Comunicación presentada al VII Congreso Smart Grids
Autores
- Luis Arribas, investigador, CIEMAT
- Sara de la Fuente, Ingeniera Oficina Técnica, Grupo Ortiz
Resumen
La presente comunicación aborda la situación de la generación con energía minieólica en redes eléctricas de distribución en baja tensión, más particularmente, en las circunstancias que se presentan en España actualmente. Son muchos los aspectos que se suscitan cuando se acomete tal análisis, algunos de los cuales han sido incluidos: aspectos técnicos, aspectos legislativos y aspectos regulatorios. Como muestra, se ha realizado el análisis de viabilidad económica particularizado para un caso de estudio, consistente en un aerogenerador de uso compartido en Galicia, en el que se ha incluido también una metodología de diseño. En cuanto a la viabilidad técnica, se ha incluido un análisis de la influencia de la generación sobre la variación en la tensión de la red.
Palabras clave
Generación distribuida en baja tensión, minieólica, autoconsumo, compartido.
Introducción
El esquema del sistema eléctrico tradicional tiene una estructura clara en España; generación, transporte y distribución (con la presencia de las comercializadoras para realizar los trámites económicos con el consumidor final). Sin embargo, se han producido dos cambios significativos en los últimos años con respecto al sistema eléctrico: por un lado, el desarrollo de fuentes renovables (mayoritariamente solar FV y eólica), y por otro la introducción del concepto de generación distribuida y autoconsumo.
En cuanto a generación distribuida, cabe destacar que la aprobación del real decreto RD 244/2019 referente a autoconsumo desbloquea la construcción de plantas de generación distribuida, hasta ahora relativamente obstruidas. Se prevé que este tipo de generación cobre mucho más peso tanto a nivel mundial como a nivel español en los próximos años, y es por ello que en el presente trabajo se decide hacer una investigación sobre ésta.
La aplicación consistente en conectar a la red eléctrica convencional los aerogeneradores de pequeña potencia es relativamente novedosa, frente a la aplicación tradicional de los mismos conectados a sistemas aislados de la red (Arribas & de la Fuente, 2019). Esta aplicación, que en algunos países como EE.UU. o Reino Unido ya resulta frecuente, cuenta con la particularidad que supone la conexión a la red eléctrica convencional. Ha sido precisamente la conexión a red de aerogeneradores de pequeña potencia, la que ha servido de principal motor del crecimiento de esta tecnología a nivel mundial (Cruz & Arribas, 2009).
La normativa que legisla la generación distribuida en España conforma los condicionantes técnicos que tienen que cumplir estas instalaciones generadoras en cuanto a la calidad de la energía que se inyecta a la red y la legalización de éstas. Es de aplicación el Real Decreto 842/2002, de 2 de agosto, por el que se aprueba el Reglamento electrotécnico para baja tensión (REBT). Se sigue la normativa estipulada por las Instrucciones Técnicas Complementarias para Baja Tensión, pertenecientes al REBT, especialmente la ITC-BT 40 referida a Instalaciones generadoras de baja tensión. Además, son seguidas las normas UNE pertinentes en cada campo. Ejemplos de normas UNE son la familia de normas UNE-EN 61400 (trasposición de las normas internacionales IEC 61400), referidas a generación eólica. Es destacable la norma UNE-EN 50160, centrada en las características de la tensión suministrada por las redes generales de distribución, ya que el presente estudio está enfocado a la evaluación de este parámetro, y la norma UNE-EN 40438:2015 que de manera más genérica trata los requisitos para la conexión de microgeneradores a las redes generales de distribución en baja tensión.
En cuanto a la regulación, a nivel nacional está vigente el Real Decreto 1699/2011, de 18 de noviembre, por el que se regula la conexión a red de instalaciones de producción de energía eléctrica de pequeña potencia, y en cuanto a autoconsumo, el reciente Real Decreto 244/2019 de 5 de abril, por el que se regulan las condiciones administrativas, técnicas y económicas del autoconsumo de energía eléctrica. En cuanto a la clasificación de los distintos tipos de autoconsumo, así como su retribución, esos son los puntos más importantes a destacar. En la tabla siguiente se hace un resumen de las distintas modalidades.
Descripción del estudio
El objetivo principal del estudio es el análisis de una instalación de autoconsumo compartido en una red de distribución, evaluando su viabilidad económica y técnica, al incorporar tecnologías renovables (mini eólica) distribuidas. Se podría haber incluido igualmente la generación solar FV (de la Fuente., 2019). Para conseguir este objetivo, se ha elegido un caso de estudio, abordando las tareas que se describen a continuación.
