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Universidad Politécnica de CartagenaDepartamento de Ingeniería Eléctrica
Programa de doctorado de “Tecnologías Industriales”. Subprograma de “Neurotecnología, Control, Robótica y Gestión
Energética”
Cartagena, 2011
Análisis e Integración de Recursos Energéticos Distribuidos
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Bloque
Lección 6Generación Distribuida (DG)
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Bloque V. Generación distribuida
IntroducciónDiferencias Generación Distribuida vs. Dispersa
Generación Distribuida pequeñas unidades (15 a 10.000kW) difuminados en el SEE, propiedad del usuario o de una empresa eléctrica.Generación Dispersa: está en el lado de la demanda y se utilizan para abastecer pequeños consumos (unidades de 10 a 250kW).Tipos de generación
Convencional: diesel, gas, ciclo combinado, ¿hidráulica?Alternativa: fuel-cells, solar, eólica, motores de combustión externa (stirling) ¿hidráulica?
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Bloque V. Generación distribuida
Concepto DER (Distributed Energy Resources)Generación (concepto más extendido, suele ser sinónimo de DG)No hay que olvidar: Respuesta de la Demanda (DR) y Almacenamiento de Energía (DS)
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Bloque V. Generación distribuida
Generación Distribuida y Centralizada (I)Tradicional: el grueso de la producción de energía eléctrica se realiza en grandes centrales (150-1000MW)
Alejar generación de la demandaReducir costes de operación, combustibles,….
La física y la economía están del lado de la generación convencional
Eficiencia: ej. Calderas e intercambiadoresRelación volumen/superficie = generación/pérdidasConversión de energía (DC/AC)ProteccionesMano de obraMantenimientoEstaciones transformadoras……
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Bloque V. Generación distribuida
Generación Distribuida y Centralizada (II)
Ventajas de la GDDistribuida: los rendimientos de las tecnologías de GD son “escandalosamente” altos: hasta un 40-45% Rendimientos de plantas tradicionales 28-35%Proporcionan E de alta calidad (cargas sensibles)Zonas en las que no existe suministro convencional
Explicación:La tecnología de las centrales GD es más moderna (plantas convencionales tienen una vida media de 20 a 50 años)Se considera funcionamiento a plena carga (máximo η) de las unidades GD
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Bloque V. Generación distribuida
Generación Distribuida y Centralizada (III)Las economías de escala seguirán dominando el futuro…..
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Bloque V. Generación distribuida
Generación Distribuida vs. Centralizada…. Pero no tanto como en el pasado (en 40 años se ha reducido laeconomía de escala en un 30%)
Generación distribuida
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Bloque
No olvidemos la eficiencia de los generadoressincrónicos en función de su potencia de salida
Por ejemplo los turbogeneradores (rótor liso)
9696,5
9797,5
9898,5
9999,5
12 100
400
600
800
1200
Potencia (MW)
Ren
dim
ient
o (%
)
Rendimiento
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Bloque
Resumen de la eficiencia de diferentes tipos de generacióneléctrica
Source: F. van Aart, KEMA
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Hydro
power
plant
Tidal p
ower
plant
Large
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plant
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MCFC)
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)
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Bloque V. Generación distribuida
Generación Distribuida y Centralizada (IV)Razones del crecimiento de la GD:
Avances en la conversión de la energía: p.e. mejora en las turbinas de gas
30% de rendimiento en pequeñas turbinas (¡bueno!)40% en turbinas de ciclo ChengMejoras en aislamientos y recuperación de calor impensables en la década de los 60.
Cambios en el coste de fuel/coste total1960/70: 80% del coste total2000: 40-55% (aumentan costes laborales, control de emisiones,….)
