7.1. Simulación por ordenador -...

IMPLANTACIÓN DE ENERGÍAS RENOVABLES EN UNA

PLANTA DE PRODUCCIÓN DE AMONIACO

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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.

7.2. 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



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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.



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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].

7.3. 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:



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Figura 30: Pantalla principal HOMER

En la cual hay que destacar tres partes importantes:

7.3.1. 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/m2, que es el dato que necesita

HOMER para poder simular el estudio.

7.3.2. 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.



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• 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



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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

7.3.3. 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.



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• 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.



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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.�

Modelo en

HOMER Equipamiento

Otros

Componentes PV

Eólica

Batería Red

Económicos

Temperatura

Emisiones

Condiciones

Control del Sistema

Recursos

Energéticos Fuente Solar

Cargas

Eléctrica

Térmica

Hidrógeno

Fuente Eólica



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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.�

7.4.1. 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].



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• 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.

7.4.2. 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.



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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 NH3. 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.



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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.

7.5. 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:

7.5.1. Aerogeneradores

Aerogenerador

Marca GAMESA

Modelo G52

Diámetro 52 m

Área de barrido 2.124 m2

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

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Figura 42: Curva de Potencia / Velocidad GAMESA G52

7.5.2. Paneles fotovoltaicos

Panel Fotovoltaico

Marca ISOFOTON

Modelo ISF-220

Célula Solar Silicio Monocristalino



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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 €/Wp

Tabla 15: Características técnicas del panel fotovoltaico

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Figura 43: Curva característica Voltaje-Intensidad ISF-220

7.5.3. 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

7.5.4. Inversor

Inversor

Potencia 1650 kW

Vida útil 15 años

Eficiencia 90%

Precio 100 €

Tabla 17: Características técnicas del inversor



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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

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