Herramientas de análisis para simulación de sistemas híbridos

Analysis Tools for Hybrid Systems Simulation

 

Omar Guillén Solís
Instituto de Investigaciones Eléctricas, Gerencia de Energías No Convencionales,
Avenida Reforma 113, Temixco, Morelos, CP 62490, México.
Tel.: +52 (777) 362-38-11 Ext. 7771.
Fax + 52 (777) 362-38-06.
e-mail: oguillen@iie.org.mx

 

Resumen
Para facilitar y simplificar el desarrollo y análisis de un sistema híbrido en lo referente a diseño, construcción, operación y mantenimiento, resulta óptimo efectuar la simulación
de éste por medio de software, con lo cual se obtiene una reducción significativa en los costos de inversión.

Dada la mezcla de tecnologías de generación eléctrica que están involucradas en un sistema híbrido es muy importante disponer de una herramienta integrada con paquetes especializados de cómputo (software), que permitan efectuar las tareas de simulación del funcionamiento operacional de estos sistemas, sin dejar de considerar características de funcionamiento, facilidades al usuario, claridad en los resultados obtenidos y la posibilidad de su validación con respecto a prototipos instrumentados en campo; asimismo, la identificación de tareas involucradas con relación al lugar de instalación de esta tecnología de electrificación.

Actualmente la tecnología de sistemas híbridos se encuentra todavía en etapa de desarrollo en el plano internacional, y existen limitaciones importantes en cuanto a la disponibilidad de metodologías y herramientas ingenieriles para el diseño óptimo de estos sistemas. Con el desarrollo de este trabajo se pretende contribuir al avance de la tecnología y contar con herramientas propias para resolver la problemática descrita.

En este artículo se describen las actividades que más impacto tienen en el diseño y desarrollo de sistemas híbridos, así como la identificación de variables, características principales y forma de validación de herramientas en la integración de una metodología para la simulación de estos sistemas, lo que facilita su diseño y desarrollo.
Palabras clave: Sistemas híbridos, software, herramienta de análisis, metodología.

Abstract
For facilitating and simplifying hybrid system development and analysis regarding design, construction, operation and maintenance, it is convenient to make its simulation by using a software system, resulting in a significant reduction in investment costs.

Given the blend of electric generation technologies involved in a hybrid system, it is very important to have an integrated tool with specialized software that allows to make the operational simulation tasks of these systems, not losing time considering operational characteristics, facilities for the user, clear view of the results obtained and the possibility of its validation in prototypes made on the field. Likewise, tasks identification are performed on the installation site of this electrification technology.

Hybrid system technology is currently on a development stage in the international field, still significant limitations are found in tool methodologies and engineering to achieve an optimal design of these systems. This paper is aimed at contributing to the progress of this technology and to count on tools to solve the abovementioned problem.

This paper describes the activities that have a strong impact on hybrid systems design and development, as well as on variables identification, operational characteristics and validation form of the tools used in the integration of a methodology for the simulation of these systems, thus facilitating its design and development.
Key words: Hybrid systems, software, analysis tools, methodology.

I. Antecedentes
Los sistemas híbridos son sistemas de generación de energía eléctrica que emplean alguna combinación de fuentes renovables de energía, como la eólica, solar, hidráulica, biomasa, etc.; opcionalmente auxiliadas con alguna fuente de generación a base de combustibles fósiles y con almacenamiento en baterías. El funcionamiento de un sistema híbrido es difícil de verificar por la intermitencia de recursos renovables, por la necesidad de equiparar el suministro eléctrico con la demanda, y por el gran número de combinaciones y tamaños de componentes que darán pie a configuraciones potenciales.

México es un país en el que actualmente existen comunidades donde el suministro eléctrico se proporciona solamente por unas cuantas horas al día por medio de generadores diesel, por lo que sus aplicaciones y actividades productivas son muy limitadas.

Para solucionar en gran parte esta problemática, el Instituto de Investigaciones Eléctricas desde hace algunos años tiene establecida una línea de investigación en la cual trabaja para desarrollar esta tecnología en aplicaciones productivas a nivel experimental.

