Comunicación presentada al VII Congreso Smart Grids
Autores
- Oleksandr Novykh, Juan Albino Méndez Pérez y Benjamín González-Díaz, Dep. Informática y Sistemas, Escuela Superior de Ingeniería y Tecnología, Universidad de La Laguna
- Igor Sviridenko, Departamento de Estructuras Energéticas, Instituto Marítimo, Universidad Estatal de Sebastopol
- Dmitry Vilenchik
Resumen
Cualquier sistema de energía se caracteriza por un cambio constante en el tiempo en la carga en la red eléctrica. Esto es especialmente cierto en el caso de los sistemas de energía cerrados que se encuentran en islas pequeñas. En última instancia, estas fluctuaciones en la carga de tiempo en la red eléctrica conducen a una pérdida significativa de eficiencia en el uso del combustible original o fuente de energía renovable. Desafortunadamente, las tecnologías existentes para la acumulación de energía eléctrica son bastante caras e ineficientes desde un punto de vista económico. En los últimos años, muchas fábricas han estado trabajando en la gestión activa de los consumidores de energía eléctrica, lo que hace posible optimizar el consumo de energía eléctrica en todos los niveles del sistema energético. El uso de la tecnología de las centrales eléctricas virtuales como parte de las centrales híbridas con consumidores activos permite igualar significativamente la carga en la red eléctrica y, como resultado, mejorar significativamente la eficiencia del sistema de energía híbrida en general.
Palabras clave
Plantas de energía híbridas; Centrales eléctricas virtuales; Consumidores activos.
Introducción
Cualquier sistema de energía se caracteriza por un cambio constante en el tiempo en la carga en la red eléctrica. Esto es especialmente cierto en el caso de los sistemas de energía cerrados que se encuentran en islas pequeñas. En última instancia, estas fluctuaciones en la carga de tiempo en la red eléctrica conducen a pérdidas significativas en la eficiencia del uso del combustible original.
Recientemente, en todas partes, incluso en las islas, para la generación de energía eléctrica, las fuentes de energía renovables, como el viento y el sol, se han vuelto muy activas. Sin embargo, la potencia de estos tipos de generadores de energía eléctrica se caracteriza por fuertes fluctuaciones en el tiempo, que deben compensarse por el uso de otros tipos de generadores o baterías de energía eléctrica. Si la participación del uso de fuentes de energía renovable en el balance general de la producción de energía eléctrica es significativa, esto conduce a dificultades adicionales y pérdidas adicionales en el sistema energético. La máxima eficiencia en la operación del sistema de energía es posible solo al igualar en el tiempo la carga en la red eléctrica.
La razón principal del constante cambio en el tiempo de la carga en la red eléctrica es el caótico encendido y apagado de un gran número de consumidores. Además, la generación de energía eléctrica utilizando fuentes de energía renovables también se caracteriza por fluctuaciones significativas en el tiempo. Alinear la carga de dos maneras:
Asegurar la acumulación de energía eléctrica utilizando dispositivos especiales en el período de exceso de energía eléctrica en la red y el uso de energía almacenada durante el período pico.
Gestión activa de los consumidores de energía eléctrica al encenderlos y apagarlos, dependiendo de la carga en la red eléctrica.
Desafortunadamente, las tecnologías existentes para la acumulación de energía eléctrica son bastante caras e ineficientes desde un punto de vista económico. Los más difundidos en este momento recibieron la acumulación de tecnología. Sin embargo, por un lado, esta tecnología requiere gastos de capital bastante grandes y, por otro lado, durante cada ciclo de carga y descarga, la pérdida de energía eléctrica es más del 30%.
En los últimos años, muchas fábricas han estado trabajando en la gestión activa de los consumidores de energía eléctrica, lo que hace posible optimizar el consumo de energía eléctrica en todos los niveles del sistema energético. Han aparecido nuevos términos, como «casa inteligente», «ciudad inteligente», «planta de energía virtual», etc. Todo esto ha sido posible gracias a la amplia difusión de las modernas tecnologías de la información. Al mismo tiempo, si una «casa inteligente» o «ciudad inteligente» le permite optimizar el consumo de energía de un objeto en particular y reducir sus pérdidas de energía, la «planta de energía virtual» optimiza la colaboración de un gran número de generadores de energía eléctrica descentralizados y consumidores, lo que en última instancia le permite administrar activamente la carga En la red eléctrica.
