Velocidad variable

ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA
ALEXANDER SCHWERY Y THOMAS KUNZ
ALSTOM
Velocidad variable:
tecnología y proyectos actuales en Europa
El almacenamiento de energía por bombeo (PSP) ofrece la mejor solución para complementar la
energía eólica suministrando máxima potencia a la red en muy poco tiempo. Hoy en día, el PSP
es la única manera rentable de almacenar grandes cantidades de energía eléctrica.
E
l consumo de petróleo y gas está
provocando incrementos en el nivel de CO2 en la atmósfera y los
gobiernos y organizaciones intentan limitar estas emisiones. El objetivo de la
Unión Europea es reducir la cantidad de
gases de efecto invernadero en un 20%
e integrar un mínimo producción de energías renovables del 20% antes del año
20201. De esta forma la producción de
energía eléctrica sin emisiones es cada
vez más y más importante, siendo cada
vez mayor el número de parques eólicos
instalados.
La producción de energía eólica es intermitente pero la energía suministrada
desde parques eólicos debe coincidir con
la potencia requerida en cualquier momento. El almacenamiento de energía por
bombeo (PSP) ofrece la mejor solución
para complementar la energía eólica su-
ministrando máxima potencia a la red (en
muy poco tiempo) con el fin de igualar la
producción a la demanda manteniendo el
valor prefijado de 50 Hz como la frecuencia de la red eléctrica en Europa.
La liberalización del mercado de energía eléctrica en Europa requiere una separación clara entre la producción y el
transporte de energía. Antes de la liberalización, la misma empresa podría realizar
tanto la producción como el transporte de
la energía. Ahora la producción y el transporte han de ser realizados por empresas
diferentes. Antes de la separación de estas
funciones, la producción de energía activa era controlada directamente con el fin
de mantener una frecuencia constante y
la energía reactiva controlada para mantener un voltaje constante. Físicamente
hablando, todavía eso es así. Hoy en día,
sin embargo, el control es menos directo e
Motorgenerador
sincrónico
de polos
salientes
con turbina
Francis
reversible de
dos etapas.
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involucra instrumentos del mercado como
la comercialización de la energía activa.
Cantidades de energía preacordadas se
comercializan en el mercado eléctrico de
una manera muy similar a la venta de acciones en la bolsa. La introducción de estas
reglas en el mercado contribuye a mayores
fluctuaciones en los precios de la energía
eléctrica y a una demanda de potencia
máxima mayor. La liberalización del mercado y la introducción de fuentes de energía
intermitentes aumentan la necesidad de
“estabilizadores” en las redes energéticas
actuales. El almacenamiento temporal de
energía eléctrica puede cubrir esa necesidad de estabilidad.
Las posibilidades de almacenar energía eléctrica sin tener que transformarla
a otras formas de energía son bastante
limitadas. La energía eléctrica se puede
almacenar utilizando campos eléctricos
mediante condensadores o campos magnéticos empleando inductancias. Sin embargo, la realización práctica de esas ideas
está limitada a pequeñas cantidades de
energía. Para almacenar cantidades de
energía eléctrica más grandes se necesita
transformarla primero. La energía se puede almacenar químicamente utilizando
distintos tipos de baterías, mecánicamente
utilizando volantes de inercia o en forma
de energía potencial mediante la compresión de un gas o llevando el agua a mayores altitudes.
Hoy en día, el almacenamiento de energía por bombeo (PSP) es la única manera rentable de almacenar grandes cantidades de energía eléctrica. Las centrales
hidroeléctricas con almacenamiento por
bombeo (PSP) están muy extendidas y llevan en operación muchos años.
energética
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ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA
Las instalaciones hidroeléctricas
convencionales
En las centrales hidroeléctricas convencionales con almacenamiento por bombeo, la maquina hidráulica actúa como una bomba en
una dirección rotacional y como una turbina
en la dirección opuesta. Por lo tanto la unidad debe pararse y volver a acelerarse para
un cambio del modo turbina al modo bomba y viceversa. Dependiendo del tipo del cabezal hidráulico, turbinas Francis reversibles
pueden ser diseñadas con una disposición
sencilla o de doble etapa. Un aspecto técnico
destacado de la turbina de doble etapa presentada en la figura 1 es que la potencia de
la turbina puede regularse utilizando alabes
guía sincronizados en ambas etapas].
