optimización de sistema de generación con el uso de energías renovables

7/23/2019 Optimización de sistema de generación con el uso de energías renovables

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Optimización del sistemgeneración de una indminera mediante el uso

sistemas híbridosAutor: Jorge Armando Serv

Director: Ing. Ángel Hernán

Tutora: Dra. Mónica Chinch



Sistemas híbridos

Son sistemas que generan energía eléc trica a partide dos o más fuentesenergéticas diferentes.

Las fuentes energéticas utilizadas pueden serenovablesy/o convencionales.

Estos sistemas pueden ser aislados o encontrarseconectadosa la red eléctrica.



Herramientas disponibles

Simulación

• Hybrid2

• PVSyst• WAsP

Optimización

• Homer Energy

• iHoga

Arquiabier• Matla

• Trnsy



Ubicación del proyecto

Proyecto minero Ubicado en la provincia de CajamarcExiste una fluctuación del alturasentre los 3600 y 4000 m



Energía consumida

INDICA

Consumo promedio

Desviaciónestándar

Demanda registrada

Demandaregistrada

P50 o med

P90



Energía consumida

La demde la paño 143.202

La potcon la esde 2

La depromedy 18 MW

Aproximel 10%demanlos 18 M



Estructura tarifaria

Según el Reglamento de Usuarios Libres de Electrici

publicado el 16 de Abril de 2009, mediante el Decreto022-2009-EM, se establec ieron tres rangos para dcondición del usuario:

Menor o igual a 200 kW: Usuario regulado.

Entre 200 y 2.500 kW: Pueden decidir la condición de usuario libr

Mayora 2.500 kW:Usuario libre.

Los usuarios libres presentan lassiguientescaracterístic

Se encuentran conectados al Sistema Eléc trico Interconec tadopero no están sujetos a la regulac ión de precios por la energíaconsumen.

Los precios que pagan y el tipo de estructura tarifaria destablecido en el contrato privado de suministro con la empreso distribución.



Estructura tarifaria Existen dos tiposprincipales de estructuras tarifariaspara usu

Una estructura similar al cliente regulado, donde existe un carde energía en hora punta (EHP) y otro fuera de punta (EFestructura suele utilizarse con usuarios que no demandan enecontinua a lo largo de todo el día, como los grandes clientes co

El otro tipo de estructura tarifaria, que suele ser utilizada consumidores (potencia contratada superior a 10 MW), es lacompañía minera, cuyos cargosprincipalesson lossiguientes:

Tipo de cargo TarifaCargo por capacidad base 6,95 $/kW/mes

Cargo por capacidad adicional 1,00 $/kW/mes

Cargo por energía base 0,069 $/kWh

Cargo por energía adicional 0,117 $/kWh



Estructura tarifaria

Cargo por capacidad

Base: Corresponde al pagomensual por la potenciacontratada con la compañíageneradora.

Adicional: Corresponde a ladiferencia obtenida entre lamáxima demanda registradadurante el mes y la potencia base.

Cargo por energía

Base: Contabiliza todo correspondiente a unahoraria inferior o igual apotencia base contrat

Adicional: Contabiliza consumo correspondiepotencia horaria superde potencia base con



Facturación eléctrica actual

Mes Costo energético mensual[$]

Enero 956.310,11

Febrero 933.013,46

Marzo 987.714,00

Abril 990.828,97

Mayo 1.052.009,79

J unio 949.543,09 J ulio 1.038.352,23

Agosto 1.082.097,05

Septiembre 971.373,89

Octubre 997.021,36

Noviembre 992.341,02

Dic iembre 1.015.369,42

TOTAL 11.965.974,39



Tecnologías de almacenami

C l a s i f i c a c i ó

n s e g ú n e l t i p o

d e a l m a c e n a m i e n t o

Almacenamiento de energía mecánic

Almacenamiento de energía eléctrica

Almacenamiento de energía térmica

Almacenamiento de energía química



Servicios y aportes requerido

Servicios y aportes de emergencia•Durante una ca ída de la red eléctrica suministra energía

emergencia.

•Cumpliría la función del ac tual sistema UPS.

Corrección del factor de potencia•Deben permitir el suministro de energía reactiva, para lo

elevadasrampas de potencia y profundidades de descarga

Mejora de la velocidad frente a variaciones en•Deben tener ciclos de recarga apropiados y altas rampas

permitan un control de la tensión y frecuencia, frente a variacdemanda.



Baterías de flujo Redox-Vana

Esta tecnología de almacenamiento fue selecc ionada

versatilidad y excelentes propiedades de su diseño, entre ventajas técnicasse encuentran lassiguientes:

Satisfacen la totalidad de losservicios y aportesrequeridos.

