IMPLANTACIÓN DE ENERGÍAS RENOVABLES EN UNA PLANTA DE PRODUCCIÓN DE AMONIACO

Transcripción

1 7. Simulación 7.1. Simulación por ordenador La simulación por ordenador permite modelar sistemas complejos en el ordenador y experimentar con ellos para poder comprenderlos y ver cómo se comportan ante variaciones de los parámetros bajo los cuales están sometidos. Por ejemplo, podemos simular en el ordenador lo que pasaría si un viento de 150 Km/h chocara contra un aerogenerador y ver cómo afecta a su estructura sin necesidad de construirlo ni esperar a que llegue un huracán. Esta claro, que el ahorro en tiempo, dinero y por qué no, la seguridad para las personas, justifica con mucho simular el sistema. La utilización del ordenador y su capacidad de cálculo, permite obtener las ecuaciones diferenciales (que casi siempre intervienen en el comportamiento de los sistema complejos) sin necesidad de resolverlas. Además analiza y visualiza los datos e introduce perturbaciones en el sistema para poder analizar su comportamiento. La simulación por ordenador se puede aplicar a casi cualquier rama de la ciencia: ingeniería, genética, historia, sociología e historia, entre otros. Existen diversas herramientas para la simulación de sistemas basados en energía renovables. A la hora de la realización de este proyecto se ha utilizado la aplicación llamada HOMER HOMER HOMER es una herramienta de planificación técnica y económica de valoración de sistemas híbridos, donde se puede analizar y evaluar un gran número de opciones, así como la factibilidad de éstas de una manera simple y obtener una configuración óptima del sistema requerido. Está desarrollado por NREL (National Renewable Energies Laboratory, Estados Unidos). HOMER es el significado en inglés de «Modelo de optimización para sistemas híbridos eléctricos con base en energías renovables» (Hybrid Optimization Model 70

2 for Electric Renewables) desarrollado por primera vez en 1992 por la NREL (National Renewable Energies Laboratory, Estados Unidos) [18]. Como característica principal de HOMER se identifica que es una herramienta útil para determinar el menor costo de la energía generada a las comunidades remotas. Figura 29: Esquema de sistema energético simulado por HOMER Esto es realizado mediante simulaciones de cada hora de funcionamiento de miles de sistemas potenciales analizando los costos del ciclo de vida útil. También realiza análisis de sensibilidad para evaluar el impacto de un cambio en cualquiera de los parámetros de entrada y proporciona resultados anuales, de cada hora, y en forma tabular y gráfica. Entre las características principales del paquete se destacan las siguientes Optimizar el diseño, llegando a la configuración de sistema con el costo nivelado de energía mínimo. Considerar generación hidráulica, biomasa e hidrógeno. Comparar sistemas híbridos a extensión de red convencional. Considerar mezclas de cargas en corriente alterna y corriente directa. Realizar análisis de sensibilidad. El análisis de sensibilidad es una de las partes más importantes en el estudio de este tipo de problemas, sobre todo para la toma de decisiones. Permite determinar cuando una solución sigue siendo óptima, dados algunos cambios ya sea en el entorno del problema o en los datos del problema mismo. 71

3 Este análisis consiste en determinar que tan sensible es la respuesta del problema, al cambio de algunos datos. La variación en estos datos del problema se estudiará individualmente, es decir, se analiza la sensibilidad de la solución debido a la modificación de un dato a la vez, asumiendo que todos los demás permanecen sin alteración alguna. Esto es relevante porque se está hablando de que la sensibilidad es estática y no dinámica, pues solo contempla el cambio de un dato a la vez y no el de varios. El objetivo principal del análisis de sensibilidad es establecer un intervalo de números reales en el cual el dato que se analiza puede estar contenido, de tal manera que la solución sigue siendo óptima siempre que el dato pertenezca a dicho intervalo. Entre los datos proporcionados por HOMER, las principales variables indicativas de cada configuración son el valor presente neto del sistema ($) y el costo nivelado de energía generada ($/kw h), siendo la configuración óptima la de menor costo nivelado. El paso de tiempo, por defecto, para las simulaciones es de una hora, pero se puede reducir hasta minutos, y el horizonte temporal de simulación suele ser de un año. Los resultados obtenidos, se pueden contemplar en pantalla, o se pueden exportar a un procesador de datos, como por ejemplo Excel. Debido a la información que se solicita para cada uno de los equipos que van a aparecer en la instalación a simular, este tipo de herramienta es más indicada para estudios económicos que energéticos [19] Funcionamiento básico de HOMER Una vez presentado la herramienta HOMER para la simulación de sistemas energéticos, se presenta de forma breve su pantalla principal con los iconos más importantes. La ventana inicial de HOMER tiene el siguiente aspecto: 72

