Sistema FV+ Aerogenerador en puerto 40kW Sistema FV+ Aerogenerador en puerto 50kW Sistema FV+ Aerogenerador en puerto 80kW Sistema FV+ Aerogenerador en puerto 100kW Sistema FV+ Aerogenerador en puerto 150kW E(kWh/día) 165,49 219,8 309,05 507,22 879,82 % consumo cubierto 43 57 80 132 229
A continuación se muestran las gráficas de la energía mensual generada por el sistema eólico, fotovoltaico y las necesidades de consumo, suponiendo el caso más desfavorable (horario de verano).
Figura 35. Consumo cubierto mensual (Sistema FV+Aerogenerador 40kW) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 E n er gí a , kW h Mes
Consumo Cubierto (mensual)
Eólica
Solar
Total
53
Figura 36. Consumo cubierto mensual (Sistema FV+Aerogenerador 50kW)
Figura 37. Consumo cubierto mensual (Sistema FV+Aerogenerador 80kW) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 E n er gí a , kW h Mes
Consumo Cubierto (mensual)
Eólica Solar Total Consumo 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 E n er gí a , kW h Mes
Consumo Cubierto (mensual)
Eólica Solar Total Consumo
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Figura 38. Consumo cubierto mensual (Sistema FV+Aerogenerador 100kW)
Figura 39. Consumo cubierto mensual (Sistema FV+Aerogenerador 150kW)
Los datos de porcentaje de consumo cubierto obtenidos con el método Hycad son superiores a los hallados mediante el método sencillo. De todas formas, el rango de potencia del aerogenerador estará en torno a los 100kW. Sin embargo, una vez hecho este pre dimensionado, se utiliza el programa HOMER para hacer un estudio más detallado tanto técnica como económicamente y así poder escoger el aerogenerador más adecuado.
0 100 200 300 400 500 600 700 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 E n er gí a , kW h Mes
Consumo Cubierto (mensual)
Eólica Solar Total Consumo 0 200 400 600 800 1000 1200 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 E n er gí a , kW h Mes
Consumo Cubierto (mensual)
Eólica Solar Total Consumo
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5.3.MÉTODO NUMÉRICO COMPLEJO: HOMER
En este apartado se emplea el programa HOMER, una importante herramienta para el diseño y análisis de sistemas híbridos.
HOMER es un modelo informático que simplifica la evaluación de diferentes opciones tanto conectadas a red como sistemas aislados. Este programa permite crear diferentes modelos para maximizar el rendimiento de los diferentes sistemas.
HOMER tiene varios parámetros que se deben introducir antes de comenzar a simular cualquier situación:
Figura 40. Pasos a seguir en el empleo del programa HOMER
A continuación se describe los pasos a seguir para realizar una simulación con HOMER:
1. Definir componentes del sistema
HOMER permite seleccionar los diferentes componentes del sistema. En el caso a estudio estos son los siguientes:
Inversor
Generador fotovoltaico Grupo electrógeno Conexión a red
Cargas (consumo eléctrico) Banco de baterías • Generador FV • Inversor • Grupo electrógeno • Carga a suministrar • Banco de baterías • Conexion a RED Definir los componentes del sistema • PVGIS(Solar) • NASA(eólico) Definir Recursos: eólico- solar Simulación
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2. Consumos del barco
Los consumos diarios ya se habían especificado en el apartado 4.Metodología del diseño. Sin embargo, ahora se especifican con mayor precisión. Se definen de forma horaria y según el horario del barco (horario de verano y de inverno). Esta razón es una de las principales ventajas que presenta HOMER.
3. Generador Fotovoltaico
El parámetro a definir en este caso es el tamaño del generador que en este caso es de 12 kW. En cuanto al coste por kilovatio éste es de 6000 euros. La vida útil del generador se calcula a 20 años, el factor de degradación se supone del 80%, la inclinación 0° y el factor de albedo se calcula a un 20%
Figura 43. Datos de entrada Sistema FV (HOMER)
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Una vez introducidos los parámetros anteriores se simula, obteniéndose los siguientes resultados:
Tabla 32. Resultados sistema FV (HOMER)
Descripción Valor Unid.
Watios pico 12 kW
Producción media 1,88 kW
Producción media 43,3 kWh/d
Factor de capacidad 15,0 %
Producción total 15.787 kWh/año
Porcentaje de participación 22,2 % Horas de participación en el sistema 4.388 hr/año
El sistema fotovoltaico, como es de esperar, proporciona más energía en épocas de verano y a las horas de medio día (ver Figura 45). Se alcanza una producción diaria media de 43,3 kWh/día.