II. Requerimientos y características que tienen más impacto en el diseño
y desarrollo de sistemas híbridos

Para el desarrollo de sistemas híbridos ya se ha identificado una serie de requerimientos específicos y características para el abastecimiento de energía eléctrica; específicamente en comunidades rurales, gran parte de estos requerimientos se utilizan como una guía para definir y establecer el diseño de un sistema que garantice el abastecimiento energético requerido, a bajo costo, y sobre todo aceptado por la comunidad beneficiada. A continuación se mencionan algunos de los requerimientos más importantes para que el sistema sea sostenible:

• Uso de energías renovables en sitios remotos y la disponibilidad de recursos energéticos locales.
• Potencia requerida definida y constante.
• El menor costo nivelado posible de la energía generada.
• Operación y mantenimiento.
• Operación desatendida.
• Aceptación local.
• Seguridad.
• Vida útil en servicio.
• Flexibilidad y facilidad de expansión de la capacidad.
• Funcionalidad ante severas condiciones ambientales.
• Reproducibilidad.
• Creación de las estructuras de organización en la comunidad para procurar cuidados al sistema.
Otros aspectos no menos importantes se presentan en la instalación, donde gran parte de la problemática es atribuible, al igual que en el diseño, a la falta de una guía metodológica y herramientas de software; por mencionar algunos se tienen los aspectos técnicos y los no técnicos.

Aspectos técnicos
• Falta de conocimiento suficiente respecto a la disponibilidad de recursos renovables (principalmente viento) en algunos proyectos, que conduce al subdimensionamiento de los sistemas.
• Selección de componentes sin tomar en cuenta el medio ambiente del lugar de instalación de los sistemas, que conduce a fallas prematuras de partes y componentes (principalmente en zonas costeras).
• En algunos diseños no se toma en cuenta el aumento en el consumo de energía una vez que los usuarios se acostumbran al servicio eléctrico.

Aspectos no técnicos
• No se dejan partes de repuesto y componentes críticos de los sistemas en las comunidades.
• Servicios técnicos especializados y refacciones provenientes del extranjero, sin representación en México.
• Algunos de los sistemas implementados han sido únicos en su tipo.
• La cuota pagada por el servicio eléctrico en las comunidades solamente cubre los costos de operación.
• En varias comunidades beneficiadas con sistemas híbridos no se crearon estructuras organizacionales.
• Costo del sistema.

III. Tecnología informática (software) aplicable a la simulación de sistemas híbridos
Para efectuar el análisis de identificación y funcionamiento de las herramientas de cómputo (paquetes especializados de software), se procedió a investigar por diversos medios cuáles paquetes especializados efectúan alguna o varias actividades para la simulación y dimensionamiento de los sistemas híbridos de electrificación a nivel mundial; y como resultado de este análisis se identificaron tareas que resultaron muy interesantes para establecer una metodología, algunas de ellas críticas e imprescindibles; y otras de tipo complementario:

• Factibilidad técnica y económica de un sistema híbrido (crítica e imprescindible).
• Funcionamiento operacional: Simulación (crítica e imprescindible).
• Cálculo de las emisiones contaminantes evitadas por el uso de tecnologías limpias (complementaria).
• Simulación de pequeñas redes eléctricas de distribución (complementaria).
La identificación de las tareas fue resultado del análisis de cada uno de los paquetes especializados. Así se determinó que los paquetes de cómputo que resultaron más favorables en la integración de una metodología para simulación de sistemas híbridos son en cada caso: HOMER, HYBRID2, RETScreen y ViPOR; respectivamente.

III.1. Factibilidad técnica y económica de un sistema híbrido
Para cubrir la necesidad de una herramienta de planificación técnica y económica de valoración de sistemas híbridos, donde se pueda analizar y evaluar un gran número de opciones, así como la factibilidad de éstas de una manera simple y obtener una configuración óptima del sistema requerido, se identificó y comprobó que el paquete de software que más se ajusta a las necesidades antes descritas es HOMER.

HOMER es el significado en inglés de Modelo de Optimización para Sistemas Híbridos Eléctricos con Base en Energías Renovables (Hybrid Optimization Model for Electric Renewables) desarrollado por NREL (National Renewable Energies Laboratory, Estados Unidos).

Como una de las características principales de HOMER, éste se identifica como una herramienta útil para determinar el menor costo de la energía generada a las comunidades remotas ($/kWh). Esto es realizado mediante simulaciones de cada hora de funcionamiento de miles de sistemas potenciales analizando los costos del ciclo de vida útil. También realiza análisis de sensibilidad para evaluar el impacto de un cambio en cualesquiera de los parámetros de entrada y proporciona resultados anuales, de cada hora, y en forma tabular y gráfica.

