ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR (GSEP) LABORATORIO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS (UC3M PV-Lab) INTEGRACIÓN DEL AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO EN SISTEMAS HÍBRIDOS DIÉSEL: PARTE I INFORME TÉCNICO Vicente Salas 1 Moisés Labarquilla 1 Consultor en Integración e Hibridación con Energías Renovables LEGANÉS, FEBRERO DE 2014
ÍNDICE Resumen... 3 Introducción... 3 Razones para la hibridación fotovoltaica... 4 Buscando los límites de la integración fotovoltaica... 7 Aspectos generales... 7 Desafíos técnicos... 9 Configuraciones... 11 Gestores de potencia... 24 2
RESUMEN En este artículo se presenta el estado de la técnica de la hibridación diésel con energía fotovoltaica. Este documento está incluido en las actividades del área de Integración e Hibridación de Sistemas Fotovoltaicos, del UC3M-PV Lab, de la UC3M. Este documento técnico se compone de tres partes. La primera parte, trata de forma genérica la hibridación sobre los grupos electrógenos diésel. En la segunda, se dan a conocer las pautas del cálculo y dimensionamiento de estas instalaciones. Y en la tercera, se aborda en detalle su mantenimiento y operación. INTRODUCCIÓN Es comúnmente aceptado que un sistema híbrido es la unión o combinación de dos o más tecnologías coordinadas, que juntas forman un sistema. Su objetivo, es, por tanto, conseguir la máxima eficiencia de cada tecnología para reducir el consumo de energía fósil y de emisiones contaminantes. Además, otros de sus objetivos es la gestión automática e inteligente del funcionamiento de aquella tecnología que permita el menor costo de la energía así como obtener el menor periodo de amortización de la inversión, y así conseguir la instalación más rentable para el usuario. En los entornos aislados, las principales tecnologías de generación eléctrica utilizadas en la actualidad son: grupos diésel, turbinas micro-hidráulicas, pequeños aerogeneradores y sistemas fotovoltaicos. Sin embargo, los sistemas de generación con renovables se pueden asociar (hibridar) con el generador diésel, con el fin de aumentar su fiabilidad y disminuir el coste del sistema. Dentro de la hibridación fotovoltaica, caben diferentes configuraciones, en donde la combinación Fotovoltaica + Diésel (GD), es una de las más recurridas, con o sin almacenamiento. 3
RAZONES PARA LA HIBRIDACIÓN FOTOVOLTAICA Existen, al menos, cinco razones para implementar una hibridación fotovoltaica: precio del gasóleo industrial, el precio del kwh, el nivel de acceso a la electricidad, la radiación solar y el coste de la fotovoltaica. Razón para Hibridación FV 1: Precio del Gasóleo De acuerdo con la Figura 1, el precio PVP del diésel de calefacción ha subido casi un 100 % en los últimos cinco años. Figura 1: Evolución del precio PVP (ceuro/l) del gasóleo de calefacción (2008-2013), con un subida de precios de más del 15 % anual. (Fuente: Cores, y Ministerio, Industria, Energía y Turismo) Razón para Hibridación FV 2: Precio del kwh El precio del kwh de la energía convencional se ha incrementado considerablemente en los últimos años. 4
Razón para Hibridación FV 3: Nivel de acceso a la electricidad La calidad de las redes de distribución es un factor a tener muy en cuenta. Razón para Hibridación FV 4: Radiación solar La insolación es un factor extremadamente importante a la hora de plantearse una posible integración con fotovoltaica. Razón para Hibridación FV 5: Coste FV El coste de los sistemas fotovoltaicos ha descendido considerablemente en los últimos años, especialmente, el coste de los módulos FV, Figura 2. 5
