CAPACITACIÓN PARA LOS ESTADOS MIEMBROS DE LA CURSO CAPEV 1 2011 CURSO DE CAPACITACIÓN VIRTUAL: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE SISTEMAS HÍBRIDOS COMBINADOS.

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1 CAPACITACIÓN PARA LOS ESTADOS MIEMBROS DE LA CURSO CAPEV 1 2011 CURSO DE CAPACITACIÓN VIRTUAL: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE SISTEMAS HÍBRIDOS COMBINADOS (AVANCES TECNOLÓGICOS Y REGULACIÓN) Dr. Oscar Alfredo Jaramillo Salgado Centro de Investigación en Energía. Universidad Nacional Autónoma de México ojs@cie.unam.mx ojs@cie.unam.mx 22 de marzo 2011

2 Sistemas híbridos eólicos fotovoltaicos y generador diesel.

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5 Los sistemas híbridos optimizan las mejores condiciones del viento y el sol, complementándose entre sí. Los días fríos y de viento, normalmente nubosos, apenas permiten aprovechar la luz solar, mientras que son ideales para los aerogeneradores. Por su parte, los días de anticiclón suelen provocar cielos despejados con poco viento, y por tanto, más adecuados para las placas fotovoltaicas. Las combinaciones que pueden analizarse para diseñar el sistema híbrido apropiado son las siguientes: Híbrido eólica-diesel, híbrido batería-diesel-eólica, hídrico diesel-fotovoltaica-eólica, híbrido de batería-diésel, fotovoltaica, eólica, híbrido diésel-fotovoltaica, híbrido de batería-diésel-fotovoltaica, etc.

6 Asimismo, este tipo de sistemas mixtos eólico-fotovoltaicos pueden contar con un grupo electrógeno de apoyo, alimentado con algún tipo de combustible, ya sea diesel o gasolina. El objetivo es mantener un nivel de carga adecuado en las baterías, cuando ni el sol ni el viento proporcionen la energía suficiente. En este caso, son especialmente recomendables cuando las baterías están bajas de carga o hay una demanda de consumo muy elevada. El grupo electrógeno se pone en marcha suministrando energía a la instalación y cargando simultáneamente las baterías hasta que adquieren un nivel óptimo. De esta manera, se alarga la vida útil del sistema y se hace un uso más racional de la energía.

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58 La naturaleza variable de la energía solar y la eólica provoca desequilibrio entre la oferta y la demanda en el sistema de suministro de energía. Debido al movimiento de la Tierra alrededor del Sol, se encuentran dos tipos diferentes de discrepancias en el sistema fotovoltaico y en el sistema de energía eólica. Son el desajuste diurno-nocturno y desequilibrio estacional. El desajuste entre la oferta y la demanda se resuelve mediante un sistema de búfer. Para ello, se usa ampliamente la batería de plomo. Para lograr el máximo nivel de confiabilidad energética, el convertidor de energía (PV / WECSs) o la batería es sobredimensionada. Los WECSs independientes no producen energía firme debido a la disminución de la velocidad del viento, por debajo de 3,5 y 4,5 m/s. Para superar este problema con los WECSs, un sistema híbrido PV–WEC sería una solución. Una combinación de fotovoltaica y WEC reduce la fluctuación diurna y estacional que se presenta de manera individual, y disminuiría el tamaño del banco de baterías para el sistema independiente.

59 Debido a su característica de auto-descarga, la batería de plomo ácido no es adecuada para el desajuste estacional. El desajuste estacional se resuelve utilizando un generador diesel como un sistema de respaldo. Aumentando la fiabilidad del suministro de energía.

60 During the good season, the load demand in the system remains insufficient to utilize the whole amount of energy converted by the energy converter (PV/WEC). Thus, during the good season of the year a large amount of energy would be wasted because of non-optimal operation of the converter. In a hybrid system, 40% of the total energy loss (Peterson et al., 1999) is due to the non-optimal sizing of the system. However, another main disadvantage is that the diesel generator needs the fuel to be supplied for operation. Sometimes, for some of the remote applications, consumers pay high fuel costs for fuel transportation (Butler, 1996). The high cost of the delivery and often dubious quality of the fuel places a premium on effective utilization of the resources and makes the value of energy far higher. Los otros inconvenientes de este sistema son los siguientes: Causa emisiones de gases de efecto invernadero. Menor eficiencia de conversión de combustible a carga parcial. Operación ruidosa.

61 Reemplazar el generador diesel por un sistema de almacenamiento a largo plazo, que consistente en un electrolizador, un tanque de hidrógeno y unas pilas de combustible, permite elimina los inconvenientes antes mencionados en el sistema híbrido. En un sistema de almacenamiento a largo plazo, la energía excedente durante una buena temporada es recuperada por un electrolizador y se produce hidrógeno, que se almacena para el uso a largo plazo. Cuando hay una escasez de energía en la batería, el hidrógeno se utiliza en la celda de combustible y se satisface la demanda.