Según los datos obtenidos se observa que la participación del sistema fotovoltaico es bastante significativa, cubriendo algo más del 20% del consumo del sistema.
Figura 44. Horas de funcionamiento del sistema FV (HOMER)
4. Grupo electrógeno
La definición del grupo electrógeno y su operación resulta uno de los puntos más difíciles de esta simulación. Para ello es necesario definir claramente el horario correcto de funcionamiento, resultando un elemento clave para el balance energético del sistema. Sin esta consideración el estado de carga de las baterías siempre se mantenía en 100% indicando su falta de utilización en el sistema.
Finalmente, el grupo electrógeno se configura para funcionar solamente en las horas en las que el barco opera como se especifica en la figura siguiente:
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Figura 45. Datos de entrada grupo electrógeno (HOMER)
Tabla 33. Resultados grupo electrógeno (HOMER)
El grupo electrógeno se dimensiona tomando en cuenta las cargas y el factor de potencia del grupo (0,8). Se determinaron varios escenarios utilizando grupos electrógenos de 30, 40, 50 y 60kW.
El programa informático simula cada una de estas opciones. El mejor resultado resultó ser el grupo electrógeno de 60kW. Por otra parte, se corrobora que el grupo funciona solamente en los horarios de trabajo del barco (Figura 47) ya que fue configurado para ello en los parámetros de funcionamiento que permite HOMER.
Tabla 34. Resultados producción grupo electrógeno (HOMER)
Descripción Valor Unidad
Horas de operación 631 hr/año Numero de arranques 382 arranques/año
Vida útil 23,8 Año
Consumo de combustible 9.108 l/año
Eficiencia media 30 %
Descripción Valor Unid.
Producción anual 24,318 kWh/año Potencia de salida media 38,5 kW Potencia eléctrica mínima 10.2 kW Potencia eléctrica máxima 60.0 kW
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5. Banco de baterías
El banco de baterías es el elemento crucial para el desarrollo del proyecto. Para maximizar el rendimiento del banco de baterías se tuvo en cuenta los siguientes parámetros de funcionamiento: ciclo de carga y descarga, amperaje máximo de recarga, tamaño, peso y sus dimensiones.
El cálculo de la capacidad útil de la batería necesaria se obtiene según la siguiente expresión:
D B nom D B P V días A Wh L Ah C · · ) ( )· ( ) (
Donde,CB(Ah) Capacidad útil de la batería
LD Consumo diario (Wh)
A Autonomía de la batería
Vnom(V) Tensión nominal de la batería B Rendimiento de la batería PD Profundidad de descarga
Los resultados más favorables para el sistema permiten entregar una energía de 21.218 kWh/año.
Tabla 35. Características técnicas baterías (HOMER)
Descripción Valor
Baterías en serie 48
Baterías en paralelo 1 Numero de baterías 48 Voltaje del banco de baterías 96
Descripción Valor Unid,
Capacidad nominal 118 kWh
Capacidad nominal utilizable 94,2 kWh
Autonomía 11,1 Hr
Vida útil 162.026 kWh
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Tabla 36. Datos energéticos baterías (HOMER)
A continuar se presentan diferentes gráficos sobre el funcionamiento de las baterías. En este sentido, cabe mencionar que los histogramas del funcionamiento de la batería proporcionados por HOMER demuestran que la batería tiene un estado de carga desde el 20% al 80%, cediendo la energía cuando el sistema lo requiere.
Figura 47. Histograma de frecuencias del estado de carga de las baterías (HOMER)
Figura 48. Estadística mensual del estado de carga de las baterías (HOMER)
Figura 49. Horas de funcionamiento de las baterías (HOMER)
Descripción Valor Unid.
Energía de entrada 24.900 kWh/año Energía de salida 21.218 kWh/año
Perdidas 3.623 kWh/año
Degradación de vida útil anual 23.014 kWh/año Vida útil esperada. 7,04 Años
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6. Inversor
El cálculo del inversor requiere los siguientes parámetros de entrada: la potencia del inversor, el coste medio por kW instalado, la vida útil, y la eficiencia del inversor. Además se toma en consideración que la potencia de este inversor (HOMER) es la suma de la potencia del inversor Banco de Baterías-Consumo interno (6kW) y los variadores de frecuencia de los motores (43kW).