Independencia de su capac idad de almacenamiento y potenc

Bajos costos de mantenimiento y pueden operar en altura y ebaja temperatura, como en el presente caso.

Elevado ciclos de carga y descarga (entre 13.000 y 15.000 ciclo

Pueden suministrar energía incluso con una capacidad mayopotencia nominal.

Soportan profundidades de descarga de hasta el 100%.

Permiten un control en loscuatro cuadrantes.

Tienen una alta eficiencia de funcionamiento.



Recurso solar

Este tiene especde 5,9

La de

lo laraño kWh/k

La rahorizoduranes de



Recurso eólico

Estos calcuuna 21224veloc i

La dauna emetro

Se avelociduraninviern



Recurso eólico

El viento proviene predomicon una dirección estecoincidente con la obtenida del mapa de previento del Perú.



Análisis de complementaried

La co

horariarecurs

Existede losy horarecurseólico



Análisis de complementaried

Se dec idió descartar el uso del sistema eólico dentro dsimulación y optimizac ión del sistema híbrido, por lassiguient

Valores considerablemente elevados de radiación globfluctuac ionesa lo largo de todo el año.

Ausencia de mediciones de velocidad y dirección del viento a que permitan la elaborac ión del perfil vertica l del viento,extrapolar con una confiabilidad aceptable, los valores de velopara alturasde buje de aerogeneradores comerciales.

Mala complementariedad entre el recurso solar y eólico, quemayor complejidad en el proceso de simulación y optimizacióposible existencia de mayores excedentes energéticos o la nsobredimensionamiento del sistema de almacenamiento.

Los caminos de acceso al proyecto minero requerirían un gastsu acondicionamiento, que permita el adecuado trancomponentes principalesdel sistema eólico.



Algoritmo de simulación

Importación de data deconsumo y generaciónfotovoltaica

Ingreso de parámetros

principales de cadasubsistema

Programación de casos ylógica de simulac ión



Ingreso de datos

INICIO

Dmd > Ebase+EPV

NO

SI

Ingresar parámetros

principales de cada

subsistema

Importar data de

consumo energético

Importar data de

generación fotovoltaica

Presencia de excede

Existencia de déficit de energía



Presencia de excedentes

Dmd > Ebase+EPVNO ¿Existe exceso? NO

¿Baterías

cargadas?

SI

Disminuir Pbase

Cargar baterías

NOExcd = Ebase+EPV -

Dmd

Pred = Pbase - Excd

SI

Dmd < EPV

Ered = 0

ExcNR = EPV - Dmd

NO



Existencia de déficit de energ

Dmd > Ebase+EPV

Dmd>Ebase+EPV+Estore

SI

SIUsar energía

almacenada

Usar Generador

Diésel

Estore > SOCmax x

DODmax

NO

SI

NO

Dfc = Dmd -

(Ebase+EPV+Estore)

Calcular déficit

0 < Dfc Dfc > Pmin

SI

Fin

NO

Suplir déficit con la

Red

NO

Ebas

S

SI



Sistema fotovoltaico



Cálculo de pendiente



Perfil de obstáculos

Ángulo desalida del sol

[°]

Máxima altitudregistrada

[m]

Elevaciónrelativa

[m]

Distancia

[m]

Ángulo deelevación

[°]

-120 3.903 138 2.805 2,8

-105 3.914 149 3.116 2,7

-90 3.906 141 3.043 2,7

-75 3.891 126 3.207 2,2

-60 3.831 66 2.989 1,3

-45 3.769 4 966 0,2

-30 3.871 106 982 6,2

-15 3.954 189 1.159 9,3

0 3.948 183 1.846 5,715 3.986 221 2.084 6,1

30 3.949 184 1.551 6,8

45 3.913 148 1.756 4,8

60 3.999 234 3.827 3,5

75 3.978 213 3.967 3,1

90 4.028 263 2.743 5,5

105 3.987 222 1.208 10,4

120 4.001 236 1.130 11,8



Perfil de obstáculos



Tipos de variantes analizadas

Con inclinación fija Con seguid



Panel fotovoltaico

Panel fotovoltaico

Fabricante Hanwha solar

País de procedencia Corea del sur

Modelo HSL72P6-PB-3-310QW

Tipo Policristalino

Potencia 310 W

Eficiencia 16%

Certificación IEC & UL

Dimensiones 1.956 mm x 988 mm x 45 mm



Sistema con seguidor de un e

Distanciaentre ejes

[m]

Potencia[kWp]

Energía[MWh/año]

Producciónespecífica

[kWh/kWp/año]

