Comunicación presentada al V Congreso Edificios Energía Casi Nula
Autores
- Fernando López Rodríguez, Presidente Comité de Edificación, Instituto de la Ingeniería de España (IIE)
- Francisco Ayuga Tellez, Vicepresidente Comité de Edificación, (IIE)
- Jose Antonio Juncá Ubierna, Secretario Comité de Edificación, (IIE)
- Manuel Soriano Baeza, Vocal del Comité de Edificación, (IIE)
- Justo García Sanz Calcedo, Profesor Contratado Doctor, Universidad de Extremadura
Resumen
Se presenta un estudio preliminar para que un edificio (Centro Administrativo) de la Junta de Extremadura en Mérida, a través de una serie de recursos de producción de energía distribuida (planta de energía solar, caldera de biomasa y turbina eólica), y una microred inteligente, se logre que tenga un consumo nulo de energía eléctrica a través de la red de distribución eléctrica. Para ello se debe conseguir que el edificio tenga un bajo consumo energético, como en nuestro caso. El proyecto consiste en instalar centrales fotovoltaicas o eólicas, de forma que produzcan la energía necesaria para funcionamiento del edificio, al mismo tiempo que se le dotará de en sistema complementario de almacenamiento de energía eléctrica. Todo ello se gestionará con una microred (en BT), que funciona con recursos distribuidos y un sistema inteligente de gestión de la misma. El sistema podrá funcionar desconectado de la red (en isla), con lo que dispondremos de un edificio de de energía nula (EEN), o conectado a la red de distribución si se quiere que los excedentes energéticos sean evacuados a la red, por lo que será necesario que se dote de una fuente de voltaje y frecuencia, y que sirva también de respaldo en caso de fallo. Para ello deberá estudiarse el patrón de consumo del edificio, de forma que con estos valores deberán dimensionarse los recursos renovables en cuanto a la planta fotovoltaica o la turbina eólica y el sistema de almacenamiento, consiguiendo que el edificio funcione como una microrred.
Palabras clave
Microrredes, Generación Distribuida, Gestión Inteligente
Introducción
La Directiva 2012/31/UE (Art. 9), contempla que los edificios nuevos de la Administración a partir del 1 de enero de 2019 serán edificios de consumo de energía casi nulo (EECN).
Relativamente hace poco tiempo, no se pensaba que las Smart Grill (redes inteligentes) y las microrredes, combinado con la generación distribuida, podrían ser una solución para conseguir los ZEB, o edificios de energía cero. Esta situación, ya hoy puede ser una realidad, aunque todavía hace falta investigación, desarrollo de equipos y construcción de edificios, que permitan que esta cuestión sea una total realidad.
Una microrred es un pequeño sistema de energía capaz de equilibrar los recursos cautivos de oferta y demanda para matener un servicio estable dentro de un límite definido (Wolf, 2015). Las microrredes combinan, para formar un sistema completo, varios recursos de energía distribuida para formar un sistema completo que es más grande que sus partes.
Desde el año 2000, se ha comenzado a hablar de las microrredes como solución a las redes y generación centralizada, como una solución interesante para los edificios terciarios, administrativos, infraestructuras críticas, campus universitarios, comunidades aisladas, redes de islas, y complejos industriales o comerciales (Hatziargyriou, 2017).
Así, surgen proyectos tales como el “¡Sare Microgrid Guipuzcoa”, que en el 2012 creó en el territorio guipuzcoano una microrred eléctrica inteligente. Se trata de un sistema de generación eléctrica bidireccional que permite la distribución de electricidad desde los proveedores hasta los consumidores, utilizando tecnología digital y favoreciendo la integración de las fuentes de generación de origen renovable con el objetivo de ahorrar energía, reducir costes e incrementar la fiabilidad (i-Sare, 2017).
