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Universidad Austral de Chile Facultad de Ciencias de la Ingeniería Escuela de Ingeniería Civil Electrónica “ESTUDIO Y ANÁLISIS SOBRE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA EN LA REGIÓN DE LOS RÍOS” Tesis para optar al Título de: Ingeniero Civil Electrónico Profesor Patrocinante Sr. Pedro Rey Clericus CRISTÓBAL IGNACIO CASTILLO WAGEMANN VALDIVIA – CHILE 2013 3 INDICE Capítulo I 1. Objetivos de la Tesis 1.1 Objetivos Generales 1.1.1 Objetivos Específicos 1.2 Introducción 12 12 12 13 1.3 Análisis del estado del arte de las ERNC 1.4 Energía eólica 1.4.1 Potencial del recurso eólico en Chile 14 15 16 1.4.2Tecnologías 16 1.4.3Ventajas y desventajas 17 1.5 Energía Solar 17 1.5.1 Potencial en Chile 18 1.5.2 Tecnologías 19 1.5.3 Ventajas y desventajas 19 1.6 Biomasa 20 1.6.1Aplicaciones en Chile 21 1.6.2Tecnologías 21 1.6.3Ventajas y desventajas 22 1.7Energía Mareomotriz 1.7.1 Ventajas y desventajas 1.8Energía Geotérmica 22 24 24 1.8.1 Posibilidades en Chile 25 1.8.2Ventajas y desventajas 25 1.8.3Tecnologías 25 1.9Mini hidráulica 1.9.1Ventajas y desventajas 25 26 4 Capitulo II 2.1 ERC 28 2.2Energía Térmica 28 2.2.1Centrales generadoras 29 2.2.2Ventajas y desventajas 30 2.3Energía Hidráulica 30 2.3.1 Tipos de centrales hidroeléctricas 30 2.3.2Ventajas y desventajas 31 2.3.3 Centrales Hidroeléctricas y termoeléctricas presentes en los Ríos 32 2.4Ley 20.257 34 Capitulo III 3.1Sistema Eléctrico de Chile 35 3.1.1Descripción de los subsistemas SING, SIC, Aysén y Magallanes 35 3.1.2Comparación entre ERC y ERNC 37 3.1.3ERC presente en la región de los Ríos 38 3.1.4Futuro de la ERNC en los Ríos 40 3.1.5Conclusión del panorama de ERNC en los Ríos 41 Capitulo IV 4. Métodos de Almacenamiento 4.1 Hidroelectricidad bombeada 4.1.1 Posibilidades en Chile 4.2Almacenamiento Pneumatic 42 42 45 45 4.2.1Aire comprimido 46 4.2.2Gas comprimido 47 4.2.3Posibilidades en Chile 48 4.3Baterías 4.3.1Posibilidades en Chile 4.4Supercondensadores 48 51 52 5 4.4.1Posibilidades en Chile 4.5 Almacenamiento térmico 53 54 4.5.1 Posibilidades en Chile 58 4.6Celdas y almacenamientos de Hidrogeno 58 4.6.1Posibilidades en Chile 61 4.7Flywheel 4.8 Costos de los métodos de almacenamientos 62 63 4.9Cuadro comparativo de los diferentes tipos de almacenamiento de energía 65 Capítulo V 5.1Centrales de generación de energía en la región de los Ríos 67 5.1.1 Central Pilmaiquen 67 5.1.2Central Pullinque 69 5.1.3Solución de Almacenamiento para las centrales hidroeléctricas 71 5.1.4Soluciones descartadas 76 5.1.5Central Antilhue 77 5.1.6Central Valdivia-CELCO 78 5.1.7Generación de energía eléctrica en los Ríos 81 5.1.8Solución de Almacenamiento para las centrales termoeléctricas 82 5.1.9Soluciones descartadas 87 6. Conclusiones 88 7. Bibliografía 90 8. Anexo 93 6 INDICE DE FIGURAS Figura N°1 Energía Eólica 11 Figura N°2 Energía Solar 13 Figura N°3 Biomasa 20 Figura N°4 Energía Mareomotriz 23 Figura N°5 Energía Geotérmica 24 Figura N°6 Esquema de una instalación mini Hidroeléctrica 26 Figura N°7 Consumo bruto de energía 28 Figura N°8 Energía Hidroeléctrica 32 Figura N°9 Capacidad en porcentaje de generación eléctrica 34 Figura N°10 Sistema eléctrico Chileno 36 Figura N°11 Funcionamiento de una central hidroeléctrica de bombeo 44 Figura N°12 Formula de la energía de una central hidroeléctrica en kWh 44 Figura N°13 Formula de la potencia generada por una central Hidroeléctrica en KW 45 Figura N°14 Esquema del funcionamiento del sistema de aire comprimido 47 Figura N°15 Funcionamiento de la tecnología de gas comprimido 48 Figura N°16 Esquema de una Batería estándar 50 Figura N°17 Batería Ion-Litio Hybrid-APU implementada en el norte de Chile 51 Figura N°18 Supercondensadores 52 Figura N°19 Supercondensador ECDL 53 Figura N°20 Tecnologías de captación del calor 55 Figura N°21 Planta Gemasolar 57 Figura N°22 Esquema del sistema UTES 58 Figura N°23 Celda de Hidrogeno 59 Figura N°24 Celdas de Hidrógeno 61 7 Figura N°25 Componentes del sistema Flywheel 62 Figura N°26 Costos de los métodos de almacenamientos 64 Figura N°27 Generador de la central Pilmaiquen 69 Figura N°28 Central Pullinque en la actualidad 70 Figura N°29 Esquema de una Hidroeléctrica de pasada 72 Figura N°30 Esquema de Hidroeléctrica reversible 73 Figura N°31 Barrera de la Central 73 Figura N°32 Estructura de compuertas 74 Figura N°33 Aducciones 74 Figura N°34 Generadores en la casa de máquinas 75 Figura N°35 Ubicación de la central Antilhue 77 Figura N°36 Generación de energía Central Valdivia 79 Figura N°37 Funcionamiento de una central termoeléctrica 80 Figura N°38 Esquema elemental de una central termoeléctrica 82 Figura N°39 Componentes de funcionamiento de las baterías 84 Figura N°40 Tablero de mando del sistema de control Aeros 85 Figura N°41 Pantalla Táctil del sistema Aeros 85 Figura N°42 Rack LD y HR 86 8 INDICE DE TABLAS Tabla N°1 Estaciones de energía solar en Chile 19 Tabla N°2 Centrales generadoras en Chile 29 Tabla N°3 Centrales generadoras de energía hidroeléctrica 31 Tabla N°4 Centrales hidroeléctricas y termoeléctricas en la región De Los Ríos 33 Tabla N°5 Sistemas interconectados del país 35 Tabla N°6 Pronostico del consumo futuro SIC 37 Tabla N°7 Pronostico del consumo futuro SING 37 Tabla N°8 Cuadro comparativo entre ERC y ERNC 37 Tabla N°9 Estado de proyectos en operación, construcción y en espera 38 Tabla N°10 Proyectos en operación de Biomasa 39 Tabla N°11 Centrales de mini hidroeléctricas presente en los Ríos 40 Tabla N°12 Cuadro comparativo de los diferentes tipos de batería 50 Tabla N°13 Características de los receptores 55 Tabla N°14 Resumen de costos 65 Tabla N°15 Comparación entre los métodos de almacenamientos de energía 66 Tabla N°16 Centrales de generación de energía eléctrica en los ríos 67 Tabla N°17 Especificaciones de la central Pilmaiquen 68 Tabla N°18 Especificación de la central Pullinque 70 Tabla N°19 generación anual y potencia 71 Tabla N°20 Especificaciones de la Central Antilhue 78 Tabla N°21 Especificaciones sobre la Central Valdivia 79 Tabla N°22 Especificaciones de las baterías 83 9 INDICE DE GRAFICOS Gráfico N°1 Capacidad Instalada de ERNC 34 Gráfico N°2 Distribución de Proyectos Mini hidroeléctricas en Chile 38 Gráfico N°3 Distribución de centrales de biomasa en Chile 39 Gráfico N°4 generación de las centrales más importantes de la región de los Ríos 81 10 RESUMEN Uno de los temas más importantes en Chile y el mundo es la energía, ya que hoy por hoy los combustibles fósiles son cada vez más escasos y por ende más caros. Estamos ligados completamente a ellos en mayor o menor medida, por lo cual es necesario encontrar una alternativa a la generación energética; en algunos países pioneros en esta materia ya están en funcionamiento hace algún tiempo, en otros no tanto, pero la idea es la misma buscar alternativas energéticas al panorama mundial. Las energías renovables no convencionales (ERNC) está sonando fuerte en los medios mundiales como una alternativa energética, entre las cuales existen variadas alternativas ya explotadas en otros lugares, por lo que se debe aprender de ellos para traer a Chile estas tecnologías; hay ya implementados en nuestro país tanto energías renovables convencionales como no convencionales, como termoeléctricas, hidroeléctricas, eólicas y se plantea nuevos horizontes para implementar nuevas, esto es debido a la gran diversidad de climas que existe en Chile, pudiendo implementar energía solar en el norte de Chile y eólica en el Sur. El gran problema que las ERNC tienen que enfrentar para lograr mayor aceptación es el hecho que muchas veces no generan suficiente energía a determinadas horas, esto es causa del impredecible comportamiento del clima, es decir, por ejemplo nosotros no se puede controlar que el viento se mantenga constante durante todo el día, siempre van a existir momentos en que tenga mayor potencia de generación que en otros, haciendo que las ERNC sean poco confiables en determinados momentos, por lo cual todo el peso de generación eléctrica no puede recaer exclusivamente en una central de este tipo. La solución a esta interrogante son los métodos de almacenamiento de energía, con lo cual se podrá paliar esta inconsistencia en determinadas horas, siendo estos métodos de almacenamiento capaces de almacenar la energía producidas por las centrales en horas valle y entregarlas en horas punta para que de esta manera puedan las centrales suplir con mayor eficacia la demanda de energía que por sí solas no pueden cumplir. Existen variados métodos de almacenamiento, algunos ya comercialmente usados y otros aún en estudio, que aunque hoy en día no se han implementado, si puede decirse que abren una gran brecha para el futuro. En general se quiere buscar una alternativa de almacenamiento de energía para la región De Los Ríos, aunque esta cuente hoy en día solo con centrales de generación renovables convencionales, como son las termoeléctricas e hidroeléctricas, no dejan de ser una buena alternativa en el futuro para centrales que aún están en fase de aprobación o construcción como son las mini hidráulicas. Es importante explorar estos métodos de almacenamiento en centrales ya existentes, que de igual manera funcionarán para las futuras centrales en proyecto. Cabe destacar que las baterías de ionlitio ya son una realidad en el norte de Chile, ya que hace un tiempo están funcionando en centrales termoeléctricas con grandes resultados. 11 ABSTRACT One of the most important issues in Chile and the world's energy, and that today's fossil fuels are becoming increasingly scarce and therefore more expensive, we are bound completely to them to a greater or lesser extent, so it is necessary find an alternative to energy generation, some pioneers in this field are already in operation some time ago, in others not so much, but the idea is the same search for energy alternatives on the world map. Non-conventional renewable energy is playing strong in global media as an energy alternative, of which there are many alternatives already exploited in other places, so we should learn from Chile to carry these technologies are already implemented in our country both conventional and unconventional, such as thermal, hydroelectric, wind and new horizons to implement new arises renewable energy, this is due to the great diversity of climates that exist in Chile, can implement solar energy in northern Chile and wind in the South . The big problem ERNC have to face to achieve greater acceptance is the fact that often do not generate enough energy at certain times, this is because of the unpredictable behavior of the climate, ie for example we can not control the wind remains constant throughout the day, there will always be times when you need more power generation than others, making ERNC are unreliable at certain times, so all the weight of power generation can not rest on such a plant kind. The solution to this question are the methods of energy storage, which may alleviate this inconsistency at certain times, being these methods of storage capable of storing energy produced by central-peak and generate them at peak hours for that Thus plants can more effectively meet the energy demand alone can not fulfill. There are various methods of storage, some already used commercially and even in other study, although nowadays not implemented, if it can be said that a large gap open for the future. Generally you want to look for an alternative energy storage for Rivers region, although this count today only conventional renewable generation plants, such as thermoelectric and hydroelectric power, they are still a good alternative for future plants that are still under construction such as approval or hydraulic mini, it is important to explore these storage methods in existing plants, which functioned similarly to planned future plants. Note that the lithium ion battery is a reality in the north of Chile, since some time ago in thermal power plants are operating with great results. 12 CAPITULO I 1. Objetivos de la Tesis 1.1 Objetivos Generales -Analizar y comparar las alternativas de almacenamiento que existen a nivel mundial de energía a gran escala, desde un punto de vista técnico y económico. -Analizar la matriz energética para la Región de los Ríos, desde un punto de vista técnico como también la ubicación geográfica, eficiencia, etc. - Proponer un sistema de almacenamiento para el sistema chileno específicamente a la región De Los Ríos. 1.2 Objetivo Especifico -Estudiar, analizar y comparar los diferentes tipos de energía ya sean renovables convencionales o no convencionales presentes tanto en chile como mundialmente. -Analizar el funcionamiento y desempeño de las ERNC ya implementados a nivel mundial y en Chile (ventajas y desventajas). -Analizar las centrales de generación de energía eléctrica en la región De Los Ríos. -Estudiar y analizar los métodos de almacenamientos de energía a nivel mundial y presentes en nuestro país. -Elegir con fundamentos un método de almacenamiento de energía que se adecue mejor a los tipos de generación de energía eléctrica en la región de los Ríos, dando así una solución para mejorar la eficiencia del tipo de energía implementado en esta región. 13 1.2 INTRODUCCIÓN El problema energético es algo de suma importancia no solo a nivel de nuestro país, sino que es un tema mundial, por lo mismo hoy en día se busca una solución para disminuir o reemplazar el uso de combustibles fósiles, por determinados factores, como son la contaminación, el precio, la limitación de recursos; es por esto que las energías renovables no convencionales es un gran referente para cumplir con los objetivos planteados. En diferentes partes del mundo ya hay energía renovable no convencional funcionando y muchas otras en proyecto o construcción. A nivel chileno esta cifra es bastante baja con relación a la energía convencional, cosa que en años venideros se espera invertir, en Chile encontramos buena cantidad de energía hidroeléctrica, también en menor medida tenemos eólica y biomasa, pero un tema que preocupa en este tipo de energía es la necesidad de estabilización de la potencia generada, es decir que muchas veces la potencia generada no cubre en ciertos horarios la potencia requerida de consumo energético y en otros caso lo cubre eficientemente pero se pierde potencia generada, la cual se podría ocupar en momento que esto no puede suplir la energía requerida. Esta tecnología es el almacenamiento de energía el cual almacena la energía procedente de las ERNC en las horas valle, para luego ocuparlas cuando se necesiten, (horas punta). En el mundo existen variadas tecnología de almacenamientos de energía que podremos desglosar más adelante, que también en Chile en menor medida existen implementados algún tipo de almacenamiento de energía para en este caso el norte de Chile. Ya pensando en el tema real de aplicación del sistema de almacenamiento de energía, se puede dar cuenta que es una realidad implementada en otros países, tales como Suiza, Estados Unidos, China y Japón, estos países utilizan el almacenamiento de energía “Hidroelectricidad Bombeada”. Las Celdas de Hidrogeno ya se utilizan en Corea del Sur. En España, el cual es uno de los líderes de energía de almacenamiento térmico, como lo es su Planta “Gemasolar”. Así mismo es interesante y prescindible poder estudiar, investigar e implementar los tipo de almacenamientos de energía en nuestro país, saber que conviene más, que genera mejores prestaciones, que almacenamiento de energía tiene mejor posibilidades de subsistir en nuestro país y cuáles son las alternativas elegidas, todo esto con un amplio estudio y análisis sobre cada alternativa y su posible uso en Chile, centrándonos en dar una solución real y con fundamentos en una región en particular, en este caso será la región De Los Ríos, a la que se implementara a su matriz energética ya en funcionamiento en las centrales presentes dentro del territorio de la XIV región. 14 1.3 Análisis del estado del arte de las ERNC La ERNC por sus siglas corresponde a Energías Renovables No Convencionales, y son aquellas fuentes de generación energéticas en las cuales no se incurre en el consumo, gasto o agotamiento de su fuente generadora, de estas existen variados tipos de energía que están siendo explotadas en diferentes partes dél mundo incluyendo Chile, entre ellas podemos encontrar la energía hidráulica proveniente de la fuerza motriz del agua, la energía mecánica del viento (conocida como eólica), la fuente mareomotriz, que utiliza las mareas de los océanos, la energía solar , que captura el sol mediante radiación solar y lo transforma en energía limpia para usar. Entre otras energías categorizadas por su forma de explotación tenemos la proveniente de los desechos industriales mejor conocida como biomasa y también la energía geotérmica que aprovecha el calor interno de la tierra para generar energía. Un caso a tener en cuenta es la energía hidráulica, ya que se nutre energéticamente de la fuerza mecánica del agua, una fuente que cae en la denominación de energía renovable pero no está en la categoría de las fuentes no convencionales, por tratarse de un proceso de generación de tipo convencional, aun así Chile posee algunas plantas de energía hidráulica y la región De Los ríos posee algunas instalaciones de mini-hidráulica (están en proyecto) e hidráulicas por lo cual cabe mencionar su importancia. Una de las importancias de la ERNC y por qué se está masificando en el mundo, es su poca o nula contaminación medioambiental que genera en relación a sus contraparte, también cabe mencionar las alzas en los precios de combustibles fósiles, porque la ERNC es una buena opción para reemplazar de manera total en algún futuro, las ERNC aún son más caras que los combustibles fósiles hoy en día, se espera que en un futuro con las nuevas tecnologías esto se invierta. Hablando del tema de costos es una de los principales problemas de las ERNC tanto a nivel mundial como de Chile, ya que estos tienen un alto valor de ejecución y no sólo eso, dado que también tenemos el proceso de estudio, construcción, puesta en marcha y la conexión a los sistemas troncales de suministros presentan con creces a los necesarios para energías convencionales, si bien cada tipo de ERNC varía en costos dependiendo de las etapas, no deja de ser una gran inversión que muchos países no están dispuestos a realizar, aunque sea necesario a futuro contar con esto. Centrándose más en Chile, hoy en la actualidad se encuentra conformada su matriz energética en mayoría por las centrales hidroeléctricas y termoeléctricas, estando las energías ERNC aún muy por debajo de estas en tema de energías implementadas en Chile. Aunque este tipo de energía va ir en alza al pasar el tiempo, la ley 20.257 es una de las leyes que impulsan a que esto sea así. Como ya mencionamos con anterioridad, algunas de las fortalezas que tiene este tipo de energía con respecto a las otras es que presentan una alternativa limpia y poco invasiva al entorno y medio ambiente, son fuentes generativas de variado orden (como ya vimos tenemos donde elegir, eólica, solar, biomasa, etc.), algo a tener en cuenta es que minimiza la dependencia de combustibles fósiles. Cabe señalar que todos los proyectos no convencionales presentan un alto grado de aceptación ciudadana, sean de corte medioambientalista, política y social, gremial o 15 social. Las ERNC se han transformado en una nueva fuente de autogeneración energética para empresas privadas del rubro forestal, papelero o de celulosa con centrales de biomasa que utilizan los residuos industriales de éstas como fuente de generación energética, por ende abaratando los costos y optimizando recursos operativos. Así como tocamos el tema de sus ventajas, también cabe señalar las desventajas, entre las que tenemos que generan energía a un mayor costo financiero en materia de producción o generación, además son energías que están dependiente de las condiciones climatológicas, como los son la energía eólica, solar, etc. Dentro de las principales energías renovables en desarrollo en Chile tenemos la energía eólica, solar, mareomotriz, geotérmica y biomasa. 