo para la medida del flujo de energía eléctrica ya que, con el nuevo esquema la energía podrás ser consumida o generara en una Smart grid; un contador eléctrico o meter consta de tres elementos principales: el sistema de medida, el elemento de memoria y el dispositivo de transmisión de datos, el cual es el encargado de enviar la información del flujo de energía. Existen diversas formas y tecnologías de transmisión de datos, un ejemplo es el sistema de lectura mediante conducción, gracias al cual la compañía envía un vehículo que circula por un vecindario obteniendo de forma muy rápida las medidas de todas las viviendas gracias a un sistema de comunicación inalámbrico. Figura 12: Transmisión de datos en los contadores inteligentes Fuente: SMART GRIDS Y LA EVOLUCIÓN DE LA RED ELÉCTRICA., Fedit, Centros Tecnológicos de Espáña Impacto en la implantación de Smart grid En el caso del operador de la red de transporte, las redes inteligentes permiten mejorar el intercambio de datos con las empresas distribuidoras pero, sobre todo, abren la posibilidad de que nuevos proveedores oferten sus servicios complementarios para el mantenimiento de la seguridad y la estabilidad del sistema. A medida que la contribución de las energías renovables al suministro del sistema eléctrico aumente, el operador del sistema necesitará más recursos para equilibrar sus fluctuaciones y para garantizar la seguridad del suministro. 25

35 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Por su parte, la información intercambiada en las redes inteligentes permitirá a las empresas distribuidoras tener un mejor conocimiento de lo que ocurre en su red y, por tanto, poder gestionarla mejor. Por ejemplo, se podrán gestionar las sobrecargas en la red, mediante cortes selectivos que eviten apagones generalizados. También se podrán detectar y localizar más fácilmente las fallas que ocurran, limitando su impacto y duración. A futuro, incluso, y siempre que se desarrolle la legislación que lo permita, las empresas distribuidoras podrían desarrollar mercados de servicios complementarios para la red de distribución. En función de las necesidades de las distribuidoras, estos mercados podrían estar dirigidos a determinados segmentos de consumidores que se consideren más apropiados para la provisión de los servicios demandados (hoteles, polideportivos, comercios, ), o ser abiertos a cualquier tipo de consumidor, en cuyo caso también sería posible la agregación de la demanda residencial para poder participar. La llegada del vehículo eléctrico y las microredes ampliarían aún más el ámbito de posibles proveedores de tales servicios. En cuanto a los productores de electricidad, las redes inteligentes permitirán un mejor uso de sus equipos, especialmente en el caso de los productores en régimen especial. Por ejemplo, a lo largo de 2010 en España, debido a la falta de interconexiones potentes con el resto del sistema eléctrico europeo, y en momentos en los que la demanda era baja (por la noche), ha sido necesario limitar la producción de electricidad a partir de fuentes de energía renovables para garantizar la seguridad del sistema. Unas redes inteligentes que dispongan de sistemas de almacenamiento distribuido (como los vehículos eléctricos, por ejemplo), y en las que la demanda se gestione adecuadamente para adecuarse mejor a la capacidad de producción evitaría tales limitaciones, permitiendo a los productores en régimen especial integrar en el sistema toda la energía que sus equipos sean capaces de dar. La sustitución de los actuales contadores analógicos por los nuevos contadores electrónicos con capacidad de gestión remota y medida horaria permitirá a los comercializadores ofrecer a los clientes tarifas variables a lo largo del día, para aprovechar la diferencia de precios en el mercado y reducir así sus facturas eléctricas. Las tarifas diferenciadas también se pueden utilizar como un mecanismo que permite usar de manera más eficiente los recursos de la red, evitando consumos en periodos punta con la consiguiente reducción de emisiones de CO2. Este tipo de tarifas podrían además combinarse con sistemas que permitieran conocer el consumo en tiempo real, a través de pantallas instaladas dentro de la propia vivienda, de internet o del teléfono móvil. Del mismo modo, las propias comercializadoras podrían agregar la demanda de ciertos tipos de clientes que estuvieran dispuestos a gestionar su 26

36 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. demanda o a dejar que el comercializador se la gestionara de manera remota a cambio de ciertos incentivos económicos. Por otra parte, también podrían aparecer nuevas empresas de servicios energéticos que, además de ofrecer sus servicios a consumidores comerciales de mediano y pequeño tamaño, también ofrecieran servicios energéticos a comunidades de vecinos, como equipos de cogeneración de pequeño tamaño o actuaciones para la mejora de la eficiencia energética del edificio. Estos servicios energéticos podrían ofrecerse por separado, tal y como hasta ahora, o se podrían combinar entre sí e incluso con el suministro energético (electricidad y gas o calor), que además podría incluir la agregación para participar en los potenciales mercados de servicios complementarios gestionados por los operadores de red. En cualquier caso, todas estas opciones abren grandes oportunidades para la creación de nuevas empresas. 2.3 Energías Renovables Las energías renovables son aquellas que se obtienen de fuentes naturales virtualmente inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energía que contienen, o porque son capaces de regenerarse por medios naturales. Las energías renovables se clasifican en: eólica, geotérmica, hidroeléctrica, maremotriz, solar, undimotriz, la biomasa y los biocombustibles. Energía alternativa Un concepto similar, pero no idéntico es del de las energías alternativas: una energía alternativa, o más precisamente una fuente de energía alternativa es aquella que puede suplir a las energías o fuentes energéticas actuales, ya sea por su menor efecto contaminante, o fundamentalmente por su posibilidad de renovación. La energía nuclear a veces se considera dentro de las energías alternativas, ya que generan muy pocos gases de efecto invernadero. Con el continuo crecimiento de la demanda energética y puesto que las fuentes de energía fósil y nuclear son finitas, es inevitable que en un determinado momento la demanda no pueda ser abastecida y todo el sistema colapse, salvo que se descubran y desarrollen otros nuevos métodos para obtener energía, éstas serían las energías alternativas. 27

37 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Por otra parte, el empleo de las fuentes de energía actuales tales como el petróleo, gas natural o carbón acarrea consigo problemas como la progresiva contaminación, o el aumento de los gases invernadero. El cambio entre energía convencional y alternativa necesariamente tendrá que producirse durante este siglo. Es importante reseñar que las energías alternativas, aun siendo renovables, también son finitas, y como cualquier otro recurso natural tendrán un límite máximo de explotación. Por tanto, incluso aunque podamos realizar la transición a estas nuevas energías de forma suave y gradual, tampoco van a permitir continuar con el modelo económico actual basado en el crecimiento perpetuo. Es por ello por lo que surge el concepto del Desarrollo sostenible. Dicho modelo se basa en las siguientes premisas: Uso de fuentes de energía renovable. El uso de fuentes limpias, abandonando los procesos de combustión convencionales. La explotación extensiva de las fuentes de energía, proponiéndose como alternativa el fomento del autoconsumo, que evite en la medida de lo posible la construcción de grandes infraestructuras de generación y distribución de energía eléctrica. La disminución de la demanda energética, mediante la mejora del rendimiento de los dispositivos eléctricos (electrodomésticos, lámparas, etc.) Reducir o eliminar el consumo energético innecesario. No se trata sólo de consumir más eficientemente, sino de consumir menos, es decir, desarrollar una conciencia y una cultura del ahorro energético. El uso de energías limpias, alternativas y renovables a más de ser una cultura o un intento de mejorar el medio ambiente, es una necesidad imperiosa que tiene el ser humano para asegurar el bien vivir de la generación actual y la de las venideras. Las energías renovables que más se han desarrollado en estos últimos años son la energía solar y la energía eólica, por tal razón en este trabajo se han considerado para realizar el modelo de simulación Energía Solar La energía solar es la energía obtenida mediante la captación de la luz y el calor emitido por el Sol. Una de sus ventajas es el acceso gratuito a esta fuente de energía. Existen dos tipos de energía solar por excelencia, la primera es la energía solar térmica y la segunda es la fotovoltaica, la primera, aunque se usa también para producir electricidad, 28

38 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. en la actualidad su mayor uso se le ha dado para realizar calentamiento de fluidos y a su vez utilizarlos en diversas aplicaciones tales como agua caliente sanitaria, calefacción, etc. La energía fotovoltaica en cambio se usa la mayoría de los casos para generar energía eléctrica, por esta razón en este trabajo será motivo de estudio. La radiación solar que alcanza la Tierra puede aprovecharse por medio del calor que produce a través de la absorción de la radiación. La potencia de la radiación varía según el momento del día, las condiciones atmosféricas que la amortiguan y la latitud. Se puede asumir que en buenas condiciones de radiación el valor es de aproximadamente 1000 W/m² en la superficie terrestre. A esta potencia se la conoce como irradiancia. La radiación es aprovechable en sus componentes directa y difusa, o en la suma de ambas. La radiación directa es la que llega directamente del foco solar, sin reflexiones o refracciones intermedias. La difusa es la emitida por la bóveda celeste diurna gracias a los múltiples fenómenos de reflexión y refracción solar en la atmósfera, en las nubes y el resto de elementos atmosféricos y terrestres. La radiación directa puede reflejarse y concentrarse para su utilización, mientras que no es posible concentrar la luz difusa que proviene de todas las direcciones. La irradiancia directa normal (o perpendicular a los rayos solares) fuera de la atmósfera, recibe el nombre de constante solar y tiene un valor medio de 1354 W/m². Célula solar: efecto fotoeléctrico Las células solares permiten la conversión directa en electricidad y se basa en el efecto fotoeléctrico. La generación fotovoltaica consiste en la obtención de energía eléctrica a partir de la interacción de la luz sobre un material de determinadas características, de forma que al incidir la luz solar sobre él produzca una corriente de electrones. La célula fotovoltaica tiene 2 láminas semiconductoras una dopada con boro y otra con fósforo. Se genera una fuerza electromotriz entre dos electrodos adosados a la célula. La tensión máxima en bornes de una célula es de 0,58 V. 29

39 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Figura 13: Efecto fotoeléctrico Fuente: Este efecto, denominado fotoeléctrico, permite transformar tanto la radiación directa como la difusa, en energía eléctrica continua. La célula solar es el elemento mínimo capaz de producir energía eléctrica. Los materiales más adecuados para aprovechar la energía solar a través de este efecto son los semiconductores, en especial el silicio. Tipos de células fotovoltaicas Según el método de fabricación de las células solares y su composición se pueden clasificar en los siguientes tipos: Tabla 1: Tipos de células solares Tipos de Células Rendimiento Silicio Monocristalino 17-18% Silicio Policristalino 14-15% Capa fina: Silicio Amorfo 6-8% Teluro de Cadmio 10% CIS (CuInSe2)y CIGS (CuGaSe2) 14,1% Foto electroquímicas 10% Células Solares de Concentración 28.20% Células Solares de Tercera Generación Células de Portadores Calientes 68% Células Termo fotovoltaicas 57% Fuente: Introducción a la Tecnología Energética, 1ª Parte, Fuentes de Energía, Alberto Escrivá 30

40 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Componentes básicos de una instalación fotovoltaica Por lo general el esquema básico de una instalación solar fotovoltaica contiene un generador fotovoltaico, un inversor, un regulador y elementos de protección. Además, dependiendo de las necesidades energéticas y del nivel de autonomía deseado se puede tener un sistema de almacenamiento ya sea baterías o un acumulador. En la figura se pueden observar los componentes básicos de una instalación que proporciona corriente continua y alterna: Figura 14: Sistema fotovoltaico autónomo Fuente: Componentes: Los módulos fotovoltaicos son los encargados de transformar la radiación solar en electricidad, en forma de corriente continua. El regulador de carga permite que las baterías no se descarguen por debajo del nivel mínimo y no superen la carga nominal, evitando que sea destruida. En un sistema fotovoltaico autónomo, el regulador representa menos del 5 % del coste total del sistema, además asegura la vigilancia y la seguridad de la instalación. Los convertidores o inversores se utilizan para transformar la tensión continua suministrada por los panales o las baterías a una tensión continua diferente o a una tensión alterna. Los convertidores se puede agrupar en dos tipos: DC/DC y DC/AC. Las protecciones contra los rayos son indispensables si se quiere garantizar la producción de electricidad. Los paneles no suelen resultar dañados, pero de sufrir algún problema, los principales afectados son los diodos by- pass o de bloqueo y la caja de conexiones. 31

41 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia A más de estos elementos se necesitan las mismas protecciones que para una red eléctrica clásica, es decir fusibles y disyuntores. Sin embargo, las protecciones del lado DC son especiales, ya que la corriente continua, es más difícil de interrumpir si se produce un arco. En un sistema fotovoltaico autónomo, el riesgo principal es la fuerte densidad de energía presente en una batería que puede suministrar más de 100 A si no se funden los cables, por este motivo se deben colocar fusibles. Existen dos tipos de instalaciones en este ámbito, las conectadas a red y las aisladas. Instalaciones aisladas de la red Son todas aquellas instalaciones autónomas, remotas o aisladas, que no necesitan o es de difícil acceso el consumo eléctrico de la red. Además de los paneles fotovoltaicos para satélites artificiales, el sector de las telecomunicaciones es uno de los mayores usuarios de este tipo de energía. Así, los repetidores de televisión, de radio, telefonía fija y móvil, situados en zonas deshabitadas o de difícil acceso o muy alejados de las líneas eléctricas alimentan sus sistemas eléctricos y electrónicos. Otra de las aplicaciones es su uso en señalización (marítima, ferroviaria, terrestre y aérea). En estos casos, la solución fotovoltaica es más sencilla y viable que el tendido de un cable, además de garantizar la autonomía, como en el caso de las balizas en las pistas de aeropuerto. Instalaciones conectadas a red Dentro de las aplicaciones conectadas a red, se encuentran dos casos: las centrales fotovoltaicas y los sistemas fotovoltaicos en viviendas conectadas a red. El modo de funcionamiento de ambos tipos de instalaciones es el mismo, ya que las únicas diferencias que pueden darse son el tamaño de la instalación y el soporte del campo colector Las instalaciones conectadas a la red no incluyen baterías, y por lo tanto, tampoco reguladores. Los sistemas únicamente están compuestos de módulos fotovoltaicos y el inversor, que transforma corriente continua en alterna. Los módulos fotovoltaicos empleados en este tipo de sistemas son los mismos que en el caso de instalaciones aisladas de la red. En cambio, el inversor debe presentar sistemas de medida de la energía entregada/consumida y control de fase, para adecuar la corriente alterna producida a la fase de la energía de la red. La potencia de las centrales fotovoltaicas se sigue manteniendo en el orden de unos pocos megavatios-pico, por razones técnicas y económicas. Por una parte, las limitaciones de los componentes electrónicos de potencia del inversor, y por otro las enormes extensiones de 32