Actualmente existen muchas investigaciones simultáneas en Canadá, Japon y EE.UU., paralelas a las europeas, donde se está realizando estudios para comprobar las características de de las microrredes (Hatziargyriou, 2017) y en todas ellas se está comprobando los beneficios y la eficiencia de las mismas.
En la figura 1 se puede ver un esquema de una microrred en la que se puede comprobar que el sistema controlador optimizador de energía (MGCC), pone en contacto, optimiza eficientemente y dirige la operación entre sistemas muy diferentes tales como centrales de producción fotovoltaica, turbinas eólicas, generación a base de pilas de combustibles, cogeneración, etc. Sistemas de almacenamiento, cargas tales como el edificio de las características que nos ocupa, permitiendo la conexión y desconexión con la red convencional.
Además, la microrred y el controlador optimizador de energía (MGCC) son capaces de distinguir si los precios de la energía son los óptimos, es decir, es capaz de comparar si los precios de la energía que se produce o que se explota, son más o menos caros que los que ofrece un distribuidor, para conectar o desconectar de la red del distribuidor o de cualquier otra red que se ofrezca. Estas operaciones ofrecen muchas variantes al explotador de la microrred.
El Proyecto
Diferentes tecnologías de microgeneración, como micro-turbinas (MT), fotovoltaica (PV), pilas de combustible (FC) y turbinas eólicas (WT) con una potencia nominal de hasta 100 kW se pueden conectar directamente a las redes de baja tensión. Estas unidades, generalmente ubicadas en los sitios de los usuarios, han surgido como una opción prometedora para satisfacer las crecientes necesidades de los clientes de energía eléctrica con énfasis en la confiabilidad y la calidad de la energía, proporcionando diferentes beneficios económicos, ambientales y técnicos. Claramente, se necesita un cambio en la filosofía de interconexión para lograr la integración óptima de dichas unidades.
La mayoría de las microrredes se pueden describir con más detalle en una de las siguientes cinco categorías (Microgrid Institute, 2015):
- Microredes fuera de la red,incluidas islas, sitios remotos y otros sistemas de microrred que no están conectados a una red de servicios públicos local.
- Microredes del campusque están completamente interconectadas con una red de servicios públicos local, pero también pueden mantener algún nivel de servicio de forma aislada de la red, como durante un corte de servicio. Ejemplos típicos sirven a campus universitarios y corporativos, prisiones y bases militares.
- Microredes comunitariasintegradas en redes de servicios públicos. Dichas microrredes sirven a múltiples clientes o servicios dentro de una comunidad, generalmente para proporcionar energía segura para activos vitales de la comunidad.
- Microredes de energía del distritoque proporcionan electricidad y energía térmica para calefacción (y refrigeración) de múltiples instalaciones.
- Nanogridsque comprenden las unidades de red discretas más pequeñas con la capacidad de operar de forma independiente. Una nanorred puede definirse como un solo edificio o un solo dominio de energía. Nos encontramos en el caso de una Nanogrid, que requiere un amplio estudio que aborde sistemas de energía eléctrica, y los requisitos de las cargas. Este estudio se centra en analizar la capacidad de generación requerida para que el edificio funcione como una microrred. El estudio de planificación de capacidad de generación se aborda en el estándar IEEE 1547-4 (IEEE, 2011) como parte de los estudios necesarios para garantizar la calidad del servicio que proporciona una microrred a sus clientes.
El estudio que nos ocupa, se lleva a cabo desde dos puntos de vista: 1) Estudiar la energía total que fluye por la microrred, dependiendo de las necesidades del edificio. 2) Comparar la capacidad de generación con el consumo, y llegar a alguna conclusión en cuanto a la capacidad de almacenamiento.
