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7/23/2019 Optimización de sistema de generación con el uso de energías renovables
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Optimización del sistemgeneración de una indminera mediante el uso
sistemas híbridosAutor: Jorge Armando Serv
Director: Ing. Ángel Hernán
Tutora: Dra. Mónica Chinch
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Sistemas híbridos
Son sistemas que generan energía eléc trica a partide dos o más fuentesenergéticas diferentes.
Las fuentes energéticas utilizadas pueden serenovablesy/o convencionales.
Estos sistemas pueden ser aislados o encontrarseconectadosa la red eléctrica.
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Herramientas disponibles
Simulación
• Hybrid2
• PVSyst• WAsP
Optimización
• Homer Energy
• iHoga
Arquiabier• Matla
• Trnsy
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Ubicación del proyecto
Proyecto minero Ubicado en la provincia de CajamarcExiste una fluctuación del alturasentre los 3600 y 4000 m
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Energía consumida
INDICA
Consumo promedio
Desviaciónestándar
Demanda registrada
Demandaregistrada
P50 o med
P90
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Energía consumida
La demde la paño 143.202
La potcon la esde 2
La depromedy 18 MW
Aproximel 10%demanlos 18 M
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Estructura tarifaria
Según el Reglamento de Usuarios Libres de Electrici
publicado el 16 de Abril de 2009, mediante el Decreto022-2009-EM, se establec ieron tres rangos para dcondición del usuario:
Menor o igual a 200 kW: Usuario regulado.
Entre 200 y 2.500 kW: Pueden decidir la condición de usuario libr
Mayora 2.500 kW:Usuario libre.
Los usuarios libres presentan lassiguientescaracterístic
Se encuentran conectados al Sistema Eléc trico Interconec tadopero no están sujetos a la regulac ión de precios por la energíaconsumen.
Los precios que pagan y el tipo de estructura tarifaria destablecido en el contrato privado de suministro con la empreso distribución.
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Estructura tarifaria Existen dos tiposprincipales de estructuras tarifariaspara usu
Una estructura similar al cliente regulado, donde existe un carde energía en hora punta (EHP) y otro fuera de punta (EFestructura suele utilizarse con usuarios que no demandan enecontinua a lo largo de todo el día, como los grandes clientes co
El otro tipo de estructura tarifaria, que suele ser utilizada consumidores (potencia contratada superior a 10 MW), es lacompañía minera, cuyos cargosprincipalesson lossiguientes:
Tipo de cargo TarifaCargo por capacidad base 6,95 $/kW/mes
Cargo por capacidad adicional 1,00 $/kW/mes
Cargo por energía base 0,069 $/kWh
Cargo por energía adicional 0,117 $/kWh
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Estructura tarifaria
Cargo por capacidad
Base: Corresponde al pagomensual por la potenciacontratada con la compañíageneradora.
Adicional: Corresponde a ladiferencia obtenida entre lamáxima demanda registradadurante el mes y la potencia base.
Cargo por energía
Base: Contabiliza todo correspondiente a unahoraria inferior o igual apotencia base contrat
Adicional: Contabiliza consumo correspondiepotencia horaria superde potencia base con
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Facturación eléctrica actual
Mes Costo energético mensual[$]
Enero 956.310,11
Febrero 933.013,46
Marzo 987.714,00
Abril 990.828,97
Mayo 1.052.009,79
J unio 949.543,09 J ulio 1.038.352,23
Agosto 1.082.097,05
Septiembre 971.373,89
Octubre 997.021,36
Noviembre 992.341,02
Dic iembre 1.015.369,42
TOTAL 11.965.974,39
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Tecnologías de almacenami
C l a s i f i c a c i ó
n s e g ú n e l t i p o
d e a l m a c e n a m i e n t o
Almacenamiento de energía mecánic
Almacenamiento de energía eléctrica
Almacenamiento de energía térmica
Almacenamiento de energía química
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Servicios y aportes requerido
Servicios y aportes de emergencia•Durante una ca ída de la red eléctrica suministra energía
emergencia.
•Cumpliría la función del ac tual sistema UPS.
Corrección del factor de potencia•Deben permitir el suministro de energía reactiva, para lo
elevadasrampas de potencia y profundidades de descarga
Mejora de la velocidad frente a variaciones en•Deben tener ciclos de recarga apropiados y altas rampas
permitan un control de la tensión y frecuencia, frente a variacdemanda.
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Baterías de flujo Redox-Vana
Esta tecnología de almacenamiento fue selecc ionada
versatilidad y excelentes propiedades de su diseño, entre ventajas técnicasse encuentran lassiguientes:
Satisfacen la totalidad de losservicios y aportesrequeridos.