Automatización y control: cada vez se necesita una menor intervención humana
1960: planta 60kW necesitaba 2 ó 3 personas2000: ningún operario, automatización total
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Bloque V. Generación distribuida
La clave: los costes del Transporte y DistribuciónLa generación está más próxima al usuario, lo que supone una
Disminución de las inversiones (nuevas líneas)Disminución de mano de obra y mantenimientoDisminución de las pérdidas/peajes T&D
Ejemplo: riego en una explotación agrícola (2000) con GD diesel (3000h/año, 250kW)
0
2
4
6
8
10
12
Conv. GD
Med&ControlDisTransGen
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Bloque V. Generación distribuida
Fiabilidad de los sistemas eléctricos y G.D.Sistemas Convencionales (interrupciones)
Estándar de 1960: 8 h/año de interrupciónEstándar de 2000: 2 horas/año (99,95%)
Oportunidad de la GD: configurar nuestras necesidades de calidad en unos márgenes de costes muy interesantes.
Desde un 95 al 98% (estándar de 2000)Hasta 100% (imposible con gen convencional) si se une GD + Convencional + DSGeneración distribuida
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Bloque V. Generación distribuida
Otras ventajas e inconvenientes de la G.D.√ Modulares: las centrales de GD se fabrican en serie (las
convencionales son “artesanas”)Simplifica la ingeniería e instalación
√ Medioambientales: tecnologías limpias (la mayoría) sin necesidad de una estructura complicada de T&D
Χ Propiedad y operación: ¿quién es el responsable de la central? Es complicado para el propietario
Χ Suministro de combustible: a veces no es fácil de suministrar el combustible ¿hay red de gas? El suministro de gas (transporte) puede elevar hasta un 25% costes
Χ Tecnologías no validadas: en general las nuevas tecnologías suponen un riesgo
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Bloque V. Generación distribuida
Tecnologías de G.D.
√√Microturbinas
√≈Sistemas híbridos√Eólica√Fotovoltaica
√√Fuel Cells√≈Motores Stirling
√Mot. C.I. Alternativos√Turbinas
EmergentesDisponibles Tecnologías GD
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Bloque V. Generación distribuida
Turbinas de gas (I)
Rango de uso
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Bloque
Turbinas de gas (II)Han sido utilizadas para la generación de electridad desde finales de los 40 (EEUU) o principios de los 70 (Francia) en FFCCProblema: altos costes de fuel tras la crisis del petroleo de losaños 70 (son turbinas adaptadas de la industria aeronáutica)
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Bloque V. Generación distribuida
MicroTurbinasHay una disponibilidad comercial limitada (producción)Rango de potencia: 25-500kWCombustible: GN, H2, propano, gasoil,…Rendimiento: 20-30%Emisiones: bajas (9-50 ppm de NOx)Otras posibilidades: cogeneración (agua caliente 50-80C)
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Bloque V. Generación distribuida
Turbinas de gas (II): generalidadesFabricantes: Alstom, General Electric (PS), Siemens, Rolls-Royce, Capstone, Bowman.Pueden llegar al 45% de rendimiento (a plena carga)
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Bloque V. Generación distribuida
Turbinas de gas (III): costesCostes iniciales (de 700 a 1110$/kW) : hay costes externos que aumentan el precio de la turbina de un 30-50% Mantenimiento: cada 5000-8000h de funcionamiento (≈ MCI)
BOP: condensadores, intercambiadores, bombas,…
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Bloque V. Generación distribuida
Turbinas de gas: ventajas e inconvenientesVentajas:
Aprovechamiento de calor residualRed de servicio y mantenimientoGran relación peso/potenciaFiablesBajo nivel de emisionesPueden aprovechar combustibles residualesTiempos de arranque: de 2 a 5 minutos
InconvenientesPoca eficiencia a cargas parciales (puede reducirse el rendimiento un 25% a ½ carga). El rendimiento exclusivamente eléctrico es bajoSensible a condiciones ambientales (altas temperaturas y altitud)A menor potencia peores prestacionesRuido (> 60dB)
V.
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Bloque V. Generación distribuida
Motores de c.i. alternativos (MCI)Son la tecnología más común y más madura de GDEstán disponibles en tamaños variados (5kW a 10MW)Combustibles: gasolina, fuel-oil, gas natural, gasoil,…Rendimiento: 25 a 45% (a carga total)Representan 80-90% de la GDTiempos de arranque de 30s a 15min
Generación distribuida
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Bloque V. Generación distribuida
Tipos de motores de c.i. alternativos (II)Unidades de alta velocidad: más parecidos a los utilizados en automoción (1200 a 3600 rpm).