En cuanto a la selección y caracterización del caso de estudio, se evalúan los recursos renovables disponibles en la localización elegida (Ortigueira, A Coruña, España). Por otro lado, se deben caracterizar los consumos del modelo estudiado, así como la red eléctrica de baja tensión en el área de estudio. También es fundamental un estudio detallado de las tecnologías de generación tenidas en cuenta, desde un punto de vista económico y desde un punto de vista de las características técnicas en cuanto a su generación.
La siguiente tarea es el diseño de la instalación óptima de autoconsumo para el caso de estudio, teniendo en cuenta la caracterización realizada. El diseño se realiza bajo un criterio económico, siendo el sistema óptimo el que suponga un menor coste para los usuarios a lo largo de la vida útil de la instalación. Una vez conocidos los costes de la instalación, se procede al análisis de la viabilidad económica del proyecto.
Por último, se realiza el análisis de la viabilidad técnica de la solución, comprobando que las afecciones de la instalación sobre la red eléctrica de baja tensión a la que se conecta cumplen la normativa vigente. Para poder realizar este análisis, es necesario seleccionar los casos de estudio más significativos, desde el punto de vista de su afección sobre la red, más concretamente, sobre la tensión de la red, en este caso.
Metodología
Se presenta a continuación una metodología de diseño de sistemas en los que se incluya generación eólica de pequeña potencia, en general, y en aplicaciones conectadas a la red eléctrica de baja tensión, en particular, que tiene un carácter secuencial en el que se recorren las distintas etapas recomendadas: recolección de datos, diseño y proyecto de implementación. Se acompaña además con la presentación de algunas de las herramientas informáticas disponibles que pueden ser utilizadas, junto con algunos comentarios sobre la viabilidad económica. Por último, aunque se trate de un estudio que es más propio de la empresa distribuidora de electricidad que del instalador o el diseñador de la aplicación eólica de pequeña potencia, se incluye también un resumen del análisis que tiene la instalación sobre la tensión de la red eléctrica de baja tensión.
Recolección de datos
La aplicación que se ha planteado para la generación minieólica conectada a una red eléctrica de baja tensión es la de uso colectivo, por una doble razón: por un lado, el nuevo marco regulatorio lo permite; por otro lado, esta aplicación permite utilizar aerogeneradores de tamaño más grande que si se plantease una instalación de uso individual, y en el caso de la generación minieólica el aumento en el tamaño del generador se traducirá en una mayor producción a un menor coste.
En esta fase es donde las entradas principales para el proceso de diseño son reunidas, tales como: caracterización del recurso eólico (con atención especial al entorno urbano, donde es más difícil de evaluar), caracterización de los consumos, caracterización de la red eléctrica e información técnica y económica de los equipos. En proyectos de un cierto tamaño, es práctica común realizar campañas en campo tanto para la caracterización del recurso eólico como del consumo; en sistemas con aerogeneradores de pequeña potencia, por el contrario, no es raro que no se disponga de datos medidos sobre todo para la caracterización del recurso eólico (lo normal hoy en día es disponer datos de algún mapa eólica regional o nacional), y a veces tampoco para la caracterización de los consumos. A continuación, se describirán estas secciones.
Consumos
Una dificultad añadida en este caso es la disponibilidad de información de los consumos de todos los usuarios implicados. En el caso de este estudio, además, se pretende analizar también la influencia sobre la tensión eléctrica en la línea. Por todo ello, para realizar este caso teórico de estudio, se ha seleccionado el modelo de red European Low Voltage Test Feeder, proporcionado por IEEE (Arritt y Dugan, 2010), una red de distribución mallada en baja tensión y a 50 Hz y cuyas dimensiones sean relativamente amplias. A esta red se encuentran conectadas 55 cargas monofásicas (los usuarios, en nuestro caso) distribuidas uniformemente, y definidas con su evolución minutal durante 24 horas. A continuación, se muestran (ver Figura 1 izquierda) tanto las 55 cargas superpuestas, como las cargas agregadas totales (ver Figura 1 derecha), donde se puede observar el perfil diario de las cargas, que se asemeja al perfil de consumo doméstico, lo cual hace a esta investigación representativa de un caso genérico.
La red eléctrica
Se han tenido las siguientes consideraciones:
- Todos los consumidores de la red están sujetos a la misma tarifa eléctrica (2.0A) y a la misma compañía
- Toda la energía autoconsumida se acoge a la modalidad de excedentes con compensación
- El precio de la energía inyectada a la red es de 0,081 €/kWh para todas las horas del día (En España la regulación actual implica Net Billing, balance monetario, con diferentes precios de compra y venta de energía.