Factoredimie

[%

7,05 5.943,00 12.735,00 2.143,00 82,

7,59 5.470,00 11.839,00 2.164,00 82,

8,00 5.183,00 11.254,00 2.171,00 82,

8,46 4.977,00 10.932,00 2.197,00 82,

8,97 4.648,00 10.213,00 2.197,00 82,




Sistem

Tipo deseguidor

Limitacionde rotació

Inclinacióeje




PARÁMET

Tasa dedescuento

Inflaciónanual

Impuesto arenta

Período deamortizaci

Costo anuadel seguro

Vida delproyecto



Variantes preseleccionadas

TIPO DE SISTEMA Con inclinación fija Con seguidor de u

TAMAÑONúmero total de módulos 23.104 16.055

Potencia global 7.162 kWp 4.977 kWp

Superficie efectiva 44.649,00 m2 31.027,00 m2

INVERSOR

Fabricante Ingeteam ABB

País de procedencia España Suiza

Modelo Ingecon Sun 1000TL

X400 DCAC Indoor

PVS800-57-1000kW-C

Potencia unitaria 1.020 kW AC 1000 kW AC

Número total 7 5

Potencia total 7.140 kW AC 5.000 kW AC

RESULTADOS PVSYST

Energía producida 12.969,00 MWh/año 10.932,00 MWh/año

Producción específica anual 1.811,00 kWh/kWp 2.197,00 kWh/kWp

Factor de rendimiento (PR) 82,90% 82,40%



Variante seleccionada

Variante del sistema Con inclinación fija Con seguidor de u

Potencia 7.162 kWp 4.977,00 kWp

Energía producida 12.968.977,02 kWh 10.932.434,79 kWh

CAPEX 1,25 €/Wp 1,40 €/Wp

OPEX 20.000,00 $/MW/año 24.000,00 $/MW/año

Seguro anual 5.600,00 $/MW/año 5.600,00 $/MW/año

Inversión inicial 8.952.500,00 € 6.967.800,00 €

Gastos operativos 128.466,37 € 107.128,25 €

LCOE 0,064 €/kWh 0,060 €/kWh



Ingresos anuales con sistema

Potenciacontratada

(kW)

Ahorro anual consistema fotovoltaico

(€)

Ahorro anual sinsistema fotovoltaico

(€)

Ingresos anuadicional

(€)

24.000 735.127,58 74.798,21 660.329,37

23.000 809.925,78 149.596,41 660.329,37

22.000 884.723,99 224.394,62 660.329,37

21.000 959.522,20 299.192,83 660.329,37

20.000 1.034.051,88 373.722,51 660.329,3719.000 1.106.161,68 445.733,13 660.428,55

18.000 1.163.018,74 498.573,68 664.445,05

17.000 1.164.317,60 464.409,77 699.907,82

16.000 1.072.783,38 278.922,31 793.861,07



Sistema de almacenamiento

TECNOLOGÍA Batería de flujo Redox-Vanadio

Fabricante American Vanadium &

Gildemeister energy solutions

País de procedencia Canada & Alemania

Modelo Cellcube

Combinacionescomercializadas

200 kW, 400 kWh/800 kWh &400 kW, 800 kWh/1.600 kWh

DOD máxima 100%

Eficiencia 80%

Los sistemaemergencaproximadde la capaasciende a

El sistemasatisfacer

energéticade 10 kminuto dehasta quediésel com




PARÁMETRO VALOR

Inflación anual 2%

Impuesto a la renta 30%

Período deamortización

15 años

Vida del proyecto 25 años

SISTEMA UPS ACTUAL

Fabricante Schneid

País de procedencia Francia

Modelo Galaxy

Tipo de batería VRLA

Potencia unitaria 162 kW

Precio unitario 74.074,0

Cantidad 3

Frecuencia de reemplazo 10 años

Costo total de reemplazo 199.302

COSTOS

CAPEX 300,00 $/kWh

OPEX 8,00 €/MWh/año



Variante seleccionada

Variante del sistema 400 kW/800 kWh 400 kW/1600 k

Energía anual almacenada 245.830,70 kWh 416.641,92 kWh

CAPEX 215.246,64 € 430.493,27 €

OPEX 1.966,65 € 3.333,14 €

Energía anual entregada al sistema 196.664,56 kWh 333.313,54 kWh

Ratio energía entregada/almacenada 0,80 0,80

Horas de funcionamiento 1.656 1.989

Número de ciclos anuales 567,30 474.65

Tiempo de vida (15.000 ciclos) 26.44 años 31.60 años

Ahorro anual de facturación eléctrica 7.937,22 € 15.001,58 €

Tasa interna de retorno (TIR) 6,93% 1,98%



Generador diésel

Fabricante Wärtsilä

País deprocedencia

Finlandia

Modelosseleccionados

6L16, 4L20, 6L20

Potenciasnominales

630, 740 y 1.110 kW

Porcentaje de

mínima carga

50%

Tipo decombustible

Fuel oil pesado

Consumo decombustible

200, 193 y 191 g/kWh



Generador diésel

ModeloPo

5L16

4L20

6L20



Generador diésel

ModeloConsumo específico

de combustible(g/kWh)