Figura 2: Evolución del coste de los módulos cristalinos (2004-2012) Dado que el objetivo de la hibridación es la eficiencia de costes, previamente al diseño de la solución integrada, es altamente recomendable realizar una serie de tareas con el fin de optimizar al máximo el producto que posteriormente se va a hibridar. Por tanto, no se deben pasar por alto conceptos tales como: mejora de las envolventes, eficiencia energética del consumo, gestión de cargas, dimensionamiento óptimo técnico-económico y el autoconsumo instantáneo. 6
Teniendo en cuenta los aspectos mostrados anteriormente, se partirá de un sistema (micro red) en el que se haya maximizado su rendimiento, el ahorro y eficiencia energética. La necesidad de establecer una micro red con fotovoltaica está definida, básicamente por tres parámetros, a tener en cuenta simultáneamente: precio del diésel, precio de la electricidad e insolación (en el lugar en donde se plantea instalar la micro red). Hay que hacer notar, que estos parámetros, valorados conjuntamente, tienen un efecto multiplicativo, no aditivo. Y que es necesario estimar, por tanto, su evolución temporal. Quizá en donde en una primera estimación no sea del todo favorable el establecimiento de una micro red, con la variación temporal de alguno de estos parámetros de manera acusada, puede hacer cambiar esta decisión. BUSCANDO LOS LÍMITES DE LA INTEGRACIÓN FOTOVOLTAICA Una vez analizados los requisitos de la integración, para asegurar la estabilidad y seguridad del sistema, se definen los siguientes aspectos a tener en cuenta: Aspectos generales: Inversor FV. Este convertidor necesita atender de forma muy precisa las necesidades de energía activa y reactiva. En muchos de los modelos de las primeras marcas, se integran métodos de control de potencia, en tensión y frecuencia de red, Figuras 3 y 4. 7
Figura 3: Control de potencia en frecuencia de red, implementado por Fronius Figura 4: Control de potencia en tensión de red, implementado por Fronius 8
Aunque en algunas ocasiones dichos métodos no sean suficientes, pueden aportan un extra de seguridad necesaria. Gestor del sistema híbrido. Es un controlador externo que gestiona al inversor fotovoltaico. Dimensionamiento. Se debe aproximar el objetivo de funcionamiento del grupo entre el 25-30 % de su potencia nominal, para permanecer el mayor tiempo posible en el optimo punto de operación y mantenimiento. Conexión en paralelo. En grandes sistemas es común que se acoplen en cascada varios grupos electrógenos. Para el acoplamiento de la generación FV es necesario que el gestor del sistema sepa reconocer el estado de la generación diésel. Economía. El ahorro de diésel y costes de mantenimiento es el fin que justifica la inversión, que, de media, se amortiza en tres años. Desafíos Técnicos: En relación al estado de la técnica actual en este ámbito, estos son los desafíos técnicos a los que nos enfrentamos: Riesgos del sistema. Se pueden distinguir dos riesgos potenciales, que deben ser evitados, para evitar condiciones que hagan al sistema inestable y que puedan dañar, por tanto, al generador diésel: evitar que la corriente del inversor FV, que siempre tiene preferencia, no dañe al generador diésel; por otro lado, además, es necesario aportar potencia de respaldo, que juega un papel fundamental en sistemas con gran penetración fotovoltaica. Potencia de respaldo. La potencia de respaldo, además de permitir una mayor penetración de generación FV, incrementa considerablemente el ratio de autoconsumo de energía fotovoltaica. Alcanzando mayores ahorros en el consumo de diésel. 9