El edificio
Se trata de un edificio ubicado en la ciudad de Mérida (Badajoz), está situada en el suroeste de España, a una altitud media de 220 m. sobre el nivel del mar y con un clima mediterráneo continental con influencia atlántica. Sus inviernos son fríos y los veranos muy calurosos. Es un edificio de cuatro plantas ocupadas por oficinas, y otra bajo rasante donde se sitúa el garaje y la zona destinada a instalaciones. En la figura 2 se puede observar una vista del edificio (Garcia Sanz Calcedeo et. Al, 2012). Por lo que respecta a la construcción e instalaciones, se trata de un edificio de alta calificación energética, uno de los primeros de tal calificación, propiedad del Servicio de Salud (SES) de la Junta de Extremadura. La climatización se realiza por un sistema agua-agua a cuatro tubos mediante fancoils situados en el falso techo, con un sistema de control para la regulación de la temperatura, mediante un regulador de caudal constante.
La producción de calor, se lleva a cabo mediante dos calderas pirotubulares, con una potencia térmica nominal de 465 kW cada una, que utilizan como combustible biomasa: huesos de aceituna triturados y cáscara de almendra. Para la producción de frío se ha instalado una enfriadora de agua, con capacidad frigorífica nominal 545 kW, de ciclo de absorción simple efecto, con bromuro de litio como absorbente y agua como refrigerante, alimentada por agua caliente procedente de las calderas anteriormente descritas y una torre de refrigeración con una capacidad de enfriamiento de 1.203 kW.El sistema diseñado es inercial, es decir, la instalación dispone de un sistema de acumulación de agua caliente a 92ºC, compuesto por tres depósitos de 10.000 litros cada uno. Esta acumulación permite disponer de suficiente potencia térmica que será suministrada al generador, al mismo tiempo que ayuda a poner a régimen de temperaturas las calderas. Esta acumulación da una inercia de 400 kW en régimen de calefacción, durante la temporada invernal. También dispone de cuatro depósitos acumuladores de agua fría de 5.000 litros cada uno que acumulan agua a 7ºC que se utiliza para los arranques a primera hora, correspondiente al 15% de la parcialización de la máquina de absorción.
La energía final consumida media anual, tras seis años de funcionamiento ha sido de 437.687 kWh
La microrred inteligente
La microrred se compone básicamente de los siguientes elementos:
- Una red de distribución en baja tensión en la que se conectan una serie de fuentes de energía distribuidas para proporcionar electricidad y calor a un conjunto de consumidores
- Una infraestructura de comunicación local
- Un sistema jerárquico de control y gestión
- Sistema de almacenamiento de energía
- Controladores inteligentes para cargas y consumos
La microrred es gestionada por un controlador central (MGCC) en cabeza del sistema, que proporciona las consignas a los controladores del resto de los equipos, tales como fuentes de generación, sistemas de almacenamiento de energía y cargas inteligentes Figura 3.
La microrred podrá funcionar de dos modos distintos: conectada a la red principal y aislada de la misma en caso de existir algún problema en esta última.
Cuando la microrred funciona en modo conectado (CENER, 2018) con la red principal, esta proporcionará las referencias de tensión y frecuencianecesarias para que el resto de elementos de generación de la microrred funcionen sin ningún problema. Así pues, no existirán problemas de estabilidad en la microrred cuando esta funcione conectada a la red principal. MGCC funciona como una suerte de gestor de mercado, realizando el despacho económico de la generación, teniendo en cuenta las siguientes entradas: Precios de mercado; Oferta de las fuentes de generación; Ofertas del lado de la demanda para cargas de alta y baja prioridad.
Tras resolver el despacho económico, el MGCC envía a los controladores de las fuentes y e las cargas inteligentes, las consignas de potencia activa u reactiva, así como las señales a aquellas cargas que han de mantenerse en serevicio y aquellas que han de desconectarse.
Cuando la microrred funciona en modo aislado de la red principal, los generadores tienen que ser capaces de responder con rapidez a los cambios en el consumo para que así tanto la tensión como la frecuencia se mantengan estables. Al tratarse de equipos con interfaces de electrónica de potencia los generadores de la microrred no tienen inercia para asumir los desequilibrios puntuales entre generación y consumo del modo que ocurre en los sistemas eléctricos convencionales con los grandes generadores asíncronos.