Entre las características principales del paquete se destacan las siguientes:
• Optimizar el diseño, llegando a la configuración del sistema con el costo mínimo de energía nivelado.
• Considerar generación hidráulica, biomasa e hidrógeno.
• Comparar sistemas híbridos a extensión de red convencional.
• Considerar mezclas de cargas en corriente alterna y corriente directa.
• Realizar análisis de sensibilidad.
Entre los datos proporcionados por HOMER, las principales variables indicativas de cada configuración son: Valor presente neto del sistema ($) y costo nivelado de energía generada ($/kWh), en la que la configuración óptima resulta la de menor costo nivelado.

III.2. Funcionamiento operacional (simulación)
Para realizar la simulación del funcionamiento y operación de un sistema híbrido se identificó una herramienta ya utilizada en diferentes tipos de sistemas y en distintas condiciones de operación, así como de aplicaciones. Para utilizar esta herramienta es necesario establecer como características principales de entrada que se realice una evaluación preliminar de los componentes del sistema híbrido, como paneles fotovoltaicos, aerogeneradores y moto-generadores a diesel, controlador e inversor de carga (este último, si se requiere). También se debe realizar una evaluación y caracterización de los recursos disponibles de energías renovables y establecer un patrón de consumo energético de la aplicación en análisis: la demanda eléctrica de una comunidad o de un proceso productivo.

La herramienta identificada para estos fines es HYBRID2. Este paquete de cómputo emplea un análisis estadístico para hacer más preciso su cálculo durante el intervalo de tiempo de registro de los datos, y puede modelar sistemas con series de tiempo de cualquier tamaño (días, horas, minutos, etc.). HYBRID2 también fue desarrollado por NREL.

Entre las características principales del paquete se destacan las siguientes:
• Simular sistemas con más de un generador diesel.
• Realizar simulaciones con tiempos de análisis menores a una hora.
• Considerar variabilidad del recurso y valores de carga dentro de un solo intervalo de tiempo.
• Simular mezclas de cargas en corriente alterna y corriente directa.
• Simular más estrategias de suministro.

Con la utilización de este programa se pretende disminuir los costos inherentes al diseño y desarrollo (proyecto de ingeniería) de los sistemas híbridos, dado que no es necesario implementar físicamente un prototipo para validar un diseño; y una sola persona puede manejar en la computadora el paquete de cómputo.

III.3. Emisiones contaminantes evitadas por el uso de fuentes renovables
para generación eléctrica

Sobre este rubro, que resulta de gran importancia actualmente, es indispensable calcular los gases contaminantes no emitidos a la atmósfera por utilizar fuentes renovables de energía. Estos cálculos son la base para promover y en su caso solicitar instrumentos de financiamiento para el desarrollo y operación de los sistemas, como son los bonos de carbono de la Organización de Naciones Unidas (entre otros mecanismos); además de contribuir a la mitigación de gases de efecto invernadero.

La herramienta identificada para realizar esta tarea es RETScreen. Este programa se distribuye gratuitamente (previo registro) por los sitios Web del Gobierno de Canadá, a través de su Ministerio de Recursos Naturales (CANMET) y su Laboratorio de Investigación en Diversificación de Energía (CEDRL).

El programa está diseñado en hojas de cálculo interactivas de Microsoft-Excel®. Provee una plataforma común, tanto para toma y soporte de decisiones como para propuestas de incremento de capacidad de generación ante sistemas ya construidos. Evalúa y analiza la producción de energía, costos en el ciclo de vida útil y emisiones evitadas de gases de efecto invernadero; todo para las distintas tecnologías de generación eléctrica disponibles con base en energías renovables: solar (fotovoltaico y térmico), eólica, biomasa e hidráulica; cada una con su propia hoja de cálculo y por separado.

Entre las características principales del paquete resaltan:
• Algunos costos de equipos ya cargados por definición.
• Análisis de emisiones evitadas de gases de efecto invernadero por utilizar fuentes renovables
de energía.
• Flujos de caja (ingresos y egresos en el tiempo).
• Tipos de cambio monetario para varias divisas de trabajo.
• Acceso a su propia base de datos climatológicos mundiales, en línea.
• Acceso a la base de datos climatológicos mundiales de la NASA, en línea.
Es importante resaltar que cada uno de los módulos de RETScreen está diseñado para analizar una tecnología de energía renovable por separado; es decir, si se analiza un proyecto híbrido, tendrán que ingresarse las características de la componente fotovoltaica en el módulo correspondiente, las componentes eólicas en otro módulo, y así con las otras fuentes de energía, para finalmente obtener como resultado la suma de todos los efectos.