Protección contra corriente inversa. La posible corriente inversa producida por el generador FV hacia el GD podría averiar a éste. Por lo que se debe de implementar un relé de corriente inversa que asegure la desconexión del inversor fotovoltaico. Potencia Reactiva. Hay que considerar que los inversores FV generan, de forma estándar, sólo energía activa y no reactiva. En cambio, en los sistemas con GD la cantidad de energía reactiva suele ser importante, es decir, un factor a tener muy en cuenta. Por tanto, si de deja al GD la compensación de energía activa no es suficiente. Por tanto, Hay que procurar que el factor de potencia del generador síncrono no disminuya por debajo de 0.7. De esta forma, se puede concluir que el inversor debe de poder compensar la energía reactiva del sistema. Tiempo de reacción. En este tipo de sistemas es necesario tener una respuesta muy rápida que actúe sobre el control dinámico de potencia activa, no así para el control de la potencia reactiva, que tiene menos prioridad. Dimensionamiento del sistema. Se podría definir la regla de oro para introducir FV sobre grupos electrógenos de la forma siguiente: Si la FV < 10 % de la potencia nominal del grupo, no es necesario controles adicionales avanzados. Si la FV >10 % y <30 % de la potencia nominal del grupo, es necesario implementar un control remoto de la FV. Si la FV >30 % y < 50 % de la potencia nominal del grupo, es necesario, además de implementar un control remoto, realizar una gestión activa de las cargas. Si la FV >50 % y < 100 % de la potencia nominal del grupo, es necesario realizar, además del control remoto y gestión de cargas, se recomienda la implementación de un sistema de respaldo de potencia (positiva y negativa). Perdida de carga. La perdida repentina de una parte importante de carga, genera un riesgo importante de potencia inversa sobre el grupo. El peor escenario se produce cuando 10
se trabaja con el 100 % de la potencia FV instalada. Esta es una de las razones por la que el tiempo de respuesta del control dinámico sea lo más rápido posible. Se considera que este tiempo de respuesta no debe sobrepasar el segundo. Sistemas desequilibrados. El consumo en micro redes no suele estar balanceado (cargas monofásicas). Según el nivel de desequilibrio entre fases en el sistema habrá que introducir, en mayor o menor medida, gestión dinámica de potencia, por fase. CONFIGURACIONES En el mercado existen varias soluciones para la hibridación, que pasan desde la opción de eliminar o no usar un grupo, pasando por la opción de parar el grupo durante un periodo largo de horas al día u optando por la solución que de mantener el grupo siempre en marcha. La selección de la mejor opción y dimensionamiento pasa por un estudio riguroso de las condiciones del sistema a hibridar. Antes de acometer la hibridación del sistema se debe presentar un estudio completo y detallado de los resultados a uno y cinco años, si bien la mayoría de estos proyectos tienen plazos de amortización por debajo de los cinco años, se pueden presentar casos, más complejos, donde se requiera un mayor periodo de amortización, aun así siguen resultando muy interesantes. A continuación, se realizará una revisión del estado de la técnica de las diferentes configuraciones y soluciones comerciales que presentan los fabricantes (Circutor, GPTech, Ingeteam, Power Electronics y SMA), que aun siendo muy similares en su manera de solucionar los retos técnicos antes descritos, aportan detalles importantes que se han de tener en cuenta. Además, también se han analizado otras soluciones hechas a medida, aunque no han sido recopiladas en este documento. 11
AUTOCONSUMO Instantáneo Mejora del Rendimiento con Gestor Energético Figura 5: Esquema general de un autoconsumo instantáneo El esquema de la Figura 5, es el que utiliza red como sistema a hibridar, coloquialmente se le conoce como sistema de inyección 0, y aunque su desarrollo se realizó en España, empieza a ser demandado en Australia, EEUU, Portugal, Marruecos entre otros países. En Alemania se utiliza una variante de este sistema. En la actualidad los desarrollos de este sistema se dirigen al incremento de la razón ( ratio ) de autoconsumo de FV, introduciendo conceptos tales como la gestión de cargas y el uso de almacenamiento de energía, ya sea utilizando baterías o sistemas termodinámicos (frio y calor). 12
