En muchas ocasiones, las explotaciones ganaderas se ubican en zonas remotas donde la red eléctrica es débil, ésta dispone de poca capacidad, o en las que directamente no existe acceso a la red. En este artículo, compartimos la experiencia relativa a la implementación de un sistema de abastecimiento renovable y desconectado de red que han vivido en Norvento.
Contexto del proyecto
La explotación ganadera en cuestión produce huevos camperos y ecológicos, encontrándose sus instalaciones en un entorno protegido medioambientalmente, donde existen importantes restricciones para el desarrollo de determinadas infraestructuras; específicamente es parte de la Red Natura 2000. Debido a la ubicación remota de la explotación, no existen líneas de distribución eléctrica cercanas que permitan el acceso a red. Además, el elevado desembolso económico y las importantes tramitaciones administrativas necesarias para la obtención de un punto de suministro desde la red hacen que esta opción no sea viable.
Ante dicha problemática, el cliente había optado en el pasado por la incorporación de un grupo electrógeno diésel que le permitiera operar desconectado de la red y que funcionaba ininterrumpidamente. Debido al elevado coste que supone esta tecnología, tanto de combustible como de mantenimiento, el cliente se puso en contacto con el equipo de Norvento para estudiar la implementación de un sistema de abastecimiento energético que le ayudara a aliviar dichos costes y que, a ser posible, pudiera estar más en línea con su voluntad de operar una explotación muy sostenible, idealmente alimentada con energía renovable.
Evaluación previa de la instalación
En una primera visita a la explotación ganadera, los ingenieros de Norvento inspeccionaron e inventariaron las instalaciones eléctricas existentes, a la vez que instalaban un analizador de calidad de la energía eléctrica para poder determinar el rango de tensiones y frecuencias en los que operaba el grupo electrógeno, y analizar los consumos del cliente.
Los resultados del análisis de la calidad de red reflejaron elevadas desviaciones de tensión y frecuencia ante escalones de carga, producidas por las limitaciones en la respuesta de un grupo electrógeno antiguo, inestable y que funciona lejos de su punto óptimo de operación. Estas desviaciones podrían causar deterioros tempranos de los elementos de consumo, así como interrupciones en el suministro de la instalación.
El mayor consumo de la explotación proviene de un sistema de ventilación monitorizado que está siempre en funcionamiento para mantener la zona donde se ubican los animales en un rango de temperatura constante. Asimismo, el sistema de procesado y empaquetado de huevos también hace uso de la energía generada por el grupo electrógeno. A partir de las mediciones realizadas, se obtuvieron los siguientes consumos:
Solución propuesta
Tras un análisis de viabilidad preliminar del proyecto, en el que se analizaron y compararon las distintas soluciones posibles, finalmente, el equipo de Norvento propone complementar el sistema de generación diésel con un sistema de generación fotovoltaica, un sistema de almacenamiento de energía, un sistema de apoyo y un sistema de gestión energética, convirtiendo la instalación en una microrred renovable aislada.
Cualitativamente, el nuevo sistema ofrece al cliente alta calidad de energía en términos de estabilidad de tensión, frecuencia y reducida distorsión armónica y subarmónica, y elevada fiabilidad gracias a que ahora existe redundancia de componentes y que se limita la operación, y desgaste, del grupo electrógeno.
Generación de energía
En el caso de una instalación de este tamaño, la fotovoltaica constituye la fuente de energía más competitiva en términos de coste. Añadido a las restricciones medioambientales de la zona que pudieran complicar una posible instalación eólica tenemos como ventaja la disponibilidad de una cubierta orientada e inclinada adecuadamente para realizar una instalación fotovoltaica coplanar.
Además, se decidió mantener el sistema de apoyo con el grupo diésel existente, con el que se garantiza la perfecta operación en periodos sin producción fotovoltaica y ausencia de carga en las baterías. Dicho grupo electrógeno entraría en operación en modo back-up durante unas pocas horas al día, siempre trabajando en un punto de operación óptimo donde el consumo de combustible es mínimo en relación con la energía eléctrica producida, suponiendo un menor coste de combustible y una reducción en horas de operación del grupo que redunda en menor mantenimiento y un aumento de su vida útil.
Almacenamiento de energía
Una fuente intermitente de generación ha de complementarse siempre con un sistema de almacenamiento, para lo que en este caso escogimos baterías de Ion-Litio. El sistema de almacenamiento juega un papel clave, ya que debe hacer balance instantáneo entre generación renovable y demanda de la granja. Cuando hay excedente de generación lo almacena, pudiendo ser dicha energía utilizada en periodos donde el consumo requerido es mayor que la generación.
Para la integración de baterías se requiere un convertidor electrónico que adecúe la corriente continua de éstas a la corriente alterna de la microrred y además pueda entregar la potencia precisa para conseguir el equilibrio entre generación y demanda de ésta. No todo convertidor de baterías es compatible con su operación en una red aislada, ya que ha de ser capaz de estar continuamente contribuyendo a dicho equilibrio. Y no todo convertidor es compatible con unas baterías específicas, ni eléctricamente ni en términos de control, ya que ha de ser capaz de comunicarse adecuadamente con su sistema de gestión, conocido habitualmente como Battery Management System o BMS.
