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Sistema de control experto para integración gestionable de eólica y fotovoltaica con almacenamiento para autoconsumo en entorno urbano

Beatriz Rubio (Desarrollo de Negocio), Daniel Argüelles (Departamento I.T.) y Teodoro de la Cruz (Dirección), Conersa (Grupo Proingec)


El presente artículo es una exposición extraída del proyecto de I+D+i presentado a la convocatoria del programa “RETOS 2016” por CIEMAT, JAP Energéticas Medioambientales y las empresas del Grupo Proingec Conersa y Proingec Consultoría, donde Conersa aporta su experiencia en el diseño, instalación y explotación de energías renovables y Proingec Consultoría aporta su know-how en integración tecnológica entre hardware y software de sus sistemas de monitorización y control ya desarrollados para este tipo de tecnologías. El proyecto fue desestimado por considerar que: “La propuesta está planteada en un momento de debate sobre la modalidad que se va imponer para este tipo de instalaciones. Por tanto, los objetivos del proyecto pueden ser útiles o no. En este sentido, el proyecto se centra en instalaciones con almacenamiento, elemento que puede ser necesario o no de acuerdo con la regulación final”.


La generación distribuida para autoconsumo con energías renovables es ya una realidad en varios países del mundo (Alemania, EE.UU., UK, Japón…). La tecnología renovable más frecuentemente utilizada ha sido la energía solar fotovoltaica (FV), pero también, algunos de estos países han alcanzado una importante experiencia con el uso de la energía eólica. No obstante, la hibridación de ambas tecnologías, que sí es una solución propuesta tradicionalmente en instalaciones aisladas, no ha sido abordada con tanta frecuencia cuando se trata de instalaciones de generación distribuida para autoconsumo. Aquí se aborda el desarrollo de la integración de estas tecnologías en la aplicación del autoconsumo en entorno urbano, pues se considera que está llamada a ser una de las opciones con mayores posibilidades para la generación distribuida a pequeña escala.

El mercado mundial de la energía eólica distribuida de pequeña potencia (hasta 50-60 kW) continúa creciendo, en aplicaciones principalmente aisladas de la red, en lugares remotos, aunque cada vez son más frecuentes las aplicaciones conectadas a red en aplicaciones de autoconsumo. La tecnología eólica de pequeña potencia de la calidad necesaria para este tipo de aplicaciones empieza a llegar al mercado pero todavía existen barreras como su alto coste y la falta de soluciones competitivas para evaluar el recurso eólico con una precisión razonable para analizar su viabilidad en entorno urbano. La energía eólica, no obstante, sí ofrece aspectos que hacen atractiva su inclusión en este tipo de aplicaciones, tales como una complementariedad con la generación solar y un mayor aprovechamiento de los recursos renovables locales. La energía solar FV ya está en condiciones actualmente de ser utilizada en sistemas integrados en entorno urbano para autoconsumo, por desarrollo tecnológico y por costes. Ambas tecnologías presentan la limitación de una capacidad reducida para ser gestionadas: la inclusión del almacenamiento de energía en el sistema, junto a la regulación de la demanda, son las opciones más comúnmente propuestas para aumentar dicha capacidad de gestión de las energías renovables.


Evaluación del recurso eólico a costes asumibles y con una incertidumbre aceptable
Se hace especial hincapié en el recurso eólico porque, a diferencia del recurso solar, presenta dificultades propias a esta aplicación en entorno urbano, como la determinación del recurso real existente en el aerogenerador, por la dificultad de cuantificar el efecto de los obstáculos, añadidas a la mayor variabilidad espacial y temporal común a todas las instalaciones eólicas. Por todo ello, se desea conseguir una herramienta que permita caracterizar el recurso eólico de forma sencilla, que posibilite un coste, asumible, y con un nivel de incertidumbre lo suficientemente bajo como para que los resultados sean significativos.


 

Elemento innovador principal: Sistema de control experto
El campo de las energías renovables y específicamente la aplicación de pequeña y mediana potencia, está evolucionando continuamente. Si bien durante décadas se han empleado en proyectos aislados, en los últimos años surge con fuerza el uso en entornos urbanos y rurales en sistemas de generación conectados a red de manera distribuida y, más recientemente aún, en aplicaciones para autoconsumo.

