Sistemas híbridos de generación eléctrica, Idóneos para comunidades aisladas de la red eléctrica

Por: David Edward Tipping, Ingeniero de proyectos

Las comunidades, productores agrícolos y sitios industriales en zonas aisladas de la red eléctrica, proveen sus necesidades energéticas principalmente de electrógenos a diésel.  Sin embargo, las energías renovables vienen presentándose como una alternativa atractiva. Varios factores incentivan su puesta en marcha, dentro de los cuales se resaltan la fiabilidad de las tecnologías, el mantenimiento sencillo, la vida operativa larga y costos operacionales menores a los de generadores de combustibles fósiles.  A pesar de estas características que favorecen su implantación, las energías renovables se caracterizan por un inconveniente de talla: La intermitencia de producción.

En principio frente a esta limitación de producción, en muchas situaciones no se consideraría el reemplazo de un generador de hidrocarburos por un sistema alimentado de energías renovables, sin embargo, es posible construir una planta de generación eléctrica que aproveche las ventajas de las energías renovables y supere la intermitencia que las caracteriza con los sistemas híbridos conformados de dos o más fuentes de energía. Un recorrido por el mundo releva que las más comunes configuraciones son:

  • Fotovoltaico-electrógeno a diésel
  • Fotovoltaica-eólica-electrógeno a diésel
  • Fotovoltaica-eólica

En la mayoría de los sistemas actualmente en operación, se incorporan baterías para equilibrar la demanda y la producción.

Componentes típicos

Un sistema típico está conformado de los siguientes componentes:

  • Módulos fotovoltaicos que transforma la energía fotovoltaica en electricidad
  • Sistema de almacenamiento de energía (baterías)
  • Electrógenos a diésel para suplir la demanda
  • Aerogeneradores
  • Inversores que convierte la corriente continua de los módulos fotovoltaicos en corriente alterna para los consumidores
  • Sistema electrónico de gestión que activa los generadores fósiles cuando la carga de las baterías baja a un limite aceptable

Ejemplos en operación

Una experiencia operativa a nivel mundial de mas de 30 años, comprueba la fiabilidad de los sistemas híbridos. Entre las decenas de instalaciones en funcionamiento, mencionamos a continuación cuatro ejemplos que ilustran las diversas condiciones en las que operan.

Isla de Eluvaithivu, Sri Lanka

 Antes de abastecerse de energía renovable, los 800 habitantes de esta isla, a 2,9 km del litoral noroccidental de Sri Lanka, proveían su demanda promedia de 180 kWh/día de dos electrógenos a diésel: uno de 100 kW, y un segundo de 25 kW. Considerando las condiciones favorables para la energía eólica, con una velocidad del viento promedio de 6,5 m/s, y con una irradiación promedia de 4,93 kWh/m2/día, para la energía solar, se puso en marcha en 2016 una instalación fotovoltaico-éolico-electrógena diésel conformado por

  • 6 x 3 kW aerogeneradores
  • 45 kWp paneles solares
  • 100 kWh baterías de almacenamiento litio-ion
  • 27 kWh electrógeno a diésel

Un sistema informático de gestión monitorea la demanda y la producción de tal forma que la generadora diésel se active solamente cuando el nivel de descarga de las baterías ha disminuido a un umbral conforme sus características.  Asimismo, se minimiza el consumo de diésel, que además de ser más costoso que la energía en proveniencia del sol o la del viento, se reduce el impacto ambiental de la instalación.

Se calcula que las inversiones, estimadas en US$ 450 mil, reducen el costo normalizado de la electricidad de la instalación a diésel de US$ 1/kWh a US$ 0,37/kWh para el nuevo sistema.

Fase de construcción en la isla Eluvaithivu. Los paneles se orientan en dos direcciones para captar el sol en la mañana y en la tarde.

Kaw, Guyana Francesa

Por ser un pueblo sin acceso a la red, Kaw Guyana Francesa (25 viviendas) dependía de generadores diésel para responder a su demanda eléctrica. En 2009 se estableció el potencial solar que tenían y  se puso en marcha un sistema híbrido que provee electricidad 24 horas al día. Está conformado por

  • 624 Módulos fotovoltaicos, capacidad 100 kW y
  • 2Generadoras diésel, cada de potencia 80 kW
  • Baterías de almacenamiento, capacidad 12 500 kWh.

En el sitio la irradiación solar promedio es de 3,55 kWh/m2/día, lo que traduce una intensidad comparable a muchas regiones de Colombia.