1.4 Energía Eólica La energía Eólica es la fuente de energía renovable no convencional que aprovecha de la fuerza mecánica del viento, la que mueve una turbina interna, que posteriormente conducirá la energía a un generador que opera para transformarla en electricidad. Los aerogeneradores necesitan de vientos constantes, a lo que contrario de lo que comúnmente se piensa, no necesariamente son fuertes, por lo que su ubicación se limita a determinados sectores del territorio nacional, aun así la energía eólica es un referente en lo que a ERNC en Chile se refiere, ya que aporta buena cantidad de energía no convencional al país. En la figura N°1 se puede ver un molino de generación eólica. Figura N°1 Energía Eólica [1] 16 1.4.1 Potencial del recurso eólico en Chile [2] Una de las características más importantes de este tipo de generación de energía y que a la larga puede ser una desventaja, es la dependencia de las condiciones atmosféricas, por lo que es necesario que exista un importante estudio detrás de las mediciones del viento para así tener una evaluación precisa del potencial energético explotable en el lugar que se piense implementar esta energía; aún así es una buena alternativa a la hora de plantearse un sistema basado en ERNC, ya que Chile cuenta con vastos lugares donde esta generación de energía eléctrica es una fuerte alternativa. En Chile, este conocimiento sobre el potencial eólico es cada vez mayor por lo que muchas empresas están poniendo sus cartas en la evaluación de este recurso. No solo empresas privadas están realizando esto, sino que la Comisión Nacional de Energía también está realizando sus propias evaluaciones y estudios para identificar potenciales zonas, entre los estudios tenemos lógicamente la recopilación y análisis de información meteorológica de superficie entre ciertas regiones como lo son las regiones de Atacama y los Lagos. Así se desarrolló una evaluación preliminar del potencial eólico entre la región de Tarapacá y la región de la Araucanía, basado en el reprocesamiento de resultados disponibles de modelos meteorológicos de mesoescalas. Hoy en día la energía eólica aporta un 29% (180,08 MW) del total de ERNC generado en Chile. Ahora bien, se deja en claro las posibilidades de futuros proyectos y estudios en diferentes zonas de Chile que aún no están explotadas, ahora cabe mencionar proyectos que están ya en operación, uno de los más importantes se encuentran en Aysén el cual se inauguró el año 2001 como el primer parque eólico conectado al sistema eléctrico de Aysén; esta central es la “Alto Baguales” que cuenta con tres aerogeneradores (660 kW c/u) con una capacidad conjunta de 2MW. En la Región de Coquimbo, exactamente en Canela, el año 2007 se inauguró y ya se encuentra en funcionamiento el primer parque eólico conectado al SIC (Sistema interconectado Central), el cual cuenta con once aerogeneradores de 1,65MW cada uno con una generación anual esperada de 46.000MWh. 1.4.2 Tecnologías Hoy en día existen diferentes tipos de tecnología para la generación de energía eólica, es decir no sólo tenemos una estándar, aunque claramente, existen algunas que por común denominador (costos, eficiencia, estabilidad, etc.) es más viable y usada que otras, pero no está de más mencionar algunos tipos de tecnologías para esta generación, entre las que tenemos: Eólica on-shore: Equipos emplazados en tierra firme, alcanzan potencias de 5 MW. El viento es más inestable, pero la instalación es más económica. Eólica off-shore: Equipos emplazados en el mar (existen prototipos de 11 MW). El viento es más estable en el océano, pero es más caro instalar estos equipos. Pequeñas aplicaciones: Existen diversos tipos de aerogeneradores para aplicaciones domésticas y de pequeña escala. 17 1.4.3 Ventajas y desventajas Ventajas: Utiliza un recurso energético ilimitado como es el caso del viento. Es una fuente energética segura, constante y renovable. Es una fuente energética que no contamina ni causa estragos al medioambiente o las comunidades, presenta técnicamente un periodo de vida útil superior a los 20 años de uso continuo, permite el traslado y la reutilización de las instalaciones. Desventajas: Depende de las condiciones atmosféricas, está considerada como una de las fuentes de más alto costo en comparación a fuentes del tipo convencional, presentan una considerable alteración al paisaje local, ambientalmente genera un impacto en los flujos migratorios de las aves en la zona. El giro de las aspas genera un ruido constante producto del roce, el cual puede causar molestias a la comunidad (dependiendo de la ubicación). En razón a los materiales de construcción y los equipos técnicos de generación provoca intervención en las señales de trasmisión de radio y televisión dentro de las comunidades aledañas. El rendimiento energético de generación es considerablemente menor comparándolas con las del tipo convencional. 1.5 Energía Solar La energía solar es una ERNC que ha tenido gran demanda el último tiempo a nivel nacional, ya que se nutre de una fuente energética inagotable como es la radiación de luz solar, de ella se puede obtener al unísono calor y electricidad, en el caso del calor este se guarda en receptores térmicos y se utiliza comúnmente para calentar agua en dependencias domiciliarias, o bien en menor escala, para el uso industrial. Figura N°2 Energía Solar [3] El aprovechamiento de este tipo de energía ya mencionados anteriormente se puede lograr de dos aspectos [5] [6]: 18 -Conversión térmica de alta temperatura: Esta consiste en transformar la energía solar en energía térmica almacenada en un fluido, para calentar el líquido se emplean unos dispositivos llamados colectores. Los sistemas para aprovechar la energía solar se dividen en 3 grupos: -Sistemas de baja temperatura: El calentamiento del agua se produce por debajo de su punto de ebullición, es decir a 100C°. La mayor parte de los equipos basados en esta tecnología se aplican en la producción de agua caliente sanitaria y en climatización. - Sistemas a media temperatura: Se utilizan en esas aplicaciones que necesitan temperaturas entre 100 y 300 C° para calefacción, proporcionando calor en procesos industriales, suministro de vapor. -Sistemas a altas temperaturas: Se utilizan en aplicaciones que necesitan temperaturas superiores a 250 o 300 °C, como para producir vapor o por la generación de energía eléctrica en centrales termosolares. Conversión Fotovoltaica: Se basa en el efecto fotoeléctrico, es decir, la conversión de energía lumínica proveniente del sol en energía eléctrica. Para llevar a cabo esta conversión se utilizan unos dispositivos llamados células solares, constituidos por materiales semiconductores en los que artificialmente se han creado un campo eléctrico constante. El material más utilizado es el silicio, estas células conectadas en serie o en paralelo forman un panel solar encargado de suministrar la tensión y la corriente que se ajuste a la demanda. 1.5.1 Potencial en Chile El panorama en nuestro país hoy en día es favorable, ya que el ministerio de energía junto con la Agencia de Cooperación Internacional Alemana (GIZ), está operando una red de estaciones de medición de la radiación solar en el norte de Chile, que es donde mayor posibilidad de explotación de este recurso existe. Su fin es contar con una prospección de la radiación solar en un área amplia para conocer el nivel de la radiación solar en el norte de nuestro país. Se espera obtener datos consistentes, confiables y comparables. Las estaciones miden y registran ciertos parámetros importantes para lograr estos datos, entre los que nos encontramos: la radiación solar global en superficie horizontal (GHI), radiación solar global y difusa con sistema de seguimiento, radiación solar directa en canal de cálculo (diferencia globaldifusa), temperatura ambiental, humedad relativa, velocidad del viento. En total tenemos 9 estaciones que realizan estas mediciones las cuales podemos ver en la siguiente tabla, en las cuales encontraremos sus ubicaciones (coordenadas UTM-WSG84) y sus respectivas fechas de inicio de medición. 19 Tabla N°1 Estaciones de energía solar en chile [4] Chile es un país privilegiado de lugares idóneos para la implementación de energía solar, dado a sus vastas zonas desérticas en el norte de nuestro país, donde el aprovechamiento del sol es algo ideal para el uso de ERNC solar. Sólo es necesario que concluyan los estudios y análisis necesarios para poner el proyecto en marcha, la energía solar es una gran alternativa a explotar en Chile. 1.5.2.Tecnologías Existen diferentes tecnologías para obtener y transformar la energía solar entre las que tenemos: Colectores solares: Permiten aprovechar la radiación solar en forma directa para calentar agua para uso sanitario o en aplicaciones industriales Paneles fotovoltaicos: Permiten convertir la radiación solar directamente en electricidad, ya sea para aplicaciones domésticas o en generación eléctrica en grandes escalas. Concentrador solar de potencia: Esta tecnología permite utilizar el calor para generar vapor, el cual impulsa un generador eléctrico. 1.5.3 Ventajas y desventajas Ventajas: Este tipo de energía es inagotable, ya que está garantizada por millones de años, no resulta dañina para el medioambiente al no emanar ningún tipo de residuo contaminante, proporciona energía barata a países no industrializados, el silicio, elemento base para la fabricación de células fotovoltaicas, es muy abundante, prácticamente se produce la energía con ausencia total de ruidos, además no precisa ningún suministro exterior (combustible) ni presencias relevantes de otros tipos de recursos (agua, viento). 20 Desventajas: Requiere de un terreno significativo para poder operar de manera rentable, es una fuente de energía intermitente, ya que depende del clima y del número de horas sol al año, los lugares ideales para su instalación y funcionamiento están alejados de los centros urbanos, por lo que encarece su trasmisión y operatividad, como lo son los desiertos, de todas las ERNC esta es la menos rentable, ya que su rendimiento energético es bajo. Algunos del uso que se le propician a la energía solar son las siguientes [3]: Se utilizan mecanismos de energía solar para calentar y purificar agua, calefacción, aire acondicionado y generación eléctrica, existen vehículos que emplean energía solar, barcos y aviones. Existen calculadoras, relojes, radios, linternas con celdas fotovoltaicas 1.6 Biomasa La biomasa es un tipo de energía renovable no convencional, que consiste en todo tipo de materia orgánica de origen animal o vegetal, la cual es utilizada para obtener un agente energético combustible mediante su oxidación. También puede ser de origen agrícola o forestal, se utiliza en su mayor parte mediante un proceso denominado cogeneración eléctrica, el cual consume los restos de otros procesos de manufactura industrial, esta cogeneración es la coproducción de energía térmica y eléctrica a partir del mismo tipo de combustible. Figura N°3 Biomasa [9] Como se pudo ver existen diferentes tipos de biomasa que se pueden utilizar energéticamente, a continuación se mencionaran y explicaran brevemente [8]: -Biomasa natural: Es la que se encuentra en la naturaleza sin ningún tipo de intervención humana. Los recursos generados por los desechos naturales de un bosque constituyen un ejemplo de este tipo de biomasa. 21 -Biomasa residual: Se incluyen en este grupo los productos sólidos no utilizados de las actividades agrícolas, ganaderas, forestales y de los procesos industriales agroalimentarias y de transformación de la madera. Algunos ejemplos de este tipo de biomasa son el estiércol, la paja, el orujo, la madera de podas y raleo, el aserrín, etc. –Biomasa residual Húmeda: Son los vertidos denominados biodegradables tales como: las aguas residuales urbanas, industriales y los residuos ganaderos principalmente purines. La fermentación de este tipo de biomasa genera un gas (biogás) que se combustiona. –Cultivos energéticos: Son cultivos, realizados con la finalidad de producir biomasa transformable en biocombustible, se encuentran en este grupo el maíz, raps, girasol y plantaciones dendroenergéticas. Los usos de la biomasa en aplicaciones energéticas son principalmente la producción de gas, energía calórica (térmica) y energía eléctrica. Actualmente la biomasa es utilizada en Chile para producir electricidad e inyectarla a la red, mediante plantas de cogeneración eléctrica que aprovechan los residuos energéticos (licor negro, cortezas), de otros procesos industriales tal como la producción de celulosa. A nivel nacional, la energía obtenida a partir de cogeneración con biomasa es muy pequeña, siendo la empresa forestal Arauco la principal gestora de esta ERNC, teniendo una central en la región de los Ríos llamada central Valdivia, ubicada en Mariquina. 1.6.1 Aplicaciones en Chile Primeramente, es necesario saber el uso de la biomasa a nivel general, es decir los tipos de aplicaciones de las cuales la biomasa dispone energéticamente, una de sus principales aplicaciones recae en la producción de gas, energía calórica (térmica) y energía eléctrica. También un significativo aporte al uso de las energías renovables no convencionales lo constituye la extracción del biogás desde vertederos de basura. Posteriormente este es procesado y se utiliza, en forma comercial, como componente del gas de ciudades como Santiago y Valparaíso. 1.6.2.Tecnologías Al igual que las anteriores tipos de energías, existen más de un tipo de manera de utilización de la biomasa, por lo cual las biotecnologías son las siguientes: -Cogeneración: Consiste en la generación de biomasa para generar calor y electricidad a partir de su combustión directa. Biogás: Consiste en la generación de gas a partir de procesos termoquímicos o bioquímicos, el cual puede ser utilizado como combustible para otros procesos. Biocombustibles: Consiste en la transformación de biomasa vegetal o animal en combustibles líquidos. 22 1.6.3 Ventajas y desventajas Ventajas: Es una energía limpia y con pocos residuos que son biodegradables y además se producen en forma continua por la actividad humana. Además se debe disponer de una cantidad considerable de residuos utilizables, por lo que resulta económico y conveniente. Es una fuente energética no contaminante respecto a sus pares que utilizas combustibles fósiles, su fuente energética puede ser almacenada y utilizada según los requerimientos necesarios sin depender de las condiciones climáticas, como si lo hacen algunos tipos de energías no convencionales. Desventajas: Por tratarse de una fuente energética se nutre de los desechos de manufacturación, resulta ser poco competitiva si se quiere utilizar a un alto nivel de generación. Por lo anterior, se requieren grandes cantidades de biomasa para conseguir la misma energía que se obtienen de otras fuentes que lo hacen con mucho menos, la biomasa presenta un bajo poder calórico 1.7Energía Mareomotriz La energía mareomotriz se produce gracias al movimiento generado por las mareas, esta energía es aprovechada por turbinas, las cuales a su vez mueven la mecánica de un alternador que genera energía eléctrica, finalmente este último está conectado con una central en tierra que distribuye la energía hacia la comunidad y las industrias. Este tipo de energía ayuda a no producir el efecto invernadero ya que no consume elementos fósiles ni produce gases, por lo cual se le considera una energía del tipo limpia y renovable. La instalación de este tipo de energía se realiza en ríos profundos, desembocaduras de ríos hacia el océano y debajo de este último aprovechando las corrientes marinas [10]. 