El término «planta de energía virtual» apareció hace solo unos años. Es por eso que en la literatura no existe una definición clara e inequívoca de este término. Algunos autores consideran la planta de energía virtual como una comunidad digital de generadores descentralizados, que utilizan principalmente fuentes de energía renovables (biogás, energía eólica, plantas de energía solar e hidroeléctrica) y otros productores de electricidad descentralizados (Виртуальная электростанция Next Pool: 4 ГВт по итогам 2017 года – RenEn). Otros autores agregan al generador de energía eléctrica baterías más descentralizadas, que proporcionan la acumulación de electricidad en ciertos intervalos de tiempo (UK Power Networks-‘Electricity network plan to launch London’s first ‘virtual power station‘ ). En tercer lugar, a los elementos que ya figuran en la lista agregue «consumidores activos», que pueden activarse o desactivarse mediante un comando desde un único centro de información (What is a Virtual Power Plant?-Next).
Sin embargo, primero se debe entender que las plantas de energía virtual permiten el control remoto de energía utilizando sistemas de software modernos que proporcionan al usuario final los datos necesarios para tomar una decisión informada y, al mismo tiempo, pueden responder rápidamente a las cargas en constante cambio (Virtual Power Stations or Virtual Power Plants (VPS/VPP)-Powerstar). Por lo tanto, la composición de una planta de energía virtual puede incluir generadores descentralizados de energía eléctrica y baterías descentralizadas y cualquier consumidor de energía eléctrica. El objetivo principal de una central eléctrica virtual es aumentar la eficiencia del funcionamiento de todo el sistema de energía en su conjunto, y no sus elementos individuales. Aunque este último no está excluido en los sistemas locales.
Plantas de energía híbridas
Las plantas de energía híbrida modernas incorporan los siguientes elementos principales: un generador de energía eléctrica que utiliza una fuente de energía renovable (viento o sol), un sistema de almacenamiento de energía y un motor térmico. El último elemento, como regla, realiza simultáneamente dos funciones: proporciona un suministro de energía estable durante el período de reducción o ausencia completa de una fuente de energía renovable, y también proporciona compensación por las repentinas fluctuaciones de carga en la red eléctrica.
Por supuesto, es posible regular las fluctuaciones de carga en la red eléctrica utilizando un sistema de almacenamiento de energía, pero esto no siempre es posible y económicamente viable. Las tecnologías modernas de almacenamiento de energía tienen una cierta inercia, que no permite un cambio rápido en la potencia de generación. Además, en algunos casos, esto conduce a una pérdida suficientemente grande de energía eléctrica. Esto se aplica especialmente a los sistemas de hidroacumulación de energía eléctrica.
Uno de los ejemplos más típicos de una central eléctrica híbrida es la central eléctrica de Gorona del Viento, que se encuentra en la isla de El Hierro. El diagrama esquemático de esta central eléctrica se muestra en la Figura 1 a.
Toda la información sobre el funcionamiento de los elementos principales de la central eléctrica de Gorona del Viento se digitaliza y transmite en tiempo real al sistema de gestión unificado de Red Eléctrica de España. Por lo tanto, cualquier usuario de Internet puede monitorear la situación en la red eléctrica de la isla de El Hierro en tiempo real.
Virtual Power Plant
La presencia del sistema de información de Red Eléctrica de España como parte de la central híbrida de Gorona del Viento le permite crear una planta de energía virtual en la isla de El Hierro que administrará «consumidores activos», que equilibrarán la carga en la red eléctrica y, por lo tanto, aumentarán la eficiencia de la red eléctrica de toda la isla. En primer lugar, las máquinas de refrigeración, los acondicionadores de aire centrales, los calentadores de agua eléctricos, las calderas eléctricas de agua, etc. deben considerarse como «consumidores activos». Algunas modificaciones de estos dispositivos son capaces de acumular energía térmica y desconectarse de la red eléctrica durante algún tiempo sin perjudicar el rendimiento de su función principal.