Mayor potencia (peores rendimientos)Más baratos
Unidades de media velocidad (275 a 1000 rpm)Unidades de FFCC/pequeños barcosMás caros, mejor renidmiento
Unidades de baja velocidad (58 a 275 rpm)Utilizan combustibles residuales de baja calidadNivel de emisiones más alto
Generación distribuida
50,6139537,41030
45,64312413884
52,816132,8100
58,845,528,422
Rend-term (%)Pterm (kW)Rend-el (%)Pe (kW)
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Bloque V. Generación distribuida
Tipos de motores de c.i. alternativos (II)Existe otra clasificación:
Ciclo simple: motores que no aprovechan la capacidad de cogeneración (tiempos de arranque < 1min), ej generadores de backup o generadores de pico.CHP: aprovechan el calor residual para generar vapor (<50% de laenergía térmica, i.e. peor que cualquier turbina) o agua caliente
Aprovechamiento de la energía30% energía mecánica30% refrigerante15% en los gases de salidaResto en pérdidas: radiación, gases,….
Generación distribuida
80-85%CHP
30-50%Gasoil
28-42%Gas Natural
Rango de Eficiencia (%)Tipo de MCI
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Bloque V. Generación distribuida
Motores de c.i. alternativos (III): costesCoste total instalado (puede suponer entre un 50-100% de aumento respecto al precio del motor, i.e de 700 a 1200$/kW)Mantenimiento: cada 700-1000h de uso (0,005-0,01$/kWh), siendo más baratos los que utilizan GN
2,0438Gas Nat.1100
1,4352Diesel1000
16436Diesel250
40350Gasolina50
O y Mant. (€/kW)
Coste capital (€/kW)
CombustiblePotencia(kW)
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Bloque V. IGeneración distribuida
Motores de c.i. alternativos (IV)
Nivel alto de emisionesBaja inversión de capital
Baja presión del combustible (en el caso de GN)
Alta fiabilidad
Flexibilidad combustible
Mantenimiento frecuenteFácil arranque
Nivel excesivo de ruido (>70dB)Buenas eficiencias en conversión de Energía
InconvenientesVentajas
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Bloque V. IGeneración distribuida
Fabricantes de motores MCIDTE energy technologiesPower Plus Technologies GmbHCumminsGenerac Power SystemsHonda Power EquipmentKohler Generators
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Bloque V. Generación distribuida
Motores Stirling (I)Combustión externa (sistema sellado)Fluido de trabajo: He, HPequeño tamaño 1-25kWDisponibles 2005-201012-30% eficienciaBajas emisiones
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Bloque V. Generación distribuida
Motores Stirling (II)
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Bloque
Proyectos piloto y desarrollos comercialesSunCatcher (25kW). Source: Stirling Energy SystemsSandia Lab: evalúa 5 “SunCatcher” desde 2005Planta Maricopa, Arizona, 2010, EEUU (1.5MW, 60 und.)
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Bloque V. Distributed Generation
Motores Stirling (III): más aplicaciones Concentrador solar de 100kW en la University of California(Boeing) Diferentes tipos de vehículos Producción de frío (source: ProCooling)
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Bloque V. Generación distribuida
Motores Stirling (IV)
Vida útil elevada (6 años en “continua”)
Gran cantidad de combustibles primarios
No puede cambiar su potencia con rapidez
Pocas partes móviles: simplicidad mecánica
Baja eficiencia (¿30% en el futuro?)