62 Las ventajas de utilizar un sistema de electrolizador-celda de combustible para la generación de hidrógeno en lugar de utilizar un sistema de respaldo diesel son las siguientes: No hay emisiones de gases de efecto invernadero directo. Mayor eficiencia de la conversión de la celda de combustible a cargas parciales. Funcionamiento silencioso. Así, el sistema basado en el hidrógeno es amigable con el medio ambiente, que es un aspecto muy importante que debe tenerse en cuenta en el curso de la operación del sistema híbrido. Hacer un estudio comparativo entre el almacenamiento de hidrógeno y un generador diesel en un sistema de suministro de energía renovable es útil para determinar el sistema es rentable para un sitio en particular.

63 Para estimar el excedente de energía anual del sistema, el todo el año se divide en dos partes. Una parte contiene la más alta disponibilidad de energía solar y de energía eólica y la otra mitad presenta una menor disponibilidad. El excedente de energía se calcula teniendo en cuenta la demanda de energía anula por la carga del sistema. Para la aplicación de energía solar fotovoltaica, es posible dividir un año exactamente en dos partes para casi todas las ubicaciones. En general, para el hemisferio norte, de marzo a agosto es considerado como la buena temporada y el resto del año es considerada como la mala temporada. Para latitudes intertropicales se debe tomar en cuenta el periodo de lluvias de la localidad. En el hemisferio norte, la duración del día comienza a aumentar a partir del mes de marzo. Las horas de luz solar acumulada a partir de marzo a septiembre es superior que las horas de luz solar acumulada durante el resto del año en todos los lugares en el hemisferio norte. La variación estacional de la energía solar también aumenta con el aumento de la latitud.

64 El exceso de energía en un sistema fotovoltaico en la temporada de verano está dada por: Se trata de la cantidad de energía que se pierde en el sistema híbrido fotovoltaico- diesel debido a al tamaño no óptimo de la generación fotovoltaica.

65 es la diferencia de energía solar estacional en el sitio de la aplicación. La diferencia de energía solar estacional se obtiene de la siguiente relación. La diferencia de energía solar estacional aumenta con en el ángulo de latitud. Las diferencias estacionales de energía solar en el plano horizontal y el plano inclinado en diferentes ubicaciones se muestra en la figura 3, que se calcula utilizando ‘‘METEONORM’97 Version 3.0’’. METEONORM es una amplia base de datos climatológico para aplicaciones de energía renovable, en que los valores mensuales promedio de velocidad de viento y radiación solar se calculan sobre la base de datos medidos durante 10 años.

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67 Para un sistema con convertidor de energía eólica y sistema de almacenamiento de energía a largo plazo, se puede calcular la energía excedente del sistema con la siguiente ecuación:

68 es la diferencia de energía de viento estacional en el sitio de la aplicación, que puede ser expresada como sigue A diferencia de la energía solar, la diferencia de energía de viento estacional no aumenta con la latitud. La variación de energía de viento estacional en los mismos lugares de la figura 3 se muestra en la figura 4.

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70 Un sistema híbrido fotovoltaico-WEC consiste en la instalación fotovoltaica y un sistema de energía eólica. Para calcular el excedente de energía estacional en el sistema, la diferencia estacional de la energía solar, y la diferencia de energía eólica estacional se deben tomar en cuenta. Otro parámetro importante para este sistema es la coincidencia entre el perfil de la energía eólica y el perfil de la energía solar. En la figura 5, la coincidencia entre el perfil de energía eólica y el perfil de energía solar se muestra para un sitio determinado (Fort Nelson; 58.5N, 122W). Se encuentra que el sitio tiene buena radiación solar de marzo a agosto. Es rico en energía eólica de octubre a abril. Así en los meses de marzo y abril se produce una buena temporada para ambos perfiles de las energía. Por lo tanto el parámetro de traslape de energía, , del sitio es 1/6. Los parámetros de traslape para los diferentes sitios representados en Fig. 3 y 4 se dan en la tabla 1.

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73 La energía excedente puede obtenerse de las siguientes relaciones

74 La energía excedente calculada anteriormente podría recuperarse mediante la introducción en un sistema de almacenamiento a largo plazo. Para recuperar la energía excedente, se necesitaría un inversor, un electrolizador, celdas de combustible y tanques. Para un sistema de este tipo, no hay ningún costo operacional por combustible como en el sistema de generador diesel. El costo de ciclo de vida para el almacenamiento a largo plazo es

75 Los costos de la electrolizador y la pila de combustible se definen con respecto a la potencia nominal. Para aplicaciones a pequeña escala, el costo actual de la electrolizador y pila de combustible se consideran 12.500 € / kW y 20.000 € / kW, respectivamente. El costo objetivo del electrolizador y la pila de combustible fue de 3.000 € / kW. Para el cálculo actual, se considera que no hay reemplazo del electrolizador y la pila de combustible tiene lugar durante toda la vida útil del sistema. El tanque de hidrógeno puede ser especificado por el volumen y la presión máxima alcanzable. El costo de la botella de hidrógeno (la presión máxima de 200 bar) se considera igual a 5,470 € / m3. En el presente cálculo, el costo del tanque se convierte en términos de energía teniendo en cuenta la presión máxima posible (200 bar) y el poder calorífico superior de hidrógeno.