OPEX(€/kWh)

6L16 200 0,074

4L20 193 0,071

6L20 191 0,080



Generador diésel

PARÁMETRO

Tasa de descue

Inflación anual

Impuesto a la re

Período deamortización

Cargo por eneradicional

Vida del proyec



Generador diésel

Modelo de generador 6L16 4L20 6L20

Potencia nominal 630 kW 740 kW 1110 kW

CAPEX 96.053,81 € 122.780,27 € 228.968,61 €

Energía anual generada 872.466,84 kWh 951.661,96 kWh 1.085.458,29

Horas de funcionamientoanuales

1.498,00 1.414,00 1.159,00

Porcentaje de cargapromedio

92% 91% 84%

Consumo específico decombustible

200 g/kWh 193 g/kWh 191 g/kWh

OPEX 64.493,60 € 67.885,61 € 76.627,42 €

Horas de funcionamiento(25 años)

37.450 35.350 28.975

LCOE 0,100 €/kWh 0,098 €/kWh 0,102 €/kWh



Sistema híbrido optimizado


Red eléctrica

Potencia base contratada 17.000 kWp

Sistema fotovoltaico

Potencia 4.977 kWp

Tipo de seguidor De un eje en direcc ión E-O


Tecnología Batería de flujo rédox-vanadio

Potencia 400 kW

Capacidad de almacenamiento 800 kWh

Generador diésel

Potencia nominal 740 kW

í




í




Si híb id i i d




Subsistema

Red eléctrica

Sistemafotovoltaico

Baterías deflujo

Generadordiésel

TOTAL

Los excerecuperablea un total 26

Este excedente representa el 0.18% de la energía total producida phíbrido, o el 2.17%sin considerar la energía aportada por la red eléctri

A áli i fi i



Análisis financiero

Ingresos del proyectoAhorro por modificación de potencia contratada 498.573,68 €

Ahorro de facturacón debido al sistema híbrido 773.541,63 €Ahorro por reemplazo del sistema UPS actual 199.302,24 €

Inversión inicial (CAPEX)Sistema fotovoltaico 6.967.800,00 €

Sistema de baterías de flujo 215.246,64 €

Generador diésel 122.780,27 €

Gastos operativos (OPEX)Sistema fotovoltaico (Primer año) 107.128,25 €

Sistema de baterías de flujo (Primer año) 1.966,65 €

Generador diésel (Primer año) 67.885,61 €Seguro anual de instalación fotovoltaica 5.022,42 €

Otros parámetrosPeríodo de amortización 15 años

Porcentaje de inversión propia 100%

Impuesto a la renta 30%

Inflación anual 2%

Tasa de descuento 10%

A áli i fi i



Análisis financiero

Inversión propia

VAN 2.020.168,35 €

TIR 13,63%

Retorno de la inversión 12,28 años

Financiamiento del 60%

VAN 2.967.185,42 €

TIR 19,74%


Financiamiento del 70%

VAN 3.100.533,50 €

TIR 22,13%


C l i



Conclusiones

Se observa c ierta particularidad en los resultados obtencon el uso del “b a c k t ra c k in g ”, con respec to a los valoresproducción espec ífica y “Pe r fo r m a n c e Ra t io ”.

En caso el valor actual de potencia base contratada pominera fuera menor, alrededor de 20 MW, la rentabobtendría sería mucho menor, con una TIRaproximada d

Con el uso del recurso solar se dejaría de emitir anu

atmósfera unas 4.045 toneladas de CO2, aunque debisistema convencional con fuel-oil, se están emitientoneladas de CO2 adicionales. Obteniéndose un balanc3.474 toneladas al año.

Alt ti d j



Alternativas de mejora

Desarrollar en Simulink un modelo dinámico de cada cosistema híbrido, que permita realizar un mejor comportamiento del sistema durante eventos transitoindependiente de otros programas como PVSYST.

Implementar un algoritmo de análisis financiero, que perproceso de optimización y la posibilidad de analizar un mde casos y variantesde una forma más automatizada.



GRACIAS

optimización de sistema de generación con el uso de energías renovables

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