Figura 50. Datos de entrada Inversor (HOMER)
En este caso, se plantea utilizar varios tamaños de inversores recomendados por el mismo programa, desde 20kW hasta los 50kW. Al ser analizado por HOMER se concluye que el tamaño óptimo del mismo es un inversor de 50kW de potencia.
Tabla 37. Características principales y resultados Inversor (HOMER)
Descripción Inversor Unid.
Potencia 50 kW
Media producción 4,1 kW Producción mínima 0 kW Producción máxima 50 kW Factor de carga 8,1 % Horas de operación 1.789 horas/año Energía ingresada 37.431 kWh/año Energía Entregada 35.559 kWh/año
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A partir del análisis de la figura siguiente (referida a las horas de entrega de energía del inversor), se puede concluir que el inversor al igual que el banco de baterías y el equipo electrógeno solo funciona en las horas de trabajo del barco.
Figura 51. Horas de funcionamiento del inversor (HOMER)
7. Definir recursos eólico y de radiación
El programa requiere la introducción de los datos del recuso eólico y de recuso solar. Estos fueron obtenidos a partir de las siguientes fuentes: PVGIS (Recurso solar) y la NASA (Recurso eólico).
Recurso solar: Se introduce la latitud y la longitud de la ubicación del emplazamiento, así como cada una de las medias mensuales diarias de radiación en kWh/m2/día.
Figura 52. Datos de entrada Recurso Solar (HOMER)
Recurso eólico: Se introduce el valor de la K de Weibull, las medias mensuales en m/s y además la altura del anemómetro para que el programa informático pueda hacer las simulaciones más precisas.
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Figura 53.Datos de entrada Recurso Eólico (HOMER)
8. Simulación con diferentes tamaños de componentes.
Según su definición, simulación es una técnica numérica para conducir experimentos en una computadora digital. Estos experimentos comprenden ciertos tipos de relaciones matemáticas y lógicas, las cuales son necesarias para describir el comportamiento y la estructura de sistemas complejos del mundo real a través de largos períodos.
A continuación, una vez definidos los parámetros de funcionamiento y cada uno de los componentes del sistema se procede a realizar dicha tarea. Para realizar un análisis de sensibilidad y llegar a los mejores resultados posibles se consideran varias opciones de cada uno de los componentes del sistema. Una vez realizada la simulación se concluye que el mejor resultado alcanzado es el que se muestra a continuación:
Estructura del sistema
El sistema constaría de un sistema de generación fotovoltaica de 12kW, un grupo electrógeno de 60kW, un inversor de 50kW, un banco de baterías configuradas por 48 vasos de 2V y 1227Ah, y finalmente una conexión a red para la recarga del barco en puerto.
Tabla 38. Equipos principales del sistema (HOMER)
Descripción Tamaño FV 12kW Grupo electrógeno 60 kW RED 20 kW Batería 48 11PzS1100 Inversor 50 kW
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Sistema eléctrico
El programa HOMER calcula la producción anual que cada uno de los generadores en el barco y lo que la red debe proporcionar al sistema. A partir de dicha configuración el sistema llega a una producción total de 77.567 kWh/año.
A continuación se muestra la producción anual de cada uno de los elementos y el porcentaje que aportan a la demanda global:
Tabla 39. Resultados de producción energética del sistema y porcentaje de consumo cubierto
Componente Producción Fracción
(kWh/año)
FV 15.787 20%
Grupo electrógeno 25.884 33% Red eléctrica 36.468 47%
Total 77.567 100%
Selección del aerogenerador en puerto
Por último, se realiza un estudio de la producción de los diferentes aerogeneradores que se pueden instalar en el puerto de Santa Pola (40kW, 50kW, 80kW, 100kW y 150kW) utilizando HOMER. Los resultados obtenidos se muestran a continuación:
Tabla 40. Producción aerogeneradores (40, 50, 80, 100, 150 kW)
Componente 40kW 50Kw 80kW 100kW 150kW
(kWh/año) (kWh/año) (kWh/año) (kWh/año) (kWh/año) Producción 31.429 66.904 109.343 176.912 292.082
Si se compara la producción anual de cada uno de estos aerogeneradores con la cantidad de electricidad de la red que necesita el sistema, 36.468kWh/año, (véase tabla 39) se observa que la opción de instalar en puerto un aerogenerador de 40kW no alcanzaría las necesidades mínimas del sistema y el balance energético con la red resultaría negativo.