Aunque en Norvento trabajan con diversos proveedores de convertidores, en esta ocasión el equipo empleado es propio de la casa, el Norvento Gridmaster Converter. Este convertidor encaja particularmente bien porque puede gestionar una microrred desconectada, está preparado para trabajar en una atmósfera complicada como la de la granja, y encaja muy bien en el nivel de potencia requerido para la instalación, que en este caso son 50kW.
Controlador de la microrred
El controlador de la microrred tiene como misión asegurar que en todo momento los equipos se coordinan para ofrecer energía de calidad y que en ningún momento queda comprometida la operación segura de la microrred. Todo ello naturalmente lo debe hacer de forma autónoma y sin necesidad alguna de intervención humana.
Así, el control se encarga de monitorizar que tensión y frecuencia son las adecuadas, el nivel de energía disponible en baterías, y que se están satisfaciendo los consumos. Y para conseguir mantener los parámetros de la red toma decisiones de arranque y parada del sistema fotovoltaico y del grupo electrógeno y además realiza un reparto de cargas entre éstos y las baterías, todo para que la operación sea siempre óptima para el cliente minimizando el consumo de combustible y asegurando la calidad en la entrega de energía.
El controlador de la microrred se comunica por tanto con todos los equipos recibiendo medidas de cada uno de ellos, procesa dicha información, y les devuelve consignas de operación. El convertidor empleado, Norvento Gridmaster Converter, incorpora un controlador de microrred capaz de realizar todas estas funciones. Además, permite la monitorización y gestión remota de la instalación gracias a su conexión al internet de las cosas o IoT, por lo que el cliente o el mantenedor pueden acceder a la información en todo momento para entender el estado del sistema.
Dimensionando la instalación
Una vez definida la solución de forma cualitativa, el equipo de Norvento realizó un modelo de los flujos de energía considerando tanto la demanda como la generación, lo que le permitió identificar el dimensionamiento óptimo de cada uno de los elementos de la instalación, como se puede ver en la siguiente figura en la que se muestran los flujos de energía durante una semana.
En el caso de la instalación fotovoltaica se realizó un estudio detallado de la producción con la utilización de bases de datos meteorológicas, que revela una irradiación solar horizontal media de 1.395 kWh/m2/año. Adicionalmente, y dada la importancia de la generación de una instalación fotovoltaica en un sistema aislado, se llevó también a cabo un estudio de sombras debidas a obstáculos circundantes mediante software específico, para poder así ubicar el campo fotovoltaico en una zona óptima de producción. El resultado del estudio fue una instalación fotovoltaica con una potencia total de 35 kWp, cuya producción de energía neta anual se estima en 1.160 kWh/kWp.
El modelo de la instalación indicaba que el sistema de almacenamiento, basado en baterías de Ion-Litio, tendría óptimamente una capacidad de 45 kWh, con una profundidad de descarga de hasta el 90%. El sistema de almacenamiento funciona con una eficiencia del 95% en el ciclo carga-descarga.
Beneficios para el cliente
La instalación resultante de este dimensionamiento será capaz de abastecer con energía renovable aproximadamente el 76% de la energía consumida anualmente en la explotación ganadera, y de por tanto reducir proporcionalmente los costes de O&M del grupo electrógeno, que aportará aún el 24% de la energía consumida a lo largo del año, en contraste con el 100% previo. Esto redunda en beneficios económicos, medioambientales y de operación.
En lo económico, y teniendo en cuenta tanto la reducción de costes de operación como la inversión inicial a realizar en la nueva instalación, se estima que el coste de energía (o LCOE) disminuirá de unos 458 €/MWh a 253 €/MWh. El cliente recuperará la inversión inicial en un periodo de 4,3 años.
Medioambientalmente, desde Norvento estiman una reducción en las emisiones del cliente de 12,8 toneladas de CO2/año a 3,2 toneladas de CO2/año. Además, se reduce la emisión de partículas de NOx o SO2, evitando la polución en el entorno en que viven los animales.
Desde un punto de vista de operación de la explotación ganadera el cliente disfruta ahora de mayor fiabilidad, mayor protección a los equipos de consumo, y tranquilidad al poder monitorizar la instalación remotamente mediante una aplicación en su teléfono móvil.
Soluciones como la expuesta muestran cómo las microrredes pueden ser una solución compacta y fiable para instalaciones en zonas sin acceso a red o con mala calidad, asegurando una óptima penetración de energía renovable y alta calidad de suministro.
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Artículo redactado por Sergio Lamas, Ingeniero en electrónica industrial y automática en el Departamento de Inteligencia Energética de Norvento, donde colabora en el desarrollo de proyectos de microrredes.
