La energía eólica de media potencia. Conceptos generales y

Transcripción

La energía eólica de media
potencia.
Conceptos generales y
ejemplos de aplicaciones
Ignacio Cruz
Eólica de media potencia , en el camino de la energía distribuida
Madrid, 13 de mayo de 2011
Índice
•
•
•
•
•
•
Definiciones.
Conceptos generales.
Infraestructuras de ensayo.
Certificación
Aplicaciones
Generación distribuida /Community wind
Por que otra vez aerogeneradores
de media potencia?
• Tendencia creciente a la generación de energía
distribuida asociada al consumo siempre que sea
posible.
• Fomento del autoconsumo (rentabilidad basada en el
ahorro energético y no sólo en una prima, similar al
esquema que se aplica en cogeneración).
• Tecnologías innovadoras mas eficientes, totalmente
compatibles con la red, incluso débil y competitivas en
comparación con escalas similares previas.
• Utilización de infraestructura eléctrica ya existente.
• Fáciles de instalar, operar y mantener.
Definiciones
• Que es la media potencia eólica?
• En EEUU la media potencia incluye
aerogeneradores de potencias nominales
entre 0,1 MW y 1 MW
• Normativa internacional:
– Aun no se ha definido un sector de media
potencia eólica.
– Solo existe pequeña eólica y gran eólica
Definiciones
SECTORES
AUTOCONSUMO
INDUSTRIAL
DOMESTICO
Pequeña potencia
IEC-61400-2
Pequeña 60 kW
Potencia 200 m2
VENTA
Instalaciones (Propuesta)
100 kW
Media potencia
PRODUCCIÓN
600 kW
Gran potencia
Media potencia?
Hasta 300 kW?
Gran potencia IEC 61400-1
Normativa IEC
Definición en España
Propuesta:
• Instalaciones asociadas a puntos de consumo eléctrico.
• Instalaciones conectadas a redes de distribución final (BT o
MT≤36kV), en las que también deben estar el punto/puntos de
consumo asociados.
• Se limitará la potencia eólica instalada respecto a la potencia
contratada en los puntos de consumo asociados.
• Se establecerán unos requisitos mínimos de autoconsumo
(rentabilidad basada en el ahorro energético y no sólo en una prima,
similar al esquema que se aplica en cogeneración)
• Se utilizarán aerogeneradores de última generación, que
aseguren el cumplimiento de los requisitos de calidad de la energía.
Ventajas de la media potencia eólica
• El fundamento de estas aplicaciones es generar in situ y mediante
energías renovables parte de la energía eléctrica que necesita el
consumidor industrial o comercial.
• Por tanto, estas aplicaciones cuentan con las siguientes ventajas:
– Para


– Para



– Para


el propietario de la instalación:
Reduce su factura eléctrica, aumentando su competitividad.
Mejora su imagen como empresa u organización.
el sistema eléctrico:
Se reducen las pérdidas de transporte y distribución.
Aumenta la penetración de las energías renovables sin necesidad de nuevas
infraestructuras eléctricas.
Mejora la calidad del suministro en la red de distribución (con las prestaciones de
los aerogeneradores de última generación)
la sociedad en general:
Se reducen las emisiones y el impacto medioambiental de las infraestructuras
eléctricas
Se desarrolla un tejido productivo que genera empleo y riqueza a nivel local
(energía distribuida = riqueza distribuida)
Tecnología Española en eólica
de media potencia
• Hay 7 fabricantes nacionales con distinto nivel
de desarrollo:
–
–
–
–
–
–
–
Electria Wind (www.electriawind.com)
Ades (www.ades.tv)
Norvento Energía Distribuida (www.norvento.com)
Del Valle Aguayo (www.delvalleaguayo.com)
Lades Works
Ventus Control
Boreas http://www.boreas.es/
Electria Wind
• Modelo: Garbí
• Potencia: 150 kW, 200 kW a 10,4 y
a 11m/s respectivamente
• Tripala,
• Eje horizontal
• Regulación de potencia por cambio
de paso
• Generador de imanes permanentes
y caja multiplicadora
• Convertidor full power. Back-toback
• Vel rotación 6-41 y 6-47 rpm
• Diámetro de rotor: 28 m
• Comienza a girar a 2,5 m/s
• Peso góndola: 11,65 T
ADES
• Modelo: ADES-230
• Rotor monopala oscilante a
sotavento.