AUTOCONSUMO Híbrido (Diésel + FV) con Gestor Energético Figura 6: Esquema general de un autoconsumo Híbrido (Diésel + FV) con gestor energético de CIRCUTOR En los sistemas en donde se integra energía FV con una potencia no superior al 30 %, según la Figura 6, los ahorros conseguidos están en torno al 20 40 %. Se puede incrementar la penetración FV hasta un 50 % mediante la introducción de cargas gestionadas, pudiéndose así alcanzar mayores ahorros de combustible. En las Figuras 7-10, se presentan las soluciones comerciales encontradas. 13
Figura 7: Solución de Ingeteam para la hibridación Diésel + FV con un solo generadores Diésel, sin respaldo de potencia 14
Figura 8: Solución del esquema del Sistema FV+ Diésel propuesta por GPTech Figura 9: Solución del esquema del Sistema FV+ Diésel propuesta por Power Electronics 15
Figura 10: Solución del esquema híbrido FV+ Diésel propuesta por SMA 16
AUTOCONSUMO Híbrido (Diésel + FV + Respaldo de potencia) con Gestor Energético Figura 11: Esquema general de un autoconsumo híbrido (Diésel + FV) + Respaldo de potencia) con gestor energético, implementado por CIRCUTOR En este tipos de sistemas, Figura 11, se puede llegar a igualar la potencia del grupo con la FV, consiguiendo ahorros entorno al 70 %, son los que más eficiencia y estabilidad dan al sistema, Figura 12. 17
Figura 12: Resultados de la hibridación Diésel + FV con respaldo de potencia, de Ingeteam Además, en las Figuras 13 y 14 se presentan las soluciones propuestas por Ingeteam y Power Electronics, con empleando varios generadores diésel. 18
Figura 13: Solución de Ingeteam para la hibridación Diésel + FV con multi generadores Diésel, con respaldo de potencia 19
Figura 14: Solución de Power Electronics para la hibridación Diésel + FV con multi generadores Diésel, con respaldo de potencia 20
Configuración en sistema híbrido monofásico Figura 15: Esquema de un sistema híbrido monofásico de CIRCUTOR En la Figura 15 se presenta la propuesta que puede implementar CIRCUTOR en los sistemas híbridos monofásicos. Control dinámico de Potencia en sistemas trifásicos y monofásicos En la Figura 16, se presenta el esquema para el control dinámico de potencia ejercido sobre los inversores por el gestor de CIRCUTOR, tanto monofásico como trifásico. El gestor puede actuar sobre el inversor variando de forma casi instantánea la potencia de salida, y adecuando está a las necesidades del sistema en cada momento. 21
Figura 16: Esquema propuesto por CIRCUTOR para el control dinámico de potencia en sistemas híbridos trifásicos y monofásicos 22
AUTOCONSUMO Híbrido (Diésel + FV + Baterías) con Gestor Energético Figura 17: Esquema de un autoconsumo híbrido FV + Diésel + Baterías con gestor energético El esquema de la Figura 17, tiene como objetivo parar el grupo, encontrándose un buen balance económico cuando el dimensionamiento hace un uso del grupo diario, pero muy reducido. Los ahorros superan fácilmente el 80 %. 23
AUTOCONSUMO Híbrido (FV + Baterías) con Gestor Energético Figura 18: Esquema de un autoconsumo híbrido FV + Baterías con gestor energético La configuración de la Figura 18 solo es recomendable para unas condiciones climáticas y de uso determinadas. GESTORES DE POTENCIA Gran parte de estas configuraciones serían imposible su implementación a no ser de la inclusión de los denominados gestores de potencia, que como su propio nombre indica, tienen como principal misión, el de administrar eficientemente la potencia de cada uno de los elementos que configuren el sistema integrado, teniendo en cuenta diferentes parámetros de entrada. Excepto CIRCUTOR, que puede catalogarse como de uso general, para cualquier 24
marca de inversor, el resto son propios de cada fabricante, pudiéndose utilizar sólo por sus propios inversores, como por ejemplo: Ingeteam (INGECON EMS Manager), Power Electrónics (Freesun PPC) y SMA (Fuel Saver Controller). 25