– Sistema híbrido renovable con adquisición de datos de los diferentes flujos de energía y parámetros de la señal eléctrica generada.
– Capacidad de funcionamiento en isla o conectado a red con posibilidad de programación de curvas de demanda específicas
– Sistemas de almacenamiento de energía basados en baterías e hidrógeno + pila de combustible.
El escenario energético mundial está cambiando en forma substancial durante las últimas décadas presentando un incremento notable de la demanda que los esfuerzos en mejora de la eficiencia y ahorro energéticos sólo han podido reducir, pero no evitar completamente. No es ésta la única razón para la existencia de un serio problema energético en la actualidad: la elevada dependencia en combustibles fósiles, del orden del 85% a nivel mundial, agrava la situación debido a la escasez y posibilidad de agotamiento de estos recursos y a su excesivo impacto ambiental. Estos dos factores: necesidad de un incremento en la generación de energía y evitar una dependencia masiva en combustibles fósiles, obliga a introducir en el esquema de consumo energético una contribución importante de las energías renovables, esto sumado al escenario actual de descarbonización y disminución de la liberación de gases de efecto invernadero a la atmósfera, hacen que la investigación en producción de energía a partir de fuentes renovables sea un tema de interés actual tanto a nivel técnico como científico. La participación de renovables se requiere no sólo en los sistemas conectados a la red, sino también en las zonas no interconectadas donde las energías renovables pueden jugar un papel importante para potenciar el desarrollo de dichas zonas, generalmente pobremente desarrolladas.
Las fuentes renovables convencionales, como son: solar fotovoltaica, biomasa y eólica, han alcanzado un nivel de desarrollo técnico que hace posible que sustituyan a los combustibles fósiles en futuros escenarios energéticos. El uso de renovables tanto en isla como conectada a la red supone además una disminución del coste de la energía haciendo que los procesos productivos sean más competitivos y disminuyendo la pobreza energética.
El problema mayor para dicha penetración está ligado a la fiabilidad de las fuentes renovables, especialmente en sistemas aislados, pero también en aquellos conectados a la red cuando la contribución de renovables alcance valores substánciales como los requeridos en un sistema energético sostenible. Como solución a este problema de fiabilidad puede considerarse la combinación de varias fuentes renovables distintas constituyendo así un sistema híbridos y/o la inclusión de un sistema de almacenamiento de energía. Los sistemas híbridos renovables (HRES) tienen el potencial suficiente para resolver este problema de fiabilidad debido a los avances realizados en tecnología de las fuentes renovables y de su asociada electrónica de potencia y control.
Combinando dos o más sistemas renovables sería posible obviar el problema de fiabilidad de cada uno de ellos y conseguir además mejoras en la eficiencia del sistema comparada con la de cada uno por separado. En resumen, HRES permitirían superar las limitaciones de las fuentes renovables en cuanto a flexibilidad en el uso de combustible, fiabilidad del suministro de energía y coste.
A causa de este potencial de los HRES, se han realizado numerosos estudios para optimizar su diseño y simular su comportamiento, pero antes de abordar la construcción de sistemas de este tipo es preciso una verificación experimental de sus capacidades al mínimo nivel significativo de potencia. Con este objetivo se ha definido el laboratorio de recursos energéticos distribuidos (LabDER) del Instituto de Ingeniería Energética de la Universidad Politécnica de Valencia: estudiar sistemas híbridos renovables en el rango del kW y diseñar y participar en experiencias de campo de mayor potencia. Dicho laboratorio incluye diferentes fuentes renovables: fotovoltaica, eólica, biomasa y pila de combustible, todas ellas interconectadas mediante una microred controlada, para alimentar una carga con una curva de demanda preprogramada, permitiendo así verificar el potencial de distintos HRES para satisfacer con fiabilidad una demanda determinada. Adicionalmente, el laboratorio incluye sistemas de almacenamiento, basados en baterías e hidrógeno, para así cubrir prácticamente todas las posibles configuraciones de HRES que puedan plantearse.
LABDER debe permitir abordar I+D+i en numerosas áreas de actividad: Energías Renovables, Eficiencia Energética, Recursos Distribuidos e Hidrógeno como vector energético.
LabDER se encuentra ubicado en el campus de Vera de la Universitat Politècnica de València.
LABDER permite abordar I+D+i en numerosas áreas de actividad: Energías Renovables, Eficiencia Energética, Recursos Distribuidos e Hidrógeno como vector energético.
Los objetivos de LabDER son:
A) BIOMASA
LabDER es pionero en sistema de gasificación de biomasa en la comunidad Valenciana y en España. Se cuenta con dos plantas de gasificación de biomasa, ambas de 10 KWe, una de ellas utiliza la tecnología de lecho fijo downdraft y la otra la de lecho fluido burbujeante. El gas producido se utiliza para la generación de energía eléctrica a través de un motor de combustión interna. En estas plantas, se investiga la generación de energía mediante la gasificación de biomasa, principalmente biomasa de origen leñoso aunque se podrían probar otras fuentes. Las plantas son diseñadas, construidas y puestas en operación por el propio grupo de investigación.