Por otra parte, los siguientes aerogeneradores (50, 80, 100 y 150kW) si aportarían la energía mínima necesaria para conseguir un balance energético positivo. En todos los casos se generaría más energía de la demandada, pudiendo así vender los excedentes a la red. Entre todas las opciones, se escoge el aerogenerador de 50kW ya el objetivo de este sistema es cubrir un consumo y con este modelo el balance sería favorable. Además este aerogenerador de 50kW en combinación con el sistema fotovoltaico cubriría el 70% de la demanda del barco. Otras ventajas de su elección son que presenta una menor altura de buje (25m), mayor facilidad de transporte, mayor facilidad en instalación y menor en precio en comparación con los de mayor potencia.
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Balance energético
A partir de los datos de consumo y producción de energía (aerogenerador de 50kW) se compara la energía entregada al barco y la energía vertida a red por el aerogenerador. En la figura siguiente se observa que el excedente de energía que existe es debido principalmente al bajo consumo en el sistema en los meses de invierno.
Figura 54. Producción aerogenerador 50kW y energía aportada por la red
6. ESQUEMA ELÉCTRICO Véase Figura 56. 7. ESQUEMA FÍSICO Véanse figuras 57 y 58. 0 2 4 6 8 10
Ene Feb Mar Abr May Jun Juli Ago Sep Oct Nov. Dic
En e r gí a k Wh /añ o
Producción medía mensual de eléctrica
RED A. 50kW
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C
C
C
C
67
68
69
8. PROCEDIMIENTO ADMINISTRATIVO
El procedimiento administrativo para la instalación del aerogenerador y línea de evacuación en el puerto de Santa Pola resulta complejo dado el número de materias afectadas; energéticas, medioambientales y urbanísticas.
Es necesario obtener las siguientes licencias y requisitos antes de comenzar la instalación del aerogenerador de 50kW
a. SOLICITUD DE LA INSCRIPCIÓN PREVIA EN EL RE
La Ley 54/1997, de 27 de noviembre, reguladora del sector eléctrico (en adelante LSE), establece en su Título IV, rubricado “Producción de la energía eléctrica”, dos regímenes diferenciados de producción, el ordinario y el especial, con una regulación jurídica diferente, pues responden a realidades sustancialmente distintas, a pesar de que su finalidad es la producción de energía eléctrica.
El art. 27 de la LSE, define el régimen especial de producción eléctrica como aquel que se realice desde instalaciones cuya potencia instalada no supere los 50 MW, cuando se utilice, entre otros supuestos que establece el artículo, como energía primaria, alguna de las energías renovables no consumibles, siempre y cuando su titular no realice actividades de producción en el régimen ordinario.
Una vez que hemos identificado la energía eólica como de régimen especial, ya que nuestra instalación es de 50kW, señalaremos que la condición de instalación de producción acogida a este régimen es otorgada por la Comunidad Autónoma, en nuestro caso, la Comunidad Valenciana.
El procedimiento recogido en el Real Decreto 661/2007 regula la producción de energía eléctrica en régimen especial, consta de tres pasos:
1- Inclusión en el régimen especial.
2- Inscripción en el registro administrativo de instalaciones de producción en régimen especial. 3- Inscripción definitiva en el registro administrativo de instalaciones en régimen especial. La solicitud de inscripción previa se dirigirá a la Dirección General de Política Energética y Minas.
La delimitación competencial en este ámbito es de capital importancia, pues definirá las administraciones competentes para la toma de decisiones, en especial, de las autorizaciones necesarias para la instalación de dichos parques eólicos.
En primer lugar, referimos a los artículos 149.1.22 y 25 de la Constitución Española, que establecen la competencia exclusiva del Estado con respecto a la legislación, ordenación y autorización de las instalaciones eléctricas cuando su aprovechamiento afecte a otra Comunidad o el transporte de energía salga de su ámbito territorial, y con respecto a la legislación básica sobre protección del medio ambiente, respectivamente, sin perjuicio de las facultades de las Comunidades Autónomas de establecer normas adicionales de protección.
b. IMPACTO AMBIENTAL
Aun siendo la energía eólica una energía limpia, las instalaciones eólicas no son inocuas para el medio ambiente, en particular para los recursos naturales y paisajes. En función del emplazamiento y de las características del proyecto, una instalación eólica puede generar
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significativos impactos ecológicos y también puede ocurrir lo mismo si hay una excesiva concentración de parques en un área ambientalmente sensible.
