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IMPLANTACIÓN DE ENERGÍAS RENOVABLES EN UNA
PLANTA DE PRODUCCIÓN DE AMONIACO
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7. Simulación
7.1. Simulación por ordenador
La simulación por ordenador permite modelar sistemas complejos en el ordenador
y experimentar con ellos para poder comprenderlos y ver cómo se comportan ante
variaciones de los parámetros bajo los cuales están sometidos. Por ejemplo,
podemos simular en el ordenador lo que pasaría si un viento de 150 Km/h chocara
contra un aerogenerador y ver cómo afecta a su estructura sin necesidad de
construirlo ni esperar a que llegue un huracán. Esta claro, que el ahorro en tiempo,
dinero y por qué no, la seguridad para las personas, justifica con mucho simular el
sistema.
La utilización del ordenador y su capacidad de cálculo, permite obtener las
ecuaciones diferenciales (que casi siempre intervienen en el comportamiento de
los sistema complejos) sin necesidad de resolverlas. Además analiza y visualiza
los datos e introduce perturbaciones en el sistema para poder analizar su
comportamiento.
La simulación por ordenador se puede aplicar a casi cualquier rama de la ciencia:
ingeniería, genética, historia, sociología e historia, entre otros.
Existen diversas herramientas para la simulación de sistemas basados en energía
renovables. A la hora de la realización de este proyecto se ha utilizado la
aplicación llamada HOMER.
7.2. HOMER
HOMER es una herramienta de planificación técnica y económica de valoración de
sistemas híbridos, donde se puede 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. Está desarrollado por NREL (National Renewable
Energies Laboratory, Estados Unidos).
HOMER es el significado en inglés de «Modelo de optimización para sistemas
híbridos eléctricos con base en energías renovables» (Hybrid Optimization Model
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for Electric Renewables) desarrollado por primera vez en 1992 por la NREL
(National Renewable Energies Laboratory, Estados Unidos) [18].
Como característica principal de HOMER se identifica que es una herramienta útil
para determinar el menor costo de la energía generada a las comunidades
remotas.
Figura 29: Esquema de sistema energético simulado por HOMER
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 cualquiera
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 de sistema con el costo
nivelado de energía mínimo.
• 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.
El análisis de sensibilidad es una de las partes más importantes en el estudio de
este tipo de problemas, sobre todo para la toma de decisiones. Permite determinar
cuando una solución sigue siendo óptima, dados algunos cambios ya sea en el
entorno del problema o en los datos del problema mismo.
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Este análisis consiste en determinar que tan sensible es la respuesta del problema,
al cambio de algunos datos.
La variación en estos datos del problema se estudiará individualmente, es decir, se
analiza la sensibilidad de la solución debido a la modificación de un dato a la vez,
asumiendo que todos los demás permanecen sin alteración alguna. Esto es
relevante porque se está hablando de que la sensibilidad es estática y no
dinámica, pues solo contempla el cambio de un dato a la vez y no el de varios.
El objetivo principal del análisis de sensibilidad es establecer un intervalo de
números reales en el cual el dato que se analiza puede estar contenido, de tal
manera que la solución sigue siendo óptima siempre que el dato pertenezca a
dicho intervalo.
Entre los datos proporcionados por HOMER, las principales variables indicativas
de cada configuración son el valor presente neto del sistema ($) y el costo nivelado
de energía generada ($/kW·h), siendo la configuración óptima la de menor costo
nivelado.
El paso de tiempo, por defecto, para las simulaciones es de una hora, pero se
puede reducir hasta minutos, y el horizonte temporal de simulación suele ser de un
año. Los resultados obtenidos, se pueden contemplar en pantalla, o se pueden
exportar a un procesador de datos, como por ejemplo Excel. Debido a la
información que se solicita para cada uno de los equipos que van a aparecer en la
instalación a simular, este tipo de herramienta es más indicada para estudios
económicos que energéticos [19].
7.3. Funcionamiento básico de HOMER
Una vez presentado la herramienta HOMER para la simulación de sistemas
energéticos, se presenta de forma breve su pantalla principal con los iconos más
importantes.
La ventana inicial de HOMER tiene el siguiente aspecto:
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Figura 30: Pantalla principal HOMER
En la cual hay que destacar tres partes importantes:
7.3.1. Fuentes/Recursos de energía (Resourses)
Se van a considerar dos fuentes de energía renovable:
• Energía eólica
HOMER puede importar a través de un fichero los datos meteorológicos del
viento. Del programa METEONORM, se obtienen los valores horarios de la
velocidad del viento, en m/s, para el lugar de estudio.
• Energía solar
A través de METEONORM se obtienen los valores de la Radiación Media
Global sobre Superficie Horizontal, en kW/m2, que es el dato que necesita
HOMER para poder simular el estudio.