42 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. terreno necesarias y los costes aún no competitivos con el resto de centrales eléctricas convencionales. Desde el punto de vista técnico se trata de centrales fluyentes, sin capacidad de regulación, ya que en todo instante inyectan toda la energía que producen. Figura 15: Sistema fotovoltaico conectado a red Fuente: Energía Eólica La energía eólica es en la actualidad el tipo de energía renovable que más desarrollo y más competitividad ha alcanzado, actualmente aporta en varios países del mundo una gran parte de energía eléctrica. Los países que mayor cantidad de potencia instalada poseen son: Estados Unidos, Alemania, China, España e India (datos del 2009). Su crecimiento a lo largo de los años ha sido sostenido y tiene muy buenas perspectivas a futuro. Figura 16: Energía eólica, Capacidad Instalada Fuente: Totalcapacityworld2009.jpg 33

43 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia En la actualidad se fabrican aerogeneradores con potencias que van desde varios kilovatios hasta varios cientos, llegándose incluso a alcanzar varios megavatios en los modelos más recientes. La energía del viento que es posible captar con una máquina eólica, es directamente proporcional a: La densidad del aire ρ La superficie de captación A Al cubo de la velocidad del viento. Al coeficiente de rendimiento de potencia El coeficiente de rendimiento de potencia, muestra la fracción mecánica obtenible respecto a la energía eólica existente en el viento, siendo su máximo aproximadamente del 59% Figura 17: Potencias vs Velocidad del viento Fuente: El viento se produce debido a la variación de presión atmosférica que de forma continua se produce en el planeta. Por ello, el aire no puede estar nunca en reposo y se desplaza sin cesar, originándose de esta manera una corriente o flujo denominado viento. Las mayores velocidades máximas regulares se alcanzan alrededor de los 45º de latitud Sur. Se estima que la energía contenida en el viento es aproximadamente el 2% del total 34

44 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. de la energía solar que alcanza la tierra, pero solamente podría ser utilizada una pequeña parte debido a la aleatoriedad, dispersión y limitaciones técnicas Es muy importante conocer las velocidades del viento de un emplazamiento para evaluar la potencialidad que tiene en cuanto a generación eléctrica, según normas internacionales, las mediciones se deben realizar a una altura de 10 metros sobre el suelo y con una frecuencia de 5 minutos, se registra el valor de la velocidad y dirección del viento. Aerogeneradores Un aerogenerador no es más que un generador eléctrico movido por una turbina accionada por el viento. La energía cinética del aire en movimiento, proporciona energía mecánica a un rotor que, a través de un sistema mecánico de transmisión, hace girar el rotor de un generador. Este generador puede ser de diferentes tipos: Generador jaula de ardilla Generador asincrónico Generador síncrono Estos generadores normalmente generan tensiones trifásicas a 690V. Existen diferentes tipos de aerogeneradores, dependiendo de su potencia, la disposición de su eje de rotación, el tipo de generador, etc. Los aerogeneradores pueden trabajar de manera aislada o agrupados en parques eólicos o plantas de generación eólica, distanciados unos de otros, en función del impacto ambiental y de las turbulencias generadas por el movimiento de las palas. Para aportar energía a la red eléctrica, los aerogeneradores deben estar dotados de un sistema de sincronización para que la frecuencia de la corriente generada se mantenga perfectamente sincronizada con la frecuencia de la red. Según la disposición del eje, existen dos tipos de aerogeneradores los de eje vertical y los de eje horizontal, los segundos son los más utilizados 35

45 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Figura 18: Tipos de aerogeneradores según la disposición del eje Fuente: Elementos de un aerogenerador de eje horizontal En la siguiente figura se pueden ver los componentes de un aerogenerador de eje horizontal: 36

46 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. 1. Suelo Figura 19: Elementos de un aerogenerador de eje horizontal Fuente: 2. Conexión a la red eléctrica: Es la conexión física entre los terminales eléctricos del generador y la red eléctrica (incluye las debidas protecciones). 3. Torre de contención: Sitúa el generador a una mayor altura, donde los vientos son de mayor intensidad, permiten el giro de las palas y transmite las cargas del equipo al suelo. 4. Escalera de acceso. 5. Sistema de orientación: Mediante un sistema de control permite girar el aerogenerador para optimizar el uso de energía. 6. Góndola: Sirve de alojamiento para los elementos mecánicos y eléctricos como la caja multiplicadora, generador, armarios de control, etc. 37

47 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia 7. Generador: Existen diferente tipos dependiendo del diseño del aerogenerador. Pueden ser síncronos o asíncronos, jaula de ardilla, doblemente alimentados, con excitación o con imanes permanentes. 8. Anemómetro: Instrumento que mide la velocidad del viento, medidas necesarias para el sistema de control. 9. Freno: Dispositivo de seguridad que permite detener el giro de las palas cuando la velocidad del viento es excesiva, o cuando no hay suficiente velocidad de viento como para que la máquina genere energía en buenas condiciones. 10. Caja Multiplicadora: Puede estar presente o no dependiendo del modelo. Transforman la baja velocidad del eje del rotor en alta velocidad de rotación en el eje del generador eléctrico. 11. Palas: Las palas del rotor, construidas principalmente con materiales compuestos, se diseñan para transformar la energía cinética del viento en un momento del eje del equipo. Los rotores modernos pueden llegar a tener un diámetro de 42 a 80 metros y producir potencias equivalentes de varios MW. La velocidad de rotación está normalmente limitada por la velocidad de punta de pala, cuyo límite actual se establece por criterios acústicos. 12. Inclinación de la pala hacia la derecha 13. Buje: Soporta estructuralmente las palas. Elección y optimización de aerogeneradores La elección del aerogenerador, como de los componentes del mismo dependerá de la disponibilidad de los recursos eólicos de la zona y del fin para el que será utilizado. El coste de la generación dependerá del grado de optimización de la máquina y componentes del aerogenerador. Se debe discernir hasta qué punto es ventajoso un cierto grado de optimización. Es necesario siempre realizar una evaluación del potencial eólico de la zona, para ello se debe tener en cuenta el valor medio de las velocidades del viento y su distribución temporal. A demás se deben tener en cuenta los siguientes factores: La conexión a la red eléctrica. Periodo de construcción del parque eólico (conjunto de aerogeneradores). Una zona es rentable cuando la densidad de potencia es >200 W/m2 38

48 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Cuando el aerogenerador se conecta a la red, es necesario considerar ciertos fenómenos que se producen en el sistema eléctrico, ya que se pueden provocar problemas de estabilidad en la red, estos fenómenos a considerar son: Armónicos Abastecimiento de energía reactiva Regulación de tensión Control de frecuencia 39

49 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia 3 Planteamiento del problema: Análisis energético del edificio 8E y 8F de la UPV 3.1 Situación actual Para realizar el estudio y simulación se ha elegido un edificio de la Ciudad Politécnica de la Innovación (CPI) dentro de la Universidad Politécnica de Valencia, este edificio servirá como modelo para obtener la demanda energética y luego realizar simulaciones con diferentes sistemas de energías alternativas y de diversa magnitud. Se trata de los bloques 8E y 8F. Figura 20: Cuidad Politécnica de la Innovación Fuente: 40

50 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. En este edificio funciona el sistema de climatización, equipos informáticos, circuitos de iluminación y máquinas de diversos tipos, para el caso concreto de este estudio no se requiere conocer en detalle los consumos de cada tipo de carga. En este trabajo lo que interesa es conocer la demanda eléctrica total del edificio, para luego tabular sus potencias máximas, mínimas, consumo anual, etc. Para efectos del estudio y de la simulación se ha recopilado la curva cuarta horaria de la demanda de energía eléctrica de todo el año A partir de estos consumos se ha obtenido la curva de carga anual del edificio. Luego de tabular esta información se puede determinar la siguiente información: Tabla 2: Datos tabulados de la demanda Potencia Máxima Consumida: 3154 kw Potencia Mínima Consumida: 0 kw 1 Potencia Base Consumida (día tipo): 1000 kw 2 Energía Anual Demandada: MWh Como se puede ver en la tabla el consumo es considerable, por lo que éste, es un caso muy bueno de estudio y pude constituir un modelo válido para el análisis de la integración de la generación distribuida en sistemas energéticos. Gracias a TRNSYS se puede mostrar la gráfica de consumo de energía de cualquier periodo, como por ejemplo, la primera semana de marzo, la cual corresponde al intervalo en horas del año: 1416 a 1584 horas: 1 Valor obtenido en una sola hora al año 2 Valor Típico (aproximado) 41

51 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Figura 21: Demanda del edificio en la primera semana de marzo obtenida de TRNSYS En la figura se puede apreciar que la demanda máxima es mucho menor a la demanda máxima anual, esto se debe básicamente a que en el mes de marzo no se requiere gran cantidad de energía para climatización, se aprecia además que el valor de potencia base esta alrededor de los 1000kW como ya se indicó en la tabla. Toda esta energía demandada a lo largo del año es suplida en un 100% por la red eléctrica convencional. 3.2 Problemática Como ya se ha indicado, toda la energía utilizada para las diferentes áreas en el edificio proviene de la red eléctrica, el consumo asciende a MWh, este es consumo importante de energía. Utilizar la energía eléctrica produce un impacto ambiental, ya que en algún lugar hay una planta de generación que está quemando combustible fósil, generando desechos radioactivos, etc., en la siguiente figura se muestra una tabla de emisiones de CO 2 en España según el RITE IT

52 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Figura 22: Emisiones de CO2 en la generación eléctrica en España Fuente: RITE IT1.2 Requisito de Eficiencia Energética Utilizando el valor de emisiones de CO2 en la península 649 g/kwh es decir ton/mwh se puede calcular las emisiones totales de CO2 del edificio en todo el año. En total son 8.828,35 toneladas de CO2 emitidas al ambiente por año, este es un factor negativo dentro del funcionamiento tradicional de los sistemas eléctricos. Muchas de las centrales actuales utilizan combustibles fósiles (petróleo, carbón, etc.) con sus correspondientes implicaciones en emisiones de humos y gases que provocan el efecto invernadero. Es preciso avanzar en investigaciones y sistemas que ayuden a mejorar aspectos como la eficiencia y la reducción de gases, así como la facilidad de integración de las energías renovables, tanto desde ubicaciones centralizadas como desde puntos de generación distribuidos. Otro factor negativo en la actividad de los sistemas eléctricos, son las pérdidas por transmisión y distribución de la energía, estas pérdidas se dan en todos aquellos dispositivos y medios de trasmisión por donde el flujo eléctrico tiene que atravesar, por ejemplo los transformadores, protecciones, cables, etc. Los transformadores tienen una eficiencia aproximada del 98%, los cables y protecciones ofrecen resistencia al paso de la corriente, por este motivo mientras más alejado esté un sitio, del lugar de generación de la energía, más pérdidas existirán. 43

53 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Figura 23: Elementos de la red que producen pérdidas Fuente: Además de los aspectos anteriormente mencionados relacionados con la operación actual de la red eléctrica, hay otra serie de problemas y/o necesidades como por ejemplo la antigüedad de las infraestructuras, necesidades de integración de las nuevas energías renovables, el coche eléctrico, etc. Las redes tienen que mejorar notablemente desde el punto de vista del usuario final y las funcionalidades que se espera de ella. El costo del combustible utilizado por las plantas de generación de energía tradicionales es cada vez mayor, lo mismo que lo es la propia construcción de las centrales. Por otro lado, está el problema que se produce durante los picos de demanda, que obliga a activar plantas especiales para poder suministrar esas necesidades de energía. Estas plantas se utilizan únicamente durante estos periodos, con los sobrecostes que ello supone. A más del coste propio de las materias primas, la amenaza que supone la dependencia, en todos sus aspectos del suministro éstas y más si lo son de otros países, representa un gran problema. Subidas en los precios o restricciones en los suministros pueden hacer no viables estrategias y proyectos importantes para la sociedad. La fiabilidad de la energía y su distribución es otra matiz a tener en cuenta. A pesar de que hoy en día la fiabilidad es muy alta, aún existe una gran pérdida económica y social debida a la falta de electricidad en determinadas ocasiones, esto debido a que hay actividades y aplicaciones que en la actualidad son muy críticas, como por ejemplo sistemas 44