Recurso eólico
Si no se dispone de datos medidos del recurso eólico, hoy en día existen diferentes fuentes de datos del recurso eólico, tanto a nivel global, como el Global Wind Atlas, como a nivel europeo o nacional e incluso regional, como Meteogalicia. No obstante, el recurso eólico se complica en el entorno urbano, donde se ve afectado por la presencia de obstáculos, por la temperatura y por la naturaleza dinámica del entorno. Esta complejidad conduce en última instancia a la reducción de los rendimientos de la tecnología minieólica instalada. Por ello, además de las herramientas clásicas de evaluación de la producción de energía de un aerogenerador en un emplazamiento, a partir de la curva de potencia como caracterización de la generación, y de la función de distribución de Weibull como caracterización del recurso eólico en el emplazamiento, se han producido recientemente herramientas que permiten tener en cuenta el efecto de los obstáculos sobre la producción energética de aerogeneradores. A continuación se presentan quizás las dos más comunes: myWindTurbine, desarrollada por la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU), y UrbaWind, desarrollada por la empresa francesa Metodyn.
En este caso de estudio se han utilizado series temporales obtenidas de MeteoGalicia y de Meteoblue para el emplazamiento seleccionado. Dado que se trata de un caso ficticio, no se ha aplicado ninguna de las herramientas mencionadas para tener en cuenta el efecto del entorno urbano, como debería hacerse en un caso real. Finalmente se tiene el perfil de viento medio mensual a 10 metros es el siguiente.
Aerogenerador
Para modelar en HOMER Pro el aerogenerador de pequeña potencia (minieólica) que se instalará en la red estudiada, se requiere caracterizar principalmente: los costes (instalación, reposición y O&M) y la curva de potencia. En este caso, se quiere usar un único modelo de aerogenerador para todo el posible rango de potencias, para que los datos introducidos en este componente de HOMER Pro sean fiables para cualquier potencia del aerogenerador (teniendo en cuenta que los rangos en los que nos movemos son 1 kW-100 kW). Para ello se ha elaborado una curva de variación del coste en función de la potencia, y una única curva de potencia normalizada, tal y como se muestra en la Figura 3.
Diseño
A este nivel, también existen disponibles ambas opciones de herramientas: comerciales, de las cuales el programa HOMER Pro (o HOMER Grid, en sistemas conectados a red) es una referencia internacional, o herramientas de diseño propio, que llevan tiempo y esfuerzo para ser desarrolladas y solo ofrecen mejoras a las existentes si se quiere hacer un análisis muy específico.
El análisis dinámico y de transitorios se realizan cuando el diseñador lo considera necesario, con herramientas comerciales (como PSS-E, PowerWorld, DigSilent Power Factory, etc.) o libres (como PyPower, PandaPower, OPENDSS, etc.). Será necesario incluirlo cuando se considere que el sistema puede presentar problemas de funcionamiento dinámico o que puedan darse transitorios indeseados que perturben la correcta operación. En este caso de estudio se ha utilizado HOMER Pro para la fase de diseño y OPENDSS (Dugan et al, 2018) para el análisis de tensión.
Proyecto de implementación
Una vez que la configuración y los equipos se han elegido y calculado en la etapa de anterior, es momento de establecer la documentación necesaria para la ejecución de la instalación: esquemas, planos, documentación técnica, etc. Esta es una etapa puramente ingenieril y, por lo tanto, las herramientas que se utilizan son las comunes en ingeniería, no utilizándose programas específicos para esta tecnología. Esta fase no se ha abordado en este caso.
Resultados obtenidos y discusión de los mismos
Análisis de viabilidad económica
Por un lado, se ha simulado el Caso base, en el que la totalidad de los consumos son alimentados por la red. Por otro lado, se ha simulado el Caso eólico, con la configuración óptima del aerogenerador conectado a dicha red. En este caso, la energía es consumida de la red o del aerogenerador en función de su producción, y es vendida a la red en caso de generar un excedente. Además, el modelo legislativo al que se acogerá esta instalación será el de autoconsumo compartido. Los resultados resumidos comparativos de las dos configuraciones se muestran en la Tabla II.
