Cuarto Congreso Nacional Tercer Congreso Iberoamericano Hidrgeno y Fuentes Sustentables de Energa HYFUSEN 2011

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EVALUACIN DE SISTEMAS HBRIDOS PARA ELECTRIFICACIN DE

ZONAS REMOTAS MEDIANTE HOMER

Casarotto, C.F. (1), Romano, J.S. (1), Collihuin, C.A. (1) (1) Universidad Nacional del Comahue, Buenos Aires N 1400, CP: 8300, Neuqun, Argentina, cfcasarotto@yahoo.com

RESUMEN

En el presente trabajo se propone la utilizacin del programa HOMER para la simulacin del funcionamiento y el estudio econmico de diferentes alternativas de suministro elctrico a emprendimientos rurales y/o pequeas comunidades, optimizando la solucin tradicional con la incorporacin de energas renovables. En el trabajo se repasan los aspectos bsicos asociados con el uso de energa elica y solar en sistemas remotos, y se hace una revisin de algunos ejemplos que son representativos de la experiencia adquirida en este campo. Palabras Claves: Energas renovables, sistemas hbridos, optimizacin con HOMER.

1. INTRODUCCIN

La electrificacin de zonas remotas se realiza tradicionalmente mediante dos alternativas: la extensin de la red elctrica, o la incorporacin de generacin diesel mediante grupos de mediana o pequea potencia. En reas de difcil acceso, ambas opciones pueden ser muy costosas. El suministro de combustible suele ser poco confiable, y los costos altamente dependientes del precio del petrleo. Por su parte, la red elctrica no siempre est lo suficientemente cerca como para que su extensin pueda ser viable. Los sistemas aislados que usan energas renovables son una opcin emergente y tcnicamente confiable para la provisin de energa en estos casos. Adems del adecuado desempeo demostrado en la solucin de estos problemas, la tecnologa involucrada presenta un inmejorable potencial para la incorporacin de energas alternativas bajo la forma de energa distribuida.

El Homer, (Hibrid Optimization Model for Electric Renewables), es un programa de optimizacin gratuito desarrollado por el laboratorio nacional de energa renovable de los Estados Unidos (NREL), y es ampliamente utilizado para la evaluacin econmica y ambiental de los sistemas elctricos que utilizan mltiples fuentes de generacin, y que son

comnmente designados como sistemas hbridos. El programa identifica el sistema de mnimo costo de un conjunto de alternativas posibles, simulando el comportamiento horario del sistema a lo largo de un ao, y clasificando las soluciones en orden creciente de costo actual neto para el ciclo de vida de la instalacin.

Homer modela una configuracin particular realizando una simulacin de su operacin durante un ao. La simulacin se realiza hora por hora. El programa calcula para cada hora del ao la potencia renovable disponible, la compara con la demanda elctrica, y decide que hacer con la energa en exceso, o si debe generarse o comprarse de la red en caso de dficit. Cuando ha completado un ao de simulacin, el programa determina si se cumplieron las restricciones impuestas por el usuario, las cantidades de energa generadas, la proporcin de energa renovable, las emisiones de ciertos contaminantes, etc. Tambin determina las cantidades usadas para el clculo de costos, como por ejemplo el consumo anual de combustible, las horas de operacin de los generadores, el consumo de la vida til de las bateras, o la cantidad de energa que se debe comprar de la red.

Para evaluar el costo del ciclo de vida, Homer usa el Valor Presente Neto Total (total net present cost -NPC). Este valor incluye tanto los

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costos como los beneficios que ocurren durante la vida til del proyecto, referidos al valor presente. El total NPC incluye el monto inicial de la inversin de capital, el costo de los reemplazos de elementos del sistema, los costos de operacin y mantenimiento, y eventualmente el costo o el ingreso por compra o venta de energa de la red.

Para realizar la simulacin se requieren datos de los recursos naturales (elicos, solares, etc.), cargas elctricas y trmicas, restricciones econmicas, costos actuales y futuros de los equipos, comportamiento de los usuarios y estrategias de control elegidas. El propsito de la simulacin es conocer las caractersticas operativas de los sistemas hbridos para alimentacin de comunidades aisladas, los problemas que pudieran presentarse y calcular el costo de energa producida.

El primer paso en el anlisis lo constituye la recoleccin de datos para la operacin del sistema basado en fuentes convencionales. El segundo paso es la determinacin de los recursos renovables disponibles para el sistema elegido. El tercer paso es la optimizacin del tamao de los componentes y la eleccin de la configuracin ptima del sistema hibrido y sus posibles ventajas en comparacin con el sistema convencional.