54 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. informáticos (bancarios, comerciales, gestión de vuelos, etc.,). Además, muchas veces las propias compañías no detectan problemas como apagones, hasta que los usuarios finales les informan, por lo que es habitual que sea necesario el desplazamiento físico de los empleados para determinar qué partes de la red están dañadas. Adicionalmente si no se detecta rápidamente el fallo, se puede provocar un fallo en cascada debido a la congestión y sobrecargas que se producen. A todo esto le podemos sumar la demanda energética creciente que tiene todo el planeta, en la sociedad moderna, la disponibilidad de energía está fuertemente ligada al nivel de bienestar, a la salud y a la esperanza de vida del ser humano. En esta sociedad, que se podría llamar energívora, los países más pobres muestran los consumos más bajos de energía, mientras que los países más ricos utilizan grandes cantidades de la misma. Sin embargo este escenario está cambiando de forma drástica, cambio que se acentuará en los próximos años, donde serán precisamente los países en vías de desarrollo quienes experimenten con mayor rapidez un aumento en su consumo de energía debido al incremento que tendrán tanto en sus poblaciones como en sus economías. El consumo de energía en el mundo se incrementará aproximadamente en un 50 % hasta el En la figura 24 se puede apreciar la evolución del consumo de energía y su pronóstico para los próximos años, por el tipo de regiones económicamente desarrolladas. Este aumento en la demanda de energía se da a pesar de que se espera un aumento de precios, tanto del petróleo como del gas natural. Gran parte de este incremento será producido por el desarrollo en los países con economías emergentes. Se prevé que el consumo de energía en el mercado experimente un incremento medio de un 2,5% por año hasta 2030 en los países ajenos a la OCDE, mientras que en los países miembros será tan solo del 0,6%; así, durante este periodo, los países OCDE incrementarán su demanda energética en un 24%, mientras que el resto de países lo harán al 95%. En cifras, el uso total de energía en el mundo crecerá. 45

55 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Figura 24: Consumo de energía Fuente: Las proyecciones en algunas fuentes indican que la energía que se consumirá en el futuro será de origen fósil, algunos expertos creen que las renovables no se desarrollarán en una gran magnitud, esto debido esencialmente a los altos precios de generación que tienen y las barreras tecnológicas que se encuentran en su desarrollo. Figura 25: Uso de la energía por tipo de combustible Fuente: 46

56 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. En la figura se puede observar que los combustibles fósiles (petróleo, gas natural y carbón), seguirán siendo los más utilizados en todo el mundo, básicamente por su importancia en el transporte y en el sector industrial. Para el resto, energía nuclear y energías renovables, también se espera que experimenten un aumento durante el mismo periodo, aunque mucho más suave. El agotamiento de las reservas de los combustibles fósiles hace prever un escenario caótico en el futuro, en donde una sociedad consumista y energívora no estará dispuesta a sacrificar las comodidades logradas a lo largo del tiempo. El empleo de los recursos energéticos renovables puede verse alterado por cambios en las políticas o leyes que limiten la producción de gases de combustión que, de acuerdo con los trabajos de muchos científicos, están siendo los responsables directos del cambio climático. Por esta razón es imperativo realizar cambios tanto a nivel de consumo y de generación de energía. Para ello será necesario cambiar totalmente el funcionamiento del sistema energético actual. 3.3 Escenario incorporando generación distribuida renovable Como se ha indicado el único escenario posible para alcanzar la sostenibilidad del sistema energético es uno en el cual exista un fuerte incremento de las energías renovables, en donde exista una necesidad de potencia firme y flexible. Todo ello está haciendo que aparezca un nuevo concepto de red eléctrica, las redes inteligentes, de la cual ya se hablado en el capítulo anterior, el cual permite proporcionar un suministro de electricidad seguro, económico y sostenible. Es necesario que exista una facilidad de la integración de las energías renovables (cuya generación deberá ser habitualmente local) y un consumo sostenible, razonable y controlado por parte de los usuarios de tal manera que se reduzcan dependencias energéticas externas y sus costes asociados. Para hacer posible un esquema de generación distribuido es necesaria la implementación de sistemas automáticos inteligentes, los cuales pueden hacer que las eléctricas tengan un conocimiento en tiempo real de toda la red, permitiendo una rápida reacción; se puede también hacer una detección previa de problemas potenciales y minimizar el impacto de un fallo, aumentando de esta manera la fiabilidad. 47

57 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Es preciso la inversión en nuevas infraestructuras, con la reducción de costes de las telecomunicaciones, los avances en sensores, sistemas inteligentes, con procesadores más potentes y rápidos se permitirá que la generación, distribución y gestión de energía sea más barata, ecológica y permitirá ofrecer una serie de nuevos servicios a los usuarios finales. Como se ha indicado con anterioridad para lograr este escenario es importante la definición de estándares. Si la infraestructura de las eléctricas tiene que inter-operar con otros sistemas e industrias, tales como calefacción y aire acondicionado, dispositivos del hogar, en el futuro los coches eléctricos, etc., ésta debe estar acompañada de estándares que permitan esa interoperabilidad, es decir la base para la implementación de las Smart Grids. Ventajas de un esquema con generación distribuida y redes inteligentes: Diversifica la generación en el sector eléctrico abre una posible introducción de numerosas y nuevas empresas y un aumento de la fiabilidad. Puede utilizar un gran aporte de energías limpias, suponiendo menor impacto ambiental. En términos generales, se intenta mejorar el rendimiento económico y los aspectos funcionales de las redes. Sistema más flexible y la descentralización de los suministros aumenta la fiabilidad y la calidad de los servicios, pues existe una menor dependencia de unos pocos generadores, líneas de transporte y distribución. Se reducen las distancias entre generación y consumo, reduciéndose las pérdidas en transporte y distribución. Aumenta la seguridad por el mayor número de protecciones que se deben tener en cuenta. Se promueve la creación de redes de calidad y servicios diferenciados. Rapidez de instalación de generación distribuida, evita la necesidad de realizar grandes proyectos. La generación distribuida retrasa tener que ampliar las instalaciones de transmisión y distribución de energía, mejora los niveles de tensión, con una configuración adecuada, se puede mejorar la calidad del sistema. Almacenamiento: El almacenamiento se utiliza debido a que la potencia de muchos de los generadores distribuidos no puede ser controlada (paneles FV, eólica). De la misma manera facilita el balance de potencia entre generación y consumo. 48

58 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. La capacidad de almacenamiento se define en términos del tiempo durante el cual se puede suministrar la potencia nominal de las cargas que componen una microred. El almacenamiento distribuido mejora el comportamiento global de la microred pues: Estabiliza y permite a las unidades de GD funcionar de forma constante y estable a pesar de las fluctuaciones de carga. Permite cubrir las necesidades en intervalos de tiempo en los que la potencia generada por los sistemas solares, eólicos e hidráulicos disminuye. Relativiza los picos de demanda y las perturbaciones momentáneas de potencia. Da tiempo para que los generadores de reserva entren en operación. El almacenamiento se lo realiza principalmente mediante baterías, existen diferentes y nuevas tecnologías desarrolladas, además se ha desarrollado otras técnicas como los supercondensadores y los volantes de inercia, los cuales se vuelven a utilizar gracias a su rápida respuesta frente a los almacenamientos. En este trabajo se plantea la posibilidad de integrar en un edificio, partiendo de datos reales de consumo, un conjunto de sistemas de generación renovable, equipos y dispositivos que permitan generar energía localmente de manera que, la demanda pueda ser cubierta total o parcialmente por estos sistemas, con el consecuente beneficio que ya se ha destacado. Figura 26: Contribución energética de un sistema con recursos distribuidos Fuente: Microredes, Máster Universitario en Tecnología Energética para Desarrollo Sostenible, Joan Pons Llinares 49

59 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia A más de esto se podría realizar un control que evite que la demanda de energía de red supere la potencia contratada, de tal manera que cuando esto esté a punto de ocurrir entren en funcionamiento sistemas auxiliares de suministro de energía como un grupo electrógeno o un banco de baterías que previamente han sido cargadas por un exceso de generación de los sistemas de energía renovables. Diferentes tipos de escenarios energéticos son posibles de evaluar de manera muy confiable con el desarrollado modelo de simulación. 50

60 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. 4 Modelo de Simulación Para la realización de modelo de simulación se ha escogido el software TRNSYS debido su gran versatilidad, este software de código abierto que permite introducir los datos climatológicos de un año entero de la zona en estudio, así como también la demanda energética, contiene modelos muy confiables de los elementos de los sistemas energéticos que se requieren, permite realizar balances interanuales o diarios, estudios paramétricos que permiten evaluar objetivamente optimizaciones por lo cual es ideal para realizar estudios de viabilidad. Figura 27: TRNSYS TRNSYS se utiliza para modelar sistemas energéticos transitorios de diversos tipos, tanto en el campo eléctrico y térmico. El software fue desarrollado en la Universidad de Wisconsin, en Estados Unidos. Uno de sus usos originales fue el de realizar la simulación dinámica del comportamiento de un sistema de agua caliente solar para un año meteorológico típico, con el fin de poder comprobar los ahorros de costes a largo plazo de estos sistemas, TRNSYS contiene los datos climatológicos de muchos lugares a lo largo del planeta, lo cual representa una ventaja muy grande cuando se requiere simular sistemas energéticos que dependen del clima (radiación solar, viento, temperaturas, etc.,). Este programa consta de dos partes, el primero es un kernel que lee y procesa la información de entrada e iterativamente resuelve el sistema, determinando su convergencia y grafica un sistema de variables si así se desea. El kernel también provee utilidades como determinar propiedades termo físicas, matrices invertidas, regresiones lineales e interpolación de datos externos. La segunda parte de TRNSYS es una extensa librería de componentes con sus respectivos modelos. La librería estándar incluye aproximadamente 150 modelos, clasificados en diferentes áreas: 51

61 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Controladores Electricidad Intercambiadores de calor Sistemas HVAC Sistemas de hidrógeno Hidráulica Cargas y estructuras Obsoletos Salidas Fenómenos Físicos Colectores termo-solares Almacenamiento térmico Utilidades Lectura de datos climatológicos y procesamiento Los modelos son construidos de tal manera que los usuarios pueden modificar los componentes existentes o crear los suyos propios, en función de sus propias necesidades y entorno. El software se ha comercializado aproximadamente por 35 años y continua siendo una herramienta flexible que se adapta a cualquier tipo de cambios que requieren investigadores y profesionales de la comunidad de la simulación de la energía; esta flexibilidad ha hecho que importantes entidades a nivel mundial continúen utilizando este programa por ejemplo la NASA, National Renewable Energy Lab (USA), BMW, Electricité de France, entre otros. 4.1 Estructura y lógica del modelo de simulación Diagrama de bloques del modelo de simulación El modelo se compone de distintos bloques orientados a realizar determinadas tareas. En la siguiente figura se muestra el diagrama de bloques del software. 52

62 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Figura 28: Diagrama de bloques del modelo de simulación Existe un bloque encargado de adquirir los datos climáticos dentro de un periodo de simulación, estos datos climatológicos se encuentran en ficheros determinados, de acuerdo a la localidad en la cual se realiza la simulación y son el resultado de un promedio de datos reales obtenidos en los últimos años. Este fichero es capaz de presentar muchos datos entre ellos: Temperatura ambiente Humedad relativa Velocidad y dirección del viento Presión atmosférica Radiación solar total sobre una superficie inclinada Radiación solar directa y difusa sobre una superficie inclinada Radiación difusa reflejada sobre en suelo en una superficie inclinada Ángulo de incidencia sobre una superficie inclinada en función de la hora y época del año Estos datos sirven de entrada para los siguientes bloques, tanto para el sistema de generación solar, como para el sistema de generación eólico, ya que estos bloques requieren de estos datos para estimar la cantidad de energía producida. En el bloque del sistema solar, básicamente se requiere conocer las características y el número de paneles, su inclinación y azimut. En el bloque del sistema eólico, lo que se debe especificar al simulador, es el tipo de aerogenerador con su respectiva potencia. En función de los datos climáticos, básicamente radiación solar y velocidad del viento, y de la dimensión de los sistemas tanto solar como eólico se obtendrá una energía total 53

63 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia generada de origen renovable. Esta energía total ingresa como una variable al bloque del sistema de control. Para que el sistema de control tome las decisiones se requiere de otro parámetro, el cual es la demanda. La demanda ha sido obtenida de la curva cuarta horaria de todo el año 2011, esta información se lee desde una tabla de Excel. En función de estas variables, el sistema de control interactúa con tres bloques, el de almacenamiento de energía (baterías), un grupo electrógeno (generador diesel) y la red eléctrica convencional. Así por ejemplo si la generación de origen renovable es mayor a la demanda, el sistema de control decidirá almacenar esta energía sobrante en un acumulador, en este caso un grupo de baterías cuyo número se debe especificar en la aplicación. Cuando la generación renovable sea menor a la demanda el sistema de control deberá tomar la decisión adecuada del flujo de energía, en función de los recursos disponibles, inicialmente utilizará energía desde la red eléctrica convencional, cuando se requiera una potencia mayor a la contratada por parte de la red, el sistema deberá verificar si existe energía almacenada, cuando esta energía no sea capaz de cubrir la demanda o la baterías estén cerca del límite mínimo de descarga, el sistema puede optar por arrancar el sistema electrógeno y así evitar pagar conceptos de excesos de potencia Diagrama de bloques del flujo de energía A continuación se detalla el diagrama de bloques del flujo de energía del modelo de simulación. Como se puede ver en la figura, los sistemas de generación eólica y solar aportan energía al sistema, siempre supervisados por un sistema de control. Las baterías pueden absorber o entregar energía en función de las necesidades del sistema. El sistema electrógeno exclusivamente entrega energía y solamente cuando sea estrictamente ineludible, el funcionamiento de estos bloques puede ser ajustado de acuerdo a modos de funcionamiento que pueden ser seleccionados en el modelo de simulación. El sistema permite tomar o entregar potencia de la red, de acuerdo al modo de funcionamiento del sistema. La demanda energética es abastecida por todo el conjunto de distositivos que existen en el sistema, pero siempre coordinados por un bloque de control, el cual es el encargado de obtener el máximo provecho de los elementos del sistema. 54