• Diámetro: 32m
• Cambio de paso
• Velocidad variable con caja
multiplicadora, generador
asíncrono y convertidor de
potencia total
• Tren de potencia pendular
• Góndola autotimonante
• Comienza a producir a 4m/s
• 230 kW a 11 m/s y 34 rpm
• Peso (Gondola y palas): 10,3 T
Norvento
Modelo: NED-100
 Parámetros básicos:
 Potencia nominal: 100 kW
 Diámetro del rótor: 22 m
 Altura del buje: 37 m
 Para vientos bajos y moderados:
 Optimizado para clase IV
≈ 20 km/h  2200 HAE
5.5m/s
 Diseño con cargas de clase III
7.5m/s ≈ 27 km/h  ráfagas 52.5m/s ≈
190 km/h
 Concepto
 Control activo de la velocidad de giro, el paso de pala y la orientación.
 Convertidor de potencia (“full converter”), permitiendo cumplir los códigos de red más
exigentes y mejorar los parámetros eléctricos de la red de distribución (control de
reactiva, etc.).
 Accionamiento directo, sin multiplicador, incrementando al máximo la fiabilidad de la
máquina para instalaciones distribuidas.
 Máxima simplicidad de operación: una revisión anual por parte del equipo de
mantenimiento, sin intervención del propietario en la operación de la máquina.
Del Valle Aguayo
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Modelo Turbec
Potencia: 150 kW, 200 kW
Tripala,
Eje horizontal
Regulación de potencia por
cambio de paso
Velocidad variable: 24-52 rpm
Generador de imanes
permanentes y caja
multiplicadora
Convertidor full power. Back-toback
Diámetro de rotor: 22,5 m
Altura torre: 36
Diseño Clase IIIa
Laddes Works
Modelo: Dyna Flow K100
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Rotor tripala a barlovento.
Diámetro: 21 m
Regulación de potencia por perdida
Velocidad variable con accionamiento
directo mediante generador sincrono
multipolar e imanes permanentes y
convertidor de potencia total
Control adaptativo.
Orientación activa
Comienza a producir a 3m/s
100 kW a 12 m/s y 100 rpm
Peso (Gondola y palas):
Venus Control
Modelo: VC-100.0
• Potencia: 100 kW
• Tripala,
• Eje horizontal
• Regulación de potencia por perdida
aerodinámica, abatimiento y freno positivo.
• Con multiplicadora
• Generador de imanes permanentes
• Convertidor cuatro cuadrantes back-to-bac
• Diámetro: 20 m
Suministradores
• Palas: Diseños propios, fabricación artesanal
• Generadores: Indar, Santos Maquinaria,
diseño propio
• Convertidores: Ingeteam, Zigor,
Greenpower, Wind Power, MLS, ABB
España
• Control: Diseño propio
• Ensayos: Ciemat, Cener, Circe
Tecnología de otros países
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•
Northerm Power Systems (EEUU)
West Wind M-100 (EEUU)
Enercon (Alemania)
Furlaender (Alemania)
Vergnet (Francia)
WES (Holanda)
Norwin A/S (Dinamarca)
Northem Power Systems
• Comercializa un aerogenerador de 100 kW con tecnología nueva.
(NP-100)
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
Diámetro del rotor: 21 m / Altura torre: 31 m
Tripala (Palas de material compuesto)
Regulación por entrada en perdida (paso fijo)
Accionamiento directo.
Generador de imanes permanentes/Convertidor de potencia total.
(Velocidad variable)
Peso rotor+ góndola: 7,2 T)
Optimizada para vientos bajos (Comienza a producir energía a 3,5 m/s)
Producción: 205.000 kWh/año. (a 6 m/s)
Precio instalado: 400.000 Euros
Diseño IEC IIa
Nivel aparente de ruido: 55 dB a 20 m
• Esta desarrollando un nuevo modelo de 450 kW
Northem Power Systems
West Wind M-100
•
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•
•
•
Tripala barlovento
Diametro: 20 m
Paso fijo
Caja multiplicadora
Generador asincrono a
1200 rpm
• Peso gondola mas rotor:
31,4 T
Enercon
• Aerogenerador de 100 kW (E-20).
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
Diámetro del rotor: 20 m /Torre: 20, 30 y 40 m
Regulación por entrada en pérdida. (Paso fijo)
Potencia:100 kW a 12 m/s y 68 r.p.m.
Palas de acero, Góndola de aluminio
Generador multipolar, Convertidor potencia total
(Velocidad variable)
Fácil de transportar
Muy robusta/Bajo mantenimiento.