23 Figura N°4 Energía Mareomotriz [12] Es importante señalar que este tipo de generación de energía no se encuentra operativa en Chile, solo se puede encontrar como proyectos en estudio. Pero Chile es un país privilegiado para poder explotar este tipo de energía, las condiciones ideales para este tipo de energía se presentan desde la zona central hacia el sur de menor a mayor medida, el canal de Chacao y el estuario de Reloncaví se presentan como lugares óptimos. El potencial mareomotriz en Chile está más arriba de los 100.000 MW, hay que tener algo en claro, a nivel mundial, Chile es uno de los pocos países que se puede dar el lujo de tener una energía renovable con tanta potencia, en general nuestro país tiene una gran gama de potenciales climas y lugares donde más ERNC implementadas de las que hoy en día hay, pueden dar cabida(mareomotriz, solar, etc.), y esto se debe en gran parte por la diversidad de climas y sectores ya que Chile al ser tan extenso posee esas cualidades. Entre las maneras de obtener energía mareomotriz tenemos tres formas de lograrlo: Energía de las olas: Son generadas por el viento, que se desplaza sin perder apenas energía, este viento es causado por las diferencias de presión atmosférica como consecuencia del calentamiento producido por el sol, a este tipo de energía se le denomina Urdimotriz. -Energía de la marea: Las mareas son movimientos rítmicos del mar como consecuencia de la rotación terrestre. La energía que pasa con las mareas a través de diques, es igual a la energía que entra con la marea alta y que sale con la marea baja. La central mareomotriz más importante se encuentra en el estuario del río Rance en Francia. -Energía térmica oceánica: Se basa en la diferencia de temperatura en los océanos que varía 24 enormemente entre la superficie y el fondo, se trata de usar el mar como un enorme colector de energía solar. La idea consiste en explotar la gran diferencia de temperatura entre superficial y profunda para generar energía eléctrica [11]. 1.7.1 Ventajas y desventajas Ventajas: Es una fuente energética auto renovable, no genera contaminantes al medioambiente, además no emite ruido (es silenciosa), presenta un costo de inversión y gasto operativo muchos más bajo en relación a otros tipos de generación energética, no está supeditada a las condiciones climáticas o medioambientales. Desventajas: Por tratarse de una estructura flotante, presenta un llamativo impacto visual en la costa donde se encuentre instalada, su ubicación debe realizarse en lugares previamente delimitados, de lo contrario no cumple su objetivo a cabalidad, su operación generadora siempre va estar condicionada al oleaje y la mareas, aunque a baja escala, produce un efecto negativo sobre la flora y fauna de la costa donde esté operando, el costo económico para el traslado y trasmisión de la energía generada es altamente costosa, comparado con otras fuentes generadores, esto en razón a las distancias a las cuales opera. 1.8 Energía Geotérmica Este tipo de energía es llamada geotérmica, y puede ser obtenida mediante el aprovechamiento del calor interno de la corteza terrestre, para su obtención se recurre comúnmente a áreas de aguas termales muy calientes y que no presentan mayor profundidad, donde se perfora la roca basal hasta llegar a una profundidad donde pueda utilizarse con mejor presión. Tanto el agua caliente como el vapor son extraídos mediante la inserción de tuberías, que conducen el recurso energético desde la profundidad de la tierra hasta la superficie, donde son las turbinas generadoras las encargadas de convertir la fuerza motriz del agua y vapor, en energía eléctrica. Figura N°5 Energía Geotérmica [13] 25 Hay dos tipos fundamentales de aguas térmicas, las hidrotérmicas, que contienen agua a alta presión y temperatura almacenada bajo la corteza de la tierra en una roca permeable cercana a una fuente de calor. Y el sistema de roca caliente, formado por capas de roca impermeable que recubren un foco calorífico. 1.8.1 Posibilidades en Chile Hoy en día no existe implementado este tipo de energía, aún está en estudio y se espera que en algún futuro exista algún proyecto que ayude a impulsar este tipo de energía en nuestro país, al igual que otros tipos de energías aún es estudio, al ser Chile rico en diversidad de actividades por su vasto recorrido de norte a sur (en este caso la actividad volcánica), donde hay mucha mayor posibilidad de futuros proyectos de ERNC [14]. 1.8.2 Ventajas y desventajas Ventajas: Tiene una producción energética constante dado que se trata de una fuente inagotable, su proceso de generación no es contaminante, evita la dependencia energética del exterior, los gastos operativos y de mantención son bajos. Desventajas: La construcción de una central representa un alto costo financiero, los emplazamientos aptos para la generación son lugares desérticos y retirados, lo que encarece altamente el valor de traslado. Son fuentes contaminantes para aguas próximas con sustancias como el arsénico y amoniaco. Curiosamente el proceso generador produce olores molestos en el entorno, dado que se trabaja con vapor y agua mineral con altas concentraciones de sulfuros 1.8.3 Tecnologías Alta entalpía: Son centrales de generación que utilizan fuentes de vapor de alta temperatura para mover directamente una turbina. Media entalpía: Centrales de generación eléctrica que usan temperaturas menores, pero vaporizan un fluido de trabajo Baja entalpía: Son aplicaciones térmicas que aprovechan fuentes de agua de baja temperatura o el calor del subsuelo. 1.9 Mini Hidráulica Una central mini hidráulica o mini hidroeléctrica es un tipo especial de central hidroeléctrica utilizada para la generación de energía eléctrica en pequeña escala, a partir de la energía potencial o cinética del agua y son llamadas así las centrales hidroeléctricas que generan como máximo 20MW de potencia, en la región De Los ríos existen centrales de mini hidroeléctricas, aunque aún no están en construcción pero si están aprobadas (centrales Lican, Chilcoco, Florín, Don Walterio). 26 Figura N°6 Esquema de una instalación mini Hidroeléctrica [23] Estas mini centrales presentan una serie de ventajas con respecto a las centrales hidroeléctricas de grandes dimensiones, la cual contribuye activamente al desarrollo sostenible del territorio en el que se ubica, ya que permite la implementación de estas pequeñas centrales sin afecciones medioambientales importantes y con afecciones más razonables. El agua, al pasar por unas turbinas a gran velocidad, provoca un movimiento de rotación que se transforma en energía eléctrica por medio de generadores. Aunque existen gran variedades de instalaciones de mini hidroeléctrica se pueden clasificar en 2 grandes tipos, las de regulación y las fluyentes, en la figura N°6 se puede ver un esquema de lo que son las centrales mini hidroeléctricas. –Centrales de regulación: Estas pueden almacenar grandes cantidades de agua mediante un embalse, más propio de grandes centrales [22]. –Centrales de fluyentes: Estas son mucho más comunes en las centrales de mini hidroeléctricas, donde no hay embalses y es la fuerza del caudal la que compensa el pequeño desnivel. 1.9.1 Ventajas y desventajas Ventajas: La disponibilidad de este recurso es continuo, es un tipo de energía limpia, no emite gases invernaderos, ni provoca lluvia ácida, es una energía barata, sus costes de explotación son bajos, trabaja a temperatura ambiente, no se necesitan sistemas de refrigeración ni calderas, el almacenamiento de agua permite el suministro para regadíos o la realización de actividades de 27 recreo, la regulación del caudal controla el riesgo de inundaciones, no alteran el ecosistema de manera significativa, ya que aprovechan los elementos existentes sin alterarlos, ocupan poco sitio y gracias a su estructura compacta, son relativamente fáciles de transportar incluso en lugares inaccesibles. –Desventajas: Su construcción y puesta en marcha requieren inversiones importantes, además donde se pueden construir centrales de mini hidroeléctrica son limitadas, las presas son un inconveniente para especies como los salmones, los embalses afectan los cauces, provocando erosión, además el agua embalsada no tiene las condiciones de salinidad del agua que fluye por los ríos. 28 CAPITULO II ERC 2.1 ERC Las energías renovables convencionales se dividen en energía termoeléctrica (siempre y cuando sea de biomasa, si son de carbón, petróleo, gas son denominadas energías convencionales) e hidráulica, el consumo de cada uno de los tipos de energías lo podemos ver en la figura N°7. Figura N°7 Consumo bruto de energía. [7] 2.2 Energía Termoeléctrica Se denomina energía termoeléctrica a la forma de energía que resulta de liberar el vapor de agua producido por el calor generado por un combustible para mover un alternador y producir energía eléctrica. Este tipo de energía utiliza combustibles fósiles como petróleo, carbón, gas natural Algunas centrales termoeléctricas contribuyen al efecto invernadero emitiendo dióxido de carbono, este no es el caso de las centrales de energía que al no quemar ningún combustible, no lo hacen. [15]El sector eléctrico en Chile se basa principalmente en la generación térmica (60% de la capacidad instalada) y la energía hidráulica (39,6%). Debido a que sufre cortes del suministro de gas, Chile ha iniciado la construcción de centrales termoeléctrica basadas en el carbón, liderando así las inversiones más importantes de Sudamérica en tecnología termoeléctrica; hoy en día 29 existen 2 termoeléctricas en funcionamiento en la región de los Ríos, la cual es la central Valdivia ubicada en Mariquina perteneciente a la celulosa Arauco que ocupa petróleo, diesel, licor negro y biomasa como fuente de generación de energía eléctrica y la central Antilhue ubicada en Valdivia perteneciente a Colbún, que ocupa petróleo y diesel como fuentes generadoras. En Chile existen 3 tipos de centrales termoeléctricas, diferentes unas de otra dependiendo de su fuente energética generativa, entre las que tenemos [17]: - Centrales termoeléctricas a gas natural de ciclo combinado: Conforman la mayoría de las centrales existentes en Chile, utilizan como combustible para la generación gas natural, petróleo o carbón para entrar en funcionamiento una turbina de gas. –Centrales termoeléctricas a carbón: Son centrales en las que su combustible es el carbón el que en una primera fase es triturado en molinos para luego ingresar a la caldera central, de allí en adelante el proceso es similar a la hidroeléctrica. Este tipo de central tiene un costo de operación más bajo que una de gas natural o diesel. –Centrales termoeléctricas a petróleo diesel: Este tipo de centrales funcionan de manera similar a las de carbón 2.2.1 Centrales generadoras En Chile existen variadas centrales termoeléctricas ya en funcionamiento en la tabla N°2 podemos ver algunas de las centrales presentes en Chile y la potencia generada de cada una. Aunque cabe destacar que en este cuadro no se muestran las centrales existentes en la Región De los Ríos (serán mostradas más en profundidad en el capítulo V) como lo son las termoeléctricas Antilhue y Valdivia. Tabla N°2 Centrales generadoras en Chile [16] 30 2.2.2 Ventajas y desventajas -Ventajas: Tecnología conocida y confiable de rápida construcción y bajo costo de inversión inicial y de operación, la cual tiene disponibilidad permanente. Pueden ser instaladas cerca de centros de consumo (a diferencia de las hidroeléctricas, cuya ubicación depende de la disponibilidad de las aguas), no son afectadas en tiempo de sequias. -Desventajas: Volatilidad de precios, emisiones contaminantes, necesidades de transporte y almacenamiento, dependencia de países productores, las reservas de combustibles fósiles son limitadas. 2.3 Energía Hidroeléctrica [18]La electricidad que se genera aprovechando el agua como recurso es la llamada energía hidroeléctrica, ésta se produce en plantas generadoras conocidas como centrales hidroeléctricas. En éstas, la fuerza ejercida por un caudal de agua que cae sobre las hélices de una turbina hace girar un generador que va acoplado a ella, estas turbinas son las encargadas de transformar energía cinética en mecánica rotatoria, para luego convertirla en electricidad, la clave de esto está en aprovechar la energía cinética proveniente del caudal de los ríos y esto se hace mediante la instalación de centrales hidroeléctricas en lugares estratégicos donde el flujo de agua sea lo suficientemente elevado y constante. Cerca de un 20% de la electricidad en el mundo procede de la energía hidroeléctrica por lo que podemos ver su alto impacto en la generación mundial de electricidad. Mientras tanto en Chile la energía hidroeléctrica es una de las más utilizadas debido a sus condiciones geográficas y climáticas. En el video [39] se puede ver el funcionamiento de manera sencilla de una central hidroeléctrica. 2.3.1 Tipos de centrales Hidroeléctricas Existen dos tipos distintos de centrales de energía hidroeléctrica, las de embalse y las de pasada, en Chile la mayoría de su generación se consigue con las de embalse. De pasada: El agua es desviada por un caudal hacia una pequeña cámara donde es impulsada a través de una tubería forzada aumentado su velocidad, por lo tanto, su energía cinética. Esto posteriormente es conducido a una turbina donde se generará energía, una vez que el agua es utilizada, es devuelta al cauce del río. En la región de los Ríos existen en su mayoría centrales hidroeléctricas de pasada, destacando las centrales de Pilmaiquén y Pullinque que son las que actualmente están en funcionamiento, existiendo muchas más que aún están en construcción, aprobadas o en etapas de estudio. De embalse: Mediante la construcción de una represa se crea un embalse artificial el cual almacena el caudal de los ríos afluentes, la cantidad de agua utilizada varía de acuerdo a la demanda y es derivada por canales hacia la turbina, esto lo podemos ver mejor en la figura N°8, y en la tabla N°3 podemos ver algunas centrales hidroeléctricas presente en territorio chileno. En la región de los Ríos existen en proyecto 2 centrales de embalse, las cuales son la central Osorno y los Lagos siendo las dos proyectadas para realizarse en el Rio Pilmaiquén. 31 Tabla N°3 Centrales generadoras de energía hidroeléctrica [16] Es así como la energía hidráulica convencional es aquella utilizada para la generación eléctrica en grandes centrales conectadas a sistemas eléctricos, es una de las fuentes primarias principales de abastecimiento energético en Chile. Mientras que las pequeñas se consideran como energías renovables no convencionales (ERNC) si tienen un tamaño inferior a 20MW. 2.3.2 Ventajas y desventajas Ventajas: Tiene alta disponibilidad mientras continúe el ciclo del agua, se produce a temperatura ambiente, por lo que no necesita ningún tipo de combustible para funcionar, no emite gases tóxicos, es rentable porque si bien la inversión inicial puede ser elevada, sus gastos de mantenimiento son bajos en relación a otras alternativas. Desventajas: Pérdida de bosques nativos y hábitats naturales debido a la inundación de los embalses, destrucción de la biodiversidad acuática, modificación de microclimas, ya que altera ciclos naturales, alteración de la producción agropecuaria y de parques nacionales por la instalación de líneas de alta tensión, gran impacto visual y deterioro del paisaje, impacto sociocultural, ya que se produce aumento en la población en épocas de construcción, la disponibilidad de agua está afecta a las condiciones climáticas, la posibilidad de establecer centrales está condicionada a las características del terreno mismo. 32 2.3.3 Centrales Hidroeléctricas y termoeléctricas presentes en los Ríos Figura N°8 Energía Hidroeléctrica [19] En la tabla N° 4 podemos ver algunas de las centrales de generación de energía eléctrica presente en la región de los ríos, de las cuales hay algunas en operación, otras en calificación y algunas ya aprobadas pero con la construcción no iniciada, por lo cual es esta tabla servirá de referencia para poder ver de mejor manera los tipos de generación de energía presentes en la región De Los Ríos. 33 Tabla N°4 Centrales hidroeléctricas y termoeléctricas en la región De Los Ríos [21] En la siguiente figura N°9 se puede ver la proporción entre ERC y ERNC en la cual se aprecia que aún hoy en día la ERNC tiene un pequeño porcentaje respecto a las convencionales, cosa que se puede revertir con el pasar de los años, ya que los proyectos en este tipo de energía van en aumento. 34 Figura N°9 Capacidad en porcentaje de generación eléctrica [7] 2.4 Ley 20.257[20] También es importante mencionar la ley 20.257, la cual sólo aplica para los sistemas SIC y SING y exige que los generadores acrediten que en el transcurso del año calendario, un 5% de las energías suministrada provino de fuentes renovables no convencionales o mini hidráulicas. Estas exigencias regirán hasta el año 2014 y a contar del año 2015, se aumentará en 0,5% anual, hasta llegar a un 10% en el año 2024, manteniéndose ese porcentaje de ahí en adelante. La importancia de la ERNC en Chile debe ser cada vez mayor y gracias a la ley 20.257, hoy en día se puede ver la potencia que genera esto en nuestro país y que puede llegar a generar en el futuro, en el gráfico N°1 se aprecia la potencia generada por las 3 tipos de ERNC en Chile. [7]Gráfico N°1 Capacidad Instalada de ERNC 35 CAPITULO III 3.1 Sistema Eléctrico en Chile 3.1.1 Descripción de los subsistemas SING, SIC, Aysén y Magallanes En Chile existen 4 sistemas de interconexión de energía eléctrica que conectan a las centrales y empresas generadoras, de trasmisión y comercializadoras. Cada uno de los sistemas operan independientemente de otro. Los sistemas de interconexión son: -Sistema interconectado central (SIC): Este sistema cubre desde la III región de Atacama hasta la X región de los Lagos, este sistema fue creado por el estado a través de Endesa entre 1940 y 1950. Este sistema es de los más importantes del país ya que junto con el SING abarca el 94,2% del total del país. -Sistema interconectado del norte grande (SING): Este sistema cubre las regiones XV de Arica y Parinacota, I de Tarapacá y II de Antofagasta. En 1987 se iniciaron las obras de interconexión entre Codelco, Edelnor y Endesa y en 1993 comienza a funcionar de manera adecuada. -Sistema eléctrico de Aysén: Esta ubicado en la región de Aysén y operado por Edelaysen y es propiedad de Saesa. Este sistema genera energía eléctrica a partir de energía eólica. -Sistema eléctrico de Magallanes: Ubicada en la Región de Magallanes y formado por 3 subsistemas independientes, Punta Arenas, Puerto Natales y Puerto Porvenir. En la siguiente tabla N° 5 se puede ver cada un cuadro comparativo de los sistemas de interconexión del país, como generan su energía, su capacidad entre otros. Tabla N°5 Sistemas interconectados del país [36] En la figura N°10 se puede ver el extenso recorrido de nuestro país y ver las energías que se utilizan en cada sector, visto en porcentaje del total generado por el mismo. 