¿Qué son los Sistemas Híbridos?

Son aquellos sistemas que utilizan diferentes fuentes de generación de energía como pueden ser: módulos fotovoltaicos, turbinas eólicas, generadores diesel, etc., y tienen el objeto de suministrar energía eléctrica a una carga o conjunto de cargas de manera aislada y confiable.

Se podrá combinar la generación eólica y solar fotovoltaica en sistemas de este tipo, donde cada una de las fuentes realiza su aporte en corriente alterna a una barra o red de distribución. En el caso de los módulos fotovoltaicos será necesario usar un inversor, ya que la generación de estos es en corriente continua, pudiendo además inyectar energía de forma directa cuando hay radiación solar suficiente o a través de un banco de baterías.

La utilización de varias fuentes de energía busca el aprovechamiento de los recursos disponibles localmente, maximizando la disponibilidad de energía debido a la complementariedad de los recursos.

De acuerdo al libro Sistemas Híbridos, Soluções Energéticas para a Amazônia, publicado por el Ministerio de Minas y Energía de Brasil en 2008, existen diversos tipos de sistemas hídricos en el mundo, entre los cuales destacan el sistema eólico-diesel; sistema fotovoltaico-diesel; sistema fotovoltaico-eólico-diesel; sistema fotovoltaico-eólico.

Uno de los principales inconvenientes de la generación de electricidad con las fuentes individuales de energía solar y eólica es la intermitencia de los recursos, que puede ser parcial o totalmente superada con el uso conjunto de esas fuentes en los sistemas híbridos.

Los Sistemas Híbridos se pueden clasificar en dos categorías:

Sistemas basados principalmente sobre recurso energético no alternativo (por ejemplo combustible diésel), con suministro suplementario de energía a través de recursos energéticos alternativos (eólico, solar, hidráulico, biomasa, etc.). Estos últimos aportan la energía base durante periodos de baja demanda, así como también la carga de un banco de baterías cuando exista exceso de generación eléctrica. Generalmente, el banco de baterías es llevado a un alto estado de carga (State Of Charge en inglés) para optimizar la operación del generador diésel. La energía generada por los

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REA es considerablemente menor que los requerimientos diarios de carga y el banco de baterías se diseña para ser ciclado periódicamente.

Sistemas basados principalmente en recursos energéticos alternativos , con generación de respaldo mediante un generador diésel cuyo suministro se establece para periodos de alta demanda o cuando no existan condiciones de generación suficientes para atender la demanda.

Para la atención de un alto porcentaje de la demanda diaria de energía, tanto el banco de baterías como los equipos de transformación de los recursos energéticos alternativos deberán ser mucho más grandes que los descritos en el punto anterior.

Ventajas y Desventajas

Asimismo, se menciona algunas ventajas de la utilización de sistemas híbridos, como los avances en la conversión de energía eléctrica a través del desarrollo de la electrónica de potencia; el desarrollo de programas computacionales para simulación y análisis de sistemas híbridos; el continuo aumento de la eficiencia y robustez de equipos generadores (principalmente de los módulos fotovoltaicos y aerogeneradores); el desarrollo de sistemas de control automático más confiables; el desarrollo de tecnología de baterías libres de mantenimiento para sistemas de electrificación con fuentes renovables. 

Además, expresa que como cualquier otro sistema eléctrico de generación, tiene desventajas como una inversión inicial bastante elevada por el costo de los equipos; la necesidad de una mayor participación del usuario durante y después de la implementación del sistema, a través del uso racional de la energía; y la eliminación de baterías.

Estructuras de un Sistema Híbrido

Existen diferentes criterios de clasificación de un Sistema Híbrido. Entre ellos podemos encontrar divisiones que hacen hincapié en los recursos energéticos utilizados, otras que los agrupan respecto a su funcionalidad (carga de baterías, bombeo de agua, interconexión a redes, etc.).

De acuerdo con este criterio se han propuesto tres estructuras básicas de clasificación, las cuales son: estructura serie, estructura conmutada y estructura paralelo. A continuación describiremos estas estructuras:

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a) Estructura Serie. Toda la energía pasa a través de un banco de baterías y la energía eléctrica de A.C. es entregada a la carga mediante la inclusión de un inversor, ciclo convertidor o una unidad motor-generador. El sistema puede operar en modo manual o automático, con la inclusión de un adecuado sensor de nivel de voltaje de la batería y un control de arranque/parada del generador diésel.

Ventajas:

No es requerida una conmutación entre las diferentes fuentes de generación del sistema, lo cual simplifica la tarea de control.

La potencia suministrada a la carga no se ve interrumpida cuando el generador diésel entra a operar.

El generador diésel puede ser diseñado para entregar toda su potencia útil aún cuando carga el banco de baterías, hasta alcanzar para este un estado de carga del 75 al 85%.

Desventajas:

El inversor debe estar seleccionado para suministrar en todo momento el pico de carga del sistema (un inversor de mayor potencia es más costoso).

El banco de baterías es ciclado frecuentemente lo que acorta su vida útil. El ciclado frecuente requiere de un banco de baterías mayor.

b) Estructura Conmutada. A pesar de sus limitaciones, la estructura conmutada actualmente continua siendo una de las instalaciones más comunes. Esta estructura permite operar, ya sea con el generador diésel, los recursos energéticos alternativos o el inversor como fuente de energía, pero no permite la operación en paralelo de los recursos y equipos de generación. La operación conmutada de los recursos de generación permite en algún momento reducir el ciclado del banco de baterías lo que redunda en una mayor vida útil del sistema.

Ventajas:

Las fuentes energéticas pueden alimentar la carga directamente.

Desventajas:

Se interrumpe la transferencia de energía a la carga cuando se cambia de fuente energética.

El generador diésel debe estar seleccionado para atender la demanda pico del sistema. Una combinación óptima de recurso energético alternativo y diésel no es posible.

c) Estructura Paralelo. La estructura paralelo permite a todas las fuentes energéticas suministrar energía para baja y medias demandas, así como

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también proveer la energía necesaria para la atención de picos de demanda. En esta estructura es posible incluir inversores, rectificadores y/o convertidores bidireccionales los cuales permiten cargar el banco de baterías cuando haya exceso de energía en el sistema o aportar la energía demandada por la carga cuando esta lo requiera.

Esta topología ofrece una serie de ventajas con respecto a las otras:

Atención de la demanda de energía en forma óptima. Eficiencia del generador diésel maximizada. Mantenimiento del generador diésel minimizado. Reducción en las capacidades nominales de los equipos aún atendiendo la

demanda de energía.

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