ISSN 0798 1015

Vol. 40 (Nº 13) Año 2019. Pág. 23

Análisis comparativo de sistemas de almacenamiento de energía aplicado a un parque eólico bajo condiciones aislado de la red

Comparative analysis of energy storage systems applied to a wind farm under isolated grid conditions

PACHECO, Mayra A. 1; MUÑOZ, José R. 2 y RODRIGUEZ, Jesús A. 3

Recibido: 08/01/2019 • Aprobado: 25/03/2019 • Publicado 22/04/2019

Contenido

1. Introducción

2. Metodología

3. Resultados

4. Conclusiones

Referencias bibliográficas

1. Introducción

A partir de las últimas décadas, la energía eólica constituye una fuente importante para la generación de energía a nivel mundial, a día de hoy es la energía más madura y eficiente de todas las energías renovables (Bilbao, 2013, pg.1). Además, la energía eólica es una energía autóctona, disponible prácticamente en la totalidad del planeta, lo que contribuye a reducir las importaciones energéticas y a crear riqueza y empleo de forma local. Por todo ello, la producción de electricidad mediante energía eólica y su uso de forma eficiente contribuyen al desarrollo sostenible (Traversa & Idriss, 2012).

A todo esto los costos de producción de la energía eólica son cada vez más competitivos, y la tecnología de las turbinas eólicas ya es sofisticada y se acerca a los niveles óptimos. Sin embargo, esta fuente natural de energía puede ser muy variable, lo cual es uno de los mayores impedimentos en la generalización del uso de esta tecnología a gran escala o en sustitución de tecnologías consolidadas (Bilbao, 2013, pg.1). Las variaciones bruscas de la electricidad producida por los parques eólicos provocan estados de inestabilidad en las redes eléctricas dificulta la gestión de la energía a ser inyectada, además complica el hecho de adaptar la producción de energía a la demanda en cada momento ya que la producción de energía de los parques eólicos puede bajar repentinamente.

Una de las alternativas a la producción eficiente de electricidad a partir del recurso eólico es la utilización de grandes y complejos sistemas de almacenamiento que permitan gestionar la energía producida controlando armónicos, excesos de energía, supliendo baja producción, etc. Conociendo la cantidad de Energía promedio anual, mensual y diaria que genera el Parque Eólico al igual que la demanda a la que suple y contrarrestando dichos valores, se puede estimar la cantidad de energía que necesita ser almacenada por el SAE (Sistema de Almacenamiento de Energía).

Ante esto, los esfuerzos en solucionar estos problemas han llevado al desarrollo de varios tipos de sistemas de almacenamiento para parques eólicos entre los cuales sobresalen Hidroelectricidad Bombeada, Almacenamiento con aire comprimido, Pilas de hidrógeno, Baterías y dependiendo de si la zona es apta, almacenamiento geotérmico (FENERCOM, 2011), siendo cada sistema muy diferente e independiente el otro y difiriendo en eficiencias y comportamiento de acuerdo a la cantidad de energía a almacenar.

Es por ello que en el presente estudio se realiza un análisis comparativo desde el punto de vista técnico y económico entre tres tipos de sistemas de almacenamiento de energía a gran escala para parques eólicos en el escenario de un Parque Eólico de 16,5 MW de potencia nominal que hipotéticamente opera en modo aislado de la red supliendo a una población de 26000 clientes. Las tecnologías a ser analizadas por cumplir con los requerimientos energéticos del escenario de estudio son: CAES (Almacenamiento de Energía por aire comprimido), Baterías Na-S y generación de hidrogeno, las cuales deberán ser capaces de almacenar el excedente de generación diaria del parque y además suplir los picos de demanda de la población. Se analiza el comportamiento, características, requerimientos y parámetros energéticos, costos estimados de instalación y mantenimiento, factibilidad y viabilidad de cada una de los sistemas de almacenamiento, con el fin de determinar el sistema que ofrezca las mejores características bajo los criterios de almacenamiento planteados.

Analizar estos diferentes tipos de sistemas de almacenamiento, nos permite en primera instancia brindar soluciones a los problemas de fluctuaciones de energía que presenta la generación del parqué y todos los inconvenientes que esto conlleva para la red eléctrica, ya que al usar un sistema de almacenamiento se adapta la generación al consumo logrando así que el suministro de energía sea continuo y además fiable. Además se identifica la factibilidad de implementar este tipo de sistemas de almacenamiento a gran escala cuando se trata de un parque eólico que trabaja en modo aislado de la red.