36 Figura N°10 Sistema eléctrico Chileno [7] Cabe destacar la urgencia de mejor generación de energía eléctrica, mejores posibilidades e implementación para poder sacar toda la eficiencia de dicho tipo de energía, esto es debido a que la proyección de demanda de energía tanto para el SIC (Tabla 6) y el SING (Tabla 7) va a seguir aumentando en el paso del tiempo, por lo que es importante plantearse nuevos proyectos que tengan como pioneros la ERNC para generación de energía eléctrica. Es por eso que en las siguientes Tablas se puede ver la proyección de consumo de energía eléctrica de las interconexiones más importantes de Chile. 37 [7]Tabla N°6 y 7 pronóstico del consumo futuro SIC y SING respectivamente 3.1.2 Comparación entre ERC y ERNC Como ya pudimos ver en la sección anterior, se desglosan los diferentes tipos de energías tanto ERC como ERNC, mostrando sus mejores exponentes, ventajas y desventajas, tecnologías, y su generación en Chile. A continuación se ejemplificara todo esto en una tabla comparativa a modo de resumen para dejarlo más claro en la tabla N°8. Tabla N°8 Cuadro comparativo entre ERC y ERNC También es importante mencionar el panorama de nuestro país respecto al crecimiento de las ERNC, en tema de generación eléctrica, proyectos que están en marcha y que aún están en trámites, en la siguiente tabla se puede ver de mejor manera esto, cabe destacar que esta tabla está realizada hasta mayo del 2013. 38 Tabla N°9 Estado de proyectos en operación, construcción y en espera [20] 3.1.3 ERNC presente en la región de los Ríos En la Región De los Ríos hoy por hoy existen dos tipos de ERNC en funcionamientos o proyectos una es la de mini hidroeléctricas (proyecto) la cual se encuentra en gran parte de nuestro territorio siendo los ríos obviamente una de ella y la biomasa impulsada por la celulosa Arauco (funcionamiento). En el gráfico N°2 se podrá ver la distribución de proyectos de centrales mini hidroeléctricas a lo largo de la región, pudiendo apreciar claramente los Ríos dentro de ella. Gráfico N°2 Distribución de Proyectos Mini hidroeléctricas en Chile [20] Mientras la biomasa no tiene un alto impacto en nuestra región a comparación de otras regiones, si se puede decir que está en funcionamiento vigente hoy en día. En el gráfico N°3 sale un resumen de su distribución. 39 Gráfico N°3 Distribución de centrales de biomasa en Chile [20] A lo largo de Chile como se pudo ver en el gráfico hay varias centrales. En la tabla N°10 se podrá apreciar de mejor manera las centrales, su ubicación, la potencia generada, la empresa; siendo la celulosa Arauco con la central Valdivia la que más nos interesa. Tabla N°10 Proyectos en operación de Biomasa 40 Así como se expuso que existía presencia de biomasa en la región de los Ríos como se puede ver con la central Valdivia propiedad de celulosa Arauco también es importante mencionar que existen centrales de energía Hidroeléctrica presente en la región de los Ríos, aunque en la tabla N°11 que aparece a continuación se enfocó mostrar las mini hidráulicas ya que pertenecen al grupo de las no convencionales que son las que interesa estudiar, teniendo en cuenta que estas no deben exceder los 20MW de potencia para ser así llamadas mini hidroeléctricas, pero en la tabla podremos ver que muchas de estas mini hidroeléctricas recién están siendo aprobadas o están en proceso de calificación, por lo cual aún no están en funcionamiento por encontrarse aún en la etapa de construcción y/o aprobación dependiendo el caso. Es claro que en la región de los Ríos existe la generación de energía en centrales hidroeléctricas que presentan mayor capacidad que 20MW aunque al igual que las mini hidroeléctricas la mayoría está en proceso de calificación, construcción o recientemente aprobadas, aunque cabe destacar la central Pullinque, la cual es una hidroeléctrica de pasada que posee una potencia de 51,4MW y 220 GHW/año, está ubicada en la comuna de Panguipulli, pero en la tabla no se ven reflejados estos últimos datos y serán expuestos con mayor detalle, cada una de las centrales más importantes de generación eléctrica presente en los Ríos. Tabla N°11 Centrales de mini hidroeléctricas presente en los Ríos [21] 3.1.5 Futuro de las ERNC en los Ríos El uso de Biogás en Valdivia aun no es una realidad pero pronto podría serlo gracias a las investigaciones realizadas en la incursión de éste. El biogás, generado por desechos orgánicos de la actividad agropecuaria, se puede convertir en una alternativa energética para el sur del Chile, según el resultado de la investigación realizada por Bioagfo Energía Ltda. 41 El objetivo del análisis fue determinar la valorización energética de los residuos agropecuarios en Valdivia, para la producción de biogás y biofertilizantes, teniendo como finalidad sistematizar datos técnicos, económicos y ambientales que permitan efectuar un programa de inversiones. Este buscará integrar a las empresas vinculadas a Todoagro, en la Región de Los Ríos, un sistema de suministro de materia orgánica, para elaborar biogás, energía térmica y/o eléctrica, además de biofertilizantes. Simultáneamente, Bioagfo esbozó las plantas o biodigestores y la tecnología que permitirá la conversión de los desechos con fines de cogeneración, integrado a un sistema de abastecimiento sostenible. El potencial energético de la cogeneración puede llegar a una capacidad de hasta 700 KW de energía eléctrica y 1.000 KW de energía térmica, según el análisis técnico. Por otra parte, la producción de fertilizantes podría llegar a un total de 5 a 15 toneladas/día de biosol (material semejante al compost), y entre 50-100 m3/día de Biol (fertilizante líquido con propiedades fitoestimulantes, cuyo nicho de mercado estaría localizado especialmente en la agricultura orgánica). Los residuos orgánicos disponibles en el sector son el estiércol, forraje, cama de paja del ganado y el ensilaje. Incluso los desechos de la industria y hasta el de las ciudades pueden ser nuevos elementos para ocupar en el proceso. También podemos decir que hay varios proyectos en marcha ya sea en aprobación o construcción sobre centrales Hidroeléctricas o mini hidroeléctricas en los Ríos, se provee un futuro ameno en el tema energético. 3.1.6 Conclusión del panorama de ERNC en los Ríos Hoy en los Ríos tenemos dos tipos de ERNC en funcionamiento o proyectadas como lo es biomasa y la mini hidroeléctricas respectivamente, aunque el biogás tiene relación con la biomasa no es lo mismo, el biogás aún no es una realidad, solo un proyecto por lo cual a la hora de ver qué tipos de almacenamientos de energía ocupar para mejorar la eficiencia de alguno se centrará en estos dos para realizar estudios, análisis y comparaciones. 42 CAPITULO IV 4. Métodos de Almacenamientos de energía Ya hemos visto los tipos de energía a nivel mundial más importantes y también las presentes en Chile y la región De Los Ríos, ahora incursionaremos en algunos de los tipos de almacenamiento de energía para lograr mayor eficiencia de los tipos de energía (Enfocado a ERNC, que es donde mayor utilidad presenta). La generación de energía eléctrica por energía renovable tiene un carácter intermitente y poco confiable hoy en día un ejemplo claro de esto es la energía eólica y solar. Por lo que el almacenamiento de energía permitiría a sistema con energías renovables aportar capacidad firme en los momentos que las ERNC no pueda suplirlos. Para esto, los sistemas de almacenamiento de energía se cargan mientras los recursos energéticos estén disponibles, y cuando no lo estén, estos entregarán la energía acumulada. Como existen horarios punta y valle (mayor consumo de energía y menor consumo de energía respectivamente), si los recursos están disponibles, se puede generar con energía renovables en horarios valle para solo cargar los sistemas de almacenamientos y en horarios punta esta energía se descarga para satisfacer la demanda de energía que se esté produciendo. Esto logra achatar la curva de carga en horarios punta, con lo que se baja el precio de la energía. Además un punto importante es poder entregar energía cuando los recursos no lo están o no cubren con lo requerido (hora punta), el uso de almacenamiento de energía ayuda a reducir los impactos negativos que tienen una rápida caída en la generación de energía, característica típica en energía como eólica o solar. Por tanto, los sistemas de generación mediante energías renovables que incorporan almacenamiento permiten gestionar la energía generada por la fuente renovable de una forma más óptima, aumentando la disponibilidad de éstas. Además, estos sistemas pueden ser capaces de mantener la potencia en una micro red ante fallos de la red por lo que aumentan la fiabilidad del sistema global. Igualmente, estos sistemas están capacitados para proporcionar protección contra las perturbaciones de tensión en la red eléctrica reduciendo la distorsión armónica y eliminando los huecos de tensión. 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 energía. 4.1 Hidroelectricidad bombeada La energía hidroeléctrica se considera un método limpio y seguro de producción de electricidad. No agrega dióxido de carbono (CO2) al medio ambiente y utiliza una fuente renovable de energía, el agua, el cual es altamente beneficioso en temas eléctricos tener una en funcionamiento. La energía hidroeléctrica tiene también otros beneficios. Las presas y las plantas hidroeléctricas duran mucho tiempo, esto significa que, una vez que se compensan los costos, la planta hidroeléctrica se convierte en una fuente de electricidad relativamente económica, por lo cual es de vital importancia (si se quiere mejorar la eficiencia de producción y demanda de energía eléctrica) tener un método de almacenamiento de energía implementado a las centrales hidroeléctricas. 43 Dicho lo anterior, el primer tipo de almacenamiento de energía a enseñar es el de hidroelectricidad bombeada, la cual es un tipo especial de central hidroeléctrica que tiene dos embalses. El agua contenida en el embalse situado en el nivel más bajo (es el embalse inferior), es bombeada durante las horas de menor demanda eléctrica al depósito situado en el punto más alto (embalse superior), para turbinarla, luego, para generar electricidad en las horas de mayor consumo. Estas instalaciones permiten una mejora en la eficiencia económica del sistema eléctrico al almacenar electricidad en forma de agua embalsada en el depósito inferior. En la actualidad es una de las formas más económicas de almacenar energía. Por otro parte las instalaciones que no tienen aportaciones de agua significativa en el embalse superior se llaman centrales de bombeo puro. En el otro caso, son denominadas centrales mixtas de bombeo. Ahora bien es necesario explicar el funcionamiento de una central de bombeo puro, en la figura N°11 se podrá ver cada paso del funcionamiento de esto. A continuación se verá cada paso del mismo, con un numero de los pasos del 1 al 9 respectivamente, que se podra apreciar en la figura. El funcionamiento actúa durante las horas en que la demanda de energía eléctrica es mayor, la central de bombeo funciona como cualquier central hidroeléctrica convencional: el agua que previamente es acumulada en el embalse superior (1) cerrado por una presa (2), llega a través de una galería de conducción (3) a una tubería forzada (5), que la conduce hasta la sala de máquinas de la central eléctrica. Para la regulación de las presiones del agua entre las conducciones anteriores se construye en ocasiones una chimenea de equilibrio (4).En la tubería forzada, el agua va adquiriendo energía cinética (velocidad) que, al chocar contra los álabes de la turbina hidráulica (6), se convierte en energía mecánica rotatoria. Esta energía se transmite al generador (7) para su transformación en electricidad de media tensión y alta intensidad. Una vez elevada su tensión en los transformadores (8) es enviada a la red general mediante líneas de transporte de alta tensión (10). El agua, una vez que ha generado la electricidad, circula por el canal de desagüe (9) hasta el embalse inferior (11), donde queda almacenada. Cuando hay un registro de menor consumo de energía eléctrica (esto ocurre por lo general en las noches de los días laborales y los fines de semana) se aprovecha que la electricidad en esas horas en el mercado su coste es muy bajo, y se utiliza para accionar una bomba hidráulica que eleva el agua desde el embalse inferior (11) hasta el embalse superior (1), a través de la tubería forzada y de la galería de conducción. Finalmente el agua es elevada, generalmente por las propias turbinas de la central, funcionando como bombas accionadas por los generadores que actúan como motores. Una vez efectuada la operación de bombeo, el agua almacenada en el embalse superior (1) está en condiciones de repetir otra vez el ciclo de generación eléctrica, es así como se realiza el funcionamiento una y otra vez del funcionamiento de la central de bombeo puro. 44 Figura N°11 Funcionamiento de una central hidroeléctrica de bombeo [24] Para saber cuánta energía y potencia puede generar una central hidroeléctrica es necesario conocer la fórmula matemática para ella ilustrada en las siguientes figuras Figura N°12 Formula de la energía de una central hidroeléctrica en kWh [36] 45 Figura N°13 Formula de la potencia generada por una central Hidroeléctrica en kW [36] 4.1.1 Posibilidades en Chile Nuestro país es uno de los privilegiados para la implementación de esta tecnología, dado que su posicionamiento geográfico lo convierte en una buena posibilidad. Nuestro país está rodeado por montañas, dado su proximidad con la cordillera de los andes y la costa, por lo que el país cuenta es todas sus latitudes con diferencias de altura importantes entre las dos zonas cercanas, por eso mismo la hidroelectricidad bombeada se sitúa en un buen lugar para su implementación. También en la cordillera existen innumerables lagos, que pueden ser usados como reservorios de agua y a ellos se le podría bombear agua desde zonas más bajas para que se acumulen, a esto excluye la necesidad de hacer grandes embalses en zonas altas, debido a que los lagos existen de manera natural. Aunque las leyes medioambientales no permiten utilizar cualquier lago con estos fines, para ello se requiere realizar un estudio exhaustivo sobre el impacto medioambiental, estudio que puede tomar bastante tiempo. En lo que respecta a la región De Los Ríos como se pudo ver que existen ya algunos proyectos en marcha sobre energía mini hidroeléctrica, en los cuales se pudiera aplicar este tipo de tecnología de almacenamiento para así poder lograr una mejor eficiencia de la implementación de esta tecnología. 4.2 Almacenamiento Pneumatic El almacenamiento Pneumatic utiliza aire comprimido o gas para lograr el almacenamiento de energía. Por lo cual en este tipo de tecnología se tienen dos métodos distintos para lograr almacenar la energía. Por el lado de los sistemas de gas comprimido, se tienen que se utiliza un sistema similar a un acumulador hidráulico, por lo que almacena y bota energía por medio de una integración entre un 46 motor/generador y una bomba/motor. Este tipo de tecnología se denomina BOP (Battery with OilHydraulics and Pneumatics por sus siglas en inglés), es un acumulador hidráulico, el cual es un almacenador de presión debido a un fluído no compresible, que es llevado bajo presión por gas comprimido. Mientras que el sistema de aire comprimido puede almacenar energía mucho mayor que el anterior y se le denomina CAES (compressed air energy storage). En esta tecnología, el aire es almacenado bajo tierra y se libera bajo presión hacia una turbina de gas en alguna planta de generación eléctrica. Como son dos tipos de métodos diferentes para una misma tecnología de almacenamiento de energía cabe destacar el profundizar un poco más sobre cada uno de los dos métodos mencionados anteriormente. 4.2.1 Aire comprimido Como ya dijimos esta tecnología utiliza la energía compresiva en aire presurizado, este aire es comprimido en depósitos subterráneos, las cuales pueden ser cavidades naturales, acuíferos porosos, antiguas minas, por mencionar algunos. El almacenamiento se utiliza durante las horas valle comprimiendo el aire (cuando el consumo eléctrico es bajo), mientras que en la horas punta (consumo alto) el aire comprimido se utiliza para producir potencia al expandirlo en una turbina de gas de una planta eléctrica con relativa alta eficiencia. Al igual que cualquier sistema es necesario mencionar sus componentes para saber cómo es su funcionamiento, los cuales podremos ver en la figura N°14: -Un motor/generador para cambiar el estado del sistema entre comprimir aire y descomprimirlo -El compresor de aire que utiliza en dos o más etapas para lograr una compresión más económica y reducir la humedad. -El recuperador, el tren de turbinas y turbina de baja y alta presión. - Equipos de control y equipos auxiliares. 