Independencia de su capac idad de almacenamiento y potenc
Bajos costos de mantenimiento y pueden operar en altura y ebaja temperatura, como en el presente caso.
Elevado ciclos de carga y descarga (entre 13.000 y 15.000 ciclo
Pueden suministrar energía incluso con una capacidad mayopotencia nominal.
Soportan profundidades de descarga de hasta el 100%.
Permiten un control en loscuatro cuadrantes.
Tienen una alta eficiencia de funcionamiento.
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Recurso solar
Este tiene especde 5,9
La de
lo laraño kWh/k
La rahorizoduranes de
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Recurso eólico
Estos calcuuna 21224veloc i
La dauna emetro
Se avelociduraninviern
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Recurso eólico
El viento proviene predomicon una dirección estecoincidente con la obtenida del mapa de previento del Perú.
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Análisis de complementaried
La co
horariarecurs
Existede losy horarecurseólico
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Análisis de complementaried
Se dec idió descartar el uso del sistema eólico dentro dsimulación y optimizac ión del sistema híbrido, por lassiguient
Valores considerablemente elevados de radiación globfluctuac ionesa lo largo de todo el año.
Ausencia de mediciones de velocidad y dirección del viento a que permitan la elaborac ión del perfil vertica l del viento,extrapolar con una confiabilidad aceptable, los valores de velopara alturasde buje de aerogeneradores comerciales.
Mala complementariedad entre el recurso solar y eólico, quemayor complejidad en el proceso de simulación y optimizacióposible existencia de mayores excedentes energéticos o la nsobredimensionamiento del sistema de almacenamiento.
Los caminos de acceso al proyecto minero requerirían un gastsu acondicionamiento, que permita el adecuado trancomponentes principalesdel sistema eólico.
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Algoritmo de simulación
Importación de data deconsumo y generaciónfotovoltaica
Ingreso de parámetros
principales de cadasubsistema
Programación de casos ylógica de simulac ión
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Ingreso de datos
INICIO
Dmd > Ebase+EPV
NO
SI
Ingresar parámetros
principales de cada
subsistema
Importar data de
consumo energético
Importar data de
generación fotovoltaica
Presencia de excede
Existencia de déficit de energía
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Presencia de excedentes
Dmd > Ebase+EPVNO ¿Existe exceso? NO
¿Baterías
cargadas?
SI
Disminuir Pbase
Cargar baterías
NOExcd = Ebase+EPV -
Dmd
Pred = Pbase - Excd
SI
Dmd < EPV
Ered = 0
ExcNR = EPV - Dmd
NO
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Existencia de déficit de energ
Dmd > Ebase+EPV
Dmd>Ebase+EPV+Estore
SI
SIUsar energía
almacenada
Usar Generador
Diésel
Estore > SOCmax x
DODmax
NO
SI
NO
Dfc = Dmd -
(Ebase+EPV+Estore)
Calcular déficit
0 < Dfc Dfc > Pmin
SI
Fin
NO
Suplir déficit con la
Red
NO
Ebas
S
SI
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Sistema fotovoltaico
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Cálculo de pendiente
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Cálculo de pendiente
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Perfil de obstáculos
Ángulo desalida del sol
[°]
Máxima altitudregistrada
[m]
Elevaciónrelativa
[m]
Distancia
[m]
Ángulo deelevación
[°]
-120 3.903 138 2.805 2,8
-105 3.914 149 3.116 2,7
-90 3.906 141 3.043 2,7
-75 3.891 126 3.207 2,2
-60 3.831 66 2.989 1,3
-45 3.769 4 966 0,2
-30 3.871 106 982 6,2
-15 3.954 189 1.159 9,3
0 3.948 183 1.846 5,715 3.986 221 2.084 6,1
30 3.949 184 1.551 6,8
45 3.913 148 1.756 4,8
60 3.999 234 3.827 3,5
75 3.978 213 3.967 3,1
90 4.028 263 2.743 5,5
105 3.987 222 1.208 10,4
120 4.001 236 1.130 11,8
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Perfil de obstáculos
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Tipos de variantes analizadas
Con inclinación fija Con seguid
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Panel fotovoltaico
Panel fotovoltaico
Fabricante Hanwha solar
País de procedencia Corea del sur
Modelo HSL72P6-PB-3-310QW
Tipo Policristalino
Potencia 310 W
Eficiencia 16%
Certificación IEC & UL