2. EJEMPLO DE APLICACIN

Cerro Polica es un pueblo de la provincia de Ro Negro en Argentina, que cuenta con aproximadamente 250 habitantes. Actualmente, la localidad no se encuentra conectada a la red elctrica, generando la energa que necesitan sus habitantes por medio de equipo diesel.

La Figura 1 muestra el comportamiento de un da tpico de mnima carga y de uno de mxima carga. La carga representada con valores actuales, ha sido obtenida proyectando un crecimiento del 2% anual segn datos disponibles del ao 2001. Puede observarse que la demanda presenta un importante pico debido a la influencia de las cargas nocturnas de iluminacin.

La carga tiene una energa promedio de 389 kWh/d y una potencia promedio de 16.2 kW. La carga mxima es de 54 kW con un factor de carga de 0.3 por lo que es de esperar que el generador diesel resulte sobredimensionado.

CONSUMOS: Usuarios

Comercial 3 Industrial 2 Residencial 85 Entidades sin fines de Lucro 9 Alumbrado 1 Total 100

Tabla 1. Consumos por categoras

Figura 1. Cargas tpicas mximas y mnimas

anuales para das laborables.

2.1 Simulacin de la operacin actual

Se comenzar simulando el sistema con los generadores diesel. El sistema real posee dos generadores de 100 kVA por lo cual est lejos de ser ptimo. Para dar resultados mejores se consideran generadores de menor tamao. El costo de capital de los generadores diesel esta ente 280 y 700 u$s/kW, dependiendo del tamao del generador. En este caso se consideran dos generadores, un Generador1 de 60 kW con un costo de 400 u$s/kW, y un Generador2 de 20 kW que cuesta 500 u$s/kW. Se debe adems tener en cuenta el costo del tanque de almacenamiento de combustible, el cual ronda los 4500 u$s. Se tom una vida util del proyecto de 25 aos y una tasa del 10 % anual. El precio del combustible se fij en 0.8 U$S/litro.

Tabla2. Produccin y demanda elctricas.

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Tabla 3. Costos Presentes Netos en U$S.

Tabla 4. Costo nivelado de Energa.

Tabla 5. Emisiones Contaminantes.

2.2 Incorporacin de fuentes renovables

Se tratar de optimizar el sistema mediante la creacin de un sistema hibrido para generacin de electricidad. Por sus datos geogrficos, los recursos posibles de utilizar son los elicos y la energa solar. Para obtener datos de estos recursos se puede recurrir a mediciones de campo, trabajos de investigacin publicados o datos disponibles de los organismos nacionales e internacionales. En este caso como no se dispone de mayor informacin, y por ser este estudio presentado a modo de ejemplo, se utilizaran los datos obtenidos del Centro de Ciencia Atmosfrica de la Nasa [6].

Con los datos de la latitud (-39.733) y la longitud (-68.517) se pueden obtener datos de recurso solar y elico promedios, obtenidos para mediciones realizadas durante 10 aos. Los datos ms importantes se muestran en las figuras 2 y 3.

Figura 2. Radiacin Solar Diaria e ndice de Claridad para la zona de Cerro Polica (NASA).

Mes Velocidad (m/s)

Enero 4,9 Febrero 4,6 Marzo 4,6 Abril 4,7 Mayo 5 Junio 4,8 Julio 4,8 Agosto 4,7 Septiembre 4,7 Octubre 4,8 Noviembre 4,8 Diciembre 5,1 Promedio 4,794

Tabla 6. Valores de velocidad del viento (NASA)

Esta ltima tabla da una informacin que no es coincidente con la que se puede obtener del sistema de informacin elico argentino [7]. Se tomar la distribucin presentada, pero se ajustarn los datos para que la velocidad media anual coincida con la del sistema nacional, que es de 7.45 m/s a 10 metros de altura.

Figura 3. Datos elicos para Cerro Polica (SIG).

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2.3 Configuracin ptima del sistema

Para analizar una posible mejora sobre el sistema se considera la incorporacin de paneles fotovoltaicos y turbinas elicas al sistema diesel. Para amortiguar las oscilaciones caractersticas de las fuentes renovables, y disminuir el nmero de ciclos de arranque de los generadores se incorpora un banco de bateras de almacenamiento. El programa da la posibilidad de seleccionar la estrategia de carga de las bateras. Debido a que las bateras y el panel funcionan en corriente continua, se hace necesaria la incorporacin de un conversor de CD/CA. Los datos econmicos de los equipos seleccionados se detallan en la tabla siguiente.