47 Figura N°14 Esquema del funcionamiento del sistema de aire comprimido [25] El CAES sólo puede ser utilizado a gran escala por lo que ningún otro sistema se compara en potencial a éste (excepto la hidroelectricidad bombeada). Su capacidad regular oscila entre los 50 a 300 MW y podemos almacenar energía por grandes periodos con baja pérdida (más de un año). Por otro lado si se tiene una formación geológica natural cerca de una planta de gas, el sistema tiene mayor ventaja debido a que los costos de implementación serán más bajos. Las emisiones de gases invernaderos serán mucho más bajas que los de la planta eléctrica a gas normal. Esto debido a que se utilizara aire para mover las turbinas, en vez de quemar gas. De igual manera es importante saber si este tipo de tecnología se está llevando a cabo en algún lugar del mundo, la respuesta es sí, y ya lleva un buen tiempo en funcionamiento, más de 20 años que se creó la primera planta con esta tecnología, de 290 MW, que fue construida en Huntorf, Alemania en 1978, tiempo después en 1991 un planta de 110MW comenzó a operar en McIntosh, Alabama. Estas dos plantas operan de manera exitosa, lo que comprueba la viabilidad de usar esta tecnología para producir energía y productos auxiliares (potencia reactiva, frecuencia, reserva en giro). Solo existen estas dos plantas, lo que explica el carácter no comercial de esta tecnología, pero la alta volatilidad de los precios de las energías actuales, da un buen panorama para esta tecnología a futuro. 4.2.2 Gas comprimido El principio de esta tecnología se basa en la compresión y la expansión del volumen de gas atrapado (generalmente nitrógeno) en un recipiente. Su volumen y presión se modulan por la gran cantidad de fluído/líquido en el mismo recipiente. Durante el almacenamiento de energía, la 48 bomba/motor es energizada por el motor/generador, actuando como bomba y comprimiendo el gas en el recipiente acumulador con el fluído. Durante la descarga el aire comprimido es expandido y la bomba/motor actúa como motor para llevar el motor/generador a generador de energía eléctrica. Finalmente un solenoide activado por una válvula, es utilizado junto a un Flywheel para mantener un ripple bajo en la velocidad del motor/generador. En la Figura N°15 se ve el funcionamiento de este tipo de tecnología. Figura N°15 Funcionamiento de la tecnología de gas comprimido [25] En el lado histórico, esta tecnología aún no es llevada al plano comercial, por lo que no tenemos ninguna información de su funcionamiento en la realidad, pero se espera que inicialmente funcione como un sustituto de las baterías lead-acid en algunas aplicaciones. 4.2.3 Posibilidades en Chile Si bien este tipo de tecnología aporta una buena alternativa para producir energía y productos auxiliares, como así se ha visto en otros países donde se han implementado, Chile como tal no está preparado para realizar una inversión en este tipo de tecnología ya que existen otras alternativas de menor costo, mayor eficiencia, mejor implementación a los recursos del país, etc. Por lo cual para que esta tecnología se lleve a cabo deberá existir un paso de tiempo relevante para que se plantee la inserción de ella. 4.3 Baterías Existen dos tipos de batería convencionales, las recargables y las no recargables. Las baterías de interés para el almacenamiento de energía son lógicamente las recargables, las cuales se basan en un proceso de Reducción-Oxidación (Redox), en el cual el material pierde electrones y otro los gana, generando así una corriente eléctrica. Para que resulte más fácil el paso de estos electrones de un material a otro, las placas de cada material se sumergen en una solución de agua y ácido 49 sulfúrico. Cada par de placas compone lo que se denomina una celda de la batería, la batería puede tener varias celdas. Las baterías tienen ciclos de vida determinados porque el uso de las celdas se va dañando hasta quedar inoperables. Las clasificaciones de baterías dependen del material que están hecho las placas componiéndose por dos diferentes mezclas, entre las más importantes se tienen (en la tabla N°11 se puede ver una tabla comparativa de los tipos de batería): 1) Plomo-Ácido: Tienen más de 100 años de uso, son de bajo costo, baja vida útil y baja densidad de energía 2) Níquel-Cadmio: Tienen mayor densidad energética que las anteriores, mayor ciclo de vida y bajo mantenimiento. En el pasado (años 90) eran muy utilizados pero al aparecer tecnologías mejores y a la toxicidad del cadmio, fueron reemplazadas. Aunque por contraparte el mayor banco de baterías del mundo ubicado en Alaska está hecho de este material 3) Sodio-Azufre (NaS): Consta de un electrodo de azufre y Sodio líquidos, separados por un electrolito solido de cerámica. Tiene una eficiencia del 100%, pero trabaja a altas temperaturas, alrededor de 300°C, éstas deben ser mantenidas en todo momento, En el año 2002 la empresa NGK llevo al mercado la primera batería de NaS, hoy en día hay varias en Japón y EEUU, para complementar plantas de energía eólica. 4) Sodio-Níquel (ZEBRA): Este es otro sistema que trabaja a altas temperaturas, pero presenta varias ventajas respecto al NaS, como mayor voltaje y más seguridad. Estas se han probado en varios medios de transporte aunque sigue en desarrollo, aún no se comercializa. 5) Ion-Litio: Es una de las baterías que mayor masificación en dispositivos tiene en el mundo, por su alta densidad de energía y ciclo de vida aceptable, su modo de operación se basa en el paso de iones de litio entre un óxido de litio (cátodo) y un ánodo de grafito. Entre todas los tipos de baterías, ésta son las que tienen mayor potencial de desarrollo, aunque aún se debe aumentar su densidad energética para poder ser utilizadas en aplicaciones de potencia. Se estudia la fabricación de una batería de 10mx10mx10m que pueda almacenar 400MW, siendo una solución ideal para la energía solar y eólica. 50 Tabla N°12 Cuadro comparativo de los diferentes tipos de batería En la figura N°16 se puede el esquema de los componentes de una batería y saber su funcionamiento a partir de ella. Figura N°16 Esquema de una Batería estándar [25] Como ya se dijo las baterías de ion-litio son las que mayor potencial tienen, esto ya se puede ver en la comercialización de estas hoy en día; la empresa A123 ofrece distintas alternativas para su uso en sistema de potencia, esta empresa tiene gran experiencia en el desarrollo e implementación en sistema de baterías, es así que en el año 2010, esta empresa abrió en Livonia, Michigan, una planta de almacenamiento energético, la que es la planta más grande de Norteamérica, empleando baterías de ion-litio con una capacidad máxima de 600MW anuales. Mientras otra empresa AES Gener posee en el mundo 76MW en sistema de almacenamiento de energía por medio de baterías de ion-litio y 500MW que aún están en construcción. Esta empresa 51 utilizando las baterías de la empresa A123, anuncio en el año 2009 un proyecto para el norte de Chile con una capacidad de 20MW, la cual se usará para el apoyo de una planta térmica de 544MW, hoy en día ya operable. Este sistema es ideal para el desarrollo de Energía renovables en el SING, porque puede paliar las variaciones de generación de energía eólica y solar, entre algunas a mencionar. El objetivo de este sistema es la regulación de frecuencia, siendo una reserva rodante de 12MW en la subestación Andes (desierto de Atacama). Estos 12MW se logran gracias a un conjunto de baterías recargables de litio del tipo Hybrid-APU (figura N°17), que ante salidas imprevistas de servicio de centrales generadoras del SING, puede reaccionar de manera instantánea, aportando durante 20 minutos la energía que mantiene almacenada; esto permite una buena estabilización en caso de un cambio en la generación o demanda. Este sistema, actúa como reemplazante de la potencia de giro en la central Norgener, la cual al ser una central termoeléctrica, debe operar a una potencia inferior a su máxima capacidad, para contar con una reserva que le permita subir rápidamente carga en el caso que así se requiera para estabilizar el sistema eléctrico. Otra característica del sistema es que ante bajas bruscas en el consumo electricidad de SING, puede absorber rápidamente esta sobre generación y así estabilizar la frecuencia del sistema. Figura N°17 Batería Ion-Litio Hybrid-APU implementada en el norte de Chile [25] 4.3.1 Posibilidades en Chile Como se vio anteriormente, este tipo de tecnología de almacenamiento es una muy buena posibilidad para nuestro país, ya que hoy por hoy ya se está utilizando en parte del territorio Chileno, la cual ha funcionado correctamente, y se espera que a futuro se continúe implementando a otros tipos de energías renovables en diferentes partes del país; esto no debería ser un problema ya que Chile posee las reservas de litio más grandes en todo el mundo, con un 58% del total, por lo cual lógicamente puede permitir que Chile surta este tipo de baterías a precios inferiores que los que existen en otros países, aunque el problema que existe es que el litio todavía es un mineral estratégico para el país por lo cual no se puede explotar de la manera que se necesitaría para poder dar el impulso necesario para la masificación de esta tecnología. 52 4.4 Supercondensadores Este tipo de sistemas tecnológicos usan condensadores que almacenan energía en forma de cargas electroestáticas. Los supercondensadores están formados por pares de placas conductivas separadas por un dieléctrico. La diferencia de un supercondensador respecto a un condensador o un capacitor normal, radica en que ofrecen una alta capacitancia en poco espacio. Además los supercondensadores pueden entregar gran densidad de potencia en periodos cortos de tiempo, teniendo un número elevado de carga/descarga, sin que esto afecte su vida útil, son usados como sistemas complementarios o de respaldo, ya sea para operaciones robustas o pequeñas. Tienen una superficie de electrodos significativamente más grande que la de los condensadores normales, acoplada con una placa eléctrica delgada entre el electrodo y el electrolito. Tienen la capacidad de ser cargados y descargados en muy pocos segundos, los que los hacen apropiados ante interrupciones de suministros de poca duración. Ello es debido a que el almacenamiento de cargas es puramente electroestático. En la figura N°18 se muestran varios tipos de supercondensadores. Figura N°18 Supercondensadores Al igual que las baterías existen diferentes tipos de supercondensadores, dependiendo del material que se utiliza tenemos de 3 tipos: 1) Supercondensadores electroquímico de doble capa (ECDL): Tienen una doble capa de electrodos a base de carbono, inmerso en un electrolito químico (este tiene un separador). Durante la carga, los iones cargados eléctricamente en el electrolito migran hacia los electrodos de polaridad opuesta. A los electrodos se le aplica un voltaje, con el cual se forma un campo eléctrico en los electrodos (esto es parecido a lo que ocurre en las baterías, solo que aquí no hay acción química, solo hay electroestática). Desarrollos recientes han logrado una densidad de energía de 600Wh/kg y densidad de potencia de 100.000 W/kg. Un condensador de gran capacidad tienen un gran rendimiento (el 98% de la carga se devuelve).La Figura N°19 muestra el funcionamiento del ECDL. 53 Figura N°19 Supercondensador ECDL [25] 2) Pseudo-Condensadores: Estos tienen buen rendimiento en lo que los ECDL ofrecen capacidades inferiores, por ejemplo pueden lograr densidades de energía y potencias mayores. 3) Condensadores híbridos: Al igual que los pseudo-condensadores estos ofrecen mejores rendimientos en algunos aspecto que los ECDL no lo hacen, como por ejemplo pueden logran densidades de energía y potencia mayores inclusive más que los pseudo-condensadores. El problema con este tipo de tecnología es su alto costo (20.000US$/kWh), lo que es mucho más alto que los sistemas de almacenamientos arraigados hoy en día comercialmente, como las baterías de plomo-ácido (lead acid).Otra de sus desventajas es la limitada capacidad de almacenar energía. Por lo cual hoy en día los supercondensadores no pueden competir con las baterías, además de que éstas no ofrecen la misma densidad de energía que las baterías, pero si pueden alargar su tiempo de vida, logrando con esto obtener su máximo rendimiento y generando un uso más racional y medido de este tipo de dispositivos, ya que las baterías y condensadores no son sistemas que rivalicen entre sí, sino más bien se pueden considerar como sistemas complementarios donde la batería aporta la energía, mientras el supercondensador los picos de potencia. Se espera que en el futuro los supercondensadores se lleguen a comercializar más, debido a la gran capacidad que tienen de absorber energía rápidamente. 4.4.1 Posibilidades en Chile Como ya vimos los supercondensadores son una interesante alternativa de almacenamiento para nuestro país, principalmente porque tienen una gran capacidad de absorber energía rápidamente y además tienen la capacidad de ser cargados y descargados en muy pocos segundos, los que los hacen apropiados ante interrupciones de suministros, lamentablemente tienen costos mucho mayores que las baterías y dado que Chile tiene mayores prestaciones para la implementación de baterías de litio, los supercondensadores quedarían a un lado respecto a éstos, aunque en algún 54 futuro se espera que puedan ser utilizado para ciertos procesos que lo hacen superiores a las baterías, aunque hoy por hoy las baterías ocupan el primer lugar en la implementación de almacenamiento de energía respecto a los supercondensadores (ya hay implementado en el norte de Chile tecnología en base a batería de ion-litio). Aunque viendo la mejor posibilidad para los supercondensadores, vendría bien la implementación de estos como un sistema complementario a las baterías, porque como ya se vio no hay que verlos como dos tipos de sistemas que rivalicen entre sí, sino más bien que pueden ayudarse uno a otro de manera complementaria para conseguir mejor rendimiento, y prestaciones en la práctica . 4.5 Almacenamiento Térmico En este tipo de almacenamiento hay diversos tipos de tecnologías para almacenar energía térmica, las que se utilizan cuando se requieran necesarias. La base de este tipo de sistemas consta de la capacidad latente de algunos materiales de absorber energía, las que mantienen el calor durante un tiempo. También a esto se basan en la reversibilidad de la reacción termoquímica. Estos sistemas se utilizan para balancear la energía durante los periodos del día y la noche. Los depósitos de calor deben mantenerse a una temperatura mayor o menor a la del ambiente. Se utilizan junto a plantas generadoras de energía renovables hoy en día en países como EEUU, Alemania y España. La energía térmica por lo general es acumulada mediante un colector solar, lo que hace es enviar este calor acumulado hacia los depósitos de calor, se le denomina a esto Energía Solar por Concentración (CSP) y utiliza elementos ópticos en forma de espejos para concentrar la energía solar, convirtiéndola en energía térmica a temperaturas que oscilan los 300600°C. Luego esta energía térmica se utiliza para alimentar turbinas, generalmente de vapor o aire caliente, que producen la electricidad. Existen 4 tipos de tecnologías para captar el calor en la figura N°20 podemos ver cada una de ellas; se clasifican en colectores lineares de fresnel, cilindro parabólico, receptor de torre central y espejos parabólicos, además en este tipo de tecnología a su vez pueden ser clasificados según el tipo de focos y movilidad de sus receptores, la cual sale mejor detallada en la tabla N°13, en estos sistemas CSP, se ha utilizado sal fundida como almacenaje del calor recolectado. 55 Figura N°20 Tecnologías de captación del calor [25] Tabla N°13 Características de los receptores 56 -Cilindro parabólico: Posee un rango de potencia entre los 50 y 300MW. Consiste en un semicilindro de espejo que concentran los rayos solares sobre una tubería central por la cual circula un fluido que transporta calor, frecuentemente aceite sintético. Para la acumulación de energía se utilizan sales fundidas. Los componentes principales son sus espejos, el sistema de conversión de energía, el sistema de enfriamiento y el fluido de trabajo. Ya está en etapa comercial y es la tecnología más frecuente usada de la CSP, permiten ofrecer temperaturas máximas de 400°C, eficiencia solar-térmica de 60% y solar-eléctrica de 15%, el factor de la planta puede alcanzar 40% aunque se espera que en el futuro sea mayor. Para funcionar se requieren cielos despejados y alta radiación solar. Los costos actuales se encuentran entre 4.000 y 8.000 USD por KW instalado, mientras que los costos de operación y mantenimiento es de alrededor 70 a 140 USD/kW al año. En EEUU cuenta con varias plantas de esta tecnología, mientras que en Chile por ahora no se cuenta con este tipo de instalaciones. -Espejo parabólico: Esta tecnología se aplica para obtener electricidad y energía térmica con un rango de potencia estimado entre 10 y 25 kW por unidad. Los discos parabólicos concentran los rayos solares hacia un punto focal ubicado en el centro; el aparato completo sigue al sol, con el disco y el receptor moviéndose en conjunto ofreciendo la mayor eficiencia en sistemas de baja capacidad de generación. El calor es absorbido en un motor termodinámico que produce electricidad a partir de él. Los discos ofrecen el mejor desempeño de conversión solar a electricidad de cualquier sistema CSP. Es una tecnología que se encuentra en desarrollo y mejoramiento y está en funcionamiento sólo en plantas pilotos, aunque algunos sistemas llevan 20 años de prueba sin grandes pérdidas en su rendimiento. Algunos países como EEUU y parte de Europa, poseen plantas pilotos en operación; en Chile no se cuenta con ninguna por el momento. -Línea Fresnel: Las plantas desarrolladas con este sistema son principalmente pilotos de 6MW, aunque hay algunas en desarrollo de hasta 150MW. Este tipo de sistema se aproxima a la forma parabólica de los sistemas de cilindro pero utilizando largas filas de espejos planos, o levemente curvos, de manera de reflejar los rayos solares en un receptor plano fijo, una de sus ventajas es que su simple diseño de espejos curvos flexibles y receptor fijos requiere menores costos de inversión y facilita la operación directa de vapor, eliminando de esta forma la necesidad y costos de fluidos de transferencia e intercambiadores de calor. Se basa en la concentración de los rayos solares utilizando espejos ligeramente curvos que se orientan hacia un reflector secundario al cual se reflejan los rayos del sol hasta un absorvedor en el cual circula un flúido de trabajo, generando directamente vapor saturado. El costo de inversión por superficie de espejo es más bajo que el resto pero su eficiencia es menor. -Receptor de torre central: Esta tecnología se aplica para obtener electricidad y energía térmica, con solo un rango de potencia estimado entre 10 y 50MW. Estas utilizan miles de reflectores pequeños para concentrar los rayos solares en un receptor central ubicado en lo alto de una torre fija. Funciona a través de la concentración de los rayos solares en la parte superior de una torre fija, lo que permite mayores temperaturas y eficiencias de los sistemas lineales. Pueden generar vapores saturados o sobresaturados directamente o usar sales fundidas, aire u otro fluido. Un país líder en esto es España con sus dos plantas la PS10 de 11MW y PS20 de 20MW. En Chile no se 57 cuenta con este tipo de tecnología, aunque hay perspectivas de construir una torre en el desierto en el norte por sus niveles de radiación solar. Entre las plantas con este tipo de tecnología tenemos una muy importante, la más grande del mundo ubicada en Sevilla España y tiene 19,9MW, es la planta Gemasolar. Esta planta es la primera con CSP a escala comercial del mundo, tiene un receptor de torre central con almacenamiento térmico por sales fundidas. Esta planta ayudará a evitar las fluctuaciones de los suministros de energía a través de un sistema que es capaz de producir energía por 15 horas en ausencia de luz solar. Con esta planta se puede generar electricidad 24 horas del día combinando la energía almacenada en forma de calor y la energía solar producida, en la figura N°21 se puede apreciar la planta Gemasolar. Figura N°21 Planta Gemasolar [25] El UTES (Underground termal energy store) es otra tecnología para almacenar calor; esta técnica utiliza el almacenamiento en subsuelo no saturado o rocoso, empleando intercambiadores de calor en pozos o perforaciones verticales. Mediante estos intercambiadores, la energía térmica es almacenada o extraída desde el subsuelo y entregada a los consumidores, ya sea en forma directa o a través de bombas de calor. En la figura N°22 se puede ver un esquema de la UTES el cual es usado para pequeñas aplicaciones de calefacción y aire acondicionado en países como Suecia y Alemania. 