Red inteligente para el suministro de energía eléctrica de Ponferrada con energías renovables gestionables y no gestionables

Abstract

Actualmente en España la instalación de energías renovables no gestionables, en particular la tecnología eólica y solar fotovoltaica, se han visto fuertemente impulsadas mediante un sistema de retribución de primas, dejando de lado otras fuentes renovables como puede ser la biomasa. Estas energías no gestionables subvencionadas por el gobierno se caracterizan por aleatoriedad y su dependencia atmosférica, no son capaces de seguir la curva de demanda, lo que hace que sea necesario un sistema de generación de reserva para poder satisfacer la demanda en todo momento. Estas centrales de respaldo suelen estar alejados de los centros de consumo, lo que provoca pérdidas en el transporte. Todo esto ha causado un importante encarecimiento en el coste de la energía en España, siendo uno de los más caros de Europa. La microrred inteligente que se presenta en este proyecto es una forma razonable para solucionar estos problemas. Esta microrred aprovecha los recursos renovables no gestionables ya instalados, como son la eólica y la mini hidráulica, y los combina con otra forma de generación gestionables como es la biomasa. Además, permiten que la generación esté próxima a la demanda, por lo que disminuyen las pérdidas en el transporte. El estudio que se ha realizado es la implantación de una microrred en la ciudad de Ponferrada, León, con una población de 66.447 habitantes, que cuenta con varios parques eólicos y centrales mini hidráulicas instalados alrededor de la ciudad, y que pueden ser aprovechados como generación distribuida en la misma. Para el diseño de la microrred se han considerado todas las instalaciones que se encuentran a menos de 50 km de Ponferrada. Se han incluido 323,75 MW de generación eólica y 233,9 MW de mini hidráulica. Para complementar estas fuentes de energía no gestionables será de gran importancia la instalación de una planta de gasificación por plasma como fuente de generación de reserva. La planta de gasificación funcionará con los residuos sólidos urbanos, residuos forestales y agrícolas producidos en la ciudad, que actualmente no están siendo aprovechados. Este proceso consiste en la disociación molecular de la fracción orgánica de los residuos. Como resultado se produce un gas de síntesis compuesto fundamentalmente por hidrógeno y monóxido de carbono, y un material vitrificado aprovechado para materiales de construcción. Se trata de un proceso libre de residuos tóxicos, tiene un balance energético positivo ya que cuenta con un sistema de recuperación de calor mediante un ciclo Rankine, donde se generan 3,099 MWh al año, utilizados para alimentar a los procesos internos de la instalación. Con este sistema se puede obtener energía de forma inmediata mediante el uso de pilas de combustible, o almacenando el hidrógeno, para usarlo cuando las fuentes de energía no gestionables no sean capaces de cubrir toda la demanda. El diseño de las pilas de combustible y el sistema de almacenamiento se ha realizado de forma que se tenga la capacidad suficiente como para satisfacer toda la demanda, por lo que se han instalado 40 MW de pilas de combustibles y 117 unidades de almacenamiento de 54 kg de capacidad cada una. Para demostrar los beneficios económicos de la microrred se ha realizado un estudio económico de cada una de las tecnologías incluidas. Se han calculado los costes totales de la inversión inicial, los costes de explotación y los costes de amortización anual. El coste de la energía producida en la microrred se ha calculado como la suma ponderada de los costes de generación de cada una de las tecnologías incluidas, en función de la energía producida por cada una de ellas. Como resultado de esta operación se ha obtenido un coste de generación de 0,03822 €/kWh. Comparando este coste la Tarifa de Último Recurso (TUR), 0,117988 €/kWh, se concluye que el precio de la energía producida en la microrred es mucho más competitivo que el del sistema nacional. Esto se debe, principalmente, a que en la microrred no se incluyen cargas adicionales como las primas a las energías renovables, los costes del transporte o la compensación extra peninsular, lo que hace posible una reducción del 30% de los costes respecto a la tarifa regulada.

Spain has strongly incentivised the development of unmanageable renewable energy, in particular wind and solar technologies, via the implementation of feed-in tariff regulatory schemes, while others renewable sources, such as biomass, have been excluded from this remuneration scheme. These unmanageable energies that operates under the regulatory framework are characterized by its unpredictable production and their climate dependence. They are not able to produce in line with the demand curve, which makes it necessary to have reserve generation capacity to accommodate demand at all time. These reserve systems are usually placed far from the consumption areas, which causes losses in transportation. As a result, energy prices in Spain have strongly increased over the past years and are amongst the highest in the European Union. The micro-grid system presented in this project is a reasonable way to solve these imbalances. This micro-grid distributes the unmanageable renewables resources already installed, such as wind and mini hydraulic, and combines them with another manageable way of generation such as biomass. In addition, the micro-grid allows to bring the generation source close to the consumption centre, so that the losses in transportation decrease. This project studies the implementation of a micro-grid in the city of Ponferrada, León, with more than 66.000 inhabitants. There are several wind farms and mini-hydro installed around the city that can be used to produce energy to satisfy the demand. The design of the micro-grid considers all the generation sources within a ratio of 50km around Ponferrada, which total 323,75 MW of wind generation and 233,9 MW of mini hydro generation. To complement this unmanageable energy sources, it would be necessary the development of a plasma gasification plant as a source of reserve generation capacity. The gasification plant would work with urban solid, forest and agricultural wastes produced in the city, which are currently unsued. This process consists in the full molecular dissociation of the waste’s organic fraction. Thus, a synthesis gas is product, mainly composed by hydrogen and carbon monoxide, and a vitrified material that is used for construction. It is a toxic product free process; it has a positive energetic balance since it has a heat recovery system through a Rankine cycle, where 3,099 MWh per year are generated, and used to feed intern process of the plant. With this system, it is possible to get instant energy using full cells and store hydrogen and using it when the non-manageable energy sources are not able to supply the electric demand. Both the cells and the store systems have been designed to satisfy peak demand, for which 40MW from full cells and 117 store units of 54 kg of capacity each one have been installed. To demonstrate the economic benefits of the micro grid, an economic study for each technology has been realised taking into account the amount of the investment, the operating costs and the annual amortization costs. The cost of generation of the micro-grid has been calculated as the average costs of by technology weighted by their annual production. The resulting blended generation cost is 0,03822 €/kWh. Comparing this cost with the “Tarifa de Último Recurso” (TUR), 0,117988 €/kWh, it is concluded that the price of the energy produced in the micro grid is much more competitive than the one from the general grid. This is driven by the fact that the micro grid’s end consumer cost does not include any charges for renewable feed-in, transport and extra peninsular compensations, resulting in a total cost reduction of 30% versus the regulated tariff.