III.4. Simulación de pequeñas redes eléctricas de distribución
Se consideró útil incluir esta tarea como integración completa del sistema híbrido a las comunidades que vayan a ser objeto del proyecto de electrificación. Una vez configurado y construido un sistema híbrido, deben concebirse también los medios para hacer llegar su energía a las aplicaciones requeridas: electrificación general a una pequeña comunidad, sistemas de bombeo de agua, telecomunicaciones, etc. Para tal fin, es necesaria una herramienta de cómputo que simule la optimización de la pequeña red de distribución transportadora del fluido eléctrico
a las aplicaciones solicitadas.

La herramienta identificada para realizar esta tarea es ViPOR. Este es un modelo de optimización para sistemas de electrificación de pequeñas comunidades. ViPOR significa modelo de optimización para electrificación de pequeñas comunidades con energías renovables (Village Power Optimization Model for Renewables). También fue creado por NREL.

Dado un mapa de la pequeña comunidad e información sobre los tamaños de carga y costos de equipos, ViPOR determina cuáles viviendas deben alimentarse por sistemas aislados, generalmente fotovoltaicos (FV); y cuáles deben ser incluidos en la red centralizada de distribución. La red de distribución se diseña de manera óptima con consideración a costos y topografía del sitio.

El paquete también efectúa comparaciones de una minirred optimizada con respecto a electrificar la comunidad en estudio con sistemas aislados domiciliarios únicamente. Estos sistemas son generalmente fotovoltaicos.

IV. Metodología para la simulación y evaluación de sistemas híbridos
Una vez concluida la revisión de las herramientas de cómputo, se procedió a conformar una metodología que involucrara el software evaluado, mediante pasos establecidos con base en el análisis habitualmente realizado para el diseño, desarrollo y pruebas experimentales, así como también el análisis de factibilidad técnica y económica de proyectos de esta naturaleza.

Se concibió como el objetivo principal en el desarrollo de la presente metodología, la sistematización de una serie de pasos por módulos que conlleven al diseño y dimensionamiento de un sistema híbrido para electrificación rural, considerando como premisas tener un rendimiento óptimo y funcional. Dentro de la serie de pasos principales para el establecimiento de una metodología, queda implícita la aplicación de los paquetes de cómputo en el módulo correspondiente; se tiene así la estructura siguiente:

Módulo 1. Información
• Conocer las necesidades de electrificación.
• Obtener de alguna fuente o generar información de los recursos energéticos aplicables.
• Procesamiento de la información.
• Visitas de campo para la obtención de información de proyecto.
• Cálculo de las necesidades de energía.
• Obtención de costos de componentes de sistemas de electrificación rural.
• Diseño preliminar de las instalaciones necesarias.

Módulo 2. Ejecución de programas (software)
• Análisis de sensibilidad de costos. Obtención de costos nivelados de energía
(utilización de HOMER)
.
• Simulación preliminar del sistema. Obtención de la configuración óptima (utilización de HOMER).
• Simulación operacional. Refinamiento del sistema (utilización de Hybrid2).
• Análisis económico y financiero.
• Análisis de mitigación de gases de efecto invernadero (utilización de RETScreen).
• Si se requiere diseño e implementación de la pequeña red de distribución eléctrica (utilización de ViPOR), deberá definirse al inicio de la aplicación de la metodología, es decir, cuando se definen las necesidades de electrificación.

Módulo 3. Resultados
Presentación del anteproyecto
En este último módulo se describe un anteproyecto completo con su análisis técnico y económico, listo para desarrollar un proyecto ejecutivo y posteriormente establecer los convenios para su desarrollo y operación.
En el siguiente diagrama de flujo se muestran, de manera secuencial, los pasos de la metodología.




Fig. 1. Diagrama de flujo de la metodología.

V. Aplicación de la metodología
Para ejemplificar la aplicación de la metodología se realizó una comparación entre la información generada por un programa y la obtenida de un sistema híbrido experimental.