Comienza a producir a 4m/s
Producción: hasta 200.000 kWh/año (7m/s)
Diseño IEC 1a
Enercon
Vergnet
• GEV MP R 200/275 kW
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
Rotor Bipala a sotavento
Diametro del rotor: 32m /Torre 34 m.
Regulación por cambio de paso hidraulico
Buje articulado
Caja multiplicadora de dos etapas
Generador asíncrono
Orientación activa
Peso góndola + palas: 9 T
Producción comienza a 3.5 m/s
Temperatura de operación: -10 a 45 ºC
• Tambien fabrica un aerogenerador de 1 MW
Vergnet
WES
• Fabricante holandés que sigue comercializando dos diseños
antiguos (1983) de 80 y 250 kW. (WES18 y WES30) actualizados.
• Bipalas barlovento (Diámetros: 18 y 30 m)
• Cambio de paso pasivo mecánico
• Orientación activa
• Velocidad variable: Generador asíncrono y convertidor potencia
total
• Velocidad para producción: 2,7 m/s
• Potencia: 80 kW a13m/s y 120 m/s/ 250 kW a 13 m/s y 70 rpm
• Torre celosia
• Producción: WES18: 193.000 kWh/año WES30: 560.000 kWh/año
• Peso góndola mas rotor: WES18 3,3 T / WES 30 10.7 T
• Emisión de ruído a 8m/s: 45 dB a 100m
• Diseño Clase IIIa
WES
Sistema
De cambio de paso
Norwin A/S
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Norwin 29 /200 /225
Tripala barlovento
Diámetro: 29,1 m
200 kW a 112m/ y 37,6 r.p.m
Regulación por entrada en
pérdida.
Velocidad fija
Generador asíncrono
Peso góndola + rotor: 12,93T
Máx nivel de ruido: 98 dB
Comparación de las tecnologías
E3112
WES18
NP-100
NORWIN
29
MP-R
E-33
ROTOR
Tripala/
Sotavento
Bipala/
Barlovent
o
Tripala/Ba
rlovento
Tripala/
Barlovent
o
Bipala/
Sotavento
Tripala/Ba
rlovento
REGULACIÓ
N
Pérdida
Aerodin
Cambio
paso
mecánico
Cambio
paso
eléctrico
Perdida
Aerodin
Cambio
paso
hidráulico
Cambio
paso
eléctrico
TREN
Con caja
Con caja
Sin caja
Con caja
Con caja
Sin caja
GENERADOR
GA
GA +
convertid
or
GSIP
GA
GA
GS anular
Diseño
CLASE
IEC Ia/IIa
IEC Ia/IIa
Comparación de las tecnologías
E3112
WES18
NP-100
NORWIN
29
MP-R
E-33
POTENCIA
(kW)
50
80
100
200
275
330
AREA
BARRIDA
(m2)
290
254
346
664
804
876
PESO
(GÓNDOLA
Y ROTOR) T
3,99
3,9
6,55
12,93
9
-
Peso/Area
(Kg/m2)
13,75
15,35
18,93
19,47
11,19
-
Poten/Area
W/m2
172,41
314,96
289,01
301,20
341,0
376,71
Clasicas turbinas danesas tripala con diámetro entre 15 y 20 m tenian un peso especifico de entre 25 y
35 Kg/m2. El AWEC 60: 60 Kg/m2 La turbina E-112 de Enercon 50 kg/m2, el Repower M5-126 m es
28 Kg/m2, MUltribrid: 23,6 Kg/m2, la V120 18,86, la BARD 32,39
Bipalas: Nordic 1MW-54
m - 19 Kg/m2
Desarrollo futuro
• Tecnología
• Infraestructuras especificas.
• Certificación
Tecnología
• Perfiles aerodinámicos específicos para rotores y alturas pequeños:
existen varios diseños de perfiles aerodinámicos libres (Delft,
NACA). El problema es que estos diseños están adaptados a
rotores de grandes dimensiones. La elaboración de un perfil
específico para media potencia es una tarea complicada y costosa
que podría ser objeto de un proyecto en cooperación entre varias
empresas.
• Convertidores de potencia para generación y operación en sistemas
aislados.
• Sistema de frenado electromagnético: el objetivo es poder quitar el
sistema hidráulico del interior de la góndola.