4 Figura 30: Pantalla principal HOMER En la cual hay que destacar tres partes importantes: Fuentes/Recursos de energía (Resourses) Se van a considerar dos fuentes de energía renovable: Energía eólica HOMER puede importar a través de un fichero los datos meteorológicos del viento. Del programa METEONORM, se obtienen los valores horarios de la velocidad del viento, en m/s, para el lugar de estudio. Energía solar A través de METEONORM se obtienen los valores de la Radiación Media Global sobre Superficie Horizontal, en kw/m 2, que es el dato que necesita HOMER para poder simular el estudio Equipamiento En este apartado de equipamiento, es donde se configura el sistema que se quiere modelar. Aquí se añaden las cargas del sistema que se ha de cubrir, los componentes que van a formar el sistema eléctrico, y si dicho sistema va a estar conectado a la red general de distribución eléctrica. 73

5 Cargas Las cargas son los requerimientos eléctricos por parte del sistema a alimentar. HOMER puede modelar diferentes cargas, eléctricas, térmicas y de hidrógeno. Las cargas eléctricas pueden ser: primarias, si han de ser suministradas de forma rigurosa, o aplazables", si se pueden servir de manera más flexible. Figura 31: Tipos de cargas que puede simular HOMER Para hacer la simulación que interesa, sólo se van a utilizar cargas de tipo eléctrica. Componentes Los componentes son las partes de las que está formado el sistema eléctrico de estudio. En la siguiente figura se ven todos los componentes disponibles en HOMER Figura 32: Tipos de componentes que HOMER puede modelar HOMER da la posibilidad de incluir multitud de componentes en el sistema que se desea modelar. De todos los tipos de componentes que HOMER puede modelar, sólo se van a utilizar, como se ha visto a lo largo del documento, los componentes 74

6 de paneles fotovoltaicos y los aerogeneradores, cada uno con sus especificaciones técnicas introducidas previamente en el programa. En este apartado es donde se introducen las baterías y las características del sistema de almacenamiento energético, si cuentan con él. Permite introducir información para distintos tipos de baterías. Grid HOMER da la posibilidad de modelar de tres formas diferentes la red eléctrica a la que se puede o no conectar, el sistema eléctrico que se desea diseñar. Figura 33: Opciones para modelar la red en HOMER Otros HOMER puede tener en cuenta otra serie de parámetros importantes a la hora de simular los modelos energéticos. Económicas: En este apartado se deben introducir los parámetros económicos para que HOMER realice los cálculos económicos a lo largo de la vida útil del proyecto. 75

7 Control del sistema: Los datos que se introducen en control de sistemas definen como HOMER modela el funcionamiento de los bancos de baterías y generadores. También determina cómo se produce la carga del conjunto de las baterías. Temperatura: HOMER usa los datos de la temperatura ambiente para el cálculo de la energía producida por el generador fotovoltaico en cada paso de tiempo. La información horaria sobre la temperatura ambiente de la zona donde se esta estudiando la planta, ha sido obtenida de METEONORM. Emisiones: Para este proyecto las emisiones no juegan un papel importante, ya que las tecnologías que se usan son renovables y sus emisiones son cero. Restricciones: Las restricciones son las condiciones que deben cumplir el sistema en estudio. HOMER descarta las soluciones que no respetan estas condiciones, por lo que no aparecen en los resultados de optimización o en los análisis de sensibilidad. En el siguiente esquema se puede ver de forma gráfica y resumida cómo están compuestos los sistemas en HOMER y la información que hay que meter en cada lugar. 76

8 Recursos Energéticos Fuente Eólica Fuente Solar Cargas Eléctrica Térmica Hidrógeno Modelo en HOMER Equipamiento Componentes PV Eólica Red Batería Económicos Temperatura Otros Emisiones Condiciones Control del Sistema Figura 35: Esquema de la estructura para introducir los datos en HOMER Una vez que ya se han introducido todos los datos de las fuentes energéticas, la información sobre los módulos de los que está compuesta la red y los otros parámetros que influyen en la modelización, se explican las distintas configuraciones del sistema en cuanto al almacenamiento de la energía. Se realiza antes de empezar la simulación del sistema y el análisis de sensibilidad de las distintas variables. 77

9 7.4. Configuración del sistema a simular Se van a estudiar distintas configuraciones del sistema en cuanto al almacenamiento de la energía eléctrica generada. Para ello, se plantean los siguientes casos Sin almacenamiento En esta configuración, el sistema no tiene almacenamiento mediante baterías, por lo que la dinámica del flujo eléctrico es diferente que si hubiera almacenamiento. Se pueden dar dos situaciones distintas: Figura 36: Esquema general de un sistema sin almacenamiento con baterías Producción > Demanda Si la energía eléctrica producida por los aerogeneradores y por los paneles solares es mayor que la demanda eléctrica de la planta industrial, (1) se surte totalmente la demanda de la fábrica, y (2) el resto de electricidad se vende a la red nacional. Figura 37: Esquema del flujo eléctrico cuando la producción es mayor que la demanda El precio de compra de la energía eléctrica por parte de Red Eléctrica Española está definido por el pool energético diario, más una prima definida en el Real Decreto 661/2007 [20]. 78