Estas aplicaciones, sobre todo en lo tocante a la generación eólica, presentan peculiaridades que las hacen distintas a las tradicionales aplicaciones aisladas o en parques eólicos. Por ejemplo, en lo relativo a seguridad, la presencia de usuarios no expertos alrededor de la instalación obliga a extremar la seguridad de funcionamiento para evitar accidentes producidos por el propio aerogenerador (pérdida de pala, caída de la torre,…) o por el propio usuario (al intentar subir a la torre, o por riesgo eléctrico,…); o en lo relativo a la inversión económica, el usuario suele invertir su propio dinero por lo que desea que el sistema no dé problemas y, deseablemente, resulte una inversión rentable y abordable.

La experiencia en sistemas híbridos para autoconsumo en entorno urbano que utilicen ambas tecnologías de generación (eólica y FV) en el mismo sistema es testimonial. No obstante, sí resulta una opción de gran interés debido al carácter complementario que pueden tener, lo que permite disponer de generación renovable por la noche, permitiendo de esta manera una mayor cobertura de la demanda instantánea con renovables. La presencia del sistema de almacenamiento y la gestión de la demanda permiten además aumentar dicho grado de cobertura.

Para todo ello, es un elemento clave la presencia de un control supervisor experto capaz de conseguir que el sistema funcione de forma segura y fiable y, al mismo tiempo, con los menores costes. El principal elemento innovador es, por tanto, un sistema de control que permita la consecución del objetivo principal: la integración gestionable de tecnologías de generación eólica y fotovoltaica con almacenamiento para aplicaciones de autoconsumo en entorno urbano.

Un sistema de control capaz de gestionar las generaciones solar y eólica junto con almacenamiento en aplicaciones de autoconsumo en entorno urbano resulta innovador, porque, aunque existen sistemas similares para aplicaciones híbridas (eólico-FV) en sistemas aislados con almacenamiento, e incluso en sistemas de generación distribuida con generación FV y almacenamiento, no es común encontrar un sistema de control de este tipo a nivel comercial que sea aplicable a sistemas de generación distribuida conectada a red híbridos (eólico-FV) con almacenamiento.

Ahora bien, la inclusión de las tres tecnologías (eólica, solar y almacenamiento) en un mismo control trae consigo una innegable complejidad, lo que supone incorporar un nuevo recurso renovable como el eólico, de gran variabilidad y típicamente de un menor contenido energético en entorno urbano, y una nueva tecnología, la mini-eólica, con un desarrollo tecnológico y unos costes de generación todavía por mejorar. Existe literatura abundante sobre la experimentación de distintas soluciones (lógica difusa, redes neuronales, algoritmos genéticos, etc.) para el control de sistemas híbridos eólico-FV con almacenamiento para sistemas aislados, pero la propuesta de esta solución para generación distribuida para autoconsumo, no ha sido tan evaluada. Por tanto, a partir del conocimiento existente para sistemas aislados, se encuentra en desarrollo muy avanzado un control experto capaz de ofrecer todos los elementos innovadores derivados que a continuación se exponen.


Elementos innovadores derivados


Herramientas para validación del recurso eólico integrada en el sistema de control
La caracterización del recurso eólico es básica en toda forma de generación eólica, pero se torna crítica cuando se trata el tema de integración en entorno urbano. La teoría clásica de evaluación del recurso eólico supone que el aerogenerador estará situado en una zona con un reducido número de obstáculos, y supone además que éstos se encuentran situados a cierta distancia. A partir de estas suposiciones se han elaborado las fuentes de recurso eólico existentes, bien a partir de medidas reales extrapoladas en función de la orografía, bien a través de correlaciones basadas en el conocimiento de la atmósfera  (WAsP: Wind Atlas Analysis and Application Program) para un análisis más detallado, o bien el uso de mapas eólicos para análisis más groseros. Sin embargo, ninguna de ellas tiene la capacidad de reflejar de forma precisa las condiciones especiales del viento en zonas urbanas, donde el flujo del viento es complejo y suele existir un número importante de obstáculos situados cerca del aerogenerador. Estas características se traducen en efectos sobre el recurso eólico:

  • Disminución del recurso eólico en el emplazamiento del aerogenerador, en relación con el existente sin la presencia de obstáculos (que es el que suelen proporcionar las fuentes de datos de recurso eólico);
  • Dificultad de determinación del recurso real existente en el aerogenerador, por la dificultad en cuantificar el efecto de los obstáculos;
  • Flujo turbulento del viento;
  • Importantes variaciones espaciales de la velocidad de viento en pocos metros.

Estos efectos serán tanto más acusados cuanto más obstáculos y más altos sean. Los efectos, por tanto, serán menos apreciables en zonas rurales, un poco más en zonas residenciales o industriales, y mucha más en el centro de la ciudad. Esto ha llevado a expectativas exageradas y a veces al desánimo en el uso de la generación eólica en entorno urbano.