Se calculan las inversiones en torno a $1,9 millones, un monto en principio disuasorio para cualquier persona considerando iniciar un proyecto similar.  No obstante, no se considera este valor representativo de los costos actuales, porque los precios vienen cayendo significativamente. La caída se revela evidente cuando se compara las inversiones de Kaw con las de la instalación híbrida de dimensiones comparables en la isla de Eluvaithivu. Esta inició operaciones 7 años después por un costo 4,5 veces menor.

Gráfico comparativo de producción y demanda  de  Kaw. Para minimizar el consumo de combustible, se restringe la utilización del generador diésel a los periodos de cero irradiación solar.

Gráfico comparativo de producción y demanda  de  Kaw. Para minimizar el consumo de combustible, se restringe la utilización del generador diésel a los periodos de cero irradiación solar.

Gráfico comparativo de producción y demanda  de  Kaw. Para minimizar el consumo de combustible, se restringe la utilización del generador diésel a los periodos de cero irradiación solar.

 

Isla Pellworm, Alemania

Al contrario de la mayoría de comunidades en donde se ha implantado un sistema híbrido, la isla de Pellworm, en el mar del Norte, se alimentaba de la red cuando se tomó la decisión de construir una planta eólico-fotovoltaica. La motivación principal, que partió de un individuo, era establecer la viabilidad de energías renovables para suplir la demanda eléctrica en su hotel. Inicialmente, se instaló en 1983 un sistema de una capacidad solar de 300 W y potencia eólica de 75 kW.

El éxito de la iniciativa impulsó la amplificación del sistema a una potencia eólica de 300 kW y una capacidad fotovoltaica de 780 kWh para proveer a los 1200 habitantes de la isla.  El incremento de la capacidad resulta en una producción anual tres veces superior a las necesidades.  La conexión a la red permite la inyección de los excedentes lo que trae un retorno económico a la población.

Aerogeneradores y paneles solares en la isla de Pellworm. En relación a las latitudes tropicales, la distancia es mas larga entre las filas de paneles para minimizar el sombreado en el invierno.

Galápagos, Ecuador

El sistema hibrido eléctrico más grande de América Latina inaugurado en 2018, provee a 2300 habitantes de los Galápagos Ecuador, está conformado por:

  • Paneles solares de 952 kWp
  • Generadores diésel-biocombustible de 1652 kVA
  • Almacenamiento de 333 kWh

El éxito del proyecto es el resultado del impulso por parte del gobierno ecuatoriano, el apoyo del Ministerio Federal de Cooperación Económica y Desarrollo Alemán (BMZ) a través del Banco de Desarrollo KfW, que aportó la principal parte de las inversiones con una suma de US$ 14,4 millones

El Sistema Híbrido Isabela, Galápagos, Ecuador. Abastece 2300 viviendas, demostrando que los sistemas híbridos se adaptan a plantas de gran producción.

Prácticas para una realización exitosa

El proyecto comienza con un estudio de factibilidad en donde se establece la demanda energética y su evolución horaria. En seguida se identifican fuentes posibles de energía renovable a través de una evaluación de las condiciones climáticas y geográficas de la región, por ejemplo, en una zona de cultivos de caña de azúcar, una planta de biomasa acoplada a paneles solares, posiblemente sería una opción. La selección de los generadores resulta de un calculo del potencial productivo de cada tecnología contemplada.

La próxima etapa es la del dimensionamiento, donde se determina la configuración optima de las tecnologías destinadas a conformar el sistema. Durante esta fase se considera el acoplamiento de otros componentes como baterías y un generador diésel. Frente a los millares de configuraciones posibles, el ingeniero encargado del diseño se ve abrumado, por lo tanto ¿Cómo identificar el sistema que maximice el rendimiento y minimice los costos? Ya que un calculo manual de todos los escenarios es impracticable, se recurre a aplicaciones informáticas de los cuales resaltan programas reconocidos como Homer originalmente del National Renewable Energy Laboratory, una agencia del gobierno estadounidense, o iHoga de la Universidad de Zaragoza, España.

Una vez terminada la conceptualización, llegamos a la fase de financiación. Esta permite adquirir los equipos e iniciar los trabajos para la construcción de la instalación.

A partir de las experiencias en proyectos anteriores, cabe mencionar tres elementos críticos para que la instalación alcance el objetivo planteado de antemano; es decir que alimente con fiabilidad los usuarios a lo largo de una vida operativa excediendo los 25 años:

  • Para proyectos financiados por el sector privado, políticas del gobierno que respaldan este tipo de iniciativa por medio de garantías financieras o incentivos fiscales.
  • Al igual que todo proyecto que sea de carácter industrial, su éxito radica en seguir un plan de gestión comprendiendo un monitoreo de las etapas a medida que se desarrollan las actividades.
  • Se requiere personal capacitado para mantener el sistema en buenas condiciones durante la vida operativa.

 

 

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