2.1. Planteamiento del escenario y determinación de la cantidad de energía a almacenar.

Para realizar el análisis comparativo entre los diferentes sistemas de almacenamiento inicialmente se define el escenario de estudio en este caso se plantea un parque eólico que trabaje en modo aislado de la red suministrando energía o abasteciendo a una comunidad hipotética ubicada en las cercanías del emplazamiento. Se determina la cantidad de energía a almacenar haciendo un contraste entre la curva promedio diaria anual de generación del parque eólico y la curva promedio diaria anual de demanda de la población.

Para la estimación de la curva de generación del parque eólico se trabaja con datos reales de velocidades de viento de un parque eólico existente en Loja - Ecuador en la localidad del Villonaco el cual encuentra en operación, Parque Eólico Villonaco, de capacidad instalada de 16,5 MW, constituido por 11 turbinas eólicas GOLDWING 70-1500. Gracias a estudios previos al montaje del parque eólico, existen históricos con información de mediciones de viento realizadas previamente en el emplazamiento, las cuales corresponden al año 2004, las cuales nos son útiles posteriormente para el cálculo de energía generada por el parque (Ollague, y Crespo, 2014).

En base la información sobre velocidades de viento promedio y características atmosféricas del emplazamiento que se han obtenido de estudios que el Ministerio de Electricidad y Energías Renovables ha realizado en esta zona (Normanwind, 2003)  se determinan las mediciones promedio diaria anual de velocidades de viento a la altura del buje en el parque en el año 2004 como se muestra en la Figura 1, datos que en conjunto con la curva de potencia de los aerogeneradores utilizados Figura 2, permiten estimar la curva de generación diaria del parque eólico Figura 3. Para esto se desprecian efectos de retraso de partida de la turbina debido a la resolución de los datos (1hora). Se calcula la potencia generada en función de las velocidades de viento para cada hora y finalmente se obtiene la cantidad de energía diaria generada por el parque eólico.    

Figura 1
Perfil promedio diario anual de velocidades de viento

Fuente: Elaboración Propia

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Figura 2
Curva de Potencia del aerogenerador GOLDWIND 70/1500.

Fuente: Aguayo, 2012

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Figura 3
Curva de generación horaria promedio anual del parque eólico.

Fuente: Elaboración Propia

De acuerdo a este cálculo, la energía estimada de generación diaria del parque corresponde a 375232 [kWh].

En cuanto a la caracterización de la demanda, se asume que el parque suplirá la demanda de una población completa hipotética de 26000 usuarios eléctricos en modo aislado de la red. Para lo cual se recurre a analizar el comportamiento de la curva de demanda diaria aproximada en la población de Loja-Ecuador (Gonzales, 2014), la cual está en las cercanías del emplazamiento y nos servirá como guía para nuestro estudio. Posteriormente se procede a estimar nuestra curva de demanda en base al comportamiento de la curva tomada como referencia determinando así la curva de demanda diaria con una resolución horaria y la energía total requerida para nuestra población hipotética de 26000 usuarios eléctricos por día Figura 4.

Figura 4
Demanda energética estimada para el caso de estudio

Fuente: Elaboración Propia

Se observa que la curva de demanda presenta un pico de demanda de energía que se encuentra entre las 18:00 y 23:00 horas, debido al uso de las luminarias y aparatos electrodomésticos durante la noche, que es la hora en la que todas las familias llegan a casa justificándose de esta forma un consumo pico de 16084 [kW]. Al ser únicamente consumidores de tipo residencial el resto del día se puede apreciar que la demanda es constante en horas de la mañana y  comienza a crecer  paulatinamente en horas de la tarde con pequeños  picos de consumo hasta llegar a la hora pico mencionada anteriormente. De esta forma el consumo de energía promedio diaria es de 254365,31 [kWh].

Una vez conocida la energía promedio diaria tanto de generación como de consumo, se procede a hacer un contraste entre ellas, para determinar así la cantidad de energía que es necesario almacenar en el SAE (Sistema de Almacenamiento de Energía) Figura 5, observándose así que la generación estimada del parque eólico cubre casi en su totalidad la demanda de la población excepto entre las 18 y 20:30. Por lo antes mencionado, el sistema de almacenamiento debe ser capaz de almacenar todo el excedente eólico y por otra parte cubrir el déficit de energía presente entre las 18 y 20:30.

Figura 5
Curva promedio diaria anual de Generación
Vs Curva promedio diaria anual Demanda.

Fuente: Elaboración Propia

De esta forma la cantidad de energía que se necesita almacenar es de 120,9 [MWh], a una potencia máxima de 9,33 [MW] durante aproximadamente 18 horas.