58 Figura N°22 Esquema del sistema UTES Otro sistema de almacenamiento que se utiliza es el material feolite; estos se utilizan en calentadores eléctricos, se basan en que durante la noche, con los precios bajos de energía, estos calentadores eléctricos se calientan, el calor que se junta durante la noche, se utiliza durante el día cuando el precio es más alto. Actualmente cuenta con 8% del mercado residencial en Reino Unido. También hay sistemas basados en PCMs (phase change materials), utilizan parafinas, esters, ácidos grasos y sales. Estos han sido desarrollados para absorber o botar calor dentro de las bandas de temperaturas específicas (aún está en proceso de estudio, por lo cual aún no se comercializan). 4.5.1 Posibilidades en Chile El almacenamiento térmico es un tipo de energía que puede resultar bastante provechosa para nuestro país, principalmente en el norte (SING), ya que existen variados salares en esa zona. La sal es un elemento utilizado actualmente como sistema de almacenamiento de calor, y esto puede impulsar la proliferación de sistemas de generación eléctrica por concentración de calor, ya que en el día los paneles solares pueden almacenar el calor, con lo que calentarían la sal y en la noche, la sal se enfriaría para producir este tipo de energía. Con lo que se puede decir como conclusión que el norte del país tiene un panorama muy provechoso que utilizar para el almacenamiento de energía a través de los salares que poseen. 4.6 Celdas y Almacenamientos de hidrógenos Las celdas de combustible en base a hidrógeno son una forma de generar electricidad que se ha ido generando en el último tiempo. El sistema consta de juntar hidrógeno con oxígeno para formar agua, este proceso libera energía. Este sistema incluye 3 componentes claves, la electrólisis 59 que consume electricidad fuera de los horarios punta para producir hidrógeno, la celda de hidrógeno que utiliza esto, además del oxígeno del aire, para producir electricidad en horarios punta, y el tanque de hidrógeno que almacena hidrógeno asegurando los recursos necesarios cuando se requieran. La reacción oxidación-reducción entre el hidrógeno y el oxígeno es una reacción simple que ocurre en una estructura (celda electroquímica elemental) compuestas por 2 electrodos (cátodo y ánodo) separados por un electrolito (medio de transferencia de iones). Las celdas de combustible ofrecen reemplazar los motores de combustión interna como una forma de convertir energía química en energía mecánica (esto ocurre ya que la celda de combustible genera electricidad con la que se mueve el motor eléctrico). Hoy en día las celdas de combustible son más caras que los motores de combustión, pero en el futuro con nuevas tecnologías se espera que esto se invierta. Las celdas de combustible son más eficientes que los motores de combustión interna (las celdas de combustible pueden llegar a una eficiencia del 50% para aplicaciones móviles, mientras que en los motores diesel a 35% y los bencineros al 25%) y no generan emisiones tóxicas. Para su uso como generadores estacionarios de electricidad, las eficiencias que se pueden generar son mayores llegando a un 60% o 70%.Las celdas de combustible de mayor tamaño existentes en el mercado llegan a generar 2MW de potencia. Al igual que otros sistemas de almacenamientos de energía como lo son las baterías, las celdas de hidrógeno están hechas de diferentes tipos, tales como: Alcalinas, de membrana de intercambio, de metanol directo, de ácido fosfórico, de carbonato fundido, de óxido sólido. El funcionamiento de una celda de hidrógeno se puede ver con mayor claridad en la figura N°23. Figura N°23 Celda de Hidrogeno [25] 60 Como el hidrógeno es un medio de almacenaje y transporte de energía y no una fuente de ésta, se requiere de otras fuentes para producirlo, cada fuente tiene su propia eficiencia de conversión de energía al generar hidrógeno; entre los procesos de generación de hidrógeno se tienen: -Electrolisis: La electrólisis podría ser casi el único link práctico entre las energías renovables y el hidrógeno. Energías como solar, eólica, atómica e hidráulica pueden ser ocupadas para generar hidrógeno sin contaminar el medio ambiente. El proceso que se ocupa en esto es la electrólisis, la cual genera hidrógeno a partir del agua y energía eléctrica. Su eficiencia teórica en condiciones ideales llega a 75%, las tecnología que actualmente hay en el mercado generan entre 50 %y 70%. -Reformación del gas natural: Es el método más eficiente para la generación de hidrógeno la cual llega a un 90%. En estos momentos es el más usado debido a su eficiencia y bajo costo respecto a la electrólisis. El método consiste en extraer el hidrógeno del gas natural a través de procesos químicos, como desventaja este proceso emite contaminantes como el dióxido de carbono y tiene dependencia a los combustibles fósiles. -Biomasa: Esta es una opción relativamente eficiente, mediante procesos parecidos a la reformación de gas natural se puede llegar a eficiencias bastante altas, cercanas al 80%, pero tiene el problema de la emisión de CO2. Entre los métodos de almacenamientos de hidrógeno podemos hablar de un total de 4, los métodos son los siguientes: -Hidrógeno presurizado: Esta técnica consta de comprimir el hidrógeno en un recipiente que, dependiendo de sus características, pueden soportar mayor o menor presión. Por ejemplo, un recipiente de acero puede soportar entre 200 y 250 bar, mientras que uno de fibra de carbono con aluminio soporta 350 bar, como se ve una capacidad mucho mayor y relevante. -Absorción de Hidrógeno: Para muchos materiales agregar hidrógenos a sus estructuras moleculares es un proceso natural. Por lo que, si se manejan ciertas variables como la presión y la temperatura, se puede lograr que se agregue o elimine hidrógeno de estos materiales. Su ventaja radica en que la presión se mantiene baja, por lo que es mucho más seguro que el presurizado y no hay pérdidas. -Hidrógeno licuado: El hidrógeno tiene una densidad energética volumétrica cuando es licuado antes de ser almacenado, este método consiste en la licuefacción del hidrógeno, lo que es muy costoso puesto que se deben lograr temperaturas cercanas a los -253°C y además a todo esto tiene grandes pérdidas. El almacenamiento de hidrógeno licuado es ideal para el empleo en vehículos ya que el requerimiento del espacio del tanque es menor. -Hidruros metálicos: Utiliza nanofibras de carbono para almacenar hidrógeno, pero este está en etapas muy tempranas de desarrollo. Por el lado de la comercialización, se sabe que la primera planta de este tipo nació en el año 2009 en Fusina (cerca de Venecia) y es de la empresa ENEL. La capacidad es de 12MW, estando ubicado 61 al lado de la planta Andrea Palladio, que utiliza vapor reutilizado que sale de las turbinas de la planta de hidrogeno para producir hasta 4MW. En el ámbito mundial, esta tecnología se está comercializando actualmente; en Corea del Sur ya tienen una planta de celdas de hidrógeno DFC3000 de la empresa DFC, su capacidad es de 2,8MW y cuenta con un 47% de eficiencia. A todo esto también puede ser utilizada como planta generadora de potencia, cogeneradora o CHP (combinación de calor y energía). En la figura N°24 se puede ver el modelo de la celda de hidrógeno DFC3000. Figura N°24 Celdas de Hidrógeno [25] En Corea del Sur el último tiempo realizaron una importante inversión en este tipo de sistemas instalando una central en Hwasung que tendrá una capacidad de 60MW y podrá generar 464GWh, además de todo esto las celdas de hidrógeno están siendo utilizadas para automóviles, buses, aviones, botes, submarinos. Es más en EEUU existen más de 85 instalaciones de rellenado de celdas de hidrógeno, lo que nos dice que es una tecnología que se toma bien en cuenta mundialmente. 4.6.1 Posibilidades en Chile Este tipo de tecnología es una buena alternativa a tener en cuenta ya que tienen buenas referencias como celdas de combustible para llegar a reemplazar los motores, aunque hoy en día esto económicamente aun no es viable, otra cosa a tener en cuenta es sobre cómo generar hidrógeno para realizar el proceso que esta tecnología necesita, lugares como la región de los Ríos que posee plantas de biomasa que pueden ser usadas para la generación de hidrogeno y posterior uso de esta tecnología. 62 4.7 Flywheel La inercia mecánica es la base de este tipo de almacenamiento; este consiste en una masa que rota en torno a un eje, lo que almacena energía mecánica en forma de energía cinética. Lo primero que se realiza es energizar el flywheel, acelerándolo, esto se logra generalmente mediante un motor eléctrico. Mientras que está rotando, una batería va guardando la energía, dependiendo de la velocidad de giro y el momento de inercia del flywheel, mientras más rápido gire éste, más energía se puede almacenar, finalmente el motor eléctrico pasa a funcionar como generador cuando se requiere utilizar la energía almacenada. Lo ideal es mantener la fricción al mínimo para prolongar el tiempo de almacenamiento, lo que se logra colocando el flywheel en vacío y utilizando cojinetes magnéticos, aunque esto sube el precio del sistema. Aparte del flywheel, los otros componentes importantes del sistema son los rodamientos y la interface de potencia, los cuales se presentan en la figura N°25. Figura N°25 Componentes del sistema Flywheel [25] La interface de potencia incluye un motor/generador, un convertidor electrónico de velocidad variable y controladores de potencia. Este último es usualmente una máquina magnética de alta velocidad, la cual, al estar integrada con el rotor, funciona como un generador síncrono. La principal de las ventajas del flywheel son las altas tasas de carga y descarga para muchos ciclos de trabajo, su vida útil a todo esto está calculada para unos 20 años. Este sistema puede operar en el rango de velocidades de las 6.000 rpm hasta las 50.000rpm, los más lentos son fabricados con rotores de acero y rodamientos convencionales. Este tipo de sistema logra una energía en torno a 5Wh/kg. Por otro lado, los más rápidos utilizan materiales compuestos para el rotor con rodamientos que logran una mínima fricción, estos pueden almacenar 100Wh/kg de energía. Los principales usos del sistema en general son para los sistemas de generación de energías renovables (eólica, solares) los cuales no tienen una tasa de producción constante. Por esto, este puede entregar energía cuando estas plantas de energía no 63 lo puedan generar y se cargan cuando estas plantas generen su máximo, ya que no se utilizarán para generación en esos instantes. En el año 2011 la empresa Beacon Power abrió una planta de flywheel con una capacidad de 20MW (5MWh por 15min), tienen la ventaja de una baja emisión de carbono, rápida respuesta y capacidad de comprar energía en horarios fuera de punta, se ubica en Stephentown, New York. A pesar de estas iniciativas aún sigue en estudio esta tecnología y no se ha logrado comercializar en su totalidad. 4.8 Costos de los métodos de almacenamiento Este es un punto bien importante a saber ya que muchos países, zonas o industrias muchas veces se decantan por la tecnología que le es económicamente viable y quizás muchas veces no fuera la mejor opción, dado que la correcta tecnología es mucho más cara. En el tema de la tecnología de almacenamientos de energía, hay que tener en cuenta que muchos de ellos necesitan cumplir ciertos requisitos, y en muchos casos dependiendo de su ubicación o sobre qué lugar este funcionando supondrá mayor o menor costo. Por esto mismo es necesario tomar en cuenta el costo total del sistema (incluyendo durabilidad del equipo y costos de investigación) para así tener una mejor noción si es factible o no la implementación de esta tecnología. En la figura N°26 se muestran rangos aproximados de los costos de varias tecnologías (esto fue sacado de la ESA por sus siglas en ingles es Electricity Storage Association). El costo de la energía fue dividido por la eficiencia de almacenamiento para obtener un costo unitario de energía útil. En la figura está dividido en dos partes, la parte horizontal de cada bloque corresponde al costo de inversión por unidad de potencia, y la parte vertical es el costo de operación por unidad de energía. 64 [26] Figura N°26 Costos de los métodos de almacenamientos También como se puede observar en el gráfico se tienen 2 flechas que direccionan hacia qué lado del gráfico cada tecnología es mejor, en el lado horizontal señala donde una tecnología es mejor para el UPS y aplicaciones de potencias, mientras que el lado vertical lo son para aplicaciones de manejo de energía. En la siguiente tabla se pueden ver los costos de desarrollo y operación de cada tecnología estos expresados en US$/Kwe y US$/kWh. En esta tabla como se puede ver cada tipo de tecnología ofrece un rango en el cual trabajan, por lo que no se puede decir a ciencia cierta el valor exacto de cada tipo de almacenamiento sin llevar un estudio complementario que lo avale, por lo que el rango estimativo de cada tecnología es el siguiente. 65 Tabla N°14 Resumen de costos [26] A pesar de los costos de inversión y operación a la larga las tecnologías de almacenamiento son necesarias ya que entregan muchos beneficios energéticos, tales como generación, trasmisión, distribución y consumo final de energía, ya que son claves en la integración de altos niveles de generación de energía renovable y esencial para lograr redes inteligentes. También se utilizan como ayuda a los servicios complementarios los que son herramientas utilizadas para ayudar a mantener un balance continuo entre electricidad producida y demandada. Entre los tipos de servicios complementarios se encuentran con control de potencia reactiva/voltaje, control de frecuencia, reserva del sistema y capacidad de partida autómata, por lo que hay que tener en cuenta que un buen almacenamiento de energía de rápida respuesta puede actuar ante una baja de servicio complementario, pudiendo así mantener controlado el servicio complementario de una mejor manera con la aplicación de esta tecnología. También se suman a éste, los servicios en trasmisión, ya que un buen tipo de almacenamiento puede evitar anomalías en la red, ya que si se cae una línea, la energía almacenada puede descargarse para suplir la caída de esta. 4.9 Cuadro comparativo de los diferentes tipos de almacenamiento de energía Ya se ha podido ver cada uno de los diferentes tipos de almacenamientos de energía, ahora solo queda realizar un cuadro comparativo con cada una de las ya vistas con anterioridad. 66 Tabla N°15 Comparación entre los métodos de almacenamientos de energía En el cuadro ya se pudo desglosar las diferentes virtudes y posibilidades de implementación de cada método de almacenamiento a grandes rasgos, como podemos ver una de las mejores alternativas a implementar en Chile vendría siendo la hidroelectricidad bombeada, ya que se pueden aprovechar las centrales hidroeléctricas presentes en el país; esta tecnología cuenta con un costo de inversión medio a diferencia de otras alternativas, pero el costo de operación es bastante viable con relación a la potencia, rendimiento y duración de la tecnología implementada. Otra alternativa que puede ser utilizada en más diversidades de centrales y diferentes procesos (el anterior sólo se puede usar en centrales hidroeléctricas) son las baterías de ion litio, ya puestas en marcha en el norte del país con buenos resultados. Otra alternativa es el almacenamiento térmico, el país debe aprovechar esta tecnología en el norte del país, dado que Chile ha sido privilegiado con su territorio. Otros almacenamientos como el CAES resultan una buena idea de realización pero hoy en día no conviene hacerlo por sobre las anteriores mencionadas, y finalmente se tienen el resto como celdas de hidrógeno, supercondensadores, flywheel, que si bien logran tener un buen rendimiento y vida útil, no resultan viable ya sea por un tema económico, tecnológico o que hay otras tecnologías que resultan más accesibles a la hora de pensar en almacenamiento de energías. 