10 Producción < Demanda Ahora el caso es contrario que el anterior. La generación de energía por el campo eólico y solar es menor que la demanda que es ese instante tiene la planta de amoniaco. Figura 38: Esquema del flujo eléctrico cuando la producción es menor que la demanda En este caso, la industria necesita de la ayuda externa de la red para satisfacer su demanda Con almacenamiento En el caso de que haya almacenamiento, el sistema de generación cuenta con un conjunto de baterías donde acumular la energía en caso de que sea necesario. Figura 39: Esquema general de un sistema con almacenamiento con baterías De nuevo vuelven a darse dos casos en función del nivel de producción y demanda eléctrica: Producción > Demanda Si la producción eléctrica por parte de sistema de generación, formando por los paneles fotovoltaicos y por los generadores eólicos, es mayor que la demanda eléctrica en ese instante, las baterías se empiezan a cargar. El esquema de funcionamiento que el sistema cumpliría es ese momento sería el siguiente. 79

11 Figura 40: Esquema del flujo eléctrico con carga de baterías Primero, (1) la energía generada tiene como prioridad satisfacer la demanda eléctrica de la planta de NH 3. Seguidamente, (2) el excedente de energía va a parar a las baterías para realizar su carga. Un vez que se han cargado las baterías, y la producción sigue siendo superior a la demanda, (3) el sistema conectado a la red empieza a introducir la electricidad ella vendiendo así el excedente que sobra. Es decir, que con la energía sobrante de la producción hay prioridad en cargar las baterías, y no en vender ese exceso a la red nacional. Producción < Demanda En el momento en el que la demanda es mayor que la producción, y esta situación se prolonga durante un tiempo, el funcionamiento del sistema es el siguiente. Figura 41: Esquema del flujo eléctrico con descarga de baterías En este caso, (1) la producción de energía eléctrica se dedica totalmente a cubrir la demanda de la planta, pero no llega a ser suficiente, por lo que tiene que haber ayuda extra. Entonces, (2) entran en juego las baterías. Se empiezan a descargar aportando el déficit de energía que no suministra la generación. Si esa carencia de energía de los generadores es satisfecha con la descarga de las baterías, no es necesario que la red entre aún en juego, y las baterías seguirán descargándose hasta que se queden sin electricidad. 80

12 Entonces, (3) como la producción sigue siendo menor que la demanda, y las baterías están descargadas hay que comprar electricidad de la red externa. Esta energía adquirida, se emplea en la demanda que requiere la industria, y nunca en cargar las baterías Resumen de equipamiento En este punto se numeran todos los equipos que se han usado para hacer el estudio del proyecto con sus correspondientes características técnicas: Aerogeneradores Aerogenerador Marca GAMESA Modelo G52 Diámetro 52 m Área de barrido m 2 Número de palas 3 Longitud de palas 25.3 Potencia Nominal 850 kw Tensión 690 V AC Frecuencia 50 Hz / 60 Hz Ratio precio 1000 /kw Tabla 14: Características técnicas del aerogenerador Figura 42: Curva de Potencia / Velocidad GAMESA G Paneles fotovoltaicos Panel Fotovoltaico Marca ISOFOTON Modelo ISF-220 Célula Solar Silicio Monocristalino 81

13 Potencia Nominal 220 W Tensión en circuito abierto 33.7 V Corriente de Cortocircuito 8.83 A Tensión en el punto de máxima potencia 27.4 V Corriente en el punto de máxima potencia 8.02 A Eficiencia 14.60% Dimensiones 1515 x 994 x 54 mm Ratio precio 2.8 /W p Tabla 15: Características técnicas del panel fotovoltaico Figura 43: Curva característica Voltaje-Intensidad ISF Batería Batería Marca Hoppecke Modelo 6 OPzS 300 Voltaje Nominal 2 V Intensidad Nominal 300 Ah Intensidad Máxima 60 A Eficiencia 86% Precio 205 Tabla 16: Características técnicas de la batería Inversor Inversor Potencia 1650 kw Vida útil 15 años Eficiencia 90% Precio 100 Tabla 17: Características técnicas del inversor 82

14 7.6. Resumen de los datos DATOS Radiación Global sobre Horizontal horaria METEONORM Velocidad del Viento horaria METEONORM Temperatura horaria METEONORM Demanda Eléctrica R.E.E. Tabla 18: Resumen de la fuente de los datos introducidos en HOMER 83