2.2. Análisis del sistema de almacenamiento CAES (Compressed Air Storage Sistem)

Se realiza un análisis energético considerando un CAES diabático con eficiencias de alrededor del 73% y un ratio de producción promedio de 1,4 para esta tecnología CAES formada por un tren de compresión de dos equipos, una cámara de almacenamiento y un tren de expansión a su vez también de 2 turbinas con sus respectivas cámaras de combustión, por lo que el consumo de kilovatios hora térmicos son necesarios para precalentar el aire antes de la entrada al sistema. (Muñoz, 2015).

El ratio de producción de este tipo de tecnología es de 1,2- a 1,8, para esta estimación tomaremos un ratio de producción intermedio de 1,4. Sabiendo la energía consumida podemos calcular cual debe ser la energía generada en la descarga del sistema de almacenamiento (Muñoz, 2015). Donde:

                          (1)

Se toma como referencia datos de plantas existentes, donde para la producción de un 1[kWh], esta tecnología consume 0,69 [kWh] eléctricos y 1,3 [kWh] térmicos (1).Se considera también para este tipo de tecnología una densidad energética promedio de 45 Wh/L, trabajando a presiones de no superiores a 65 bares convenientes para potencias en rangos de nuestra potencia nominal requerida. Finalmente se consideran costos de instalación en donde equipos como compresores y turbinas representan un  11% y 19% del total, pero siendo aún  más sobresaliente con un 42% los costos de construcción y mano de obra requeridas (Parfomak, 2012).

2.3. Análisis del sistema de almacenamiento con baterías NA-S

El banco de baterías se compone de módulos formados por celdas de Na-S asociadas en serie y en paralelo para conseguir la capacidad requerida. Se selecciona el modelo PS-G50" Module de NKG (Gallego, 2014). Se supone una tensión media en cada módulo es de 128 [V] en descarga y Cdes=2812, 5 [Ah], y considerando una profundidad de descarga máxima del 50%, para elevar el número de ciclos de vida, se obtiene la energía que cada módulo suministra. Tomando en cuenta los parámetros energéticos a suplir se consideran necesario el uso de 200 módulos distribuidos en 40 filas de 5 módulos en serie. Esta distribución se la estima tomando como factor importante la tensión nominal requerida para el sistema que es de 640 V. Se estima un volumen de montaje total de 580 . Los costes de este tipo de sistemas se estiman en 318 [$/kWh] por inversión y 3,34 [$/kWh] para la operación y mantenimiento (Bilbao, 2013).

2.4. Análisis del sistema de almacenamiento de energía por generación de Hidrógeno

El sistema de almacenamiento de energía a base de hidrógeno eta formado por un electrolizador para producir el hidrógeno, un depósito de almacenamiento del hidrógeno producido y, en caso de que el caso de que el hidrógeno se aproveche nuevamente como electricidad, una pila de combustible que realice esa labor.

Se estiman como principales parámetros energéticos de este tipo de sistemas 33,33 [kWh/kg] de energía específica y 0,002993 [kWh/l] de Densidad de energía. Se concluye para esta clase de sistemas una eficiencia de conversión de 52,5 [kWh/kg] promedio en electrolizadores eficientes (Rodríguez, Riso, Jiménez, Ottogalli, Santa Cruz, Aisa, & Leiva, 2012), con lo que se calcula la cantidad de kg de 𝐻2 que el electrolizador es capaz de producir con 120866,69 [kWh] de energía excedente desde el Parque Eólico, siendo esta 2302,22 Kg de 𝐻2. A partir de esto e determina un volumen de acumulación para el cual se supone el uso de cilindros de aluminio o metal inoxidable envueltos en fibra de carbono a una presión de 280 bares (Guervós, 2003), presión a la cual la densidad volumétrica del gas puede alcanzar valores de 12 [kg/m3]. Siendo este de 191 𝑚3 ó 191000 Litros necesarios para la cantidad de hidrógeno producida por el sistema. Con valores de eficiencia de pilas de combustible existentes en el mercado se adopta para este una rendimiento promedio de las mismas del 45% por lo que la energía descargada por el sistema es mucho menor que la energía almacenada al perderse esta un 55% durante la conversión en la pila de combustible.

Los costes de instalación de este tipo de tecnología son elevados siendo el de la celula de combustible el más representativo con 3000  [$/KW] (Parfomak, 2012).

Analizando los parámetros más importantes de cada uno de los sistemas de almacenamiento seleccionados, se puede ver que inicialmente en el caso del CAES, la energía eléctrica descargada 169213,366 [kWh] es mucho mayor a la energía eléctrica consumida para el almacenamiento, lo cual se debe a que tiene un ratio de producción mayor a uno. Este ratio es mayor a 1 debido a que en este tipo de sistemas, además de la energía eléctrica consumida, también se consume energía térmica para precalentar  el aire a la entrada del tren de turbinas de expansión. Por lo que en este caso se requiere adicionalmente un consumo de  de gas natural. En cuanto al volumen de almacenamiento de , debemos este valor alto a la presión con la que generalmente se comprimen este tipo de sistemas de 65 bar, ya que a menor presión mayor volumen de acumulación a diferencia del volumen de acumulación para hidrógeno que es mucho menor debido a sus altas presiones de almacenamiento.