Permítanos señalar, por ejemplo, el horario de operación de los generadores diésel de la central eléctrica de Gorona del Viento por un día el 19 de agosto de 2018 (Figura 2a).
Como se puede ver en la gráfica de la Figura 2a, La potencia de los generadores diésel cambia constantemente en el tiempo, lo que se debe a los cambios en la carga de la red eléctrica. Tal trabajo de los motores diésel conduce a pérdidas adicionales de combustible, lo que reduce la eficiencia de la planta de energía. Suponga que los motores Caterpillar 3512A modernos se utilizan como generadores diésel, que en el modo principal tienen una potencia nominal de 965 kW. Para garantizar la carga máxima se requerirá el funcionamiento paralelo de dos de estos motores. El consumo de combustible de estos motores depende naturalmente del nivel de potencia.
Como se puede ver en los gráficos Figura 2b con una caída en la carga de los generadores diésel, su eficiencia disminuye y el consumo específico de combustible aumenta. Cuanto mayor sea la desviación de la potencia nominal, mayor será el consumo específico de combustible por unidad de potencia.
Debido a las fluctuaciones en la carga de los motores diésel, como se muestra en el gráfico de la Figura 2a, el consumo excesivo de combustible en comparación con el consumo específico de combustible en el modo nominal fue de 514 litros por día para ambos motores o de 257 litros por día por cada 1 MW de potencia del motor. Por lo tanto, al operar los motores diésel de la central eléctrica de Gorona del Viento a plena capacidad, como se muestra en la Figura 1b del 22 de agosto de 2017, el consumo excesivo total de combustible será de más de 1,800 litros de combustible diésel por día. Esta es una pérdida bastante alta.
Para reducir estas pérdidas de combustible diésel de dos maneras. La primera forma es instalar una gran cantidad de motores diésel de bajo consumo, aproximadamente 200–300 kW cada uno. Individualmente, el motor funcionará en modo nominal, y el cambio de carga en la red eléctrica se puede ajustar apagando un cierto número de motores. Cuanto menor sea la potencia de cada motor individual, más suave se puede hacer el control de potencia. Tal camino es técnicamente posible, pero no económicamente viable.
La segunda forma es crear una planta de energía virtual utilizando pequeños acumuladores de energía y consumidores activos (Figura 4a). Este camino es más sencillo y más prometedor. La esencia de este método es que el generador diésel funciona a la vez que la potencia constante. Además, esta potencia puede variar en un cierto rango, como consecuencia de las fluctuaciones de la carga en la red eléctrica (línea azul, Figura 4a) Si la carga en la red eléctrica aumenta, entonces se iniciará de manera gradual de los usuarios activos (zona roja, Figura 4a). Si hay una disminución en la carga de la red eléctrica, por el contrario, se incluyen los consumidores activos. Por lo tanto, la carga en la red eléctrica cono constante, lo que garantiza un funcionamiento óptimo y eficiente de los motores diésel.
Los enfriadores, especialmente los inversores, que pueden cambiar su potencia sin problemas, son los más adecuados como consumidores activos para una planta de energía virtual de este tipo. Especialmente, cabe señalar que ya en la composición de la central eléctrica de Gorona del Viento existen elementos que pueden utilizarse para equilibrar la carga en la red eléctrica. En la figura 1a. Se muestra que el enfriamiento de los motores diésel se realiza mediante torres de enfriamiento seco, que incorporan ventiladores eléctricos.
Para desviar a la atmósfera toda la energía térmica del sistema de refrigeración y el circuito de utilización de un motor de aproximadamente 1 MW, se requerirá una potencia total del ventilador de al menos 50 kW. Para dos motores, la potencia total del ventilador será de 100 kW. Si entre los puntos 1 y 2 de la Figura 1a se encienden un acumulador de agua fría con elementos de congelación y una bomba de calor, entonces, durante la carga máxima en los motores, los ventiladores y las bombas de circulación del circuito de enfriamiento pueden apagarse sin afectar el funcionamiento normal del motor diésel.