Dimensiones 1.956 mm x 988 mm x 45 mm
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Sistema con seguidor de un e
Distanciaentre ejes
[m]
Potencia[kWp]
Energía[MWh/año]
Producciónespecífica
[kWh/kWp/año]
Factoredimie
[%
7,05 5.943,00 12.735,00 2.143,00 82,
7,59 5.470,00 11.839,00 2.164,00 82,
8,00 5.183,00 11.254,00 2.171,00 82,
8,46 4.977,00 10.932,00 2.197,00 82,
8,97 4.648,00 10.213,00 2.197,00 82,
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Sistema con seguidor de un e
Sistem
Tipo deseguidor
Limitacionde rotació
Inclinacióeje
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Sistema con seguidor de un e
PARÁMET
Tasa dedescuento
Inflaciónanual
Impuesto arenta
Período deamortizaci
Costo anuadel seguro
Vida delproyecto
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Variantes preseleccionadas
TIPO DE SISTEMA Con inclinación fija Con seguidor de u
TAMAÑONúmero total de módulos 23.104 16.055
Potencia global 7.162 kWp 4.977 kWp
Superficie efectiva 44.649,00 m2 31.027,00 m2
INVERSOR
Fabricante Ingeteam ABB
País de procedencia España Suiza
Modelo Ingecon Sun 1000TL
X400 DCAC Indoor
PVS800-57-1000kW-C
Potencia unitaria 1.020 kW AC 1000 kW AC
Número total 7 5
Potencia total 7.140 kW AC 5.000 kW AC
RESULTADOS PVSYST
Energía producida 12.969,00 MWh/año 10.932,00 MWh/año
Producción específica anual 1.811,00 kWh/kWp 2.197,00 kWh/kWp
Factor de rendimiento (PR) 82,90% 82,40%
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Variante seleccionada
Variante del sistema Con inclinación fija Con seguidor de u
Potencia 7.162 kWp 4.977,00 kWp
Energía producida 12.968.977,02 kWh 10.932.434,79 kWh
CAPEX 1,25 €/Wp 1,40 €/Wp
OPEX 20.000,00 $/MW/año 24.000,00 $/MW/año
Seguro anual 5.600,00 $/MW/año 5.600,00 $/MW/año
Inversión inicial 8.952.500,00 € 6.967.800,00 €
Gastos operativos 128.466,37 € 107.128,25 €
LCOE 0,064 €/kWh 0,060 €/kWh
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Ingresos anuales con sistema
Potenciacontratada
(kW)
Ahorro anual consistema fotovoltaico
(€)
Ahorro anual sinsistema fotovoltaico
(€)
Ingresos anuadicional
(€)
24.000 735.127,58 74.798,21 660.329,37
23.000 809.925,78 149.596,41 660.329,37
22.000 884.723,99 224.394,62 660.329,37
21.000 959.522,20 299.192,83 660.329,37
20.000 1.034.051,88 373.722,51 660.329,3719.000 1.106.161,68 445.733,13 660.428,55
18.000 1.163.018,74 498.573,68 664.445,05
17.000 1.164.317,60 464.409,77 699.907,82
16.000 1.072.783,38 278.922,31 793.861,07
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Sistema de almacenamiento
TECNOLOGÍA Batería de flujo Redox-Vanadio
Fabricante American Vanadium &
Gildemeister energy solutions
País de procedencia Canada & Alemania
Modelo Cellcube
Combinacionescomercializadas
200 kW, 400 kWh/800 kWh &400 kW, 800 kWh/1.600 kWh
DOD máxima 100%
Eficiencia 80%
Los sistemaemergencaproximadde la capaasciende a
El sistemasatisfacer
energéticade 10 kminuto dehasta quediésel com
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Sistema de almacenamiento
PARÁMETRO VALOR
Inflación anual 2%
Impuesto a la renta 30%
Período deamortización
15 años
Vida del proyecto 25 años
SISTEMA UPS ACTUAL
Fabricante Schneid
País de procedencia Francia
Modelo Galaxy
Tipo de batería VRLA
Potencia unitaria 162 kW
Precio unitario 74.074,0
Cantidad 3
Frecuencia de reemplazo 10 años
Costo total de reemplazo 199.302
COSTOS
CAPEX 300,00 $/kWh
OPEX 8,00 €/MWh/año
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Sistema de almacenamiento
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Variante seleccionada
Variante del sistema 400 kW/800 kWh 400 kW/1600 k
Energía anual almacenada 245.830,70 kWh 416.641,92 kWh
CAPEX 215.246,64 € 430.493,27 €
OPEX 1.966,65 € 3.333,14 €
Energía anual entregada al sistema 196.664,56 kWh 333.313,54 kWh
Ratio energía entregada/almacenada 0,80 0,80
Horas de funcionamiento 1.656 1.989
Número de ciclos anuales 567,30 474.65
Tiempo de vida (15.000 ciclos) 26.44 años 31.60 años
Ahorro anual de facturación eléctrica 7.937,22 € 15.001,58 €
Tasa interna de retorno (TIR) 6,93% 1,98%
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Generador diésel
Fabricante Wärtsilä
País deprocedencia
Finlandia
Modelosseleccionados
6L16, 4L20, 6L20
Potenciasnominales
630, 740 y 1.110 kW
Porcentaje de
mínima carga
50%