El efecto del entorno edificado sobre el viento y sobre su turbulencia se estima con frecuencia a partir de datos de Sistemas de Información Geográfica (SIG), aunque los modelos CFD (Computational Fluid Dynamics) se han convertido en una forma atractiva de estimar el recurso eólico en entornos complejos, como UrbaWind desarrollada por Meteodyn.

Esta herramienta, estará integrada en el sistema experto de control, y permitirá: por un lado, caracterizar el recurso eólico in situ para evaluación del comportamiento del aerogenerador, permitiendo evaluar algún posible fallo (por lo que se conectará con la herramienta de operación y mantenimiento); por otro lado, ofrecerá al control una predicción del recurso eólico disponible (con dos horizontes: uno a 6-24 horas, más preciso, y otro a 24-72 horas), para la programación de la gestión del sistema.

La aplicación contempla, además, la presencia de un SCADA que sí posibilita el control en instalaciones de pequeña potencia e incluso con un solo aerogenerador con un incremento de coste mínimo.


Desarrollo de placa expansora de control múltiple
La placa de control integrada (Printed Circuit Board, PCB) incluye los distintos sistemas de control y sensórica de las tecnologías: eólica, fotovoltaica y de almacenamiento.

Esta PCB gestionará la generación de energía en función de la demanda, optimizando así la generación de la producción energética respecto al consumo, controlando las producciones y pudiendo activar cargas/demandas en función de la conveniencia del sistema generador de energía.

Adicionalmente al control de los sistemas de alternadores e inversores productores de energía, vigilará su estado para la predicción de vida útil y su degradación con el tiempo. Estas funcionalidades son de gran utilidad a la hora de los mantenimientos predictivos.

Por otro lado, dará aviso de los fallos del sistema y sus causas por medio de los sensores instalados, ya sean de funcionamiento o medioambientales, es decir, por comparación de las señales internas y las predicciones energéticas respecto a estas señales medioambientales.

La innovación de este equipo reside, respecto al estado del arte actual, en que los componentes miden y toman medidas de los estados momentáneos, y poseen ‘inteligencia’ para la realización y toma de decisiones para mejorar la producción eléctrica, integrando distintas tecnologías. Además, todo este sistema puede ser escalable, de tal forma que puede llegar a gestionar hasta pequeños sistemas generadores, creando de este modo un Smart Grid energético. Estas placas de conexiones ‘hablan’ con las distintas tecnologías eólica, fotovoltaica y de acumulación.

Toda la información tomada por el dispositivo puede ser guardada en sistemas gestores de bases de datos para proceder a su análisis mediante herramientas de Bussiness Intelligence, lo que da gran valor a la información obtenida, puesto que es fácilmente interpretable por herramientas para generación de informes y crear dashboards para la gestión del mantenimiento y la demanda y generación, pasada, presente y futura.

Este es el siguiente paso real de una ciudad autoabastecida energéticamente y gestionada de manera online y real por sistemas expertos.


Herramienta para mantenimiento correctivo y predictivo
Aunque el sistema de generación incluye distintos componentes (generación eólica y fotovoltaica, almacenamiento, control…), en términos de innovación relativa a herramientas para la mejora de la operación y del mantenimiento (o de la disminución de sus costes), es la generación eólica la que ha reclamado mayor atención, al ser también la que lleva mayores costes.

Así, en generación eólica de gran potencia en parques eólicos se ha realizado un importante esfuerzo por mejorar herramientas de este tipo con el fin doble de disminuir los costes de O&M, que se estiman entre 15-20% del coste de generación, y de extender la vida útil del parque (considerada de unos 20 años tradicionalmente), disminuyendo en ambos casos los costes de generación de la energía. La evolución de dichas herramientas en grandes aerogeneradores está derivando hacia la presencia de multitud de sensores en las partes más críticas del aerogenerador (palas, tren de potencia, convertidor) y hacia programas informáticos capaces de tratar el gran volumen de información obtenida de estos sensores en tiempo real para generar la correspondiente toma de decisiones basada en complejos algoritmos, utilizando para ello potencias de cálculo y de comunicación notables. En el caso de grandes aerogeneradores, los costes asociados a estos elementos son totalmente asumibles.