64 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Figura 29: Diagrama de bloques del flujo de energía del modelo de simulación Diagrama de flujo del modelo de simulación Debido a que TRNSYS no utiliza un software de programación estructurada sino una programación por bloques es bastante difícil precisar un diagrama de flujo que se ajuste perfectamente a la realidad, sin embargo la siguiente figura muestra un diagrama de flujo que se ajusta de la manera más cercana posible. En este diagrama se puede apreciar la filosofía del modelo de simulación. El sistema inicia como no puede ser de otra manera con la obtención de datos, tanto climatológicos, como de la demanda. Una vez obtenida la información del clima y en base a la dimensión del sistema solar y eólico, el software calcula la producción de energía de origen renovable total, la cual es el resultado de la suma de la producción del sistema solar más la del sistema eólico. A continuación se tiene un elemento de decisión en el cual se comparan los valores de demanda y de generación renovable. Si la demanda es menor a la generación renovable se cubre directamente la demanda. En este caso, si no existe exceso de energía, el ciclo de simulación termina, este caso es muy difícil que ocurra en la realidad ya que es muy improbable que la generación cuasi aleatoria de origen solar y del viento se iguale a la demanda, en cambio la opción que exista un exceso de generación es mucho más probable por lo que sistema verifica si existen baterías, en el caso negativo entrega la energía excedente a red y en el caso contrario carga las baterías. 55

65 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Figura 30: Diagrama de flujo del modelo de simulación 3 *FIN 3 *FIN, puede ser tanto el final de un ciclo de simulación (1 hora) o el final absoluto de la simulación. 56

66 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Cuando la demanda es mayor que la generación renovable lo cual es muy frecuente, el sistema calcula el déficit, es decir cuanta potencia es necesaria para satisfacer la demanda. Si el déficit de potencia es menor que la potencia contratada, este déficit se cubre con potencia de red, sin embargo si el déficit es mayor a la potencia contratada el sistema lleva a cabo acciones que permitan impedir que esto ocurra. En el caso de que el déficit sea mayor a la potencia contratada, el sistema verifica si las baterías tienen energía almacenada, en el caso afirmativo se usa esta energía y se vuelve a comparar el déficit con la potencia contratada, si las baterías llegan al punto crítico de descarga, no estaban cargadas o su energía no es suficiente para cubrir con el exceso de demanda, el controlador del sistema indica al generador diesel que se ponga en marcha para cubrir el déficit restante. Debido a que los generadores diesel no pueden generar por encima de su potencia nominal, el modelo de simulación verifica si la potencia que se requiere que el generador diesel genere es mayor que su potencia nominal, en ese caso, el generador genera a la potencia nominal y el déficit restante es cubierto a fuerza por la red, en este caso se excede la potencia contratada, ya que es inevitable. Si la potencia requerida es menor a la potencia nominal el generador diesel solamente generará lo necesario. A continuación se muestra una pantalla de resultados de una simulación. Figura 31: Resultado de potencias en el modelo de simulación 57

67 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia En esta figura se puede ver pintada de rojo la curva de la demanda, de verde es la curva de la potencia de red, en este caso se puede apreciar un consumo bastante menor de energía eléctrica convencional con respecto a la demanda. Para este ejemplo se ha configurado una potencia contratada de 1200 kw, una potencia nominal del generador diesel de 300 kw y almacenamiento en baterías sin restricción. Como se puede ver, inicialmente entre las horas 635 y 660 aproximadamente el sistema eólico (línea rosa) alcanza un nivel mayor que la demanda, por lo que las baterías se comienzan a cargar. Figura 32: Almacenamiento en baterías Una vez que la producción de eólica desciende (luego de la hora 657), es necesario inyectar potencia desde la red (línea verde), a partir de la hora 665 el sistema de almacenamiento de baterías (línea celeste) comienza a entregar potencia, por lo que evita que la potencia de red exceda la potencia contratada. Un fenómeno parecido ocurre en la hora 751, en el cual se requiere de la energía almacenada en las baterías y de esta manera se evita que la potencia de red consumida exceda la potencia contratada, sin embargo en un momento dado las baterías ya no pueden entregar más potencia por lo que el sistema electrógeno (línea naranja) comienza a funcionar (hora 757), pero su potencia nominal solamente es de 300kW, por lo que en la hora 758 se produce un exceso en el consumo de la red con respecto a la potencia contratada. 58

68 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Una vez entendida la filosofía del software, en el siguiente punto se detalla los modos de funcionamiento del modelo de simulación y las variables de salida que muestran los resultados. 4.2 Alcance, funcionalidades y variables de salida El modelo tiene una capacidad de simulación realmente buena ya que permite mediante modelos muy confiables de los elementos de los sistemas energéticos que se requieren, realizar balances anuales, interanuales o diarios, estudios paramétricos que permiten evaluar objetivamente optimizaciones por lo cual es ideal para realizar estudios de viabilidad. TRNSYS contiene los datos climatológicos de muchos lugares a lo largo del planeta, lo cual representa una ventaja muy grande cuando se requiere simular sistemas energéticos que dependen del clima (radiación solar, viento, temperaturas, etc.,). De tal manera que se pueden evaluar las diferencias de implementar un mismo en diferentes lugares del mundo. El modelo de simulación permite seleccionar ciertos modos simulación tales como: Entregar energía sobrante a la red.- En este caso el sistema no almacena energía cuando la generación renovable excede a la demanda, sino que la inyecta directamente a la red. Almacenar energía sobrante en baterías.- En este caso la energía excedente se almacena en baterías y no se entrega a red. Utilizar la energía almacenada en baterías.- Cuando se almacena la energía en baterías pueden existir dos criterios; el primero es dejar esa energía almacenada para utilizarla cuando exista algún fallo (de red o de los sistemas internos del edificio) o la segunda opción es utilizarla cuando la potencia de red que se está utilizando llegue a superar el valor de la potencia contratada. Utilizar el sistema solar de generación.- Para efectos de simulación se puede habilitar o deshabilitar el uso de la energía solar. Habilitar el uso de un aerogenerador.- De la misma manera que el caso anterior se puede habilitar o deshabilitar el uso de uno o varios aerogeneradores. Algunos modos de funcionamiento pueden ser usados de manera simultánea, pero otros no son compatibles, como por ejemplo al seleccionar el modo de entregar energía 59

69 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia sobrante a la red, una selección adicional de utilizar la energía almacenada en baterías, no tendrá ningún efecto sobre la simulación. Figura 33: Modos de funcionamiento Las variables de salida, objeto de la simulación, se grafican en grupos, clasificados en tres viñetas. En la primera viñeta se encuentran graficadas las curvas de potencia en kw: Demanda Potencia generada por el sistema solar fotovoltaico Potencia generada por el aerogenerador Potencia aportada por el grupo electrógeno (generador diesel) Potencia aportada por la red y Potencia aportada por las baterías Figura 34: Visualización de potencias 60

70 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. En la segunda viñeta se observa la energía aportada en kwh por cada uno de los sistemas de manera acumulada, es decir, que a la hora final de la simulación se podrá observar cuanta energía en total, ha aportado cada tecnología a lo largo del periodo de simulación. Las energías que se grafican son las siguientes: Energía solar Energía eólica Energía de red Energía del grupo electrógeno Energía de baterías y Energía total demandada Figura 35: Visualización de energías En la tercera viñeta se grafican dos curvas: Energía almacenada ó Energía entregada a red La primera de color rojo será graficada cuando se haya seleccionado el modo de simulación para almacenamiento de energía. En este caso se ve que las baterías reciben energía y luego la entregan hasta cuando ésta llega a cero. 61

71 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Figura 36: Visualizador de energía almacenada o entregada (1) Cuando se seleccione la opción de no almacenamiento de energía, es decir entregar energía a red, será graficada la curva azul. En el tiempo final de la simulación la curva contabiliza la cantidad total de energía que ha sido entregada a red. Figura 37: Visualizador de energía almacenada o entregada (2) Todas estas variables son almacenadas en archivos de Excel, en el Anexo 1: Manual del usuario se encuentran los detalles del manejo del software de simulación. 62

72 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. 5 Escenarios Planteados y Resultados 5.1 Elementos del sistema de generación del edificio Antes de realizar los escenarios, es necesario dimensionar los elementos de generación disponibles para el edificio objeto de estudio. Para ello se eligen ciertos equipos y dispositivos reales, cuyos catálogos con las especificaciones técnicas se encuentren disponibles Sistema solar Los paneles solares elegidos son de la marca Atersa, modelo A-230P 230w, cuyas características principales son las siguientes: Potencia (W en prueba -+5Wp c.a red): 230W Número de células en serie: 60 Corriente en punto de máxima potencia: 7,990A Tensión en punto de máxima potencia: 28,87V Corriente de cortocircuito: 8,55A Tensión de circuito abierto: 36,72V Dimensiones: Longitud: 1645 mm Anchura: 990 mm Espesor: 40 mm Peso: 21,5 kg El modelo fotovoltaico del simulador incluye el inversor por lo que este no se dimensiona en el presente trabajo. Más información acerca de este elemento se presenta en el anexo Sistema eólico Se ha seleccionado el mismo aerogenerador que se encuentra modelado en TRNSYS, se trata del modelo Vestas V66 de 1650 kw 63

73 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Datos Generales: Potencia Generada: 1650 kw Área operacional: 4-25 m/s Velocidad nominal del rotor: 21,3 rpm Generador asíncrono, doble campo, frecuencia nominal de 50HZ Potencia y control de inclinación Control de orientación planetario / combinación de caga tipo gusano Altura de la torre: 78 m Diámetro del rotor: 66 m Peso de la torre: kg Peso rotor + góndola: kg La ficha técnica completa se encuentra en el Anexo Grupo electrógeno (generador diesel) Se ha escogido el generador diesel de la marca Taigüer serie TG500T de 50Hz, cuyas características principales son: Potencia principal: 400 kw / 500kva Voltaje disponible: 380/220v, 440/230v, 415/240v Más detalles se encuentran en el Anexo Baterías Las baterias son de la marca Trojan Battery Company, cuyas características principales se detallan a continuación: Capacidad: C20 420Ah Voltios: 6 Peso: 52 Kg Dimensiones: 295 x 178 x 434 Batería de ciclo profundo Una vez conocidas las reales dimensiones de los sistemas existentes en el mercado se procede a realizar el análisis y simulación de varios escenarios. 64

74 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Antes de analizar cada uno de los escenarios, es necesario recordar rápidamente la lógica del funcionmiento del simulador. El sistema tratará de cubrir la demanda con la energía procedente de la generación renovable, si existe un exceso de la generación con respecto a la demanda, el sistema puede hacer dos cosas, la primera es almacenar la energía en baterías y la segunda es entregarla a red. Los dos casos serán evaluados. Cuando la energía renovable no sea capaz de cubrir la demanda, la energía de la red será utilizada mientras su valor de potencia sea menor a la contratada, cuando sobrepasa este valor se utiliza la energía que esta almacenada en baterías, siempre y cuando exista, caso contrario se enciende el generador diesel. El generador diesel tiene una potencia máxima de 400kW, si el valor requerido es mayor, inevitablemente se absorverá potencia de red y se sobrepasará la potencia contratada. 5.2 Escenario 1: Generación renovable orientada a cubrir la carga base del edificio Todos los escenarios serán analizados con almacenamiento y uso de baterías en un caso y sin uso de baterías en el otro, es decir inyectando la energía sobrante de la generación renovable directamente a red. Este escenario trata de cubrir la carga base del edificio, es decir 1000 kw aproximadamente, con energía procedente de fuentes renovables (energía eólica y solar). Para ello se habilita el funcionamiento del aerogenerador de 1650 kw de potencia nominal. Debido a la aleatoriedad de la velocidad del viento es necesario dimensionar un sistema adicional de generación de energía, la generación fotovoltaica es perfecta debido a que es una tecnología que ya se ha desarrollado de manera importante y presenta la ventaja de que genera durante las horas de sol, lo cual coincide con la mayor demanda de energía del edificio en estudio. Para dimensionar el sistema fotovoltaico se hará un cálculo sencillo, la idea es, que la generación de fotovoltaica nunca exceda la demanda (carga base), la cual se encuentra en aproximadamente 1000 kw. Para ello supondremos que el sistema fotovoltaico se constituirá por una matriz de n X n paneles de 230 W cada uno. De tal manera que: 65

75 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Por lo tanto se elegirá una matriz de 66 x 66, es decir 4356 paneles para este escenario, lo cual parece ser excesivo, pero para efectos de prueba del modelo de simulación es válido. El generador diesel se establece al valor del catálogo 400 kw Análisis anual, escenario 1 Lo que se busca encontrar con esta simulación es el valor adecuado para la potencia contratada. Inicialmente se establecerá en 1500 kw, y el sistema de baterías será de tamaño infinito para luego determinar el número de baterías necesario en este escenario. Se realizará una simulación para un año entero, para evaluar el comportamiento detallado de los sistemas. En primera instancia se tratará de fijar una potencia contratada adecuada. Al realizar la primera simulación anual con los datos indicados se obtiene lo siguiente: Figura 38: Potencia contratada, escenario 1 (1) 66