67 CAPITULO V 5.1 Centrales de generación de energía en la región De Los Ríos En esta sección, se revisara más a fondo las centrales de generación de energía eléctrica ya mencionadas con anterioridad, pero en este caso se entregará una visión un poco más profunda de ellas. En la tabla N°16 se pueden ver los tipos de centrales de generación eléctrica las cuales están separadas por centrales en operación, proyectadas y desistidas. Tabla N° 16 Centrales de generación de energía eléctrica en los ríos [27] En las cuales se pueden destacar como operativas las centrales de Antilhue, Pilmaiquén, Pullinque, Valdivia, Turbogrupos, (pero esta última se va a obviar en el análisis) mientras que las centrales proyectadas hay muchas más que aún están en construcción, otras recién evaluando y hay sólo 3 tipos de centrales que fueron desistidas las cuales son los Avellanos, Lumaco, Maihue. Para focalizar el análisis y estudio que se centrará en las centrales en operación que son las 4 mencionadas con anterioridad, de las cuales la central Antilhue es una central termoeléctrica a petróleo diesel, la central Pullinque y Pilmaiquén son hidroeléctricas de pasada y la central Valdivia que es una termoeléctrica que trabaja con petróleo diesel y también con biomasa. 5.1.1 Central Pilmaiquén Esta central se encuentra ubicada en las fronteras de Río bueno y Puyehue. Aprovecha las aguas del rio Pilmaiquén y el desnivel generado por el salto del mismo nombre, con una generación de potencia instalada de 39MW, poseen 5 generadores, 3 de ellos de 5 mega watts, 1 de 11 mega watts y el último de 12 mega watts, esta central genera anualmente 240GWh.La energía producida se envía a la S/E (sub-estación) Osorno por doble circuito de trasmisión de 66KV, luego toda la energía producida se entrega al SIC. La central tiene mucha historia ya que fué una de las primera hidroeléctricas implementadas en nuestro país, comenzando su funcionamiento en 1944, esto se puede ver en la Tabla N°17. 68 Tabla N°17 Especificaciones de la central Pilmaiquen [27] La central Pilmaiquén es del tipo hidráulica de pasada, como su potencia instalada es de más de 20MW entonces se puede decir que es del tipo ERC. Esta central opera de forma continua porque no tiene capacidad de almacenar agua por sí sola, ya que no posee embalses, turbinan del agua en el momento, limitadamente a la capacidad instalada, ya que al estar ubicado entre Río Bueno y Puyehue aprovecha el estrechamiento del rio Pilmaiquén, aprovecha el desnivel entre las aguas de arriba y las de abajo, que es reducido, aunque se requiere un caudal suficientemente constante para asegurar a lo largo del año una potencia determinada, la cual es de 240 GWh aproximadamente. El agua que cae de una presa hace girar las turbinas que impulsan generadores eléctricos, ésta se transporta a una estación de trasmisión, donde un transformador convierte la corriente de baja tensión en una de alta tensión, la electricidad se transporta por cables de alta tensión a las estaciones de distribución, donde se reduce la tensión mediante transformadores hasta niveles adecuados para los usuarios. Las líneas Primarias pueden transmitir electricidad con tensiones de hasta 500.000 voltios o más, las líneas secundarias que van a las viviendas que tiene tensión de 220 voltios. Esta energía eléctrica se distribuye por muchas ciudades incluída Rio Bueno; en la figura N°27 podemos ver la fotografía del generador N°3. Ahora es necesario ver una 69 solución de almacenamiento de energía para conseguir un mejoramiento del rendimiento de esta central. Figura N°27 Generador de la central Pilmaiquen [34] 5.1.2 Central Pullinque Esta central de generación de energía eléctrica se encuentra en Panguipulli y es del tipo hidroeléctrica de pasada, aprovechando las aguas del río Huanehue en su paso entre los lagos Calafquén y Pullinque, las obras se encuentran en el desagüe de la laguna Pullinque, a partir de este punto el agua es conducida hasta la casa de máquinas por una aducción de menor pendiente que la del río, de tal modo que en su extremo final a 4.580 metros de la bocatoma, existe ya una caída aprovechable de 48 metros, este desnivel permite obtener una potencia total 51,4MW al funcionar las tres unidades turbina-generadora con un gasto total de 130 m³/s que es la capacidad máxima de aducción. El rio Huanehue tiene un caudal medio anual de 74 m³/s, los mayores gastos se producen con las lluvias de Junio y Julio alcanzándose con frecuencias cifras cercanas a los 150 m³/s, el gasto disminuye en los meses de otoño hasta los valores de 30 m³/s, la generación media anual de la central Pullinque es de 220 GWh de los cuales 130 GWh se producen en invierno. La planta está conectada al SIC (sistema de trasmisión principal que cubre la mayor parte de las ciudades incluyendo Santiago), la central se construyó entre los años 1958-1962, más abajo se puede apreciar una tabla que describe esto. 70 Tabla N°18 Especificación de la central Pullinque [29] En la fotografía de más abajo se puede ver la central Pullinque en la actualidad Figura N° 28 Central Pullinque en la actualidad [29] 71 En la siguiente tabla se podrá ver una tabla correspondiente al año 1960 donde muestra que en esa época la generación anual y su potencia, como podemos ver las dos centrales pertenecen al grupo Endesa. Tabla N°19 generación anual y potencia [35] Esta central hidroeléctrica utiliza las turbinas Francis (usados para grandes caudales con medio o bajo salto) las cuales son turbinas de reacción; con ellas se puede lograr el máximo rendimiento posible, habitualmente un 90%, estas turbinas son de mucha ayuda ya que también pueden utilizarse para el bombeo y almacenamiento hidroeléctrico, utilizando dos embalses, el embalse superior se llena mediante la turbina (en este caso funcionando como bomba) y también se usa como turbina para generar energía; es necesario aclarar esto, ya que una posible solución a nuestro almacenamiento de energía es la hidroelectricidad bombeada, pero para ello se deberá convertir a la central de pasada en un híbrido que pueda cumplir con esto, ya que por sí mismas las centrales de pasada no almacenan energía. 5.1.3 Solución de almacenamiento para centrales Hidroeléctricas Es momento de elegir las alternativas para el almacenamiento de energía de las centrales hidroeléctricas presentes de la Región de los Ríos, en este caso las dos centrales (Pullinque y Pilmaiquen) son hidroeléctricas de pasada, por lo que son bastante similares en sus componentes, como operan y hasta en su capacidad de generación de energía eléctrica, por lo que las soluciones aquí empleadas ejercerán para las dos, aunque puede que exista una pequeña variación entre una u otra, el resultado es el mismo. La primera opción a considerar es la Hidroelectricidad Bombeada, en este caso al ser hidroeléctricas de pasada las turbinas deben aceptar el caudal disponible como viene, con sus variaciones de estación en estación, o si ello es imposible el agua sobrante se pierde por rebalsamiento, estas centrales utilizan las turbinas Francis que también pueden ser utilizadas en lo que son la hidroelectricidad bombeada, por lo que podremos ocupar este componente para realizarlo. Ahora bien, lo que se plantea como solución es modificar la hidroeléctrica de pasada para convertirla en una hidroeléctrica reversible que pueda almacenar esa agua sobrante que se pierde por rebalsamiento, almacenarla en embalses, esta alternativa es descartada para la central Pullinque y Pilmaiquen, debido a que no existe espacio disponible en la central para poder modificarla y construir embalses; la única alternativa seria mover la central, cosa que es inviable 72 para una solución real, por lo cual como conclusión la hidroelectricidad bombeada o reversible para Pilmaiquén o Pullinque es inviable. Por otro lado existen centrales hidroeléctricas de embalses que son un proyecto en marcha (perteneciente a los Ríos) como lo son las centrales Osorno y los Lagos. Estas centrales como aún no están en funcionamiento pueden transformarse en centrales hidroeléctricas reversibles simplemente modificando algunos parámetros para llevarlo a cabo; en la Figura N°30 tenemos un esquema de reversible lo cual en este caso sería una alternativa para las futuras centrales Osorno y los Lagos, mientras que en la Figura N°29 tenemos un esquema de una hidroeléctrica de pasada como lo son Pilmaiquen y Pullinque. Figura N°29 Esquema de una Hidroeléctrica de pasada 73 Figura N°30 Esquema de Hidroeléctrica reversible Ahora se conocerá más a fondo lo que tenemos ya implementado en las centrales hidroeléctricas ya en funcionamiento para poder analizarla y conseguir la solución adecuada. En este caso analizaremos la central Pullinque. La central está formada por: -Barrera: Esta es un muro- vertedero de hormigón de 60 mts de largo sobre el cual puede evacuarse los caudales no utilizados por la central, en especial durante las crecidas del rio Huanahue, que llegan a alcanzar un máximo estimado de 850 m³/s , esto puede apreciarse en la siguiente figura. Figura N°31 Barrera de la Central -Estructura de compuertas: Es una estructura de hormigón armado provista de tres compuertas, son operadas por servomecanismos en forma local o telecomandadas desde la casa de máquinas, 74 esto también cuenta además, con una reja metálica gruesa para impedir la entrada de cuerpos solidos a la entrada, esto puede verse en la siguiente figura. Figura N°32 Estructura de compuertas -Aducción: Esto tiene por objetivo conducir hasta la cámara de carga el agua captada en la laguna Pullinque. Se desarrolla en la ribera del rio Huanehue, en una longitud total de 4.580 mts, de los cuales 3.147 mts son en canal abierto y el resto es formado por dos túneles de 1002 mts y 431 mts, respectivamente. El canal tiene una pendiente de 0,0004 y su sección tipo es trapezoidal de taludes ½ y base 6,50, cuenta con un completo sistema de drenaje, también en la aducción se han provisto dos obras de seguridad que consisten en un sifón situado en el Km 0,545 y en una compuerta automática ubicada en el Km 4,180, en la siguiente figura podemos ver la aducción. Figura N°33 Aducciones -Cámara de carga: Tiene por objetivo conseguir una mejor entrada del agua a las tuberías de presión, con el mínimo de pérdidas de energía, y disponer de un volumen de acumulación suficiente para absorber las variaciones normales de carga. 75 -Tuberías de presión: Están formada por 3 tubos de acero de 3,60 mts de diámetro interior y espesor variable entre 11 y 15 mm, cada uno tienen un largo de 80 mts. -Casa de máquinas: Se encuentra ubicada casi paralelamente al rio Huanehue, cerca del talud del cerro, aquí se alojan 3 unidades generadoras y el lugar tiene una superficie de 985 m2 - Canal de evacuación: Reintegra las aguas al rio Huanehue, después de un recorrido de 150 mts. Esto es el camino que sigue para la generación de energía eléctrica, obviamente entre las instalaciones mecánicas tenemos las turbinas tipo Francis, reguladores de velocidad, puentes grúa y en el lado de las instalaciones eléctricas tenemos los generadores con capacidad nominal de 18 MVA, mas 15% de sobrecarga permanente, voltaje de servicio de 13, 8 Kv entre muchos aspectos. En la siguiente figura podemos ver una fotografía de los 3 generadores ubicada en la casa de máquinas. Figura N°34 Generadores en la casa de máquinas 76 También posee transformadores de subida, batería de acumuladores, servicios auxiliares, patio de alta tensión y sala de comandos. La segunda alternativa posible de realizar son las baterías de ion-litio, dado que ocupan poco espacio físico, tienen buena capacidad de almacenamiento y pueden contribuir de igual manera a almacenar hasta 4MWh dependiendo de cuantas baterías se quieran incorporar y de qué tipo (ya que hay varios modelos con diferentes dimensiones y almacenamientos), éstas las exporta la compañía A123 y tiene buen rendimiento ya que su tecnología se ha ocupado con anterioridad para parte de nuestro país con resultados favorables (en las centrales termoeléctrica tienen buena aceptación por lo que más adelante se detallara más a fondo este tipo de implementación y sus componentes). También las baterías están preparadas ante un posible fallo en la red de distribución, lo que con esto permitirá no detener los procesos ya que seguirá suministrando la energía almacenada hasta que se restablezca el fallo ocurrido. Para lograr el almacenamiento las baterías se posicionarán en la casa de máquinas ya que es bastante compacta sus dimensiones (pueden estar incorporada múltiples baterías); éstas se conectarán al generador el cual entregara la energía eléctrica hasta que cargue la batería (proceso realizado en horas valle) y tenga el almacenamiento completo, posteriormente la batería estará conectada a las líneas de tensión para suplir la energía eléctrica que la hidroeléctrica no pueda proporcionar en ciertas horas. Estas baterías son completamente funcionales y operativas, ya que cuentan con un sistema de control con el cual se monitoriza todo el sistema, cuando proporciona energía, cuando debe suplir energía, este sistema de control está incorporado dentro del sistema de baterías revestido en forma de container (el funcionamiento de este sistema se puede ver de mejor manera en el video [32]). Una última alternativa más bien complementaria a la anterior son los supercondensadores, ya que como se dijo con anterioridad es un sistema que se complementa de muy buena manera con las baterías, logrando que el sistema tenga mucho mejor con fiabilidad, rendimiento en momento que las baterías pueden no tenerlo, como por ejemplo donde la batería aporta la energía, mientras el supercondensador los picos de potencia. 5.1.4 Soluciones descartadas También es importante mencionar aquellos almacenamientos de energía que no fueron dados como solución para las centrales hidroeléctricas de los Ríos. Hidroelectricidad Bombeada: En estas dos centrales es imposible implementar esta tecnología, al ser hidroeléctricas de pasadas, resultaría muy engorroso tener que prácticamente mover la central para que funcione, por lo que es completamente descartada. Almacenamiento Térmico: El clima de la zona no resulta el adecuado para pensar en implementar un sistema así, esto es más bien pensado para el norte de Chile. Flywheel: Este tipo de solución resulta adecuada para otro tipo de centrales como las eólicas y solares, si se habla de hidroeléctrica aún no se compara a lo que en prestaciones entregan las 77 baterías, sin decir que aún no se encuentra completamente terminada para comercializarlo confiablemente. CAES: Esta alternativa sugiere más inversión, espacio y construcción que las adoptadas aunque tiene gran capacidad de almacenamiento con poca pérdida, no compensa la inversión con su contraparte seleccionada. 5.1.5 Central Antilhue Esta central es del tipo termoeléctrica y genera electricidad con petróleo diesel, está ubicada en Valdivia, al interior del recinto en que actualmente se ubica la subestación Valdivia, propiedad Transelec, esto lo se puede visualizar de mejor forma en el mapa que se muestra en la figura N°35. Esta central fue puesta en servicio el año 1999 y su potencia instalada es de 106,6MW, anualmente la central Antilhue genera 88GWh en promedio. Figura N° 35 Ubicación de la central Antilhue [28] La central de Antilhue está separada por dos diferentes tipos de generación de energía, se encuentra Antilhue 1, la que son dos turbinas de 25MW cada uno (llamadas Antilhue TG1 y TG2 respectivamente) y Antilhue 2 de 50MW (TG3), esta última fué construída en los terrenos de la subestación Valdivia, la que se compone de una turbina y un generador de 50MW y está diseñada de forma que puede operar autónomamente sin dependencia de la central Antilhue. 78 Tabla N° 20 Especificaciones de la Central Antilhue [28] 5.1.6 Central Valdivia-Celco Esta central está ubicada junto a la planta de celulosa Arauco en Mariquina, es una central del tipo termoeléctrico que trabaja con petróleo diesel y biomasa, está operandó desde el año 2004 con una potencia instalada de 61 MW y anualmente genera 205 GWh. A continuación se puede ver una imagen que muestra el diagrama de la central y también una tabla de especificaciones de la planta. 79 Figura N°36 Generación de energía Central Valdivia [30] Tabla N°21 Especificaciones sobre la Central Valdivia [30] 80 En la planta de celulosa que se genera electricidad, usan en la combustión desechos de la madera y la parte orgánica del licor negro para producir calor y vapor de agua en las calderas. El vapor es elevado a una gran presión y llevado a una turbina, la cual está conectada a un generador que cuando gira, convierte el movimiento giratorio en electricidad. Después que el vapor pasa a través de la turbina, es llevado directamente a los procesos o a una torre de condensación, donde se condensa y se convierte nuevamente en agua líquida, para ser utilizada otra vez en la caldera y repetir el proceso indefinidamente. Las turbinas de vapor representan el tipo de motor primario utilizado exclusivamente para el accionamiento de los generadores eléctricos de las centrales termoeléctricas a vapor. A partir del acoplamiento de una turbina de vapor con un generador síncrono se origina comúnmente denominado “Turbo-generador”. En el video [38]y [40] podemos ver una mejor descripción de cómo funciona una central termoeléctrica que utiliza biomasa y una convencional respectivamente, también se puede observar en la siguiente figura. Figura N°37 Funcionamiento de una central termoeléctrica 81 5.1.7 Generación de energía eléctrica en los Ríos Para aclarar el comportamiento de la generación de energía eléctrica en la Región De los Ríos en el siguiente gráfico se muestra la generación procedente de las 4 centrales más importantes, siendo el periodo comprendido entre 1998 y 2008 los representados en el gráfico. Gráfico N°4 generación de las centrales más importantes de la región de los Ríos [28] Una vez visto este gráfico comparativo de las centrales de generación eléctrica presentes en la región de los Ríos podemos concluir que las centrales de hidroelectricidad se mantienen relativamente constante al pasar de los años, de las centrales termoeléctricas se ve que la central Valdivia desde su inicio va en alza su generación de electricidad, mientras que la central de Antilhue se mantiene como apoyo de generación es por eso que en algunos años tiene baja o nula generación eléctrica, por lo cual al momento de enfocarnos en dar una solución a la matriz energética de la Ríos será ambientado a las centrales Pullinque y Pilmaiquén en lo que respecta a centrales hidroeléctricas y Antilhue, Valdivia en lo que centrales termoeléctricas respecta. Por lo cual teniendo la información ya vista se procederá a analizar la solución para cada una de las propuestas, en este caso serán dos propuestas, una para centrales hidroeléctricas (ya que entre Pullinque y Pilmaiquén tienen aspectos bastante similares, por lo cual la solución elegida será válida tanto para una como para otra) y otra para centrales Termoeléctricas. 