La Electrónica de Potencia ante el Reto Energético del Siglo XXI

La electrónica de potencia ante el reto energético del siglo XXI

Prof. Dr.‐Ing. Mario Pacas

Universität Siegen

Algunos

temas del

momentoReto

Respuesta

tecnica

Rol de la

electrónica

de potencia

Rol y

responsa‐

bilidad

del

ingeniero

Seminario Anual de Automática, Electrónica Industrial e InstrumentaciónProf. Dr. -Ing. Mario Pacas, Cátedra de Electrónica de Potencia y Accionamientos eléctricos, Universität Siegen

Migraciones Sur‐Norte


Derrame de petróleo, México

Barataria

Bay, Louisiana, fuente

stern.de


Calentamiento global

IPCC Fourth

Assessment

Report: Climate

Change 2007 (AR4) -

SPANISH


Efecto invernadero, emisiones antropógenas


Población mundial


Consumo de energía


Pronóstico hasta 2050


Reservas fuentes convencionales


Evolución del precio del crudo


Objetivos de Desarrollo del Milenio

Algunos

temas del

momentoReto

Respuesta

técnica

Rol de la

electrónica

de potencia

Rol y

responsa‐

bilidad

del

ingeniero


Retos tecnológicosSolución al problema de deshechos sólidos

Abastecimiento con agua potable

Residuos líquidos

Contaminación ambiental

Emisión de CO2

….

Acceso a energía eléctrica barata y “limpia”

Ahorro y utilización racional de la energía

Algunos

temas del

momentoReto

Respuesta

técnica

Rol de la

electrónica

de potencia

Rol y

responsa‐

bilidad

del

ingeniero


Algunas respuestas técnicasGeneración distribuida

Solar

Eólica

Hidráulica

Cogeneración

Smart

y micro grids

Electromovilidad

Ahorro energético

……

Energías

renovables


Energías alternativas

89,90%

0,80%

1,60%

7,00%

0,70%

10,10%

Aportación de las fuentes renovables al

consumo total de energía in Alemania Total: 8.470 PJ

Fuentes fósiles: Hulla, lignito, petróleo, gas natural, energía atómica.

Fuente: Entwicklung der erneuerbaren Energien in Deutschland im Jahr 2009Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU)

Fuentes renovables

Hidráulica

Eólica

Biomasa

Resto

Fuentes renovables

Energía

Fotovoltaica


Energía fotovoltaica

Potencia instalada

40 MWÁrea: 110 hectáreasSitio: Brandis

bei

Leipzig, Alemania

Usuario

SachsenFonds

GmbHPlanificación

juwi

solar GmbH

Planificación

juwi

solar GmbHProducción anual: 40 Milliones

de kWh

Reducción de CO2: Aprox. 25.000 paMódulos:CdTe-Dünnschicht

(First

Solar)

Electrónica SMA:

Sunny

Central SC 500HE

Parque energético "Waldpolenz":la instalación más grande a nivel mundial: 110 hectáreas (200 campos de fútbol)

Fuente: www.sma.de


Desarrollo fotovoltaico: incremento de η

Como alcanzar este objetivo?


Retos de la energía fotovoltaicaCeldas de alto redimiendo física

Aumento de la eficiencia electrónica de potencia

Acoplamiento a la red monofásica y trifásica electrónica de potencia

Micro redes electrónica de potencia, comunicación, ingeniería eléctrica

Confiabilidad, instalación adecuada, orientación, MPP tracking ingeniería


Tareas específicas

Reducción de las pérdidas de conmutación

Reducción de las pérdidas de conducción

Utilización de SiC

y nuevos materiales magnéticos

Nuevas topologías y esquemas de control

Alta confiabilidad del equipo

Energía

eólica


Energía eólica

Fuente: www.enercon.de


Energía eólica: Distribución y transmisión

Cable submarino:Tasmania Australia HVDC

•Conexión del parque eólico Clusters Borkum

2 / EON

• HVDC Light®•Phase 1: 400 MW• 128 km

Cable submarino

• 75 km

cable terrestre hasta Diele• Puesta en marcha verano 2009

Reference number: PTD H 200605.409 eSiemens AGCorporate CommunicationsPress OfficePress

Office Power Transmission and Distribution (PTD)

Fuente

ABB "Efficient and climate-conscious use of wind power" en www.abb.de


Temas concretos

Diseño del molino ing. mecánica

Control mecánico robusto control

Acoplo a la red, transmisión por cable y alta tensión

continua (HVDC) ing. eléctrica, el. de potencia

Control de generación distribuida ing. eléctrica

Distribución inteligente control, ing. eléctrica

Mantenimiento preventivo control, ing. eléctrica

Electromovilidad


Electromovilidad: pornóstico 2015

Volumen vehículos eléctricos (EV + PHEV) Europa occidental acumulado

Porcentaje V-

Eléctricos nuevos Europa occidental [%]