76 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Como se ve en la figura la potencia de red que se requiere desde los meses de junio hasta septiembre excede con demasía el de la potencia contratada. Por lo que para la siguiente simulación el valor de potencia contratada se establecerá en 2000 kw. Figura 39: Potencia contratada, escenario 1 (2) En este escenario se puede ver que el sistema es capaz de mantener en gran medida la potencia de red por debajo de la contratada, a excepción de ciertos periodos como por ejemplo, ciertos días del mes de junio y agosto, en los cuales se ve que la potencia excede la potencia contratada; sin embargo se ha fijado este valor, ya que no es recomendable contratar una potencia que nunca se va a sobrepasar, ya que siempre existe un óptimo que refleja el valor mínimo de la suma del costo de la potencia contratada más las penalizaciones por excesos, esto no se analizará ya que no es uno de los objetivos de este trabajo. El aporte de energía solar en este escenario se ve bastante importante y uniforme, aumentando su producción en verano, pero siempre por debajo de la curva de demanda. Como se puede ver en la figura. 67

77 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Figura 40: Aporte de energía solar, escenario 1 La producción de energía eólica es mucho más randómica, pero aporta prácticamente la misma cantidad que la energía solar. La energía eólica en este escenario es importante ya que permite un exceso de producción de energía que es usado para cargar baterías. Figura 41: Aporte de energía eólica, escenario 1 Cuando vemos la producción de energía del generador diesel vemos que su producción se centra a partir del mes de junio y hasta antes del mes de octubre. El uso de las baterías en 68

78 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. este caso desde mediados del mes de mayo hasta junio, esto se da debido a que la energía se ha ido acumulando a lo largo del año y en los meses de verano se requiere de una energía adicional; el sistema tratará de evitar que el consumo de la potencia de red sea mayor a la contratada, utilizando energía de baterías o del generador diesel. Figura 42: Aporte del generador diesel y baterías, escenario 1 En cuanto a energías los resultados se pueden ver en la siguiente figura: Figura 43: Energía utilizada para cubrir la demanda 69

79 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Es interesante analizar el aporte de cada tecnología en la generación de energía de todo el sistema, de la misma manera la cantidad de energía aportada por la red. Esto se resume en la siguiente tabla: Tabla 3: Uso de energías, escenario 1 Tipo de Energía Energía en MWh Porcentaje Red 11135,00 82,03% Solar PV 1295,80 9,55% Eólica 1088,80 7,71% Generador Diesel 96,68 0,71% Total 13616,28 100,00% En este escenario se puede ver que la energía aportada por la red llega a un 82,03%, el 17,97% de la energía restante es aportada por los nuevos elementos agregados del sistema. Solamente el 0,71% de la energía total es aportada por el generador diesel, pero este posibilita contratar una potencia de al menos 400 kw menos, lo cual representa un ahorro importante, en el pago por concepto de potencia contratada. Red Solar PV Eólica Generador Diesel 0,71% 9,55% 7,71% 82,03% Figura 44: Generación y uso de la energía de red del sistema, escenario 1 La demanda total anual es de 13601,28 MWh, por lo que hay un exceso de generación. Este exceso proviene básicamente de la energía eólica. Como se ha indicado con anterioridad esta energía es almacenada en baterías, parte de ella se ha usado y otra parte se ha quedado almacenad. Desde el punto de vista de la demanda, las tecnologías que aportan energía se resumen en la siguiente tabla: 70

80 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Tabla 4: Aporte de energías desde el punto de vista de la demanda Tipo de Energía Energía en MWh Porcentaje Red 11135,00 81,87% Solar PV 1295,80 9,53% Eólica 1047,13 7,70% Generador Diesel 96,68 0,71% Baterías 25,54 0,19% Total 13600,14 100,00% Red Solar PV Eólica Generador Diesel Baterías 7,70% 0,71% 0,19% 9,53% 81,87% Figura 45: Aporte de energía desde el punto de vista de la demanda % Como se puede notar la energía eólica baja su aportación en un porcentaje mínimo debido a que sus excesos son almacenados en baterías. Sin embargo las baterías aportan solamente un 0,19 % de la demanda. El almacenamiento en las baterías varía a lo largo de la simulación ya que sufre cargas cuando existe un exceso de generación y descargas cuando el sistema utiliza esta energía para tratar de evitar que la potencia de red supere la contratada. En la siguiente figura podemos ver que existen kwh de energía que potencialmente quedaría almacenada al final del año. 71

81 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Figura 46: Energía almacenada a lo largo de la simulación A continuación se analiza el caso en el que la energía que proviene de las fuentes renovables y que excede la demanda no se almacena, sino que se inyecta directamente a red. El comportamiento es muy similar al caso anterior, la principal diferencia radica en que ahora no existe energía almacenada en baterías, por lo que la energía procedente del generador diesel se usa en mayor medida, esto para evitar que la potencia de red sobrepase la contratada. 72

82 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Figura 47: Uso de la energía del generador diesel En cuanto a la generación de las diferentes tecnologías se obtuvieron los siguientes resultados: Tabla 5: Uso de energías sin almacenamiento en baterías Tipo de Energía Energía en MWh Porcentaje Red 11136,00 81,63% Solar PV 1295,80 9,50% Eólica 1088,80 7,98% Generador Diesel 121,80 0,89% Total 13642,40 100,00% La principal diferencia radica en un aumento considerable en la producción del generador diesel, ya que pasa de generar 96,68 MWh a 121,80 MWh. 73

83 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Red Solar PV Eólica Generador Diesel 7,98% 0,89% 9,50% 81,63% Figura 48: Generación y uso de la energía de red del sistema, sin almacenamiento de energía, escenario 1 Desde el punto de vista de la demanda el aporte de energías es el siguiente: Tabla 6: Aporte desde el punto de vista de la demanda (2), sin almacenamiento en baterías Tipo de Energía Energía en MWh Porcentaje Red 11136,00 81,88% Solar PV 1295,80 9,53% Eólica 1047,13 7,70% Generador Diesel 121,80 0,90% Baterías 0,00 0,00% Total 13600,73 100,00% Como se puede ver el aporte de las baterías es de cero y el del generador diesel ha aumentado, sin embargo ha existido un exceso de energía que ha sido volcado a red. Este valor asciende a 41,67 MWh. 74

84 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Figura 49: Energía entregada a red En este escenario es muy importante calcular el número de horas / año que el aerogenerador funcionaría a su potencia nominal, ya que se conoce su potencia nominal y cuanta energía produce en todo el año, por lo tanto podemos determinar el número de horas equivalente: Análisis estacional, escenario 1 A continuación se realizará un análisis estacional, en el cual se simularán dos semanas en cada estación para poder observar cómo interactúan entre sí, los diferentes componentes del sistema. Se han definido las siguientes fechas de inicio de simulaciones: Primavera: 1 de abril Verano: 21 de junio 75

85 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Otoño: 1 de octubre Invierno: 1 de enero Simulación en primavera Figura 50: Potencias en primavera La potencia de red nunca supera la contratada (2000kW), por lo que la energía almacenada en las baterías nunca se usa, de la misma manera tampoco se enciende el generador diesel. En verano obtenemos lo siguiente: Figura 51: Energía almacenada en baterías 76

86 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Nuevamente en este intervalo de dos semanas la generación de origen renovable: solar + eólica prácticamente no sobrepasa la demanda. Figura 52: Potencias en verano (1) Debido a que la demanda ha aumentado considerablemente en esta época, la potencia utilizada de red, a veces excede la contratada, esto sucede cuando el generador diesel no puede generar a más de su potencia nominal (400kW). Figura 53: Potencias en verano (2) Los resultados de la simulación de otoño se muestran en la siguiente figura: 77

87 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Figura 54: Potencias en otoño En este caso tampoco existe sobrante de energía. El uso del generador diesel evita que la potencia de red supere la contratada. Las dos primeras semanas de enero (invierno) se caracterizan por una baja demanda, cuando la demanda sobrepasa los 2000 kw, la energía solar básicamente y a veces la eólica impiden que se demande mayor potencia de red, de esta manera se evita que se solicite potencia del generador diesel y de baterías, por lo que al final de la simulación existe energía almacenada en las baterías. Figura 55: Potencias en invierno 78

88 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. 5.3 Escenario 2: Generacion renovable orientada a cubrir la carga base del edificio, prescidiendo de la energía eólica Se ha creído importante simular un escenario en el cual no exista un aerogenerador, por las dificultades que significa su instalación y puesta en marcha en una zona urbana. A demás se considera viable instalar un aerogenerador cuando su tiempo equivalente de funcionamiento a potencia nominal es igual o superior a 2500 h; como se ha visto, el aerogenerador funcionaría a potencia nominal únicamente 660 horas aproximadamente. Por este motivo en el segundo escenario, se considera ahora solamente la energía solar fotovoltaica como única fuente renovable de generación de energía eléctrica para el edificio. El dimensionamiento del sistema solar será el mismo que en el escenario anterior por lo que se puede anticipar que difícilmente las baterías recibirán energía por excesos en la generación de los paneles fotovoltaicos Análisis anual, escenario 2 Como en el escenario anterior, inicialmente se analizará el sistema con almacenamiento de energía en baterías, en este caso el almacenamiento va a ser mínimo ya que por lo general la producción fotovoltaica siempre está por debajo de la demanda. Figura 56: Producción solar vs Demanda, Escenario 2 79

89 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Para efectos comparativos de las simulaciones se ha mantenido el valor de la potencia contratada en 2000 kw. Además como se puede ver en la figura, el uso del generador diesel (línea naranja), ha aumentado con respecto al escenario anterior, mientras que el uso de la energía de baterías (línea celeste) ha disminuido debido a la inexistencia del aerogenerador. Figura 57: Potencias utilizadas, red, generador diesel y baterías, escenario 2 En términos de energía el simulador muestra los siguientes resultados: 80

90 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. En términos de generación y uso de la energía de red los datos son tabulados en la siguiente tabla: Tabla 7: Generación y uso de la energía de red del sistema, con almacenamiento de energía, escenario 2 Tipo de Energía Energía en MWh Porcentaje Red 12137,00 89,23% Solar PV 1295,80 9,53% Generador Diesel 168,42 1,24% Total 13601,22 100,00% Se puede ver que el consumo de energía de red aumenta considerablemente un 9% a aproximadamente, el aporte de la energía solar se mantiene constante y la energía del generador diesel también ha sufrido un crecimiento importante. Red Solar PV Generador Diesel 9,53% 1,24% 89,23% Figura 58: Generación y uso de la energía de red del sistema, con almacenamiento de energía, escenario 2 Desde el punto de vista de la demanda, los sistemas que aportan energía para cubrir la demanda se pueden resumir en la siguiente tabla: Tabla 8: Aporte de energías desde el punto de vista de la demanda, escenario 2 Tipo de Energía Energía en MWh Porcentaje Red 12137,00 89,24% Solar PV 1293,28 9,51% Generador Diesel 168,42 1,24% Baterías 2,26 0,02% Total 13600,97 100,00% 81

91 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Los datos prácticamente no sufren cambios, se ve que el aporte de baterías es mínimo, siendo de 2.26 MWh al año, es decir el 0,02% de la demanda. Red Solar PV Generador Diesel Baterías 9,51% 1,24% 0,02% 89,24% Figura 59: Aporte de energías desde el punto de vista de la demanda El uso de las baterías ha sido de muy poca importancia en este escenario, en la siguiente figura se puede ver la evolución de su carga y descarga a lo largo de las 8760 horas de simulación. Figura 60: Evolución carga y descarga de baterías, escenario 2 El caso en el que no se almacene la energía, sino que el excedente de generación se entregue directamente a red no será muy diferente al caso ya analizado, ya que los excesos de generación con respecto a la demanda son mínimos. 82

92 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. El aporte en generación y demanda de potencia de red es prácticamente la misma, y desde el punto de vista de la demanda la energía que antes proveía baterías ahora la da el generador diesel. Figura 61: Generador diesel vs demada La generación y utilización de energía de red, se indican a continuación, cuyos valores son prácticamente idénticos a los obtenidos anteriormente. Tabla 9: Generación y uso de la energía de red del sistema, sin almacenamiento de energía, escenario 2 Tipo de Energía Energía en MWh Porcentaje Red 12137,00 89,22% Solar PV 1295,80 9,53% Generador Diesel 170,66 1,25% Total 13603,46 100,00% De manera similar ocurre desde el punto de vista de la demanda Tabla 10: Aporte de energías desde el punto de vista de la demanda Tipo de Energía Energía en MWh Porcentaje Red 12137,00 89,24% Solar PV 1293,28 9,51% Generador Diesel 170,66 1,25% Baterías 0,00 0,00% Total 13600,94 100,00% 83

93 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia La energía que se ha aportado a red a lo largo del año es de kwh Análisis estacional, escenario 2 Figura 62: Energía entregada a red De la misma manera se han analizado 2 semanas en cada estación, como en el escenario anterior. En primer lugar se analiza la primavera. Se puede ver que la generación solar es suficiente como para mantener la demanda de potencia de red por debajo de la potencia contratada. 84

94 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Figura 63: Potencias en primavera, escenario 2 En verano la situación es diferente y más interesante, nos encontramos con una demanda mayor, la cual es satisfecha por la energía procedente del sol, la energía de red y del generador diesel, este último siempre intenta que la potencia de red no sobrepase la contratada, en la siguiente figura se puede ver que, a veces se cumple con este cometido y a veces no, debido a que dicho generador no puede sobrepasar su potencia nominal. Figura 64: Potencias en verano, escenario 2 Cuando se analiza el sistema en otoño, el caso es similar al anterior: 85