En la Figura 3a se muestra un diagrama esquemático de dicho acumulador de agua fría, que es un recipiente con aislamiento térmico lleno de anticongelante. Dentro del tanque hay elementos de congelación esféricos que aumentan significativamente la capacidad de almacenamiento de este diseño. El anticongelante es enfriado por un enfriador inversor, que puede ajustar suavemente la capacidad de enfriamiento.
Al mismo tiempo, no es necesario construir contenedores especiales para dicho diseño. Puede usar baterías de agua fría estándar, que son producidas por la industria hasta 5,000 litros.
El uso de este diseño compensará los saltos de carga a corto plazo dentro de los 100 kW simplemente apagando los ventiladores y las bombas de circulación de las torres de enfriamiento seco del sistema de enfriamiento del motor diésel. Cuando la carga cae, los ventiladores se encienden y compensan una disminución en la potencia de los consumidores a 100 kW. Con una caída adicional en la carga, la bomba de calor se enciende y congela los acumuladores de frío para su uso posterior en el sistema de refrigeración de los motores diésel.
El segundo grupo de consumidores activos, que debería incluirse en la composición de la planta de energía virtual, son los sistemas de enfriamiento centralizados de supermercados y tiendas grandes y medianas (Figura 3b).
Por ejemplo, el almacén promedio del sistema “5 Océanos” está equipado con congeladores potentes para almacenar productos alimenticios que consumen al menos 200 kWh de energía eléctrica por día. Esto es suficiente para compensar parcialmente las fluctuaciones en la carga en la red eléctrica. En principio, incluso los refrigeradores domésticos pueden incluirse en la composición de una central eléctrica virtual. Su poder es, por supuesto, insignificante, pero están presentes en cada hogar y hay muchos de ellos. Según las estadísticas, la potencia total de todos los refrigeradores domésticos es al menos el 15% de la potencia de todos los consumidores domésticos.
Algoritmos de administración de energía virtual
Para optimizar el funcionamiento de la central eléctrica de Gorona del Viento utilizando la tecnología de una central eléctrica virtual, se pueden aplicar una variedad de algoritmos de control. Algunos algoritmos pueden reducir la pérdida de un elemento de una planta de energía híbrida, mientras que otros algoritmos le permiten optimizar la eficiencia de todo el complejo energético. Considere varias variantes posibles de tales algoritmos.
Optimización de motores diésel y turbinas hidráulicas.
Si la potencia de los consumidores activos no es suficiente para igualar completamente la carga de los motores de combustión interna o una turbina hidráulica, entonces es posible aplicar un algoritmo para cortar los picos de carga. La esencia de este algoritmo es utilizar el retardo de aumento de potencia durante un cierto período de tiempo. Si después de un retraso la potencia de los consumidores continúa creciendo, la potencia del motor aumenta. Si no hay un aumento adicional en la potencia, se corta el pico de la carga. Por ejemplo, este algoritmo de control se puede demostrar utilizando el ejemplo de operación del motor 19/08/2018 (gráfico Figura 4b).
El uso de este algoritmo hizo posible estabilizar casi completamente el funcionamiento del primer motor al nivel de la carga nominal y estabilizar parcialmente el funcionamiento del segundo motor. En última instancia, esto llevó a una reducción en el consumo diario de combustible de 350 litros. Del mismo modo, es posible estabilizar el funcionamiento de la turbina hidráulica, lo que también conducirá a un aumento de su eficiencia.
Mejora de la eficiencia de bombas y turbinas hidráulicas.