1)

Quelle: RWE, BCG, McKinsey, Roland Berger

und

Citigroup EV: Electric vehicle2)

Schätzungen

Bestand

Deutschland

variieren

von

1 Mio. –

4,5 Mio. in 2020 PHEV: Plug-in hybrid

electric

vehicle

inkl. Range-Extender

2010 2015 2020

Key-ParameterSubvención estatalDesarrollo tecnológico Condiciones propicias

>

Rápida innovación de las baterías; 2015 nivel de costos aceptables

>

Carga rápida a bordo disponible 2012. (Capacidad. 20 kWh)

>

Ultra-fast

Charging

para autopistas

>

Bonos e incentivos>

Inversión pública en I&D>

…..

>

Infraestructura>

Regulaciones>

Vías prioritarias en carreteras>

Estacionamientos

19,15 % 1)

2,4 Mio. 2)

Alemania

(Pronóstico RWE)

>10 Mio.Europa

(Pronóstico RWE)

Vehículos eléctricos Alemania y Europa occidental

Diagrama cortesía de RWE


Cubrimiento de la demanda de energíaConsumo E-vehículos

Numero de vehículos en millones 46,5

Recorrido promedio (km/a) 13.400

E-vehículos .1)

–

2020 (%) 25%

Consumo promedio (kWh/100 km) 15

Energía 2)

E-vehículos (TWh) 25

Demanda adicional E-vehículo. (%) 4%

Produccion

electrica

D (TWh) 637Erneuerbare

80 parques eólicos offshore

3)

(con turbinas de 5 MW)

Demanda de energía para vehículos eléctricos in 2020: 25 TWh

Quelle: Roland Berger; KBA; VDEW; Bundesanstalt

für

Straßenwesen; IEA 1) Annahme

2) inkl. Verluste

des Leitungsnetzes

3) Ein

Windpark

umfasst

80 Turbinen

Aumento en el consumo debido al auto eléctrico D



Infraestructura para la carga

Carga en todos los lugares de aparcamiento



Estaciones de carga

Foto cortesía de RWE


ElectromóvilidadAutomóvil eléctrico

Automóvil hibrido

Transporte urbano e interurbano

Transporte industrial

Almacenamiento distribuido

Redes de recarga eléctrica

Acumulador

Seguridad, comunicación

..Cabezal

del tren

de alta

velocidad

ICE3

Deutsche Bahn AG y Niederländische Staatsbahn

Copyright Siemens AG, Transportation

Systems

Metro SystemShanghai Pearl Line, Shanghai, China Siemens AG, Transportation

Systems


Temas concretosIntegración del accionamiento ing. mecánica

Gestión energética (Energy

Management)ingeniería, control

Almacenamiento de la energía química, ingeniería

Estaciones de carga distribuidas el. de potencia

Ferrovías interurbanas ingeniería eléctrica, ingeniería civil, ambiental, política, sociología, planificación regional

Vías urbanas impacto en el aspecto urbano, popularidad del medio de transporte

Ahorro

energético


Consumo de energía sin ahorroReducción del consumo en base al aumento en la eficiencia


Potenciales de ahorro

Gráfica

cortesía

Dr. Lorenz Infineon


Cadena de suministro

Energía primaria: petróleo, carbón, agua, viento

Transporte:

Pipeline, tanque

Eficiencia en la conversión

Pérdidas de transmisión Eficiencia

de componen

tes

Eficiencia del proceso

Ener

gía

utili

zabl

e

Potencial

de ahorro

Generación Distribución Consumo


El reto energético en cuanto a ahorroAhorro energético en la industria

Componentes modernas tienen una alta eficiencia

El potencial de ahorro está

en la optimización de procesos industriales

Nuevas estructuras de producción

Uso de accionamientos controlados

Reducción de pérdidas

..