Tabla 7. Costos equipos renovables

Mientras que en el proceso de simulacin se model el comportamiento de un sistema en particular, en el proceso de optimizacin se determinar cual es la mejor configuracin posible, es decir, la que cumple con las condiciones impuestas como restricciones del sistema, al menor CPN. El programa determina la combinacin de componentes, la cantidad y el tamao de cada elemento, y la estrategia de control ms eficiente. En el proceso de optimizacin se simulan las diferentes configuraciones posibles, y se clasifican de acuerdo con su VPN, presentndose como optima aquella configuracin que tenga el menor costo. El objetivo de la optimizacin es determinar el valor ms adecuado para cada variable de decisin que le pueda interesar al modelador. Las variables de decisin posibles pueden ser por ejemplo para el sistema de la figura 4:

Tamao de los paneles PV Nmero de Turbinas elicas Tamao de cada generador Cantidad de bateras del banco Tamao de los convertidores Estrategia de despacho

La optimizacin ayuda al proyectista a encontrar la configuracin ptima dentro de un conjunto muy grande de posibilidades.

Figura 4. Configuracin del sistema.

La cantidad de valores de cada una de las variables seleccionadas determina el espacio de bsqueda, en este caso se incluyeron en el espacio 300 combinaciones diferentes: cinco turbinas, tres tamaos de panel, cinco filas de bateras de ocho elementos cada una, cuatro tamaos de convertidor, y los dos generadores diesel.

En el proceso de optimizacin se simula cada configuracin del espacio de bsqueda, mostrando las combinaciones posibles en una tabla, ordenadas por el NPC. En el anexo I se muestran los resultados del sistema ejemplo. Cada fila representa una configuracin factible. Las primeras columnas indican mediante iconos la presencia de los diferentes componentes, las columnas siguientes dan las cantidades y tamaos de cada uno y el resto contiene algunas variables importantes, como el costo de capital total, el total NPC, el costo nivelado de energa (costo por kilovatios hora), el consumo anual de combustible, y el numero de horas que el generador opera.

Para el caso simulado la configuracin ptima y los datos principales se resumen en las tablas y figuras siguientes.

Tabla 8. Datos de configuracin

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Tabla 9. Datos de Costos presentes.

Tabla 10. Costos Totales por tipo.

Tabla 11. Generacin elctrica

Tabla 12. Datos Generadores diesel

Contaminante kg/ao

Dixido de Carbono 74 784 Monxido de Carbono 185 Hidrocarburos no quemados 20,4 Partculas slidas 13,9 Dixido de Azufre 150 xidos de Nitrgeno 1647

Tabla 13. Contaminantes.

5. CONCLUSIONES

Comparando los resultados obtenidos podemos ver que el costo por kWh se ha reducido levemente, pero en cambio ha disminuido notablemente el consumo de combustible, y las

emisiones contaminantes, por lo que la solucin adoptada es mejor desde el punto de vista de la conservacin de las fuentes y el ambiente.

Se intentado realizar una simulacin simple y sobre un sistema concreto, pero al no disponer de datos actuales la solucin se considera como un estudio de factibilidad mas que un proyecto de inversin concreto.

Se ha evidenciado la utilidad de la herramienta de simulacin y se considera que la misma es confiable en cuanto a los resultados y simple de utilizar.

6. REFERENCIAS

[1] J.T. Bialasiewicz, E. Muljadi, S. Drouilhet, G. Nix, Hybrid Power Systems with Diesel and Wind Turbine Generation. Proceedings of the American Control Conference. Philadelphia. USA. Junio 1998.

[2] V. Carpentiero, R. Langella, A. Testa, Hybrid Wind Diesel Stand Alone System Sizing Accounting for Fuel Price Uncertainty. Publicacion IEEE 978-1-4244-5721-2/10. 2010.

[3] A. G. Dutton, H. Dienhart, W. Hug, A. J. Ruddell, The Economics of Autonomous Wind Powered Hydrogen Production Systems. European Wind Energy Conference. Irlanda. Oct. 1997.

[4] D. Edwards, M. Negnevitsky, Designing a Wind Diesel Hybrid Remote Area Power Supply (RAPS) System. IEEE International Conference on Sustainable Energy Technologies, 2008. ICSET 08. Singapur. Nov 2008.

[5] D. B. Nelson, M. H. Nehrir, C. Wang, Unit Sizing and Cost Analysis of Stand Alone Hybrid Wind/PV/Fuel cell Power generation Systems. Renewable Energy . N 31. pp. 16411656. 2006.

[6] http://eosweb.larc.nasa.gov/

[7] http://www.sigeolico.com.ar/frameset.php

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Anexo I. Datos de simulacin

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec0

5

10

15

20

25

Pow

er (k

W)

Monthly Average Electric ProductionWindGenerator 1Generator 2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25-200,000

-150,000

-100,000

-50,000

0

50,000

Nom

inal

Cas

h Fl

ow ($

)

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