76 El costo del tanque de hidrógeno que se toma en cuenta para el cálculo es de 7,7 € / kW h. El coste del ciclo de vida para el tanque está dada por

77 Los otros costes, en el sistema de almacenamiento a largo plazo incluyen el costo del compresor, diversas válvulas y sensores. El componente de costo intensivo importante es el compresor. Para los sistemas de energía solar-hidrógeno con tamaños de sistema fotovoltaico en el rango de 2,5 a 10 kW, el compresor de membrana con caudal máximo de 3 Nm 3 / h se puede utilizar. El costo del compresor es de € 12.000. Para el cálculo de otros imponderables, se consideran € 250 por año. El costo del ciclo de vida total se calcula como:

78 Para un sistema híbrido, la misma cantidad de la energía excedente debe venir del generador diesel. Al igual que en un sistema híbrido, una parte de la energía del generador diesel fluye a través de la batería, la eficiencia de la batería se tiene en cuenta en el cálculo del coste del ciclo de vida útil del generador diesel. En este sistema, junto con el costo del combustible, el costo de almacenamiento de energía en la batería se debe incluir el costo operacional. El coste del ciclo de vida para el sistema híbrido para proporcionar la misma cantidad de energía excedente de toda la vida útil del sistema es

79 El excedente de energía en el sistema de almacenamiento a largo plazo vendrán del generador en el sistema híbrido. El costo del diesel en toda la vida útil del sistema se pueden obtener de la relación

80 Se supone que el motor debe reconstruirse después de 6000 horas de operación. El costo de cada reconstrucción se establece a 1500 €

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82 Además del costo de reconstrucción, algunos de los componentes tienen que ser reemplazados a intervalos regulares. En el momento de la instalación, el costo de la inversión del generador es relativamente bajo, pero el costo de mantenimiento de este sistema es alto. El costo de mantenimiento de los motores diesel (3000 rpm) por kWh puede calcularse a partir de las siguientes relaciones:

83 En el presente estudio, el almacenamiento basado en hidrógeno se compara con el generador diesel en un sistema híbrido fotovoltaico-eólico. El coste del ciclo de vida de ambos sistemas se compara para calcular el costo crítico del combustible para que ambos sistemas sean igualmente rentables. En otras palabras, el costo crítico del combustible representa el costo de combustible teórico, para lo cual los costos de ciclo de vida de almacenamiento de hidrógeno y el generador diesel son iguales, Este costo de combustible crítico será útil para seleccionar el sistema entre los sistemas basados en diesel o hidrógeno. El sistema basado en hidrógeno será rentable si el costo real del combustible en el sitio es mayor que el costo de combustible crítico y viceversa. El escenario de las energías renovables varía con la posición en la Tierra. Para el sistema de suministro de energía renovable basado en hidrógeno, la diferencia de energía estacional es un factor importante. El otro factor importante para la aplicación rentable del sistema renovable basado en hidrógeno es la accesibilidad del sitio de aplicación. Esto puede ser especificado por el costo total del combustible en el sitio, que incluye el costo de transporte de combustible.

84 El costo de combustible en el sitio de aplicación depende del modo de transporte, de la distancia del sitio y de la política energética del país. El precio del diesel puede variar de 0,3 € a 0,9 € por litro, incluyendo impuestos. Los costos críticos de combustible se obtienen en función de las diferencias estacionales de la radiación solar y la energía eólica en distintas condiciones para la instalación híbrida fotovoltaica-eólica. Al comparar los costos, en el plano límite, ambos sistemas son igualmente rentables. Si el costeo real de los combustibles en un sitio en particular es más alto que el costo obtenidos desde el plano límite, el sitio es rentable para el sistema basado en almacenamiento de hidrógeno. El plano límite depende fuertemente del solapamiento entre la energía eólica y el perfil de la energía solar. El costo crítico del combustible obtenido en el plano límite se muestra en la figura. 6 para el costo actual de electrolizador y pila de combustible. El plano límite correspondiente al costo destinado al electrolizador y el de la celda de combustible se muestra en la figura. 7.

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89 La naturaleza del plano límite está determinada por la relación entre el tamaño de la fotovoltaica y la eólica. Para un conjunto particular de fotovoltaica y tamaño de la eólica la naturaleza de las curvas sigue siendo el mismo. Debido a los costos de inversión y el factor traslape, el sistema basado en hidrógeno puede resultar más caro. Cuando el sistema se compone de sólo un sistema fotovoltaico, las curvas de costo crítico son verticales, lo que significa que las curvas de costos críticos son independientes de la diferencia de energía de viento estacional. Cuando el sistema se compone de eólica solamente, las curvas de costo crítico son horizontales sin influencia de la diferencia de energía solar estacional (que se muestra en la figura 8).

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