En el caso que tratamos, aparecen varias diferencias que deben ser consideradas en relación con la O&M:

  • Aunque no hay tanta información disponible en cuanto a los costes de O&M en aerogeneradores de pequeña y mediana potencia como la existente para grandes aerogeneradores, el coste estimado aparece en la siguiente Tabla para los distintos rangos de potencia:

Rango de Potencia (kW)

Rango de costes ($/kW)

< 5kW

60 - 120

5 – 10kW

10 - 30

11 – 49kW

20 - 25

50 – 100kW

35 - 50

101 – 999kW

25 - 35

> 1MW

25 - 50

Costes de O&M para eólica distribuida

  • La presencia de aerogeneradores de pequeño tamaño, e incluso hasta cierto punto los de mediano tamaño, trae consigo diferencias respecto a la solución para mejorar la O&M:
  • No permite la inclusión de un gran número de sensores;
  • Lleva asociada una potencia de cálculo muy limitada;
  • Conclusión: no se utilizan este tipo de herramientas para mejorar la O&M. La razón no es tanto técnica sino económica, pues los costes relativos que supondrían dispararían los costes de generación, haciéndolos totalmente inasumibles.
  • El uso de generación eólica en entorno urbano añade ciertas peculiaridades a las características generales antes mencionadas:
  • En aspectos de seguridad, la O&M presenta una exigencia aún mayor que en parques eólicos o en aplicaciones aisladas, fundamentalmente motivada por el riesgo de los daños que un hipotético accidente producido por mal funcionamiento podría provocar en los usuarios.
  • Conclusión: el control de fallos, especialmente aquellos fallos que puedan provocar accidentes, debe ser estricto.
  • Finalmente, la aplicación de generación distribuida para autoconsumo presenta una diferencia con las aplicaciones típicas de generación eólica de pequeña y mediana potencia: sí es frecuente poder disponer de unos mayores (aunque limitados) recursos de cálculo y de comunicación, lo que permite pensar en incluir una herramienta telemática para mejorar el comportamiento de la instalación en cuanto a O&M. Este tipo de herramientas son frecuentes hoy en día cuando se utiliza generación fotovoltaica, normalmente proporcionados por el fabricante del convertidor electrónico, en sistemas de autoconsumo con o sin almacenamiento. Pero no existen herramientas similares para sistemas híbridos eólicos-fotovoltaicos, sin duda porque su uso no ha sido tan frecuente hasta la fecha, pero también por la mayor complejidad que entraña.

En conclusión, el desarrollo de una herramienta para la mejora del mantenimiento predictivo y correctivo en una instalación híbrida eólico-fotovoltaica para autoconsumo resulta innovador tanto por la dificultad de encontrar herramientas similares en el mercado, como por el reto que supone principalmente en la generación eólica, donde la herramienta debe ser capaz de elaborar las decisiones a partir de una información escasa del propio aerogenerador. Deberá analizarse qué parámetros utilizar para la toma de estas decisiones que sean representativos y al mismo tiempo asumibles en costes.


Herramienta para la optimización de la generación en función de criterios configurables
En un sistema como el que se plantea, compuesto por generación eólica, FV y por almacenamiento de energía en una aplicación de generación distribuida para autoconsumo, interesa que el control supervisor sea lo suficientemente flexible como para, por un lado, poder trabajar bajo distintas prioridades y, por otro lado, ser capaz de adaptarse a posibles variaciones en la configuración del sistema, ya sea por avería de alguno de los componentes o por modificación de la propia configuración. Y todo ello de una forma sencilla, fiable y económicamente competitiva.

El dispositivo de monitorización y control del conjunto de producción con renovables– almacenamiento electroquímico– consumos diversificados debe tener en cuenta todas y cada una de las variables y limitaciones de todos y cada uno de los elementos que componen este complejo sistema energético; y además debe ser tan flexible como imponga el consumo demandado en cada momento y sus prioridades, y considerar las disponibilidades de los recursos energéticos de cada una de las fuentes durante periodos razonables y técnicamente definidos.

Para entender mejor estos criterios veamos algunos ejemplos:

1º.- Supongamos que es de día a una determinada hora de la mañana y que el sistema está funcionando con una determinada carga. El suministro lo está dando la FV, no hay viento (falta recurso eólico), la batería está con carga baja y se está recuperando; y no deseamos consumir energía de la red. En un momento determinado el usuario decide conectar una carga importante (que por supuesto es identificada y conocida por el sistema de control). ¿Qué debe hacer el dispositivo de control?

Conociendo la carga de que se trata debe calcular el horario de uso, o estimarlo, o pedirlo como dato de entrada al usuario.