7.3.2. Equipamiento
En este apartado de equipamiento, es donde se configura el sistema que se
quiere modelar. Aquí se añaden las cargas del sistema que se ha de cubrir, los
componentes que van a formar el sistema eléctrico, y si dicho sistema va a
estar conectado a la red general de distribución eléctrica.
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• Cargas
Las cargas son los requerimientos eléctricos por parte del sistema a
alimentar. HOMER puede modelar diferentes cargas, eléctricas, térmicas y
de hidrógeno. Las cargas eléctricas pueden ser: primarias, si han de ser
suministradas de forma rigurosa, o “aplazables", si se pueden servir de
manera más flexible.
Figura 31: Tipos de cargas que puede simular HOMER
Para hacer la simulación que interesa, sólo se van a utilizar cargas de tipo
eléctrica.
• Componentes
Los componentes son las partes de las que está formado el sistema
eléctrico de estudio. En la siguiente figura se ven todos los componentes
disponibles en HOMER
Figura 32: Tipos de componentes que HOMER puede modelar
HOMER da la posibilidad de incluir multitud de componentes en el sistema
que se desea modelar.
De todos los tipos de componentes que HOMER puede modelar, sólo se
van a utilizar, como se ha visto a lo largo del documento, los componentes
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de paneles fotovoltaicos y los aerogeneradores, cada uno con sus
especificaciones técnicas introducidas previamente en el programa.
En este apartado es donde se introducen las baterías y las características
del sistema de almacenamiento energético, si cuentan con él. Permite
introducir información para distintos tipos de baterías.�
• Grid
HOMER da la posibilidad de modelar de tres formas diferentes la red
eléctrica a la que se puede o no conectar, el sistema eléctrico que se desea
diseñar.
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Figura 33: Opciones para modelar la red en HOMER
7.3.3. Otros
HOMER puede tener en cuenta otra serie de parámetros importantes a la hora
de simular los modelos energéticos.�
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• Económicas:
En este apartado se deben introducir los parámetros económicos para que
HOMER realice los cálculos económicos a lo largo de la vida útil del
proyecto.
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• Control del sistema:
Los datos que se introducen en control de sistemas definen como HOMER
modela el funcionamiento de los bancos de baterías y generadores.
También determina cómo se produce la carga del conjunto de las baterías.
• Temperatura:
HOMER usa los datos de la temperatura ambiente para el cálculo de la
energía producida por el generador fotovoltaico en cada paso de tiempo.
La información horaria sobre la temperatura ambiente de la zona donde se
esta estudiando la planta, ha sido obtenida de METEONORM.
• Emisiones:
Para este proyecto las emisiones no juegan un papel importante, ya que las
tecnologías que se usan son renovables y sus emisiones son cero.
• Restricciones:�
Las restricciones son las condiciones que deben cumplir el sistema en
estudio. HOMER descarta las soluciones que no respetan estas
condiciones, por lo que no aparecen en los resultados de optimización o en
los análisis de sensibilidad.
En el siguiente esquema se puede ver de forma gráfica y resumida cómo están
compuestos los sistemas en HOMER y la información que hay que meter en cada
lugar.
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Figura 35: Esquema de la estructura para introducir los datos en HOMER
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Una vez que ya se han introducido todos los datos de las fuentes energéticas, la
información sobre los módulos de los que está compuesta la red y los otros
parámetros que influyen en la modelización, se explican las distintas
configuraciones del sistema en cuanto al almacenamiento de la energía. Se realiza
antes de empezar la simulación del sistema y el análisis de sensibilidad de las
distintas variables.�
Modelo en
HOMER Equipamiento
Otros
Componentes PV
Eólica
Batería Red
Económicos
Temperatura
Emisiones
Condiciones
Control del Sistema
Recursos
Energéticos Fuente Solar
Cargas
Eléctrica
Térmica
Hidrógeno
Fuente Eólica
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7.4. Configuración del sistema a simular
Se van a estudiar distintas configuraciones del sistema en cuanto al
almacenamiento de la energía eléctrica generada. Para ello, se plantean los
siguientes casos.�
7.4.1. Sin almacenamiento
En esta configuración, el sistema no tiene almacenamiento mediante baterías,
por lo que la dinámica del flujo eléctrico es diferente que si hubiera
almacenamiento. Se pueden dar dos situaciones distintas:
Figura 36: Esquema general de un sistema sin almacenamiento con baterías
• Producción > Demanda
Si la energía eléctrica producida por los aerogeneradores y por los paneles
solares es mayor que la demanda eléctrica de la planta industrial, (1) se surte
totalmente la demanda de la fábrica, y (2) el resto de electricidad se vende a la
red nacional.
Figura 37: Esquema del flujo eléctrico cuando la producción es mayor que la demanda
El precio de compra de la energía eléctrica por parte de Red Eléctrica Española
está definido por el “pool” energético diario, más una prima definida en el Real
Decreto 661/2007 [20].