82 5.1.8 Solución de almacenamiento para centrales termoeléctricas Analizando las dos centrales pertenecientes a la región de los Ríos, se comenzara hablando de la central Valdivia la cual es una central que produce energía eléctrica en base a biomasa, licor negro y petróleo diesel. En la figura N°38 se ve ver internamente como es la generación de energía eléctrica en base a biomasa de licor negro. El funcionamiento de la planta comienza con el ingreso de la biomasa recolectada (si es con combustibles fósiles, entonces es el mismo proceso pero con combustible fósil en la fase de combustión), el cual pasa a la fase de combustión, una vez allí genera enormes cantidades de calor que servirán para transformar el agua en vapor, agua que la central provee desde el río en un circuito reutilizable, posteriormente el vapor a presión que sale de la caldera hace girar las palas de la turbina, la cual se conecta al generador, la energía mecánica producida por la turbina se convierte en energía eléctrica que finalmente será entregada a las líneas de trasmisión eléctrica, finalmente el vapor que sale de la turbina vuelve a transformarse en agua líquida para iniciar de nuevo el proceso de producción de vapor. Figura N°38 Esquema elemental de una central termoeléctrica La solución más viable para las termoeléctricas son las baterías recargables de ion litio (más adelante se analizarán las demás). Estas baterías se conectarán al generador de energía eléctrica de la planta, entonces no es necesario detener la producción de combustión de licor negro ya que en el momento (una vez implementado la solución de almacenaje) que la demanda de energía eléctrica sea cubierta y se continúe la producción de ella, el generador comenzará a entregarle esa 83 energía sobrante a la(s)baterías hasta completar el ciclo de almacenamiento o hasta que la producción se mantenga estable. Hay que destacar que en todo momento las baterías están siendo controladas ya que es una tecnología que está completamente automatizada (se analizará más adelante). Estas baterías serán encargadas a la empresa A123 Systems que es una de las líderes mundiales en la producción de avanzadas tecnologías para el almacenamiento de energía en red, la razón escogida del porque esta compañía, es que en el pasado, como ya se vio en la sección anterior, la empresa AES GENER la utilizó en implementar una batería en el norte del país con buenos resultados. Esta tecnología es llamada la solución de almacenamiento de red (GSS), es un sistema flexible, completamente integrado a la red de interconexión y se puede implementar rápidamente para permitir a los generadores, empresas de servicios y operadores de red puedan reducir sus costos y aumentar la eficiencia de la planta, además se pueden configurar fácilmente para satisfacer los requisitos de potencia y energía. Otra de las razones por las cuales son viables las baterías es el escaso espacio que ocupan, se pueden acomodar en un espacio reducido de la planta y tiene 4 modelos de baterías (en lo que a al tema del espacio se refiere) cada uno con diferentes prestaciones que podemos ver en la tabla N°22, en la que podemos ver las diferencias de almacenamiento de energía, potencia, dimensiones de las baterías, peso, eficiencia, voltaje y temperatura ambiental. Algunas de las aplicaciones que podemos encontrar del sistema completo almacenamiento de energía es en el tema de la generación, puede actuar como: servicios auxiliares, respuesta en frecuencia, regulación de frecuencia (se utiliza para ajustar la frecuencia y voltaje de la red igualando la generación a la carga demandada del sistema), giro de reserva (se refieren a la capacidad de generación adicional que puede entregar energía a la red en poco tiempo, una vez que el operador la necesita) entre otras. Tabla N°22 Especificaciones de las baterías [31] 84 En las dos centrales termoeléctricas (Valdivia y Antilhue) estas baterías también pueden llegar a cumplir un rol de reemplazo de la potencia de giro de la central, ya que al ser una termoeléctrica operan a una potencia inferior a la de su máxima capacidad, para contar con una reserva que le permita subir rápidamente carga en caso que así se requiera para estabilizar el sistema eléctrico, con esto se puede aumentar el aprovechamiento de la capacidad de producción de las centrales, lo que permitirá una baja de los costos del sistema entre algunos de la cualidades que posee este tipo de tecnología, además el GSS no consume combustible ni agua y no libera emisiones. La tecnología GSS presentada por A123 consta de tres componentes principales, el sistema de cuadriculas de baterías (GBS), el sistema de control de energía AEROS y un sistema de conversión de energía. Estos componentes están integrados para el uso de la tecnología como se puede ver en la siguiente figura. Figura N°39 Componentes de funcionamiento de las baterías[31] Como se ve en la figura N°39 en la parte superior se tiene el sistema de control de energía (AEROS), el sistema cuadricula de batería y el sistema de conversión de energía. Todas estas unidades vienen como parte del sistema solución GSS incluyendo las interfaces de control de la pantalla táctil y un sistema integrado de prevención de incendio (detección y extinción). El sistema de control AEROS es el sistema operativo de la batería que ofrece funcionalidad de mando y control, se encarga de los comandos automatizados y el control de los protocolos para las industrias, posee un control manual remoto de los usuarios a través de una interfaz de red segura, acceso multiusuario con derecho a acceso personalizable, 250 milisegundos de respuesta 85 estándar(configurable hasta 30 milisegundos), tiene la opción de integrar un sistema de video vigilancia, informa en tiempo real del rendimiento, regulación de la frecuencia, nivelación de carga soporte vol/ var entre muchas otras; en resumen es el cerebro del sistema. . En la Figura N° 40 podemos ver el tablero de mando y en la figura N° 41 la interfaz de la pantalla táctil. Figura N°40 Tablero de mando del sistema de control Aeros [31] Figura N°41 Pantalla Táctil del sistema Aeros [31] 86 El sistema de cuadrículas de baterías (GBS) se basa en unidades de almacenamiento de energía en rack integrados modulares(estas unidades de energía rack integrado vienen en dos tipos LD y HR ), que sirven como bloques de construcción para sistemas de almacenamiento de energía de LD (larga duración, es una batería de alta energía optimizando los tiempos de funcionamientos más largo) que cumplan con los requisitos específicos de la aplicación HR fácilmente configurables (es una batería de alta potencia capaz de desempeñarse plenamente en tan sólo 15 minutos). En él se configura el almacenamiento de energía y es donde están integrados los otros dos componentes en el container de diferentes dimensiones. En la Figura N°42 se puede apreciar el rack LD y HR (de izquierda a derecha respectivamente comenzando desde arriba). Figura N°42 Rack LD y HR [31] 87 Finalmente se tiene el sistema de conversión de energía que cuenta con una alta eficiencia convertidora de potencia bidireccional que se inyecta y absorbe potencia activa y reactiva entre el GBS y la rejilla. Es el encargado de transformar la energía procedente ya sea solar, eólica termoeléctrica en energía eléctrica para su almacenamiento y uso; cada uno de los componentes se puede ver en el video [32]. Es por esto que las baterías de ion litio es la mejor solución implementable en las termoeléctricas de la Región De los Ríos, ya que combina una serie de prestaciones que la convierten en la mejor opción, ya sea el tema del poco espacio y acomodación en las centrales, su buen rendimiento, monitorización y almacenaje, sus prestaciones y costo. Esto se puede ver mejor explicado en cómo sería en la situación real de implementarlo en las termoeléctricas en el video [33]. Para concluir si se quiere optimizar aún más el sistema de almacenamiento de energía, es bueno considerar el complemento de supercondensadores, de esta manera se reducira aún más las posibles desventajas o problemas que puedan surgir en la implementación de la baterías al momento de llevarlo a la práctica. 5.1.9 Soluciones descartadas También cabe destacar por qué las otras tecnologías fueron descartadas en las centrales termoeléctricas de la región de los Ríos. Hidroelectricidad Bombeada: Esta tecnología fúe descartada por el hecho de tener que construir una central Hidroeléctrica reversibles que trabaje en conjunción con las termoeléctricas (sirviéndoles de apoyo en el almacenamiento), lo cual es muy costoso comenzarlo de cero, sin decir que también hay que encontrar el lugar adecuado para que esto sea así, lugar que no presenta en las cercanías de la termoeléctrica. Almacenamiento Térmico: Esta tecnología funcionaría de manera adecuada en el norte de Chile, pero en la región De Los Ríos no tiene mucha fuerza la implementación de una tecnología así, básicamente por el clima poco favorable para este tipo de almacenamiento. Flywheel: Es una alternativa atractiva más que nada para energías renovables como eólicas y solares, porque estos no tienen una tasa de producción de energía constante, y lo interesante es que pueda entregar la energía cuando estos no puedan, lo malo es que esta tecnología aún no está terminada al 100% por lo que aún está en estudio. CAES: Esta igual era una buena alternativa, con buena capacidad de almacenamiento que puede guardarse durante largos periodos con poca pérdida, pero para construírla se hubiese necesitado más espacio, además de tener que cavar para construir los depósitos subterráneos por lo que es mejor buscar otra alternativa. 88 6. Conclusiones Las energías renovables no convencionales como las convencionales son una realidad en aumento en el mundo y en nuestro país; es necesario aumentar las no convencionales en Chile como se han hecho en países como España, EEUU, Corea entre otros. Tipos de energías como la Solar en el norte de Chile necesitan ser explotadas mayormente para que en un futuro se pueda cambiar la tendencia que existen hacia los combustibles fósiles, al igual que la energía Eólica, una de las pocas en ser implementadas al sur de Chile, la cual nos da una idea que esto funciona de manera buena y eficiente, lo único que se requiere es mayor explotación de estas energías, y para ello se debe tener en cuenta los proyectos, estudios, construcción de cada una de ellas, porque en Chile tenemos una gran diversidad de territorio, climas, ambientes ideales para iniciar proyectos relacionados con las energías no convencionales. Este aumento de producción de ERNC es llevado de la mano con la ley 20.257, pero aun así el aumento debe ser mayor al pasar de los años. Si se aumenta la producción de estas energías, la contaminación disminuye, no se depende de los combustibles fósiles, el ambiente mejora, toda la energía se renueva. Es una energía que a largo plazo entrega sus beneficios, aunque aún existe el problema de su intermitencia en la entrega de energía, problema que tiene solución hoy en día, y no sólo una sino varias alternativas para elegir, entre las que se encuentran las baterías junto con los supercondensadores, o los almacenamientos térmicos que pueden ser usados en el norte del país; también se tienen otras con igual oportunidad de utilización como el CAES o el almacenamiento por hidrógenos, otras más específicas como la hidroelectricidad bombeada que es utilizada a un tipo específico de hidroeléctrica, pero cada una de ellas se utiliza a partir de un estudio y análisis profundo y que depende en lo económico, producción, eficiencia, ubicación entre otras. El objetivo es buscar una solución para la XIV Región De Los Ríos, en el tipo de central energética implementada aquí. Si bien las centrales en funcionamiento son todas del tipo renovables convencionales, la termoeléctrica Valdivia ocupa la Biomasa entre sus recursos para producir energía eléctrica, también existen proyectos que pueden ver la luz en algunos años mas como son las centrales de mini hidroeléctrica. Las soluciones de almacenamiento de energía fueron planteadas a dos tipos de centrales, Hidroeléctricas y Termoeléctricas, las cuales cada una tienen dos exponentes en la región. En las centrales Hidroeléctricas tanto en Pilmaiquén como Pullinque, las cuales son hidroeléctricas de pasada que generan energía de manera similar, por lo que la solución fue vista para ambas en este caso. Entre los análisis y diferentes alternativas planteadas surgió como mejor opción de almacenamiento las baterías, ya que por un tema de adaptabilidad, espacio, eficiencia, capacidad de almacenamiento, control automatizado, transporte sencillo, se pueden colocar varias baterías a la vez dependiendo de cuanta capacidad quiera el cliente, la hicieron la elección más favorable a la hora de almacenar la energía sobrante o que se quiera guardar en caso de algún problema. Si esta solución se quisiera llevar aun a un nivel de mayor eficiencia, es conveniente la implementación de supercondensadores como complemento de las baterías, ya que los supercondensadores ayudan a 89 reducir las desventajas de las baterías, pero eso es dependiendo del cliente, es decir si es necesario dependiendo de la central en la que se quiera llevar a cabo la solución. Las Termoeléctricas Valdivia y Antilhue, a pesar que la primera (Valdivia) se base en generación de energía eléctrica de biomasa, licor negro y petróleo, que está en continua generación eléctrica para proveer energía, y la segunda (Antilhue) sea una central de apoyo de energía eléctrica para empresas, centrales o actividades que lo requiera, es necesario contar con un método de almacenamiento de energía; entre las alternativas de almacenamientos analizadas se llegó a la conclusión que las baterías una vez más son la mejor opción en este caso, ya que pueden ser utilizadas de diferentes maneras dentro de la central, además su transporte es sencillo por lo que si se quiere usar en otro lugar de la planta la energía almacenada basta moverla de manera fácil para realizarlo. También cabe destacar que desde un punto de vista financiero resulta más viable la alternativa de las baterías ya que su costo de inversión varía entre 400 a 1200 US$/kWe como mínimo y dependiendo del tipo que este hecha la batería, y un costo de operación que va desde 400 a 800 US$/kWh como mínimo, siendo las de ion-litio las que presentan mayor costo tanto en inversión como operación pero no deja de ser una buena opción. Además existe una relación pareja entre gasto de inversión como de operación, lo cual en otras alternativas es bastante distante una de otra como por ejemplo los sistemas flywheel que tienen una inversión menor entre 250- 650 US$/kWe los de alta potencia pero su costo de operación es de 5000-9000 US$/kWh lo cual es bastante elevado con respecto al valor de inversión, por contraparte está el almacenamiento térmico que tiene una inversión mucho mayor del orden de 2500-4000 US$/ke pero su costo de operación es bastante bajo tan sólo entre 120-180 US$/kWh, por esto mismo las baterías se mantienen en el medio de la tabla con valores medios y accesibles para cualquier empresa o central que desee adquirir esta tecnología convirtiéndolo en una opción favorable. Finalmente se puede concluir que las energías renovables no convencionales son un tipo de energía que debiera ir en alza en los próximos años siendo cada vez más gradual su incorporación tanto en Chile y el mundo, por lo cual al implementarse se debe tener en cuenta los métodos de almacenamientos de energía para cada caso es distinto, el análisis y estudio debe realizarse de manera acabada para tener la mejor solución posible, así las ERNC no tendrán que sufrir problemas por su ocasional intermitencia de generación eléctrica pudiendo mejorarla y reducir el problema de mayor forma gracias a esto 90 8. Bibliografía [Molina; Rutnick; Martínez, 2010] Molina C, J.D., Martínez, V.J; Rutnick, H. Technological impact of non-conventional renewable energy in the chilean Electricity system, industrial technology (ICIT), 2010 IEEE international conference on, pp. 977-981, 14-17 march 2010 viña del mar. 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Anexo ERNC: Energía renovable no convencional ERC: Energía renovable convencional CNE: Comisión Nacional de Energía GIZ: Agencia de Cooperación Internacional Alemana SIC: Sistema Interconectado Central SING: Sistema Interconectado del Norte Grande CAES: Almacenamiento de energía por aire comprimido Redox: Reducción-Oxidación ZEBRA: Sodio-Níquel NaS: Sodio-Azufre ECDL: Supercondensadores electroquímico de doble capa CSP: Energía Solar por Concentración UTES: Acumulador de energía termal subterráneo PCMs: Materiales de cambio de fase Rpm: Revoluciones por minutos ESA: Asociación de almacenamiento de energía eléctrica S/E: sub-estación GSS: Solución de almacenamiento de red GBS: Sistema de cuadriculas de baterías AEROS: Sistema de control de energía Hybrid-APU: Son unidades hibridas de energía auxiliar de la empresa A123 Systems