95 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Figura 65: Potencias en otoño, escenario 2 En las dos semanas de invierno la simulación indica, que no se requiere el uso del generador diesel. Figura 66: Potencias en invierno, escenario2 86

96 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. 5.4 Escenario 3: Óptimo económico según el software Homer Un estudio realizado por el alumno de Ingeniería Industrial de la Universidad Politécnica de Valencia, Víctor Sánchez, en el software Homer indica que la instalación alcanza su valor óptimo económico cuando la potencia instalada de los paneles fotovoltaicos es de 750 kw, no existe aerogenerador, y el generador diesel tiene un tiempo estimado de funcionamiento a potencia nominal de aproximadamente 1700 h /año. Para dimensionar el número de paneles necesarios y sabiendo que cada panel tiene una potencia máxima de generación de 230W, se realiza un sencillo cálculo: Por lo que se aplicará una matriz de 57x57 paneles para el sistema solar de generación. Para subir la utilización del generador diesel hasta un valor cercano a 1700 h /año se establece la potencia contratada en 1700 kw. En este escenario se almacena muy poca energía en baterías ya que la producción de energía fotovoltaica es menor a los escenarios anteriores Análisis anual, escenario 3 Como se ve en la figura la producción de energía por este medio solamente sobrepasa la demanda en casos excepcionales, en los que parecen haber existido fallos. 87

97 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Figura 67: Demanda vs producción de energía solar, escenario 3 Como se ve en la figura el uso de energía desde las baterías es mínimo Figura 68: Demanda vs potencia utilizada de las baterías, escenario 3 En cuanto a la potencia utilizada de la red (curva verde), se ve que en los meses de junio y agosto existe exceso con respecto a la potencia contratada, pero el resto del año se mantiene por debajo. Esto gracias al generador diesel (curva naranja). 88

98 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Figura 69: Demanda, potencia de red y del generador diesel, escenario 3 En cuanto a la generación y uso de la energía de red del sistema, el modelo de simulación presenta los siguientes resultados: Figura 70: Energías involucradas en el sistema, escenario 3 89

99 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Los resultados pueden ser resumidos en la siguiente tabla: Tabla 11: Generación y uso de la energía de red del sistema, con almacenamiento de energía, escenario 3 Tipo de Energía Energía en MWh Porcentaje Red 11942,00 87,80% Solar PV 996,48 7,33% Generador Diesel 662,60 4,87% Total 13601,08 100,00% Como se puede ver el generador diesel ha aumentado casi cuatro veces su producción en este escenario. Red Solar PV Generador Diesel 7,33% 4,87% 87,80% Figura 71: Generación y uso de la energía de red del sistema, escenario 3 Desde el punto de vista de la demanda, los resultados son esencialmente los mismos, con la única diferencia que las baterías aportan 1321 kwh al año, lo cual corresponde al 0.01% de la demanda total. Tabla 12: Aporte de energías desde el punto de vista de la demanda Tipo de Energía Energía en MWh Porcentaje Red 11942,00 87,80% Solar PV 995,01 7,32% Generador Diesel 662,60 4,87% Baterías 1,32 0,01% Total 13600,93 100,00% 90

100 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Red Solar PV Generador Diesel Baterías 7,32% 4,87% 0,01% 87,80% Figura 72: Aporte de energías desde el punto de vista de la demanda, escenario 3 Si en este escenario, se decide introducir la energía sobrante a red, se obtienen prácticamente los mismos resultados en cuanto a energías consumidas y generadas por el sistema, la diferencia radica que en lugar de que las baterías entreguen energía, lo hará el generador diesel, aumentando en un pequeño rango su producción, de kwh a kwh. La cantidad de energía que se inyectaría a red es de 1468 kwh. Al calcular el tiempo equivalente en el cual, el generador diesel proporciona energía a su potencia nominal, tenemos: Lo cual está muy cercano a las 1700 horas anuales sugeridas para este escenario. 91

101 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Figura 73: Energía inyectada a red, escenario Análisis estacional, escenario 3 Al tener una potencia contratada menor (1700 kw), es fácil intuir que se requerirá una mayor participación de la generación diesel. En el caso de la primavera se ve claramente este fenómeno, se logra que la potencia demandada de red este por debajo de la contratada: Figura 74: Potencias en primavera, escenario 3 92

102 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. En verano con el aumento de la demanda, aumenta la generación del generador diesel, llegando a permanecer a su potencia nominal hasta por 10 horas al día, sin embargo no se puede evitar que la potencia de la red exceda la contratada. En otoño la situación es similar: Figura 75: Potencias en verano, escenario 3 Figura 76: Potencias en otoño, escenario 3 En las dos semanas de enero analizadas, por su baja demanda, el generador diesel es requerido en menor medida, se puede ver que la potencia demandada de red no excede la contratada. 93

103 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Figura 77: Potencias en inverno, escenario Análisis comparativo de los resultados Como análisis final se hará una tabla comparativa de costos y emisiones por cada escenario. Para el análisis se han tomado los valores de la siguiente tabla como referencia: Tabla 13: Costo de la energía y emisiones de CO2 por tecnología Tecnologia Costo - Energía [ /MWh] Emisiones [ton CO2/MWh] Red 125,07 0,649 FV 179,51 0 Eólica 190,86 0 G. Diesel 158,13 0,891 La siguiente tabla muestra el resumen de los resultados obtenidos en los tres escenarios, en la tabla existe una columna de energía en MWh, una de porcentaje de la demanda, otra de emisiones de CO2 en toneladas por año, al final de la tabla se obtienen los valores totales. 94

104 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Tabla 14: Comparativa de los tres escenarios Total ,07 100,00% 7.308, , ,97 100,00% 8.027, , ,61 100,00% 8.339, ,24 Tabla 14: Comparativa de los tres escenarios Energía [MWh] % de la demand a Emisiones CO2 [ton/año] Costo energía [ ] [MW] [%] de la demanda Emisiones CO2 [ton/año] Costo energía [ ] [MW] [%] de la demanda Emisiones CO2 [ton/año] Costo energía [ ] Red ,00 81,63% 7.227, , ,00 89,24% 7.876, , ,00 87,80% 7.750, ,94 Solar PV 1.295,80 9,50% 0, , ,28 9,51% 0, ,69 993,54 7,32% 0, ,96 Eólica 1.088,80 7,98% 0, ,37 0,00 0 0,00 0,00 0,00 0 0,00 0,00 Generador Diesel Exportado a red Escenario 1 Escenario 2 Escenario 3 121,80 0,89% 108, ,23 170,66 41,67 0,30% -27, ,67 3,03 1,25% 0,02% 152, ,47 662,60 4,87% 590, ,94-1,96-378,46 1,47 0,01% -0,95-183,60 95

105 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia En cuanto a filas tenemos una por cada tipo de tecnología, en primer lugar está la energía de la red eléctrica convencional, luego la solar fotovoltaica, a continuación la energía de origen eólico, después el generador diesel y por último está la energía que sería exportada a red, se considera que se recibe un ingreso por su venta a un costo igual que el de compra, como es de origen renovable se considerará que evita emisiones de CO2, por ello el valor negativo. Como se puede ver el escenario 3 es el que resulta más económico, pero el escenario 1 es el que menos CO2 emite. En la siguiente tabla se resumen los resultados. Tabla 15: Resumen de resultados Caso Costo total [ ] Emisiones CO2 [ton/año] Sobrecoste[ ] CO2 evitado [ton/año] Todo Red , ,05 0,00 0,00 Escenario , , , ,31 Escenario , , ,22 800,04 Escenario , , ,17 487,27 Como se ve todos los escenarios, tienen un costo de uso de la energía mayor, comparada con el caso de utilizar toda la energía desde la red, esto calculado a precios actuales. Sin embargo se consiguen ahorros de emisiones de CO2 que a futuro podrían ser valorados. 96

106 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. 6 Conclusiones El modelo de simulación desarrollado permite cuantificar la cantidad de energía que puede producir, entregar a red o almacenar, un conjunto de sistemas (eólico, solar, red, baterías, generador diesel) a definir por el usuario, en función de sus características y dimensiones y de la localidad en la que se encuentren. El sistema es capaz de entregar curvas de potencia de cada uno de los elementos de un sistema energético. Con la curva de potencia de red se puede realizar un estudio de optimización de la potencia contratada de red. La curva de potencia almacenada por el sistema permite dimensionar de manera óptima el banco de baterías o un sistema similar. Las curvas de energía permiten realizar balances diarios, semanales, mensuales o anuales de energía, permitiendo efectuar análisis de factibilidad técnica, ambiental o económica ya que se pueden calcular fácilmente los costos y las emisiones de CO 2 de cada una de las tecnologías implicadas. En cuanto al análisis de los escenarios estudiados se puede concluir lo siguiente: En la ciudad de Valencia no se obtiene un nivel de productividad suficiente de energía eólica (es decir mayor a 2500 horas a potencia nominal), como para que sea rentable su implementación. Un escenario en el cual se trata de cubrir la carga base de los edificios 8E y 8F de la CPI, con una potencia instalada de 1000 kw para fotovoltaica y 1650 kw para un aerogenerador, ahorra 1.518,31 ton CO2 /año, sin embargo presenta un sobrecoste de ,44 euros, con respecto a usar el 100% de la energía de red. El escenario 2, en el cual se elimina el aerogenerador y se mantiene una potencia instalada de 1000 kw para fotovoltaica se ahorran 800,04 ton CO2 /año, y el sobrecoste baja a ,22 euros. El escenario 3, el cual busca el óptimo económico, en el que no existe aerogenerador y la potencia fotovoltaica instalada es de 750 kw, se obtiene un ahorro de 487,27 ton CO2 /año, con el menor sobrecoste con respecto a red. Se evidencia que la integración de energías alternativas en los sistemas energéticos de edificios no representa ahorros a los costos actuales, pero permiten emitir menos CO2 al ambiente. A futuro esta integración se presenta como una alternativa interesante ya que 97

107 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia el precio de la energía convencional tiende al alza y el precio de la energía alternativa es cada vez menor. En los escenarios simulados se evidencia que la energía que se puede inyectar a red debido al exceso de generación por parte de las energías renovables no supera el 0.31% en el balance anual. 98

108 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. 7 Bibliografía [1] Anderson, P.M.; Bose,A.; Stability Simulation of Wind Turbine Systems, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, vol. PAS-102, no. 12, pp , Diciembre 1983 [2] Arribas, L.M. et al.; The Sdawes Project: A Hybrid System?, European Wind Energy Conference, Kassel 2000 [3] Farkas, S. Bartha, I. Seres, D.I.Teodoreanu, L. Kocsis,(2004): A small scale internal PV system for educational activity, Revista Electrotehnică, Electronică, Automatică, Vol. 52, Nr p [3] Auinger, H.; Nagel, G.; Vom transieten Betriebsverhalten herührende Schwingungen bei einen über Gleichrichter belasteten Synchrongenerator, Teil 1. Theoretischi Untersuchungen, Siemens, Forsch.-u. Entwickl.-Ver.Bd.9, 1980 [4] Avia, F.; Estado Tecnológico de los Aerogeneradores de Media Potencia, Ponencia del Curso de Desarrollo Teconológico de Sistemas Aislados con Energía Eólica, CIEMAT, 2-6 de Octubre de 2000 [5] [6] SMART GRIDS Y LA EVOLUCIÓN DE LA RED ELÉCTRICA., Fedit, Centros Tecnológicos de España [7] [8] Farkas,I.-Bartha,S.-Teodoreanu,D.I.-Lágymányosi,A.(2002): Design and simulation of a small scale PV system for a stand alone household, Hungarian Agricultural Engineering, No. 12/2002, Gödöllő, p [9] Hegyi, K., Farkas, I., Bartha,S., Measuring Approch of Thermodynamical Parameters of Solar fluid, Revista Electrotehnică, Electronică, Automatică, Vol. 55, Nr Pag [10] [11+ Bhowmik, S.; Spée, R.; Enslin, J.H.R.; Performance Optimization for Doubly Fed Wind Power Generation Systems IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 35, no. 4, pp , 1999 [12] European Wind Energy Conference, pp , Dublín

109 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia [13] Microredes, Máster Universitario en Tecnología Energética para Desarrollo Sostenible, Joan Pons Llinares [14] Bleijs, J.A.M.; Freris, L.L..; Infield, D.G.; Lipman, N.H.; Smith, G.A.; Development of a Wind/Diesel System with Variable Speed Flywheel Storage, Wind Energy: Technology and Implementation, European Wind Energy Conference, Amsterdam 1991 [15] Bartha, S.,Farkas,I., Teodoreanu, Ursu V.,(2006): Characterisation of photovoltaic modules and the use in a stand alone photovoltaic power supply, Revista Electrotehnică, Electronică, Automatică, Vol. 54, Nr Pag [16] Recursos Distribuidos de Energía y Demanda, Tema 1. Generación distribuida. UNIDAD DIDÁCTICA 1, Dr. Guillermo Escrivá Escrivá. [17] Bömeke, G.; Boldt, R.; Beneke, H.; Direct Drive, Geared Drive, Intermediate Solutions Comparison of Design Features and Operating Economics, European Wind Energy Conference, pp , Dublín 1997 [18+ Bose, K.B.; Power Electronics and Variable Frequency Drives, IEEE Press, 1997 (ISBN ) [19] Brereton, D.S.; Lewis, D.G.; Young, C.C. Represetation of Induction-Motor Loads During Power-System Stability Studies AIEE Transactions, vol. 76, pp , 1957 [20+ Buros, O.K.; The ABCs of Desalting (Second Edition), Booklet Published by International Desalination Association, 1990 [21+ Burger, B. et al; Small Hybrid Systems with AC Coupled Wind Turbines, European Wind Energy Conference, Kassel