Tipo decombustible
Fuel oil pesado
Consumo decombustible
200, 193 y 191 g/kWh
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Generador diésel
ModeloPo
5L16
4L20
6L20
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Generador diésel
ModeloConsumo específico
de combustible(g/kWh)
OPEX(€/kWh)
6L16 200 0,074
4L20 193 0,071
6L20 191 0,080
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Generador diésel
PARÁMETRO
Tasa de descue
Inflación anual
Impuesto a la re
Período deamortización
Cargo por eneradicional
Vida del proyec
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Generador diésel
Modelo de generador 6L16 4L20 6L20
Potencia nominal 630 kW 740 kW 1110 kW
CAPEX 96.053,81 € 122.780,27 € 228.968,61 €
Energía anual generada 872.466,84 kWh 951.661,96 kWh 1.085.458,29
Horas de funcionamientoanuales
1.498,00 1.414,00 1.159,00
Porcentaje de cargapromedio
92% 91% 84%
Consumo específico decombustible
200 g/kWh 193 g/kWh 191 g/kWh
OPEX 64.493,60 € 67.885,61 € 76.627,42 €
Horas de funcionamiento(25 años)
37.450 35.350 28.975
LCOE 0,100 €/kWh 0,098 €/kWh 0,102 €/kWh
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Sistema híbrido optimizado
Sistema híbrido optimizado
Red eléctrica
Potencia base contratada 17.000 kWp
Sistema fotovoltaico
Potencia 4.977 kWp
Tipo de seguidor De un eje en direcc ión E-O
Sistema de almacenamiento
Tecnología Batería de flujo rédox-vanadio
Potencia 400 kW
Capacidad de almacenamiento 800 kWh
Generador diésel
Potencia nominal 740 kW
í
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Sistema híbrido optimizado
í
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Sistema híbrido optimizado
Si híb id i i d
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Sistema híbrido optimizado
Subsistema
Red eléctrica
Sistemafotovoltaico
Baterías deflujo
Generadordiésel
TOTAL
Los excerecuperablea un total 26
Este excedente representa el 0.18% de la energía total producida phíbrido, o el 2.17%sin considerar la energía aportada por la red eléctri
A áli i fi i
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Análisis financiero
Ingresos del proyectoAhorro por modificación de potencia contratada 498.573,68 €
Ahorro de facturacón debido al sistema híbrido 773.541,63 €Ahorro por reemplazo del sistema UPS actual 199.302,24 €
Inversión inicial (CAPEX)Sistema fotovoltaico 6.967.800,00 €
Sistema de baterías de flujo 215.246,64 €
Generador diésel 122.780,27 €
Gastos operativos (OPEX)Sistema fotovoltaico (Primer año) 107.128,25 €
Sistema de baterías de flujo (Primer año) 1.966,65 €
Generador diésel (Primer año) 67.885,61 €Seguro anual de instalación fotovoltaica 5.022,42 €
Otros parámetrosPeríodo de amortización 15 años
Porcentaje de inversión propia 100%
Impuesto a la renta 30%
Inflación anual 2%
Tasa de descuento 10%
A áli i fi i
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Análisis financiero
Inversión propia
VAN 2.020.168,35 €
TIR 13,63%
Retorno de la inversión 12,28 años
Financiamiento del 60%
VAN 2.967.185,42 €
TIR 19,74%
Retorno de la inversión 8,25 años
Financiamiento del 70%
VAN 3.100.533,50 €
TIR 22,13%
Retorno de la inversión 7,28 años
C l i
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Conclusiones
Se observa c ierta particularidad en los resultados obtencon el uso del “b a c k t ra c k in g ”, con respec to a los valoresproducción espec ífica y “Pe r fo r m a n c e Ra t io ”.
En caso el valor actual de potencia base contratada pominera fuera menor, alrededor de 20 MW, la rentabobtendría sería mucho menor, con una TIRaproximada d
Con el uso del recurso solar se dejaría de emitir anu
atmósfera unas 4.045 toneladas de CO2, aunque debisistema convencional con fuel-oil, se están emitientoneladas de CO2 adicionales. Obteniéndose un balanc3.474 toneladas al año.
Alt ti d j
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Alternativas de mejora
Desarrollar en Simulink un modelo dinámico de cada cosistema híbrido, que permita realizar un mejor comportamiento del sistema durante eventos transitoindependiente de otros programas como PVSYST.
Implementar un algoritmo de análisis financiero, que perproceso de optimización y la posibilidad de analizar un mde casos y variantesde una forma más automatizada.
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GRACIAS