HOMER Pro ordena las opciones siguiendo un criterio económico, teniendo en cuenta el menor Coste Actual Neto (Net Present Cost, NPC), que consiste en el coste total de la instalación menos los ingresos que obtiene la instalación a lo largo de toda su vida útil (25 años en este caso). Se puede ver que el Levelized Cost Of Energy (LCOE), que es el coste de la energía medio producido por la instalación, experimenta una reducción notable, desde los 0,199 €/kWh del Caso base (incluye costes fijos y variables) a 0,159 €/kWh, en el Caso eólico. En general, la instalación presenta valores de los parámetros económicos aceptables, siendo una inversión rentable con un periodo de retorno típico para este tipo de instalaciones.
Análisis de la influencia sobre la tensión
Se hacen dos tipos de estudio de tensión: temporal (se evaluará la tensión a lo largo del día en puntos seleccionados de la red); y espacial (para un momento determinado, a lo largo de toda la red). Los casos que se estudiarán serán los correspondientes al Caso eólico (modelo de IEEE con la potencia óptima eólica proporcionada por HOMER Pro). En la Figura 4 se muestran las gráficas, para el punto más alejado del centro de transformación, donde el efecto podría ser más desfavorable, correspondientes a la variación de la tensión durante un día (izquierda) y a la variación a lo largo de la línea de la variación de la tensión en el momento de mayor potencia inyectada. Hay que indicar que el aerogenerador se ha ubicado precisamente cerca de este punto más lejano, para que su influencia sea mayor.
Se ha llegado a las siguientes conclusiones: la configuración eólica estudiada está dentro de los límites de tensión establecidos por la normativa española, permaneciendo en el ±10% de variaciones de la tensión permitidas en las redes de distribución; y cumple los límites de variación de ±2.5% de la tensión con respecto al centro de transformación aportado por la generación distribuida.
Conclusiones
En el presente documento se han abordado distintos aspectos relacionados con la viabilidad técnica y económica de una instalación de generación eólica conectada a la red eléctrica en baja tensión, considerando el marco regulatorio y normativo, muy cambiante en los últimos tiempos, por lo que no es descartable que sufra nuevas modificaciones en el futuro cercano. Se ha incluido también una metodología de diseño de tales sistemas, con la enumeración de herramientas informáticas disponibles.
Como caso de estudio representativo, se ha elegido un emplazamiento en una zona con buen recurso eólico, con un aerogenerador de pequeña potencia para autoconsumo colectivo en Galicia, donde se ha aplicado el análisis descrito. El diseño del sistema, así como su análisis de viabilidad económica se ha hecho con el programa HOMER Pro, obteniendo las siguientes conclusiones: desde un punto de vista económico, la solución resultante, consistente en un único aerogenerador de unos 35kW de potencia, tendría un plazo de recuperación de la inversión superior a 10 años en el actual marco regulatorio, lo que se considera como aceptable para una instalación de este tipo.
Se ha realizado también un análisis de la influencia de la generación mini-eólica sobre la tensión en la red de baja tensión. Tras haber hecho una revisión bibliográfica sobre el tema de estudio se ha elegido una red proporcionada por IEEE, European Low Voltage Test Feeder. A continuación, se ha hecho un estudio de la viabilidad técnica de dicha configuración en OpenDSS, enfocado al estudio de la tensión en la red, y comparándolo con el caso sin generación eólica. Se ha llegado a la conclusión de que está dentro de los límites de tensión establecidos.
Referencias
- Arribas L, de la Fuente S.L., 2019, Análisis de la generación con energía minieólica en redes eléctricas de distribución en baja tensión, Informe Técnico CIEMAT 1466.
- Arritt R. F. y Dugan R. C., 2010, The IEEE 8500-node test feeder», en IEEE PES T&D 2010, New Orleans, LA, USA.
- Cruz I., Arribas L., 2009, Wind Energy THE FACTS”. Capítulo 6 de Tecnología: “Small Wind Turbines
- De la Fuente S.L., 2019, Análisis de la viabilidad de la implantación de tecnología eólica y solar fotovoltaica en redes de distribución. Trabajo de Fin de Máster. Universidad Carlos III de Madrid
- Dugan R. C., Montenegro D., et al, 2018, Reference Guide. The Open Distribution System Simulator. (OpenDSS).
- IDAE, 2019, Guía de tramitación del Autoconsumo, versión preliminar.
- http://homerenergy.com (28 sep. 20)
- www.mywindturbine.com (28 sep. 20)
- https://meteodyn.com/business-sectors/microclimate-and-urban-planning/13-urba-wind.html (28 sep. 20)
- www.meteogalicia.gal/web/inicio.action (28 sep. 20)
- www.meteoblue.com (28 sep. 20)
- https://globalwindatlas.info/ (28 sep. 20)