En la sección anterior, se mostró un algoritmo para suavizar los picos de carga en la red eléctrica apagando los consumidores activos. Sin embargo, el algoritmo inverso también es posible, que consiste en forzar a los consumidores activos a operar a ciertos intervalos. Las bombas y las turbinas hidráulicas funcionan eficazmente en un amplio rango de carga. Sin embargo, tan pronto como la carga en estos elementos disminuye al nivel inferior máximo, su eficiencia disminuye considerablemente. Por ejemplo, las turbinas Pelton instaladas en la central hidroeléctrica de Gorona del Viento tienen una potencia nominal de 2.830 kW.
En este caso, según la fuente (Taveira, Nuno, y otros. The Hybrid Power Plant in El Hierro Island: Facts and Challenges from the Wind Farm Perspective. 11,62913,150), el límite inferior de potencia permitido en el sistema de regulación es del 10% o 280 kW. En el modo de operación nominal, el consumo de agua es de 636 m3 / MWh. Y cuando opera con una carga del 10% del nominal, el consumo de agua aumenta dramáticamente a 890 m3 / MWh, por lo tanto, se perderán irremisiblemente 254 m3 de agua, y se perderán irremisiblemente 400 kWh de energía eléctrica en el lugar con ellos. Si en este momento, enciende a la fuerza a los consumidores activos con una potencia total de aproximadamente 283 kW, entonces estas pérdidas pueden evitarse casi por completo.
Por lo tanto, el consumo de agua permanecerá casi sin cambios, y la producción de electricidad dentro de una hora aumentará de 283 kW a 500 kW (aproximadamente). Del mismo modo, puede aumentar la eficiencia de las bombas. Se puede utilizar energía eléctrica adicional para cargar baterías frías en el sistema de enfriamiento de generadores diésel y otros consumidores activos.
El algoritmo de control de una central eléctrica virtual en este caso también es bastante simple. Cuando la carga de una turbina o bomba hidráulica cae, el sistema comienza a conectar a los consumidores activos y mantiene la carga en un nivel óptimo. Si en la siguiente etapa la carga en la red continúa cayendo, y el potencial de los consumidores activos se consume por completo, el sistema simplemente apaga la turbina o bomba hidráulica. La reducción adicional de su poder simplemente no es económicamente viable y solo conlleva pérdidas adicionales.
Conclusiones y perspectivas
- La aplicación de la tecnología de las centrales eléctricas virtuales como parte de las centrales híbridas mejorará significativamente la eficiencia de todo el sistema de energía, especialmente en las islas. Debe destacarse particularmente que la tecnología propuesta mejorará significativamente la eficiencia del sistema de acumulación hidráulica de energía eléctrica. Las pequeñas fluctuaciones a corto plazo de la carga en la red eléctrica de hasta 200–300 kW se compensarán con una central eléctrica virtual, que estabilizará el funcionamiento de las turbinas hidráulicas y las bombas de agua al nivel de potencia óptimo. Además, esta tecnología reducirá la pérdida de combustible durante el funcionamiento de los generadores diésel.
- La acumulación de energía en los acumuladores de frío se produce debido a la reducción de las pérdidas de energía eléctrica en el sistema de almacenamiento por bombeo y no requiere costos adicionales. En el futuro, la energía acumulada se utiliza para reducir el consumo de combustible de los generadores diésel, lo que permite obtener un efecto económico adicional significativo. Además, los consumidores activos utilizan parcialmente para su trabajo energía eléctrica adicional, que se obtiene al reducir las pérdidas, lo que en última instancia conduce a un aumento en la eficiencia de todo el complejo energético en su conjunto.
- Inverter chillers allow you to smoothly adjust the cooling capacity and, consequently, the smooth change in energy consumption. This allows you to smoothly regulate the load in the electrical network.
- En este documento, se mostró la eficiencia de la planta de energía virtual con una pequeña potencia total de consumidores activos dentro de los 100 a 200 kW. Sin embargo, la mayoría de estos consumidores activos son elementos de la central eléctrica de Gorona del Viento. A medida que crezca el número y la capacidad de los consumidores activos, aumentará la eficiencia de toda la central eléctrica. Para los consumidores activos dados en este trabajo, será posible agregar varios calentadores eléctricos potentes, tanto industriales como domésticos, sistemas de enfriamiento de equipos industriales, etc.