Materiales y métodos – Resultados
Cargas existentes
Los sistemas conectados a la microrred son: 1) Edificio de un consumo anual de 437.687 kWh. 2) Planta fotovoltaica. 3) Turbina eólica. 4) Grupo ellectrógeno. 5) Unidad de almacenamiento. 6) Sistema de control MGCC.
Se utilizarán el Grupo eléctrógeno de 400 kW y la turbina eólica de eje vertical como fuentes de respaldo por lo que no los dimensionaremos. Se emplearán para cubrir las cargas en emergencia. Además, el grupo eléctrógeno se utilizará cuando la instalación funcione en isla, que actuará como fuente de voltaje y frecuencia en la instalación, es decir, cuando la microrred no se suministre de la red se empleará para mantener la tensión y frecuencia estables. El estudio que llevaramos a cabo comprende: 1) Establecer el patrón de consumo del edificio, con la energía anual consumida y la carga diaria que debe cubrise. 2) Se dimensionará la planta fotovoltaica que cubra parte de las necesidades del edificio, trabajando en isla o no conectada a la red. 3) Se estudiará la planta de almacenamiento, de forma que se obtendrán varios tamaños de planta siendo el almacenamiento escogido aquél que tenga un compromiso de tamaño-costo razonable, y además ésto determinará el tamaño final de la planta fotovoltaica.
Planificación y dimensionamiento de la carga
Para comparar generación y consumo de una manera simple se obtendrá una curva de carga diaria representativa de los meses de más consumo, por ejmplo junio, teniendo en cuenta que el calor es suministrado por caldera de biomasa. Dado que el edificio es administrativo y el consumo de los fines de semana es distinto a los días de diario, se obtendrán dos tipos de curvas. De esta forma se dispondrá de un consumo anual, un consumo diario y un cinsumo horario. En la figura 4 puede verse la curva de patrón de consumo del edificio.
Dimensionamiento de la planta fotovoltaica
La planta fotovoltaica será de tipo conectada a red para autoconsumo de toda la electricidad producida. En principio se dimensionará sin almacenamuiento, para después establecer el tamaño definitivo de forma que el almacenamiento que se lleve a cabo tenga un tamaño-costo apropiado. Para el dimensionamiento de la planta, utilizaremos el programa informático PVsyst, basándonos en la curva de carga diaria y el consumo anual. La mencionada planta se construirá en el tejado del edificio y en el aparcamiento del mismo.
Además, no se sobrepasará el consumo del edificio, es decir, no se exportará energía a la red. Se tratará de cubrir la carga diaria, y dado que es difícil casar el consumo con la producción, cuando la generación supere el consumo horario del edificio, se inyectará al sistema de almacenamiento para ser utilizado en las horas que la generación sea insuficiente. Enla figura 5, puede observarse la curva de generación fotovoltaica frente al consumo.
Dimensionamiento de la planta de almacenamiento
De acuerdo con la tabla de la figura 5, en donde se representa para cada tamaño de planta fotovoltaica el almacenamiento de la energía que puede realizarse y la potencia del sistema, para un tamaño de planta PV de 300 kW, es excesivo el tamaño del almacenamiento desde el punto vista de la inversión a realizar. Sin embargo, para una planta de 200 kW, que es la que más se ajusta a nuestro edificio, ésta sería menor y económicamente podría ser más rentable. Por todo ello se propone una planta fotovoltaica de 200 kW, y una planta de almacenamiento constituida por baterías TESLA de Li-ion, que está compuesta por 2 unidades de potencia nominal 100 kW, lo que proporciona una energía para almacenar y gestionar excedentes de generación de 220 kWh, que se cree suficiente para el funcionamiento del edificio.