Se efectuó una comparación general de los parámetros generados en campo en un sistema híbrido experimental y datos generados por el software HYBRID2 y se compararon ambas fuentes de información por medio de diferencias absolutas y relativas; se obtuvieron, de esta manera, indicadores estadísticos y gráficas del análisis efectuado.

El sistema híbrido experimental contra el cual se compara la información generada por software está ubicado en la ciudad de Pachuca, estado de Hidalgo; a 70 km al Norte de la ciudad de México; y tiene una capacidad instalada de 2,7 kW en paneles fotovoltaicos, 2,5 kW en pequeñas turbinas eólicas, un banco de baterías de 1 500 Ah a 12 V, y un motogenerador de gasolina
de 6,4 kW.


Fig. 2. Sistema híbrido experimental ubicado
en la ciudad de Pachuca, Hidalgo.

Los parámetros de comparación entre el sistema experimental y el programa de simulación HYBRID2 corresponde a la variables de radiación solar (W/m²), generación FV (W), velocidad del viento (m/s), generación eoloeléctrica (W), temperatura (ºC), potencia de entrada a las baterías (W), potencia de salida de las baterías (W).

Para poder realizar la comparación entre ambas fuentes de información se definieron dos condiciones que utilizan el cálculo de diferencias entre valores:
La diferencia absoluta parte de la diferencia en valor absoluto entre valores de una misma variable para ambas fuentes de información y en un mismo período de análisis. Posteriormente se calculan los promedios de los valores obtenidos.

Por otra parte, la diferencia relativa se obtiene calculando la diferencia, en tanto por ciento, entre valores de una misma variable de ambas fuentes de información. Estos valores, de manera adimensional, permiten calcular promedios de comportamiento entre distintas variables, y también poder estimar un índice de comportamiento general del sistema híbrido.

Otro parámetro necesario en la validación es la definición del índice de confiabilidad entre fuentes de información, que equivale al complemento de la diferencia relativa para llegar a 100 %.
Para entender mejor estos conceptos se utiliza un ejemplo: Hybrid2, donde se estimó una temperatura de 12 °C en un intervalo, y el sistema experimental reportó para el mismo período de análisis una temperatura de 14 °C. La diferencia absoluta entre estos dos valores es de 2 °C, y la relativa es de 14 %. El complemento a 100 % de este último valor es 86 %, y precisamente éste es el índice de confiabilidad entre ambas fuentes de información.

Una confiabilidad entre fuentes más cercanas a 100 % indica una menor diferencia comparativa entre datos calculados (Hybrid2) y datos colectados en campo (sistema híbrido de Pachuca). A mayor diferencia, menor confiabilidad entre fuentes, y viceversa.

Para el caso de la variable temperatura, el análisis arrojó los resultados mostrados en la siguiente gráfica:


Fig. 3. Comparación gráfica entre parámetros
de funcionamiento de la variable temperatura.

En este caso particular, la diferencia promedio entre fuentes de información para la variable temperatura es de 20 %, con una correspondiente confiabilidad de 80 %.

VI. Conclusiones
La metodología de trabajo expuesta estará en constante proceso de revisión, ya que es susceptible de actualizarse o adaptarse según las necesidades de quien la aplique.
En el análisis comparativo, HYBRID2 no toma en cuenta algunos sucesos de variables que se ven en las gráficas, como la probabilidad de que se presenten ráfagas instantáneas de altas velocidades de viento, frecuentes en Pachuca.

Es destacable que la mayoría de los paquetes utilizados provienen de NREL (National Renewable Energies Laboratory, Estados Unidos). Esto no significa que se esté haciendo una abierta propaganda hacia esta institución, pero es de hacer notar la disponibilidad de acceso a sus herramientas de cómputo y la claridad con la cual es posible trabajar con ellas, que ninguna otra institución mostró dentro del análisis. Otras instituciones poseen paquetes a nivel experimental, sin disponer de versiones comerciales o de evaluación, por lo que no fue conveniente incluirlas en el desarrollo de la metodología de diseño e implementación de sistemas híbridos de electrificación aislada de la red convencional.

Las herramientas de análisis (software) deben tomarse como ayudas que facilitan efectuar las tareas pesadas del diseño y evaluación de los sistemas híbridos. Tales herramientas permiten afinar el criterio y la sensibilidad para juzgar los resultados que presentan y canalizarlos así a un buen diseño. Con base en la experiencia se mejora este criterio.

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