La legislación autonómica valenciana no establece expresamente la necesidad de evaluación de impacto ambiental de un parque eólico, pero por Ley nacional 6/2001 puede exigirlo para cada proyecto en concreto en función del impacto que genere o el numero de aerogeneradores (50 o más).
En este caso, y debido a la relevancia de la instalación de un aerogenerador en puerto, se considera conveniente la realización de un estudio de impacto ambiental que se presenta a continuación.
La normativa aplicable en esta materia es muy amplia, por lo que a continuación se numeran alguna de las normas más importantes en esta materia:
Directiva 2001/42/CE, del Parlamento Europeo y del Consejo, relativa a la
Evaluación Ambiental Estratégica de planes y programas (AAE), cuya transposición e ha efectuado a través de la Ley 9/2006, de 28 de abril, sobre evaluación de los efectos de determinados planes y programas en el medio ambiente.
Directiva 92/43/CEE, relativa a la conservación de los hábitats naturales y de la lora y fauna
silvestre. (Directiva Hábitat – Red Natura 2000).
Directiva 79/409/CEE, relativa a la conservación de las aves silvestres.
Directiva 2002/49/CEE, sobre la evaluación y gestión del ruido ambiental..
Ley 37/2003, de 17 de noviembre, Ley del ruido.
Decreto 320/2002, sobre ordenanzas tipo para la protección de la contaminación acústica en
los municipios.
c. PROCEDIMIENTO ADMINISTRATIVO DE CARÁCTER URBANÍSTICO
Para la construcción de una instalación se requiere la autorización municipal o de licencia de obras, lo que significa que la actuación debe ser compatible con la planificación urbanística del municipio.
La clase de suelo donde queremos construir el aerogenerador es un suelo no urbanizable de especial protección ya que pertenece al dominio público marítimo.
Para permitir el uso del suelo para la construcción del parque eólico, sólo es necesario que permita el uso del mismo para la producción de energía eléctrica, es decir no es necesario modificar la clase de suelo “no urbanizable”.
La normativa establece tres formas de proceder para la modificación del planeamiento urbanístico:
1- Modificación del Plan de Ordenación Urbana (PGOU)
2- Redacción de un plan de ordenación autonómico (Plan especial) 3- Declaración de Interés (DIC)
d. PROCEDIMIENTO ADMINISTRATIVO DE ACTIVIDAD
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Santa Pola, adjuntando el correspondiente proyecto técnico de actividad, donde se detallen las características.
La construcción de los parques eólicos produce actividades molestas en grado bajo, a causa del ruido, vibraciones y polvo en suspensión.
La tramitación según el Real Decreto 2421/1961 establece: 1- Información pública
2- Notificación personal a los vecinos del emplazamiento 3- Informe de sanidad
4- Informe técnico del ayuntamiento 5- Informe de los servicios técnicos
6- Concesión de la licencia de Actividad o Apertura de Establecimiento 7- Acta de comprobación
e. PROCEDIMIENTO ADMINISTRATIVO DE LICENCIA DE OBRAS
Para la construcción de una instalación se requiere la autorización municipal de Santa Pola o licencia de obras, lo que significa que la actuación debe ser compatible con la planificación urbanística del municipio de Santa Pola. Además este plan debe ser aprobado por la Comunidad Autónoma.
Las líneas eléctricas no requieren un control administrativo municipal, y no serán impedidas por los municipios afectados.
La legislación urbanística exige la perspectiva licencia municipal en todos los actos de uso de suelos y subsuelo.
El procedimiento para el otorgamiento de la licencia de obras es el siguiente:
1-Solicitud de licencia de Obras ante el ayuntamiento de Santa Pola acompañado del anteproyecto de la obra a ejecutar
2-Evaluación de los informes técnicos de los órganos que deben intervenir, principalmente de carácter urbanísticos y de actividades
3-Otorgamiento de la licencia de Obras por parte del Alcalde.
f. PROCEDIMIENTO ADMINISTRATIVO DE UTILIDAD PÚBLICA
De acuerdo con el artículo 52.1 de la Ley del Sector Eléctrico, se declaran de utilidad pública las instalaciones eléctricas de generación, transporte y distribución de energía eléctrica, a los efectos de expropiación forzosa de los bienes y derechos necesarios para su establecimiento y de la imposición y ejercicio de la servidumbre de paso.
En el caso de instalaciones de pequeña potencia, sería discutible desde el punto de vista jurídico la utilidad pública la utilidad pública de la instalación.