• Soluciones de control avanzado de aerogeneradores: en media
potencia, el control debe ir adaptados a las características del
emplazamiento. El hecho de situar los aerogeneradores en zonas
urbanas, con más rugosidad, con obstáculos y con turbulencias
hace que los emplazamientos son todos muy diferentes. Por eso, se
propone el desarrollo de “sistemas de control inteligente experto”.
Programa de I+D+I en EEUU en
Media potencia eólica
(Rango 200 - 500 kW)
• Aerogenerador de eje vertical
Empresa: Clean Green Energy,
200kW
• Nuevo aerogenerador de eje
horizontal: Northern Power Systems
450 kW
• Nuevo aerogenerador bipala de 500
kW de potencia nominal desarrollado
por la Universidad Técnica de Tejas.
• Desarrollo de nuevo aerogenerador
de West Wind Energy M-100
Infraestructuras de ensayo
• Las instalaciones de ensayo existentes para la energía
eólica son: túneles de viento, bancos de ensayo de
palas, bancos de ensayo de generadores, bancos de
ensayo de trenes de potencia. Estas instalaciones se
diseñan exclusivamente para el ensayo de
aerogeneradores de rango de eólica de gran potencia.
Para la eólica de media potencia, la realización de
ensayos es fundamental para poder afinar el diseño de
los equipos y reducir costes mediante por ejemplo la
reducción de peso por lo que necesitaría de al menos
una instalación de ensayo dimensionada y adaptada a
tamaños de aerogeneradores < 300 kW.
Certificación (1/2)
Problemática
• Altos costes de certificación para
soluciones innovadoras.
• Rigidez del certificador que muchas veces
pide más que lo que está contemplado en
la norma.
• Escasez de certificadores reconocidos: GL,
TÜV-NEL, DNV, Intertek.
Certificación (2/2)
Las normativas actuales contemplan la gran eólica (IEC 61400-1) y la mini-eólica
(IEC 61400-2). En esta clasificación, la eólica de media potencia está
incluida en la misma categoría que la eólica de gran potencia. No
tiene sentido seguir aplicando la misma normativa para aerogeneradores de 100
a 300 kW y aerogeneradores de más de 5 MW. Sería conveniente desarrollar una
normativa específica, si se prevé tener un mercado con una cierta masa crítica
que lo justifique:
• La propuesta de incluir el rango de media potencia en la IEC 61400-2 ha sido
rechazada.
• Normativa IEC adaptada a media potencia (que no fuera 61400-1 ni 61400-2):
– Procedimiento largo y complicado aunque existe la posibilidad de basarse en una
versión antigua de la IEC 61400-1.
– Se podría buscar apoyo a las empresas no españolas trabajando en este rango de
potencia, aunque existe el riesgo de no encontrar consenso en los criterios de
certificación.
Operación y mantenimiento
• Actividad problemática en cuanto a costes
al ser instalaciones dispersas.
• Desarrollo de herramientas de supervisión
y control a coste competitivo que permitan
operar y mantener los aerogeneradores
de media potencia de forma mas ágil y
competitiva.
Acciones prioritarias
• Facilitar el desarrollo de tecnologías
innovadoras que reduzcan los costes de
instalación.
• Desarrollo de herramientas que reduzcan
los costes de operación y mantenimiento.
• Facilitar el aumento de la eficiencia de los
aerogeneradores de media potencia.
Aplicaciones
Todas orientadas al autoconsumo
• Eólica comunitaria.
–
–
–
–
–
Granjas/agrícola (Bombeo de agua)
Escuelas/Universidades
Empresas (Polígonos industriales/tecnológicos)
Ayuntamientos (iluminación, tratamiento de aguas)
Hoteles
• Ciudades inteligentes
• Islas/Países en desarrollo (Sistemas eólicodiesel)
• Electrocineras (Flotas cautivas, etc)
Proyectos de demostración
• Test intercomparativo de distintas
aplicaciones de electrolinera eólica.
– Objetivos:
– Validar la tecnología eólica de media
potencia
– Validar distintas aplicaciones de suministro
de energía eléctrica a VE a partir de energía
eólica.
• Electrolinera aislada de red (baterias)
• Electrolinera conectada a red. (balance neto)
Mercados
• De acuerdo al ICI International Market
Assessment, en el mundo hay un mercado
potencial de la eólica de media potencia
de hasta 220 GW
• EEUU: Mercado mayor que oferta.
Múltiples incentivos
• Reino Unido: Interés creciente por
aerogeneradores de media potencia
MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCION
[email protected]

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