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• Producción < Demanda�
Ahora el caso es contrario que el anterior. La generación de energía por el
campo eólico y solar es menor que la demanda que es ese instante tiene la
planta de amoniaco.
Figura 38: Esquema del flujo eléctrico cuando la producción es menor que la demanda
En este caso, la industria necesita de la ayuda externa de la red para satisfacer
su demanda.
7.4.2. Con almacenamiento
En el caso de que haya almacenamiento, el sistema de generación cuenta con
un conjunto de baterías donde acumular la energía en caso de que sea
necesario.
Figura 39: Esquema general de un sistema con almacenamiento con baterías
De nuevo vuelven a darse dos casos en función del nivel de producción y
demanda eléctrica:
• Producción > Demanda
Si la producción eléctrica por parte de sistema de generación, formando por los
paneles fotovoltaicos y por los generadores eólicos, es mayor que la demanda
eléctrica en ese instante, las baterías se empiezan a cargar. El esquema de
funcionamiento que el sistema cumpliría es ese momento sería el siguiente.
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Figura 40: Esquema del flujo eléctrico con carga de baterías
Primero, (1) la energía generada tiene como prioridad satisfacer la demanda
eléctrica de la planta de NH3. Seguidamente, (2) el excedente de energía va a
parar a las baterías para realizar su carga. Un vez que se han cargado las
baterías, y la producción sigue siendo superior a la demanda, (3) el sistema
conectado a la red empieza a introducir la electricidad ella vendiendo así el
excedente que “sobra”. Es decir, que con la energía sobrante de la producción
hay prioridad en cargar las baterías, y no en vender ese exceso a la red
nacional.
• Producción < Demanda
En el momento en el que la demanda es mayor que la producción, y esta
situación se prolonga durante un tiempo, el funcionamiento del sistema es el
siguiente.
Figura 41: Esquema del flujo eléctrico con descarga de baterías
En este caso, (1) la producción de energía eléctrica se dedica totalmente a
cubrir la demanda de la planta, pero no llega a ser suficiente, por lo que tiene
que haber ayuda extra. Entonces, (2) entran en juego las baterías. Se
empiezan a descargar aportando el déficit de energía que no suministra la
generación. Si esa carencia de energía de los generadores es satisfecha con la
descarga de las baterías, no es necesario que la red entre aún en juego, y las
baterías seguirán descargándose hasta que se queden sin electricidad.
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Entonces, (3) como la producción sigue siendo menor que la demanda, y las
baterías están descargadas hay que comprar electricidad de la red externa.
Esta energía adquirida, se emplea en la demanda que requiere la industria, y
nunca en cargar las baterías.
7.5. Resumen de equipamiento
En este punto se numeran todos los equipos que se han usado para hacer el
estudio del proyecto con sus correspondientes características técnicas:
7.5.1. Aerogeneradores
Aerogenerador
Marca GAMESA
Modelo G52
Diámetro 52 m
Área de barrido 2.124 m2
Número de palas 3
Longitud de palas 25.3
Potencia Nominal 850 kW
Tensión 690 V AC
Frecuencia 50 Hz / 60 Hz
Ratio precio 1000 €/kW
Tabla 14: Características técnicas del aerogenerador
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Figura 42: Curva de Potencia / Velocidad GAMESA G52
7.5.2. Paneles fotovoltaicos
Panel Fotovoltaico
Marca ISOFOTON
Modelo ISF-220
Célula Solar Silicio Monocristalino
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Potencia Nominal 220 W
Tensión en circuito abierto 33.7 V
Corriente de Cortocircuito 8.83 A
Tensión en el punto de máxima potencia 27.4 V
Corriente en el punto de máxima potencia 8.02 A
Eficiencia 14.60%
Dimensiones 1515 x 994 x 54 mm
Ratio precio 2.8 €/Wp
Tabla 15: Características técnicas del panel fotovoltaico
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Figura 43: Curva característica Voltaje-Intensidad ISF-220
7.5.3. Batería
Batería
Marca Hoppecke
Modelo 6 OPzS 300 Voltaje Nominal 2 V
Intensidad Nominal 300 Ah
Intensidad Máxima 60 A
Eficiencia 86%
Precio 205 €
Tabla 16: Características técnicas de la batería
7.5.4. Inversor
Inversor
Potencia 1650 kW
Vida útil 15 años
Eficiencia 90%
Precio 100 €
Tabla 17: Características técnicas del inversor
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7.6. Resumen de los datos
DATOS
Radiación Global sobre Horizontal horaria METEONORM
Velocidad del Viento horaria METEONORM
Temperatura horaria METEONORM
Demanda Eléctrica R.E.E.
Tabla 18: Resumen de la fuente de los datos introducidos en HOMER