110 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. 8 Anexo 1: Manual del usuario La aplicación se abre desde TRNEdit, dentro de TRNSYS16: Figura 78: Aplicación TRNEdit Una vez abierta la aplicación, se debe abrir el archivo baterias33.trd, yendo al menú file, open. Una vez abierta el archivo se abrirá una pantalla con dos viñetas, la que le interesa al usuario es la que dice main. 101

111 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Figura 79: Aplicación abierta en TRNEdit (1) El usuario tiene la capacidad de configurar ciertos parámetros de simulación dentro de Simulation Parameters tales como: El mes de inicio de la simulación El día de inicio de la simulación El tiempo de simulación, el cual puede ser: un día, una, dos, cuatro u ocho semanas o un año de simulación. Finalmente se puede seleccionar el paso de tiempo o timestep, cuyo valor mínimo es de una hora. A continuación se tiene los Parámetros de Función los cuales indican el modo de funcionamiento del simulador: Potencia Contratada Potencia nominal del generador diesel Almacenamiento en baterías (1 encendido, 0 apagado) Uso de la energía almacenada (1 encendido, 0 apagado) Uso de la energía solar (1 encendido, 0 apagado) 102

112 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Seguidamente están los parámetros del sistema solar. Figura 80: Aplicación abierta en TRNEdit (2) En el cual se puede cambiar algunos parámetros tales como: Radiación de referencia Número de paneles en serie Número de paneles en paralelo Área del módulo Los siguientes parámetros que se pueden configurar son los de las baterías, aquí se puede elegir: Eficiencia de la batería Número de baterías en serie Número de baterías en paralelo Capacidad de la batería en Wh A continuación se muestran los parámetros a ser configurados para el aerogenerador: Sitio de elevación Altura del buje 103

113 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Número de turbinas (se puede elegir 0 para deshabilitar la producción de energía eólica) En cuanto al generador diesel se pueden modificar dos parámetros: Potencia máxima Potencia mínima El valor de potencia nominal ingresado en la sección de parámetros de función debe ser menor o igual al de la potencia máxima o mayor igual al de la potencia mínima. Figura 81: Aplicación abierta en TRNEdit (3) Se puede también configurar el controlador Diesel, en el cual se puede establecer un número mínimo y máximo de generadores que puedan funcionar en el sistema. En este caso se seleccionará solamente 1. Los tres últimos parámetros corresponden a la longitud del eje tanto de la izquierda como el de la derecha de los resultados gráficos, uno para el de la potencia, otro para el de energías y finalmente para la pantalla de exceso de energía. La aplicación también pregunta el nombre del archivo de Excel en donde se almacenarán los datos graficados. 104

114 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Una vez configurados todos los parámetros que se desean, la aplicación esta lista para aceptar la orden de iniciar la simulación. La simulación se puede iniciar yendo al menú TRNSYS y seleccionar calculate o simplemente presionar la tecla F8. Figura 82: Iniciar Simulación Luego de realizar la simulación automáticamente aparecerá la pantalla de resultados, en la cual se pueden seleccionar tres viñetas, la de potencias, energías y de exceso de energía. 105

115 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Figura 83: Pantalla de resultados 106

116 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. 9 Anexo 2: Manual del programador 9.1 Entorno del Programa El software tiene el entorno que se muestra en la figura en la parte superior aparece el Menú el cual contiene: File, View y Tools, al lado derecho se encuentran las carpetas que contienen los componentes de simulación del programa. Figura 84: Simulation Studio Para crear un nuevo proyecto se despliega el submenú File y se selecciona la opción New, en tipo de proyecto se elige Empty TRNSYS Proyect, al pinchar sobre Create el programa está listo para iniciar un proyecto desde cero, tal como se muestra en la figura. 107

117 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia 9.2 Componentes Figura 85: Abrir nuevo proyecto Una vez creado el nuevo proyecto es posible ir agregando los elementos que se necesitan para poder realizar la simulación. Como ya se anotó anteriormente existen varias familias de componentes, sin embargo para este trabajo se analizarán solamente los componentes necesarios para la obtención del modelo de simulación objeto de esta tesina Tipo 109: Lector de datos y procesador de radiación Este elemento se encuentra en la familia de componentes Weather Data Reading and Processing. Este componente sirve para realizar la lectura de datos climatológicos en intervalos regulares de tiempo desde un archivo de datos, convirtiéndolo en un sistema deseado de unidades que puede procesar los datos de radiación solar para obtener radiación en la superficie inclinada y el ángulo de incidencia de un número arbitrario de superficies. 108

118 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. El elemento 109 lee el archivo de datos en el estándar TMY2, este formato es usado por la National Solar Radiation Data Base (USA), sin embargo los archivos TMY2 pueden ser generados desde muchos programas como por ejemplo Meteonorm. Parámetros: Figura 86: Elemento tipo 109 Como se puede ver en la figura existen varios parámetros de configuración para este elemento. 1. Data Reader Mode: 2, el número 2 significa que el componente tipo 109 leerá un archivo de datos de clima en el formato TMY2. 2. Logical Unit: 69, este parámetro se establece para la unidad lógica Fortran, este es usado internamente por TRNSYS para referir al archivo. Este parámetro es asignado automáticamente por el TRNSYS Studio. 3. Sky model for diffuse radiation: Este parámetro selecciona el modelo de radiación difusa sobre superficies inclinadas, existen 4 tipos: 1: Isotropic sky model 2: Hay and Davies model 3: Reindl model 4: Perez model El modelo Perez es considerado el mejor disponible, por lo que este es el que se utilizará siempre. 4. Tracking mode: Este parámetro indica que tipo sistema de seguimiento de sol tiene la superficie inclinada que recibe la radiación, de la misma manera existen 4 tipos: 109

119 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia 1: Superficie Fija. 2: Un solo eje de seguimiento, eje vertical, (inclinaciín fija, azimut variable). 3: Simple eje, eje en el plano de la superficie. 4: Dos eje de seguimiento. Datos de Entrada Este componente 109 requiere de 3 datos de entrada, reflectancia del suelo (valor por defecto 0,2), inclinación de la superficie (0 grados) y azimut de la superficie (0 grados). Datos de Salida Este componente nos entrega muchos datos de salida de interés como por ejemplo, temperatura ambiente, humedad relativa, velocidad y dirección del viento, presión atmosférica, radiación extraterrestre sobre el plano horizontal, ángulo del azimut solar, radiación total sobre el plano horizontal, radiación difusa del cielo sobre el plano horizontal, radiación sobre una superficie inclinada, ángulo de incidencia para una superficie inclinada. Archivos Externos Para obtener todos estos resultados, es necesario asociar un archivo.tm2 a Wheater Data File. Figura 87: Archivos externos 110

120 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G Tipo 65c: Graficador online con archivo de salida El graficador online es usado para mostrar variables seleccionadas mientras la simulación esta en progreso, este componente es ampliamente usado, provee información de la variable y permite al usuario ver inmediatamente si el sistema esta esta funcinando según lo previsto y en condiciones óptimas. Es importante recalcar que las unidades de los valores no son impresos en el archivo de salida. Este componente se encuentra en la carpeta Output, tal como se muestra: Parámetros: Figura 88: Elemento tipo 65c Existen 12 parámetros que pueden ser modificados en el componente 65, pero solo se citan los que usan en la práctica: 1. Número de varibles en el eje de la izquierda, los cuales pueden ir de 0 a Número de variables en el eje de la derecha, su valor puede ir de 0 a Mínimo valor del eje de la izquierda. 4. Máximo valor del eje de la izquierda. 5. Mínimo valor del eje de la derecha. 6. Máximo valor del eje de la derecha. 111

121 Datos de entrada Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Los datos de entrada deben coincidir en número con los valores ingresados en los parámetros, es posible colocar una etiqueta con el nombre que se desea en cada variable. Cartas especiales Figura 89: Entradas, tipo 65c En la viñeta denominada Special cards se puede poner títulos en los ejes, tal como se indica: Figura 90: Special cards, tipo 65c 112

122 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Archivos externos En esta viñeta se selecciona el archivo en el cual se quiere que los resultados sean guardados en formato *.plt. Conexión Luego de hacer la conexión con el componente en el cual se encuentran las variables que se desean graficar, se hace un doble clic sobre la línea que los une y aparece un cuadro que permite unir cada dato de salida con una variable de entrada que luego será graficada. Figura 91: Conexión 113

123 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Tipo 62: Enganche a Excel Este componente implementa un enlace con excel a través de un una interfaz de transferencia rápida. TRNSYS envía las entradas de los componentes de las células dadas en las hojas de cálculo de excel, definiendo un nombre en excel ( Input1, Input2,., etc). En excel los nombres pueden ser asignados pulsando CTRL+F3, de la misma manera las salidas pueden ser llamadas Out1, Out2, etc, se pueden utilizar tantas como se necesiten. Parámetros 1. Mode: 0 es único valor aceptado 2. Número de entradas: 1, esta será la de las horas que se desea que el programa realice la simulación. 3. Número de salidas: 2, o el número de variables que serán leidas del archivo en excel 4. Mostrar excel, si el parámetro se encuentra en 1 el archivo de excel será visible durante la simulación, mientras que si esta en 0, este permanecerá oculto. Cartas Especiales En la viñeta Special Cards, se especifica el nombre del archivo de excel desde donde se hace la lectura de la información. En este caso el nombre es Schedule.xls 114

124 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Figura 92; Special cards, tipo Tipo 194: Panel Fotovoltaico + Inversor Este componente determina el rendimiento y producción de energía de una matriz de paneles fotovoltaicos. El modelo esta basado en un método de cálculo presentado por DeSoto en el año Este componente puede ser usado en simulaciones que involuctran almacenamiento mediante baterías, acoplamiento directo de carga y utilidades de conexión a red. El modelo determina la corriente y la potencia de la matriz de paneles a un voltaje específico. Otras salidas incluyen corriente y voltaje al punto máximo de potencia (MPP). Parámetros En los parámetros existen 24 variables que pueden ser modificadas y escencialmente son características técnicas y constructivas del pánel, por este motivo se describirán solamente los parámetros más importantes. 1. Módulo de la corriente de cortocircuito en condiciones de referencia 2. Módulo del voltaje de circuito abierto en condiciones de referencia 3. Radiación de referencia en W/m2 4. Módulo del voltaje al punto máximo de funcionamiento y condiciones de referencia 5. Módulo de la corriente al punto máximo de funcionamiento y condiciones de referencia 115

125 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia 6. Número de celdas cableadas en serie 7. Número de módulos en serie 8. Numero de módulos en paralelo 9. Temperatura ambiente y de los módulos 10. Área del panel Datos de entrada Los datos de entrada vienen directamente del componente 109 que es el que extre los datos climatológicos de la base de datos del clima del lugar. En la siguiente figura se aprecia todos las variables necesarias para obtener una correcta simulación. Datos de Salida Figura 93: Conexión, tipo 194 Existen varios datos de salida tales como corrientes y voltajes, tanto de la matriz de paneles como en el punto de máxima potencia, sin embargo el parámetro que interesa en este estudio es el de la potencia en el punto de máxima potencia MPP. 116

126 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Figura 94: Datos de salida, tipo Tipo 90: Aerogenerador El tipo 90 es un modelo matemático para un sistema de conversión de energía eólico a eléctrico WECS (wind energy conversion system). El modelo calcula la potencia de salida del WECS basado en la velocidad del viento en el lugar de emplazamiento, estos datos son dados por el componente del tipo 109. El impacto del cambio en la densidad del aire e incrementos en la velocidad del viento en función de la altura, también son modelados. Parámetros Los parámetros que se pueden modificar en el aerogenerador son los siguientes: Elevación del sitio en [m] Altura de recolección de datos [m] Altura del buje [m] Pérdida de potencia del aerogenerador [%] Número de turbinas 117

127 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Tipo 47: Baterías Este componente modela una batería convencional de acido y plomo que opera en conjunto con un arreglo de células solares u otros componentes. Este modelo especifica como el estado de carga de la batería varía en el tiempo, dándo de esta manera la taza de carga o descarga. En este modelo simplificado de la batería la alimentación es tomada como entrada, este modelo no calcula valores de corriente o voltaje. Parámetros Figura 95: Elemento tipo 47a, baterías Los parámetros existentes se detallan a continuación: 1. Capacidad de la célula de energía [Wh]. La capacidad de la batería es obtenida de multiplicar la capacidad de cada celda por el número de celdas en serie y por el número de celdas en paralelo. 2. Celdas en paralelo 3. Celdas en serie 4. Eficiencia de carga, se asume un valor constante de

128 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Datos de entrada Como ya se indicó previamente, este componente solamente tiene una entrada la cual es llamada potencia a o desde la batería y esta en en *kj/h+. Datos de salida Los datos de salida que muestra este componente son los siguientes: 1. Estado de carga, está dado en [Wh] y se da para una celda, se asume que todas las celdas son iguales. 2. Estado fraccional de la carga. Este valor está entre 0 y 1, se define como el cociente de el estado de carga y su capacidad nominal. 3. Potencia [kj/h]. 4. Pérdida de potencia durante la carga [kj/h], esta es igual a (1- Eficiencia)*Potencia, cuando esta cargando o sino es cero Tipo 24: Integrador Este componente integra una serie de cantidades sobre un periodo de tiempo. Cada inegrador puede manejar hasta 500 entradas. Este modelo es capaz de restablecerse periódicamente a lo largo de la simulación, ya sea después de un número determinado de horas o después de cada mes del año, el tiempo entre restablecimientos se puede contar con respecto a la hora de inicio de la simulación o en el tiempo absoluto. El modelo se encuentra en la carpeta Utility del grupo de componentes. 119