Planta de gasificación de lecho fluido burbujeante
Ver video del funcionamiento de la planta de gasificación de lecho fluido burbujeante del LabDER.
Se dispone además de un laboratorio para la caracterización de Biomasa mediante determinación de sus parámetros relacionados con la generación de energía: cenizas, poder calorífico, volátiles, fracción sólida, densidad, etc.
Junto a los estudios de sistemas híbridos que incluyan sistemas de biomasa, la infraestructura de LabDER en este campo permite continuar con líneas de I+D iniciadas en IIE y específicas de Biomasa como son: aprovechamiento integral de los recursos de la Comunidad Valenciana, metodologías para garantizar viabilidad técnica, económica y logística de la utilización de biomasa, optimización de técnicas de gasificación y desarrollo del concepto de biorefinería.
B) SOLAR
LabDER cuenta con una planta solar fotovoltaica de 2,5 kWp, constituida por paneles de silicio cristalino (mono y policristalino), con una célula calibrada para medir la irradiancia. La generación se puede monitorizar por el sistema de gestión de energía, posibilitando el estudio de sistemas híbridos que incluyan fotovoltaica. Se prevé el ensayo de paneles de distintas tecnologías que permitan evaluar el impacto que el uso de las mismas puede tener sobre el sistema híbrido.
Bp solar – BP 7190S – 2385W
Grid-tie solar inverter Xantrex GT 2.8
C) EÓLICA
El LabDER cuenta con un aerogenerador eólico trifásico síncrono de imanes permanentes de 5 kW pico de la empresa BORNAY que genera corriente alterna que es convertida a continua a través de un rectificador activo, esta corriente continua es enviada al inversor de red que la convierte en corriente alterna de 230 v y 50 Hz y la sincroniza con la red.
El aerogenerador se dispone a la altura de unos 24 metros para conseguir velocidades de viento más elevadas. La torre de celosía esta reforzada y sobredimensionada con el fin de poder intercambiar diferentes turbinas eólicas (incluso de mayor potencia) para ensayarlas a fin de optimizar la producción eléctrica.
El sistema eólico al igual que el solar fotovoltaico podría verter energía a la red, alimentar cargas o almacenarse tanto en baterías como en hidrógeno.
D) HIDRÓGENO Y PILA DE COMBUSTIBLE
La planta de hidrógeno en LabDER constituye un sistema de almacenamiento de energía que permitiría absorber los excesos de producción de fuentes renovables y que podría ser utilizado como fuente energética cuando el resto de renovables que se conectan a la Microred no puede generar la demanda requerida.
La planta de hidrógeno está constituida por un sistema de electrólisis del agua, un compresor, una botella de almacenamiento, una pila de combustible PEM.
El sistema está constituido por un electrolizador de una potencia máxima de 7 kW, que permite la generación de 1 Nm3 de hidrógeno a 4 bar de presión y con una pureza del 99.9%. Este grado de impurezas no es admisible en las pilas de combustible con tecnología PEM (Proton Excange Membrane), por lo que es necesario depurar este hidrógeno hasta alcanzar el 99.9999%. Para ello se emplea el depurador de hidrógeno DPSH6.
El electrolizador G2 es un equipo comercial pensado para proporcionar tanto hidrógeno como el consumo posterior necesite. Como la función que debe realizar en nuestro sistema de almacenamiento es la de consumir la energía sobrante del resto de fuentes renovables, la forma de conseguirlo es regulando el caudal de hidrógeno demandado por la línea. El sistema de almacenamiento elegido es una bala de 50 litros geométricos y que admite una presión de 200 bar. Este método de almacenamiento combina la seguridad intrínseca de las botellas con el mínimo espacio. Sin embargo, es necesario considerar el gasto energético que conlleva el aumento de presión de trabajo. De elevar la presión se encarga el Booster que se encuentra entre la válvula y la botella. Además, la velocidad de movimiento del pistón determina el caudal de hidrógeno que se consume de la línea, siendo este elemento el que permite el control de la energía consumida por el electrolizador Permite elevar la presión del hidrógeno hasta los 200 bares de presión máxima de la botella. Tanto el depurador de hidrógeno, como la electroválvula y el booster, requieren aire comprimido a 6 bar de presión como pilotaje de los mismos.
El hidrógeno almacenado por el electrolizador es consumido en una pila de combustible PEM (Proton Exchange Membrane), de la empresa Ballard, de 1.2 kW. Un convertidor DC/AC permite integrar en la Microred la energía producida por la pila. (aunque de momento no se encuentra conectado).