Bajas emisiones
Alto coste (10000 a 50000€/kW)Sin vibraciones
InconvenientesVentajas
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Bloque V. Generación distribuida
Pilas de combustible (Fuel-cells) (I)No son un nuevo concepto (100 años)Las primeras aplicaciones: programa espacial ApoloAplicaciones espaciales y militaresFuturo: prometedor…, que nunca acaba de llegar
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Bloque V. Generación distribuida
Pilas de combustible (Fuel-cells) (II)Funcionamiento similar a una batería (reacción electroquímica sin combustión)Los reactantes son gases (hidrógeno/aire)El combustible es preprocesado para obtener H2
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Bloque V. Generación distribuida
Pilas de combustible (Fuel-cells) (III): tiposPAFC (phosporic acid), PEM (proton exchangemembrane); AFC (alkaline); MCFC (Molten carbonate); SOFC (Solid Oxide)Eficiencia: del 35-55%; Potencia: 1 a 250kWProyectos piloto
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Bloque V. Generación distribuida
Pilas de combustible (Fuel-cells) (IV): tipos
Edificios: R: Residencial; C: Comercial
R, C, DGR, C, DG R, C, DGVehículos, R, C; DG
Vehículos, R, C, DG, Portátil G
Aplicaciones
InicialBajo Bajo bajoInicialNivel comercial
50-7045-654050-6035-50η (%)
600-1100600-700200-40080-10080-100Tª (C)
3-10 R/250 (C)
25020025-1001-10 (R)/ 75-250 (C)
P(kW)
SOFCMCFCPAFCAFCPEMFCTipo
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Bloque V. Generación distribuida
Pilas de combustible: eficiencia y rango de uso por tecnología (Fte. Alstom)
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Bloque V. Generación distribuida
Pilas de combustible: eficiencia en función de la carga (¡interesante en aplicaciones!)
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Bloque V. Generación distribuida
Pilas de combustible (V): fabricantes
PEMFC: Teledyne, Plug Power, General MotorsAmplio rango de aplicaciones (portátiles, automóviles, residencial, comercial, iluminación industrial)Bajas temperaturas ► rápido arranqueMadurez de la tecnología: ¿2010?
PAFC: UTC Fuel CellsMCFC: Fuel Cell Energy
Algunas comercialmente disponiblesAFC: Apollo Energy SystemsSOFC: Ceramic Fuel Cells, ZTEK Corporation
Amplio rango: residencial, comercial e instalaciones industriales (5-250kW)Altas temperaturas (1000C) ► arranque lento (5-10h en algunos momentos)Madurez de la tecnología: ¿2015?
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Bloque V. Generación distribuida
Pilas de combustible (V): resumen
Experiencia práctica: muy reducida salvo en algunas tecnologías (PAFC)
Bajas emisiones
CostesSilenciosas
Vida útil muy escasa (PEMFC, MCFC, a veces < 3000h)
Vida útil elevada (PAFC y SOFC > 20000h)
InconvenientesVentajas
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Bloque V. Generación distribuida
Sistemas fotovoltaícos (I)Disponibles comercialmenteRango de potencias: 1kW a 100kWEficiencia: 5-15%No tienen emisionesDisponibles comercialmente (sistemas avanzados en fase de desarrollo)
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Bloque V. Generación distribuida
Sistemas fotovoltaícos (II)¿¿¿Futuro??? Concentradores solares
Vida útil elevada
Costes adicionales: control de los paneles, soporte, baterías, dispositivos de conversión (BOS: balance of system): 6000 a 10000€/kW instalado
Gran cantidad de combustibles primarios
Costes: 4€/W (4000€/kW)Simplicidad
Condiciones ambientales afectan al bajo rendimiento
Bajas emisiones
InconvenientesVentajas
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Bloque V. Generación distribuida
Sistemas eólicos (I)Probablemente la mejor energía renovablePotencias: algunos kW a 5MWEficiencia: 20-40%Varios tamaños, sistemas, velocidades,….
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Bloque
Hay una reducción de costes evidentes en nuevos proyectos eólicos
Source: Informes, Lawrence Berkeley Nat. Lab, USA & US DoE
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Bloque V. Generación distribuida
Sistemas eólicos (II)Los grandes aerogeneradores están en el umbral de la rentabilidad. Coste de instalación 1000€/kWCoste de producción: 3 a 6 cent. €/kWh
Mortalidad de aves
Impacto visual: imposibles de ubicar en zonas habitadas
LocalizaciónMínimo uso de terreno
La generación de potencia es variable
Bajas emisiones y coste de la energía
InconvenientesVentajas