129 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Parámetros Figura 96: Elemento tipo 24, integrador 1. Periodo de integración.- Es el intervalo de tiempo sobre el cual las entradas van a ser evaluadas. Las salidas son seteadas a cero despues de cada intervalo de restablecimeinto. Si este tiempo de restablecimeinto es puesto a un valor negativo, unidades en meses son asumidas, por ejemplo si se tiene un valor de -2, el tiempo de restableciemiento será de dos meses. El valor por defecto es STOP, eso quiere decir que la integración tendrá lugar en el perido de simulación sin restablecimientos intermedios. Datos de entrada Los datos de entrada son las variables que se desea que sean integradas por ejemplo la potencia de salida de una matriz de paneles fotovoltaicos. Datos de salida Son los resultados obtenidos de integrar en el tiempo las varibles de entrada, se debe considerar que la unidad de tiempo en TRNSYS es la hora; por ejemplo al integrar una variable de potencia en [W], el resultado será en [Wh] 120

130 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G Tipo 102a: Controlador de despacho para generadores diesel Esta subrutina contiene las funciones de control para establecer la marcha de uno o varios generadores diesel operando en puequeñas redes desentralizadas. Este modelo determienta el número total de generadors y la potencia requerida para cumplir con una carga dada. El modelo considera que todos los generadores tienen iguales características y que el número máximo de generadores que puede ser manejado por cada controlador es de 5. Parámetros Los parámetros que se puenden modificar en este componente se detallan a continuación: 1. Número mínimo de generadores: El sistema acepta valores de 0 a Número mínimo de generadores: El sistema acepta valores de 1 a Potencia nominal de cada generador en [kw]. 4. Punto de más baja potencia: Usualmente el del 40-50% la potencia nominal. 5. Punto de máxima potencia: Usualmente del 80-90% de la potencia nominal. Datos de entrada Existe un solo dato de entrada el cual el patencia de la carga y se define como la carga total que puede ser suministrada por cada generadro diesel y esta en [W]. Datos de salida Existen dos datos de salida: 1. Potencia de salida para un solo generador: Define la potencia en vatios. 2. Número de generadores: Es el número de generadores requerido para satisfacer la demanda de energía Tipo 120: Sistema de motor-generador diesel (DEGS) Este componente es un modelo matemático para un motor-generador diesel, el modelo está basado en una relación empírica (un polinomio de primer orden) para el consumo de diesel expresada como una función de la potencia eléctrica de salida. 121

131 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Las eficiencia eléctrica y de combustible son calculdas. En esta instancia el modelo tipo 120 es usado para predecir el rendimiento de un DEGS genérico en el arango de potencias de 5 hasta 500 kw. El modelo genérico extrapola desde una curva de eficiencia de combustible (promedio de 5 diferentes DEGS). El modelo incorpora un factor de corrección que hace que sea posible calcular el flujo másico de combustible, para el caso en el que el combustible no sea diesel, existen 5 diferentes tipos de combustibles, gas licuado de petróleo, propano (C3H8), metano (CH4), gas natural o hidrógeno (H2). Parámetros Los parámetros que se pueden modificar en este componente son: 1. Tipo de combustible: 1 = Diesel, 2 = Gas licuado de petróleo, 3 = Propano, 4 = Metano, 5 = Gas natural, 6 = Hidrogeno. 2. Máxima potencia: Usualmente sobre el 20% de la potencia nominal [kw] 3. Mínima potencia disponible: Para un solo DEGS conectado en paralelo con muchos DEGSs este valor esta en el rango del 40% de la potencia nominal [kw]. 4. Potencia nominal: Esta en [kw]. Datos de entrada Los variables de entrada disponibles para ser modificadas son las siguientes: 1. Switch: 1 = encendido, 0 = apagado 2. Potencia establecida [W]: potencia para un solo DEGS (esta señal viene dada desde el componente de tipo Número de unidades: Es el número de idénticos generadores que están en operación (al igual que en el caso anterior el componente de tipo 102 controla esta variable). Datos de salida Las variables de salida que nos presenta este equipo son: 1. Potencia total de salida: Dada en vatios 2. Flujo volúmetrico de combustible: Dado en [l/h]. 3. Consumo total de gas: Dado en [m 3 /h] 4. Eficiencia del combustible: Dado en [kwh/l] 5. Eficiencia eléctrica: En tanto por uno 6. Pérdida de calor [W] 122

132 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Insertar Ecuación En el menú Asembly es posible seleccionar la opción insertar nueva ecuación, la cual nos permite hacer operaciones matemáticas, por lo tanto cálculos, transformaciones de unidades, etc. Figura 97: Insertar ecuación Las variables de entrada serán las que se creen al lado izquierdo de la figura 91 y las variables de salida serán las de la derecha, las o la variable de salida esta en función de las variables de entrada. 123

133 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia 9.3 Integración de los componentes Figura 98: Insertar ecuación (2) Una vez realizada la integración de cada uno de los componentes, como se muestra en la figura, se deben definir ciertas variables y parámetros en las ecuaciones. Figura 99: Integración de los componentes 124

134 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Todos los componentes han sido explicados con detenimiento excepto cada una de las ecuaciones insertadas, a continuación se presenta una tabla en la que se resume el nombre de la ecuación y las variables insertadas en cada una de ellas. Elementos Parameters Calc1 Calc2 Tabla 16: Ecuaciones insertadas, variables de entrada y salida Variable de Entrada Variable de salida - Pcontra Pcontra = X - Pnom Pnom = X - Ebat Ebat = X - Ubat Ubat = X - Esol Esol = X - Nbs Nbs = X - Nbp Nbp = X - Cb Cb = X Ecuación Solar Balance Balance= Solar+Wind-Demand Wind Excess Excess= ((max(balance,0))*(1-ebat))/1000 Demand Balance2 Balance3 GD2 Bat Balance3= Balance2+fgrid+GD2 Calc3 in1 out1 out1= in1*1000 Calc4 Balance1 Balance4 Balance4= max((-balance1,0)) Calc5 Calc6 in2 out2 out2= max((in2-(pcontra1*1000)),0) Pcontra1 in3 out3 in2= min(in3,bat2)*gt(in3,bat2)+in3*gt(bat2,in3) bat2 out4 out4= in3-out3 Calc7 in4 GD GD= min((in4,(pnom*1000))) Calc8 in5 out5 out5= max(in5,0)*ebat*ubat out6 out6= (in5/1000)*ebat Calc9 in7 out7 out7= in7*esol Calc10 Grid in8 out8 out8= in9*gt((nbs*nbp*cb),in8) in9 in6 fgrid fgrid= in6-out3-gd1 GD1 psolar psolaro psolaro= psolar/1000 Power-2 peolica peolicao peolicao= peolica/1000 pred predo predo= pred/1000 pdiesel pdieselo pdieselo= pdiesel/1000 pbateria pbateriao pbateriao= pbateria/

135 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia En la calculadora Parameters están algunas variables que pueden tomar cualquier valor dependiendo del modo de funcionamiento del modelo de simulación, estos parámetros se encuentran habilitados para ser modificados por el usuario. En las ecuaciones existen tres comandos que merecen ser nombrados, el primero es el comando max, el cual funciona de la siguiente forma: a = max(x,y) El comando dará el valor a a de la variable que tenga el mayor valor de entre x y y. El comando min tiene el mismo formato pero devuelve el valor mínimo de dos valores. Luego se tiene el comando gt que devuelve 1 cuando el primer valor es mayor o igual al primero, en caso contrario el valor es cero, por ejemplo: a = gt(3,1) Entonces a = Creación de la aplicación mediante TRNSED y TRNEDIT Para hacer la aplicación más amigable para el usuario se usarán en el programa las aplicaciones TRNSED Y TRNEDIT. Para poder utilizarlas es necesario habilitar Write TRNSED Commands" a "true" y cambiar el nombre del archivo en deck file name, el archivo debe tener una extensión *.trd. Esto se puede seleccionar luego de hacer un click derecho en la pantalla del Simulation Studio y seleccionar Control cards. 126

136 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. Figura 100: Selección de TRNSED commands TRNSED presentará una vista simplificada de los proyectos, con solamente los parámetros disponibles a los usuarios. Para esto es necesario seleccionar estos parámetros dentro de los componentes y ponerlos en desbloqueado unlocket, mientras que si están en bloqueado ( lock ), los parámetros permanecerán escondidos. Figura 101: Bloqueo y desbloqueo de los elementos 127

137 Master Tecnología Energética para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politécnica de Valencia Una vez seleccionado los parámetros que se desean visualizar en la interfaz de usuario. En el menú del Simulation Studio se encuentra la opción Tools, que permite abrir la aplicación TRNEDIT. Luego se puede abrir el archivo.trd que se ha creado previamente. Al abrir el archivo se tienen dos tablas, una muestra el código fuente del archivo y otra muestra la interface que tiene la aplicación (vista en TRNSED). Figura 102: Aplicación con TRNEdit Cambiando de una pantalla a la otra se puede ver inmediatamente como repercuten en la vista TRNSED, los cambios realizados en el código fuente. También se pueden crear nuevas variables que faciliten el funcionamiento del programa. Con este anexo se asientan los fundamentos del software y los componentes necesarios para hacer posible el modelo de simulación que permite realizar los análisis y balances energéticos necesarios para la presente tesina. 128

138 Tesis: Desarrollo de un modelo de simulación para la integración energética de recursos distribuidos mediante Trnsys. Autor: Xavier Serrano G. 10 Anexo 3: Catálogos 129

139 Wind turbine type: Vestas V66 General data: Generated power 1650 kw Number of Units 45 Available Immediately Design Data: Operational area Nominal rotor speed Generator Power control Yaw Control Weight en dimensions Tower height Rotor diameter Tower weight Rotor + Nacelle weight 4-25 m/s 21,3 rpm Asynchronous, double fed, nominal frequency 50HZ Pitch Planetary-/worm gear combination 78 m (3 pieces, steel) 66 m kg kg

140 GRUPOS ELECTRÓGENOS TAIGÜER TAIGÜER SERIE TG500T 50Hz Potencia principal 400kw/500kva Voltaje disponible 380/220v, 440/230v, 415/240v Normativas de calidad Todos nuestros grupos electrógenos disponen de los siguientes certificados de calidad: GB/T2820, GB1105, YD/T502, ISO3046, ISO8525, ISO Pruebas en fábrica Todos los grupos electrógenos son sometidos a pruebas de carga durante 2 horas al 0%, 25%, 50%, 75%, 100% y 110% de su potencia total antes de la entrega al cliente, todas las protecciones, controles y funciones son simuladas siguiendo el protocolo de la normativa eléctrica del país de destino, adjuntando un certificado de calidad a cada grupo electrógeno. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL GRUPO ELECTRÓGENO GRUPO ELECTRÓGENO DIESEL MODELO TG500T Revoluciones / frecuencia 1500 rpm /50 Hz Potencia principal (KW/KVA) 400 / 500 Voltaje, fases y cableado 400/230V, 3 fases y 4 cables Factor de potencia 1/ /380 Tipo insonorización Abierto Insonorizado Dimensiones(L*W*H) (mm) 4200* 1600* * 1600*2000 Peso (kg) Observaciones de rendimiento (Funcionamiento en altitud 1500m, Temperatura ambiente 40Cº). Si la altura es superior a 1500m, cada 100m causará un decremento del 1%. Potencia Principal Estas observaciones son aplicables en aplicaciones de potencia continua (con cargas variables). No existe limitación de funcionamiento, pero el grupo electrógeno no debe sobrecargarse durante más de 1 hora cada 12 horas. Potencia Standby Estas especificaciones son aplicables para usos de potencia continua (con cargas variables) en el caso de un fallo repentino de tensión. La sobrecarga no está contemplada en estas especificaciones. El alternador está preparado para soportar las especificaciones anteriores ( definido en ISO8528-3) a 27Cº. 1

141 MOTOR DIESEL MARCA MOTOR Modelo del motor Características motor Máxima potencia (kw) Consumo (g/kw.h) Refrigeración Sistema de arranque (V) Ajuste velocidad motor Nivel sonoro 7m TGKTA19-G4 6 cilindros, refrigerado por agua refrigerado por agua eléctrico 24 con batería mecánico 98dBA(abierto) 70dBA(insonorizado) ALTERNADOR ALTERNATOR Modelo alternator TGHCI544C Autoexcitado sin escobillas H Tipo aislamiento Tipo de protección 3 Tipo de conexión 2 P I Re-conectable Regulación de voltage 1.5% Dispersión de onda <1.5% <2%/50% THF/TIF PANEL DE CONTROL AC/DC Panel de control con las siguientes funciones: Botón paro de emergencia Voltímetro y selector de fase Amperímetro y selector de fase Frecuencímetro Controlador con selección para autoarranque, AMF con las siguientes funciones: Paro y marcha Contador de horas Monitor de temperatura del motor con alarma configurable Monitor de velocidad del motor con alarma configurable Monitor de presión de aceite con alarma configurable Alarmas configurables para funcionamientos anormales. 2

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