Proyectos fin de Carrera Diseño de un Sistema de Almacenamiento de Energía Híbrido Basado en Baterías y Supercondensadores para su Integración en Microredes EléctricasPremio fin de carrera 2010, alumno premiado: Isaac Gil Mera
El estudio de sistemas de generación distribuida de energía eléctrica es en la actualidad uno de los campos en los que se están invirtiendo los mayores esfuerzos, tanto en recursos humanos como financieros, por parte de gobiernos y compañías eléctricas. Esto es debido, a que la integración en la red eléctrica de distribución de fuentes de energía renovable (FER) ha propiciado el auge de pequeños sistemas de generación, que se conectan a un sistema de generación centralizado acarreando nuevas problemáticas que deben ser estudiadas y solventadas para poder realizar esta integración con éxito.
Debido a todo ello aparece el concepto de microred. Se trata de pequeños sistemas inteligentes de distribución eléctrica autogestionados localmente, de forma que podrían funcionar tanto conectados a la red pública de distribución como aislados de la misma. Las microredes permiten una mayor calidad del suministro, un mayor ahorro y una menor dependencia de la red de distribución, ya que se controla más el consumo y se optimizan los elementos del sistema, aumentándose considerablemente la eficiencia energética del conjunto. Otra ventaja de estos sistemas es la reducción de los costes de distribución al encontrarse las fuentes de generación y las cargas más cercanas.
La generación de energía eléctrica basada en energías renovables está tomando cada vez más importancia, interés y necesidad. En la actualidad, el aporte de energía de dichas fuentes a la generación global se encuentra en torno al 20%. Debido al carácter intermitente, variable e impredecible de estas fuentes de energía, se hace interesante y a la vez necesario el uso de sistemas de almacenamiento, para poder integrar un sistema de generación de energía eléctrica más robusto, autónomo, fiable y competitivo. Los sistemas de almacenamiento integrados en sistemas de generación con fuentes de energía renovable dotan de mayor autonomía y robustez a los mismos, absorbiendo la energía producida desde fuentes de energía renovable intermitentes, y liberándola en los momentos de mayor demanda, elevado coste de generación o cuando no existe otra fuente de energía disponible.
Estos acumuladores permiten disponer de una reserva de energía, proveniente en principio de la fuente renovable, de forma que siempre se disponga de un backup de energía, permitiendo abastecer una demanda de potencia mayor que la producida mediante la FER. Además, ante un posible fallo de la red de distribución, la microred puede desconectarse de ésta y abastecer a las cargas que tiene conectadas mediante la fuente de energía renovable en conjunto con un sistema de almacenamiento. Ello permitiría no dejar de abastecer la microred y facilitar la recomposición del sistema de distribución primario sin desaprovechar la energía aportada por la fuente de energía renovable. Todas estas ventajas hacen que la integración de los sistemas de almacenamiento en estos sistemas de generación sea indispensable para una gestión adecuada y óptima de la energía en una microred.
En base a todo ello, el proyecto tiene como cometido el estudio y el diseño completo de un sistema de almacenamiento híbrido basado en supercondensadores y baterías; y su integración en una microred con conexión a la red de distribución, todo ello en base a unas especificaciones de diseño.
La elección del almacenamiento híbrido de supercondensadores y baterías tiene su razón en la naturaleza de estos almacenadores. Los supercondensadores tienen una respuesta rápida ante variaciones en las condiciones de carga y descarga pero no son grandes almacenadores de energía. Por el contrario, las baterías poseen mucha mayor capacidad de almacenamiento pero sus tiempos de respuesta son limitados. En conjunto, el sistema de almacenamiento con su debida gestión de la potencia posee una rápida respuesta dada por los primeros dispositivos, y una alta capacidad de energía proporcionada por las baterías en régimen permanente.
En conclusión, decir que la ventaja de poseer un sistema de almacenamiento integrado en este tipo de sistemas es triple. En primer lugar, la posibilidad de seguir trabajando en el punto de máxima potencia de la FER aunque la carga demandada sea menor. En segundo lugar, la posibilidad de abastecer una carga de mayor demanda de energía que la extraída de la fuente de energía renovable mediante el aporte del sistema de almacenamiento. Y por último, la posibilidad del funcionamiento en isla de la microred, reduciéndose tanto la dependencia hacia la red de distribución, el consumo de potencia sobre ésta, y la calidad de suministro de la microred.
En base a cálculos y simulaciones por ordenador, se han dimensionado los acumuladores de energía en cuanto a número de dispositivos, asociación, potencia nominal y capacidad de almacenamiento de los mismos, para asegurar el backup de energía marcado por las especificaciones. Con ello se obtiene un banco de baterías y otro de supercondensadores.
En cuanto a los equipos de electrónica de potencia, se ha realizado el diseño de dos convertidores dc/dc de alto rendimiento, encargados de gestionar la energía de almacenamiento en la microred, uno para el sistema de baterías y el otro para el banco de supercondensadores. Se ha diseñado tanto el hardware de potencia como el hardware de control.
El diseño del hardware de potencia consiste en el cálculo y la selección de los distintos dispositivos que conforman el equipo, en concreto, transistores de potencia, controladores de disparo, sistema de disipación y refrigeración, bobinas, condensadores y resistencias de potencia, filtros, aparamenta de maniobra y protección, cableado, encapsulado, etcétera.
Por otro lado, en relación al hardware de control del equipo, se ha diseñado la electrónica encargada del gobierno del hardware de potencia, monitorización, interfaz de usuario y comunicaciones. Ello lo compone una tarjeta de circuito impreso que implementa un microcontrolador DSP como núcleo de procesamiento, transductores de sensorización, actuadores sobre los controladores de disparo y aparamenta de maniobra, señales de entrada y salida, sistema de monitorización y comunicaciones.
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