Análisis y evaluación del uso del almacenamiento como soporte a la generación fotovoltaica en sistemas aislados

Abstract

La mayor parte de las diminutas islas y de las pequeñas comunidades remotas del mundo, a día de hoy, dependen de combustibles fósiles que importan para satisfacer sus necesidades energéticas. En estos lugares, donde la extensión de la red más cercana es economicamente insostenible, estos combustibles presentan un desorbitado coste, debido principalmente al difícil o inhabitual acceso a estos pequeños núcleos de población en cuestión, y obligan a los gobiernos a facilitar subvenciones a la electricidad. Es por ello que, en un mundo donde la concienciación sobre el medio ambiente comienza realmente a expandirse, la opción de suministro renovable en estas comunidades ha estallado durante los últimos años. Y más en las paradisiacas islas del Pacífico o Atlántico, donde su naturaleza es en muchas ocasiones el motor económico. Este contexto ha sido capaz de conciliar los dos aspectos que acompañan a las energías renovables: economía y medioambiente. Si bien es cierto que en ciertas situaciones las energías renovables, aunque preservando el medio, son deficitarias, el entorno de microrredes remotas permite que las energías limpias, entre ellas la solar fotovoltaica, entren por la puerta grande del abastecimiento energético. Así, prometen considerables ahorros en la factura eléctrica tanto a gobiernos como habitantes, además de liderar el cambio energético que el medio reclama. Sin embargo, el cambio no es sencillo. Los generadores diésel se caracterizan por su largo recorrido en el abastecimiento energético, lo que se traduce en unos buenos controles de tensión y frecuencia, así como una fiabilidad, estabilidad y calidad óptima en el suminitro. Cuando se introduce la intermitencia en la producción renovable, en especial la fotovoltaica, se pone en duda dicha fiabilidad y estabilidad de la red. A partir de un volumen de generación determinado, aproximadamente el 40% de la potencia nominal del sistema, el generador no puede responder adecuadamente ante perturbaciones en la producción solar, lo que repercuten de manera inaceptable en la red. Es por ello que, para una mayor penetración de estas energías, se necesita otro elemento adicional que, aportando estabilidad a la red, pueda reaccionar ante toda situación de producción solar. Es el caso de las baterías. En este proyecto se estudiarán los principales elementos de los sistemas standalone en los que puedan participar un DG, un grupo de baterías, y un grupo fotovoltaico, prestando especial atención a los dos últimos. Las baterías se consolidan como el ingrediente fundamental del mix energético renovable de los sistemas aislados, y presentan diferentes funciones para cada escenario energético. En presencia de un grupo diésel (DG) y de paneles fotovoltaicos (PV), existen varias estrategias de control, atendiendo a distintos factores, para el inversor de la batería y el panel. Estos factores son, principalmente, el aprovechamiento máximo de potencia, vida útil, estabilidad, disminución de combustible y optimización económica. En este proyecto, se analizarán desde un punto de vista teórico los controles más comúnes en el escenario de generación diésel-fotovoltaica-baterías. Sin embargo, recientemente se ha investigado acerca de la posibilidad de crear un sistema autónomo (standalone), en el que únicamente coexistan el almacenamiento y los paneles fotovoltaicos. Así, se reduciría a cero la dependencia de combustible. Este novedoso escenario presenta varios retos, como son la estabilidad, la seguridad en el suministro, y el correcto funcionamiento de la batería. En este proyecto se estudiará lo anterior desde un punto de vista teórico. Por otro lado, se analizará un caso práctico, la isla de Fernando de Noronha. Se modelarán mediante Matlab dos escenarios, uno de ellos diésel, sistema actual de la isla, que servirá como base, y otro PV-baterías, donde un único inversor central realizará la regulación V-f. El principal reto es obtener una respuesta del sistema PV-baterías apta en cuanto a estabilidad y calidad en el suminitstro, así como una evaluación del dimensionamiento de los mismos. Para ello, se analizarán dos situaciones. La primera de ellas, el corto plazo (segundos), servirá para estudiar la respuesta de ambos sistemas en el régimen transitorio. La segunda, el medio plazo, se llevará a cabo únicamente en el escenario PV-baterías, y servirá para analizar el funcionamiento de la batería y para analizar el régimen permanente del sistema.

The majority of the small islands and remote communities of the world depend, nowadays, on the fossil fuels they import in order to meet their energy needs. Remote areas, where grid extension in economically unsustainable, are exposed to exorbitant fuel prices, mainly due to their difficult or unusual access, and forze the governments to provide their population with great electricity subsidies. Therefore, in a world where environmental awareness starts to expand, the choice of renewable supply have got off the ground over the last few years. Particularly in the paradisiacal islands of the Atlantic or Pacific Ocean, where unspoilt nature is often the driver of the local economy. This context has been able to reconcile the two aspects that come from renewable energy: economy and environment. While it is true that, in certain occasions, renewables are unprofitable, although preserving the environment, remote communities allow that clean energies appear succesfully in the new scenario of load supply. This way, they assure important savings in both the Government and the citizens bill, as well as leading the essential energy change. However, this change is not simple. Generators, normally diesel, are characterized by their long experience in the load supply, which means good frequency and voltage controllers, as well as by their reliability, stability and optimum quality of the energy supply. When introducing the intermittent production of a renewable source, in particular, photovoltaic, those features are disputed. From a certain quantity of generation, approximately 40 % of the nominal power of the system, the generator cannot respond properly to big irradiance disturbances, which have a grid negative effect. That is why, for a higher renewable penetration, another element is needed. While contributing to grid stability, it must react to any situation of load and solar production. It is the case of the batteries. In this paper, every standalone device, where a diesel generator, a battery bank and a photovoltaic source can take part, will be analyzed. In particular, batteries and panels. Batteries have become the most important equipment of the energy mix of renewable isolated systems. They have different features and task for each energy scenario. In the presence of a diesel generator and solar panels, there are some control strategies, according to different factors related to the pv and battery inverter. Those factors are mainly taking the most of the solar production, life cycles, stability, fuel reduction and economic optimization. In this paper, most common control techniques will be studied, in the scenerio of photovoltaic-diesel-battery production. Nevertheless, there has recently been an increase in analyzing standalone systems, where only storage coexist with solar panels. This way, fossil dependency would be reduced to cero. This novel scenario bring several challenges in, such as stability control, reliability and good battery use. In this paper, the aforementioned scenario will be also studied. And finally, there will be a case study, Fernando de Nornoha island. Two scenerios will be modelled through Matlab. First one will be a diesel standalone system, current island system. It will be the basis for the next model, which will consist of a battery-photovoltaic system. The main challenge will be to obtain a competent response, regarding stability and supply quality, as well as an evaluation of battery and panel sizing. To that end, two different situations will be analyzed. The first one will be the short-term, and will be used to study the response of both scenarios in the transitional regime. The second one, the medium-term, will be carried out in the battery-PV scenario, and will be used to analyze battery performance, and to studyt the steady-state of the scenario.