Debe calcular y conocer la disponibilidad previsible del recurso solar FV durante el horario marcado (hacer previsiones tanto FV como eólicas), por lo que conviene dotar al sistema de una central meteorológica, aunque sea de baja precisión.

Debe comparar la curva de demanda de las cargas con la curva del recurso (y recursos) fuente disponible;

Debe calcular e informar sobre la previsión de carga de la batería en función del recurso-fuente disponible y de los consumos solicitados

Y debe comunicar al usuario cualquier situación que se pudiera producir para que finalmente éste tome la decisión de conectar o no.

Y, finalmente, este proceso de conectar o no, se puede hacer también de forma automática en función de unos criterios previamente programados.

2º.- Hemos puesto un caso sencillo, pero imaginemos que esto se demanda mediante un calendario previamente programado y condicionado y se realiza por la noche, con escasa batería, limitación del consumo de red, unas previsiones meteorológicas determinadas que definen el recurso eólico previsto; y unas cargas esenciales que hay que atender prioritariamente. Pues el sistema debe reaccionar autónoma y correctamente y adoptar la decisión más sensata y congruente con cada situación que se pueda producir.

Para tener una idea del alcance de esta herramienta de optimización, se enumeran a continuación las principales variables y parámetros que debe contemplar para la realización de la optimización:

  1. Perfil de los consumos: en general, dependerá de la modalidad de contrato o de retribución de la energía (balance neto mensual, balance neto instantáneo, prima de generación, etc.), pero, al tratarse de una instalación de autoconsumo, es muy conveniente que el perfil de la generación se adapte en la medida de lo posible al perfil del consumo. Como la generación proviene de energías renovables, surge la necesidad del almacenamiento de energía, para dotar al sistema de la capacidad de ser gestionado.

Como ejemplo mostramos la evolución de consumos en un centro educativo a lo largo del año en la gráfica 1.

  1. Recursos renovables disponibles: tal y como se ha comentado, para conseguir el acoplamiento de generación y demanda, ambos perfiles serán tenidos muy en cuenta por el control.

Ejemplo comparativo entre consumos y producción FV en un centro educativo se presenta en gráfica 2.

  1. Componentes de la instalación: aunque la casuística podría ser mucho mayor, este proyecto se ha reducido a tres posibles componentes:
    1. FV
    2. Eólica
    3. Almacenamiento

Se han elegido estos tres porque la FV es la tecnología de generación renovables que, a esta escala, ha conseguido un mayor nivel de competitividad; la eólica, porque puede ser un muy buen complemento a la generación FV en muchos emplazamientos; y el almacenamiento para poder dotar a la instalación de la capacidad de ser gestionada.

  1. Evolución de los precios de la energía: se espera que en un futuro no muy lejano las instalaciones de generación distribuida en autoconsumo puedan adaptarse a los momentos más apropiados para generar en función del coste de la energía en cada momento. La herramienta a desarrollar contempla esta posibilidad.
  2. Posibilidad de uso de la instalación como back-up: aunque no en España, pero sí hay países, como EE.UU., donde se permite que la instalación de generación distribuida en autoconsumo tenga la posibilidad de seguir alimentado ciertas cargas en el caso de desconexión no intencionada de la red eléctrica e incluso, se baraja la posibilidad de que en determinadas situaciones (por ejemplo una saturación de la red), el sistema pueda aislarse de forma intencionada, para facilitar la operación del sistema.

Existen en la actualidad herramientas comerciales que permiten realizar algunas de estas funciones, como por ejemplo el modelo HOMER (Hybrid Optimization of Multiple Energy Resources), comercializado por la empresa Homer Energy LLC. HOMER es un estándar a nivel mundial para la simulación, optimización y diseño de sistemas híbridos y mini-redes, pero pensado para trabajar en modo aislado, es decir, no está pensado para ser integrado en un control supervisor.

CIEMAT, por su parte cuenta, con una herramienta denominada HySyS (Hybrid Power System Balance Analyser), para la simulación de sistemas híbridos en régimen cuasi-estático. Esta herramienta, inicialmente, diseñada para el análisis del comportamiento de sistemas híbridos aislados eólico-FV con almacenamiento, puede servir de semilla para el desarrollo de los algoritmos que permitan la optimización deseada. Será necesario la inclusión de distintos módulos, como: módulo de conexión a red, módulo de mercado eléctrico, entre otros, además de las herramientas ya mencionadas para el recurso eólico y para la O&M.


 

Artículos sobre solar fotovoltaica | 13 de septiembre de 2017

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