Problema educacional, de gestión y de política gubernamental


Ahorros en aplicaciones industriales

Compañía Sector Aplicación Potencia instalada

[kW]

Ahorros confirmados

[kWh]

% ahorrado

Peña Colorada

Minería Ventilador en planta de

Paletización

1.250 2.423.750 35%

China Steel

TaiwanMetalur-

giaBombas de

refuerzo672 3.030.720 61%

Cruz Azul, México

Cemento Horno ID ventilador1+2

1.470 5.309.640 54%

Repsol YPF Argentina

Petro químico

Ciclón (sustitución de

turbina de vapor)

3.000 7.560.000 43%

Daqing

Plastic

Factory, China

Petro químico

Mezclador 1.300 2.600.000 31%

Fuente: ABB Review

Algunos

temas del

momentoReto

Respuesta

tecnica

Rol de la

electrónica

de potencia

Rol y

responsa‐

bilidad

del

ingeniero


Conlcusión: Algo hay en común

La electrónica de potencia escomponente clave en todos los casos mostrados

Convertidor electrónico de

potencia

Energía eléctrica Energía eléctrica

Trabajo interdisciplinario: control, informática, mecánica, física.…


Evolución de la electrónica de potencia Hasta los años 50

Aplicaciones en accionamientos de CC y cascada subsíncrona

(Kramer) hasta varios MW

Varios enlaces de alta tensión continua de hasta 60 MW

Tracción eléctrica ( transporte urbano e interurbano)

Hasta los años 80 prevalecen los tiristores Accionamientos industriales

Tracción

enlaces de alta tensión continua

Presente: transistores, IGBTs, IGCTs


¿Tenemos todo lo que necesitamos?Evolución de ciencia auxiliar a ciencia clave

Tecnología adecuada

Teoría de control

Herramientas

Capacidad de cómputo

……

Personal capacitado?Personal capacitado?

Es una ciencia o un arte? Es una ciencia o un arte?

……tal vez solo un oficio?tal vez solo un oficio?


Rol de la electrónica de potenciaEs una componente clave

Sin electrónica de potencia es imposible aumentar la eficiencia de muchos procesos

El potencial esta en el proceso

Pero para avanzar sustancialmente

Se necesita al generalista y al especialista del proceso!

La abstracción es una ayuda pero no la solución, las soluciones no son anónimas!!


Como alcanzar los objetivosInvestigación en

Materiales Si, SiC, GaAs, Cerámicas, plásticos

Nuevos semiconductores de potencia

Control

Electrónica, microelectrónica, µC

Nuevas aplicaciones

Tradición en el área

Inversión en laboratorios

Formación profesional a todo nivel

Defensa de nuestros intereses!


¿Cuales son las barreras?Campo interesante interdisciplinarioExige vocación, aptitudes y una formación sólida en ingeniería

Física de semiconductoresTeoría de circuitosControl, control

digital

Alta frecuenciaMáquinasComponentes magnéticasDiseño de placas, compatibilidad electromagnéticaFísica del calorInstrumentación….Gestión, trabajo en equipo pero también individual!


¿Cuales son las barreras?Hacen falta recursos humanos

Profesiones más atractivas desde el punto de vista económico

Ramas de la ingeniería eléctrica menos problemáticas y más sexy

Formación escolar y académica inadecuada

Falta de tradición familiar

….


¿Cuales son las barreras?

Presión de política universitaria: ciencia, arte, oficio?

Publish

or

perish Hirsch index

Competencia (desleal) de otras ramas de la ingeniería,

informática, física e incluso ciencias humanísticas

Investigación sin ninguna relevancia práctica: solución

conocida, se busca el problema!

Falta de cooperación con la industria, trabajo para la

papelera


El modelo alemán en ingeniería

Prácticas en empresa durante el estudio

Proyectos de investigación conjuntos

Universidad/ Empresa con ventajas para la

empresa y la Universidad.

Acceso a un puesto docente en Alemania en

carreras técnicas viniendo de la industria

Algunos

temas del

momentoReto

Respuesta

técnica

Rol de la

electrónica

de potencia

Rol y

responsa‐

bilidad

del

ingeniero


Mision, codigo

éticoAlgunos códigos de ética del Ingeniero estipulan:

Que el profesional considerará

como primordial la seguridad, salubridad y bienestar público.

Código ético del IEEE

Aceptar la responsabilidad en la toma de decisiones de ingeniería consecuentes con la seguridad, salud, y

bienestar de las personas, y revelar rápidamente los factores que pudieran poner en peligro a las personas

o al entorno.


Polyhistor

el genio universal


Polyhistor

el genio universalPolyhistor

(πολύς, ἱστορία

) el genio universal

Gottfried Wilhelm von

Leibniz (Leipzig, 1 de julio de 1646 ‐

Hannover, 14 de noviembre de 1716) fue un

filósofo, matemático, jurista, bibliotecario y político alemán.

Fue uno de los grandes pensadores del siglo XVII y XVIII, y se le reconoce como "El último genio

universal".

……

pero tal vez debería ser el ejemplo para la electrónica de potencia y motivación para las nuevas

generaciones

¿Conclusiones?

La Electrónica de Potencia ante el Reto Energético del Siglo XXI

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