Tabla 1
Parámetros energéticos y económicos calculados para
el sistema CAES (Compressed air energy storage).

Fuente: Elaboración Propia

En cuanto al almacenamiento en baterías, la energía de carga y descarga que esta permite son menores que energía total que se requiere almacenar en el caso de estudio. Esto debido a que la celda escogida tiene una limitación en cuanto al número de horas de almacenamiento que permite, el cual es no mayor a 10 horas por lo que parte de la energía generada en el parque se pierde y solo 82160 [kWh] pueden ser almacenados y 64800[kWh] descargados. A diferencia del CAES e hidrógeno esta tecnología únicamente requiere un volumen de acumulación de 580  para el montaje de 200 módulos de esta tecnología.

Tabla 2
Parámetros energéticos y económicos calculados
para el sistema de almacenamiento con baterías Na-S.

Fuente: Elaboración Propia

Finalmente en un sistema de almacenamiento utilizando hidrógeno, con la cantidad de energía disponible para almacenar se estimó una producción de hidrógeno de  2302,22 Kg con un volumen de acumulación 191 , que es por mucho menor al volumen necesario en un sistema CAES. Esto es entendible debido a las presiones que se manejan en los distintos sistemas  ya que a mayor presión menor volumen de acumulación y en hidrogeno se trabaja con presiones de 280 bares. En este sistema es claro que la energía a la salida está muy por debajo del total de energía consumida con un valor de 34529,84[kWh], atribuyéndole esto a que el electrolizador requiere mucha energía para producir hidrógeno y que del hidrógeno acumulado, solo se puede recuperar una parte debido a las bajas eficiencias de la pila de combustible.

En cuanto a costes el sistema de almacenamiento CAES refleja un coste de 8’024.273 $, en contraste con los 22’896.000 $ y 35’791.259 $ de un sistema de baterías e hidrógeno respectivamente. Confirmando así que tiene el coste más bajo de inversión que cualquier otra tecnología.

Tabla 3
Parámetros energéticos y económicos calculados para el
sistema de almacenamiento por generación de hidrógeno.

Fuente: Elaboración Propia

Con base al análisis comparativo de los resultados obtenidos al contrastar los parámetros estudiados en cada uno de los sistemas de almacenamiento se determina que para el caso de estudio planteado el sistema de almacenamiento más óptimo para implementación es el CAES (Compressed Air Energy Storage) ya que considerando un aporte extra de [kWh] térmicos utilizados en el proceso de comprensión expansión, presenta un alto ratio de producción de 1,4, característica que le permite durante el proceso de descarga generar 169,21366 [MWh] lo cual es una cantidad mayor que la energía consumida durante la carga satisfaciendo de esta manera los requerimientos de almacenamiento y descarga de energía necesaria durante el pico de demanda, además presenta un coste de instalación de 8 024 273 dólares muy por debajo de los demás sistemas, con un volumen de acumulación grande necesario de 3760,30 [m3]  en correspondencia al tipo de instalación, permitiendo este una descarga del casi el 100% de energía almacenada a diferencia de la descarga parcial que presentan los demás sistemas de almacenamiento.

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ANEXO 1
Datos de demanda promedio diaria anual tomados como base para la caracterización
de la curva de demanda  y estimación de demanda para 26000 clientes

Fuente: Elaboración Propia

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ANEXO 2
Velocidades de viento promedio horarias mensuales en el emplazamiento y cálculo de la
producción diaria anual promedio  de energía por aerogenerador y del parque eólico
en conjunto, energía demandada diariamente y total de energía a almacenar

Fuente: Elaboración Propia

1. Ingeniera en electrónica, control y redes Industriales, Máster en Tecnología energética para el desarrollo sostenible en la especialidad de Energías Renovables. Docente Investigadora CEAA (Centro de Investigación de Energías Alternativas y Ambiente), Escuela Superior Politécnica de Chimborazo (ESPOCH). mayra.pacheco@espoch.edu.ec

2. Doctor en Física, Máster en Energías Renovables. Docente Investigador CEAA (Centro de Investigación de Energías Alternativas y Ambiente), Escuela Superior Politécnica de Chimborazo (ESPOCH). dm17850@yahoo.es

3. PhD en Control Automático. Docente Investigador CEAA (Centro de Investigación de Energías Alternativas y Ambiente), Escuela Superior Politécnica de Chimborazo (ESPOCH). jesus.rodriguez.flores.2009@gmail.com