F) MICRORED
Todos las fuetnes renovables y los sistemas de almacenamiento se unirán a una microrred eléctrica, bien directamente, como la planta de gasificación, o a través de inversores de conexión a red como es el caso de los paneles solares fotovoltaico, la eólica o la pila de combustible. La microrred se une a un conjunto de cargas, cuya demanda eléctrica puede programarse a fin de obtener diferentes curvas de consumo y estudiar el comportamiento y la estabilidad del sistema híbrido de generación frente a diversas demandas de energía.
Todas las partes de la microrred pasan a través de un cuadro general de protección y maniobra, desde el que se pueden realizar maniobras de conexión o desconexión de cualquier parte, además de proveer la protección básica contra sobrecargas y cortocircuitos. El cuadro va provisto de dispositivos de medida en cada circuito, que permiten monitorizar el funcionamiento de cada parte.
Para trabajar en isla y cargar las baterías se utiliza el Xantrex XW4548-230-50 de Schneider Electric, que regula los distintos flujos entre los elementos conectados y que podrá ser ampliado en el futuro con equipos propios que permitan dotarlo de nuevas utilidades.
El diseño actual permite estudiar el comportamiento de sistemas híbridos bajo diferentes escenarios de producción y consumo, analizar el comportamiento dinámico de los elementos del sistema, simular la ubicación remota de cualquier elemento, intercalando impedancias adecuadas para modelar las líneas eléctricas de conexión, etc.
Con el objetivo de poder variar las condiciones de consumo de la red eléctrica sobre la cual van a inyectar energía de los sistemas de producción renovables, se planteó la necesidad de emplear una carga trifásica variable. Dado el elevado coste que tienen las cargas electrónicas comerciales se decidió la construcción de una carga programable en saltos discretos de potencia, los cuales serían suficientes para simular el comportamiento de un grupo de usuarios. El sistema está constituido por 10 reostatos que permiten alcanzar una carga de 9 kW en forma escalonada.
Una microrred dispone de los mismos elementos que una red convencional: generadores, cargas y sistemas de control, añadiendo además la posibilidad de incluir dispositivos de almacenamiento de energía. Sin embargo, aunque conceptualmente todos estos equipos tienen las mismas funciones que en una red a gran escala, su funcionamiento y especialmente sus sistemas de control y protección deben estar adaptados para operar adecuadamente de acuerdo con la filosofía de funcionamiento de las microrredes.
En LabDER se plantea la gestión de la red bajo dos premisas de control, la mejora de la eficiencia energética de los sistemas implicados y la de proporcionar las herramientas necesarias para facilitar la respuesta de la demanda dentro del sistema eléctrico.
Como resultado de la investigación se pretende obtener el desarrollo de un sistema de control (EMCS, Energy management and control system) que permita la gestión de distintos tipos de microrredes, las que se puedan plantear en entornos eléctricamente aislados o conectadas a red.
La conexión de los distintos equipos de la microrred se realiza en un cuadro de maniobra que permite la conexión y desconexión de los distintos sistemas de forma remota.
Para la gestión de la microrred se dispone de un sistema de control que bajo distintas premisas define la situación óptima de operación, establece los parámetros de funcionamiento de los distintos equipos y realiza las acciones necesarias para que el sistema opere de forma adecuada. El sistema de control está constituido por un servidor central que permite la interacción con el operador del sistema y de autómatas en los distintos sistemas de generación. Esta arquitectura permite un control distribuido.
También se dispone de un sistema de adquisición y almacenamiento de datos que permite realizar un análisis de los consumos en cada uno de los sistemas que forman la microrred. El sistema de Seguimiento de Estado y Diagnóstico de fallos, permitirá conocer el estado de los equipos y sistemas involucrados en la microrred del LabDER, esto a su vez permitirá la planificación de actividades de mantenimiento y agilizará las acciones de reparación, aumentando la fiabilidad de la red. Tanto para el seguimiento de estado como para el diagnóstico de fallos, el sistema captura la información de los equipos integrados en la red y los compara permanentemente con modelos analíticos y heurísticos de los mismos, lo que permite detectar desviaciones en el comportamiento de componentes, equipos y sistemas.
En el laboratorio de caracterización de biocombustibles sólidos (laBIO) se dispone del equipamiento necesario para la evaluación de las propiedades energéticas de biocombustibles sólidos que posteriormente son utilizados en las instalaciones de combustión y gasificación.
El laboratorio cuenta también caldera de biomasa de 15 kW (PONAST KP10) con alimentación mediante tornillo sinfín, en la que investigar técnicas de optimización de quemado de biomasa, en función de las características de ésta, y se analiza la calidad de la combustión mediante un analizador de gases TESTO 335 y TESTO 350XL, midiendo la concentración volumétrica de CO, CO2, O2, NOx y SOx. Además se calculan las perdidas en el proceso de combustión y la eficiencia.
El laboratorio también posee equipos con los cuales se puede llevar a cabo la preparación de la biomasa tanto para su uso en una caldera como en gasificador, para esto se dispone de astilladora/trituradora, un molino de martillos y una peletizadora.