Almacenamiento de energía por
bombeo de velocidad variable
En las centrales por bombeo de velocidad
variable los convertidores de frecuencia estática se emplean para variar la velocidad
de la maquina eléctrica. Para instalaciones
con una potencia más baja, de aproximadamente 50 MW, se puede realizar utilizando generadores sincrónicos convencionales conectado a la red eléctrica mediante
un convertidor de frecuencia estática. En el
caso de unidades de mayor tamaño, sería
más difícil justifi car esa solución económicamente, así para unidades mayores de 50
MW se utiliza la tecnología DFIM (Doubly
Fed Induction Machine) con un convertidor de frecuencia estática alimentando el
rotor como solución idónea.
El principio básico de la maquina de doble inducción consiste en la creación de un
campo rotativo en el rotor permitiendo que
la maquina sea operada a un cierto rango de
velocidad dentro de la velocidad sincrónica.
La diferencia relativa en la velocidad se llama
patinaje o “slip”. Normalmente el rango de
patinaje se encuentra dentro de +-10%.
En los primeros proyectos de almacenamiento de energía por bombeo con velocidad variable, los cicloconvertidores fueron
utilizados para crear el campo rotativo en
el rotor. Los cicloconvertidores son convertidores directos y por consecuencia absorben
energía reactiva. Esa energía debe ser compensada mediante condensadores o suministrada por el generador. Además, el rango
de frecuencia de tales convertidores es limitado. No se pueden utilizar para el arranque
en el modo bomba, lo que obliga el uso de
un convertidor de frecuencia estática. Los
cicloconvertidores usan tiristores de tecnología robusta y probada durante muchos años.
Además recientemente, mejoras en los niveles de potencia de los IGBT e IGCT permiten la construcción de grandes inversores de
voltaje. Este tipo de conversor de frecuencia
estática se utiliza en otras aplicaciones como
la producción de laminados de acero y ahora
se pueden emplear en lugar de cicloconversores. Estos conversores no absorben energía reactiva y además pueden utilizarse para
el arranque del motor en modo de bomba.
Para este propósito se provoca un cortocircuito en el estator y un campo rotacional de
frecuencia creciente se inyecta al rotor.
Ventajas de la velocidad variable (PSP)
La principal ventaja de la velocidad variable es que la energía absorbida en el
modo de bombeo puede variarse dentro
de un cierto rango. La figura de esta págiRango de operación en modo
de bombeo (potencia) versus
el salto neto.
energética
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na muestra un rango típico de operación
en modo de bombeo. Puede observarse
como dependiendo del tipo de cabezal, la
energía absorbida de la red puede variar
un 30% aproximadamente. Esto ofrece
al operador de la central la posibilidad a
contribuir a la regulación de frecuencia a la
red aunque sea en modo de bombeo. En el
almacenamiento de energía por bombeo
(PSP) convencional, sólo es posible regular la frecuencia mientras este operando
en modo de turbina lo que es interesante
económicamente si la demanda energética
es alta. Si la demanda, y por consecuencia,
los precios son bajos, es preferible entregar
el mismo servicio (regulación de frecuencia) en el modo de bombeo al operador
de la central llenando el embalse superior.
Como las turbinas Francis reversibles fueron diseñadas en sus orígenes para utilizarse
como bombas, la zona operativa en el grafico no coincide con el máximo valor, por lo
que la turbina no puede operar a la máxima
eficacia pero modificando la velocidad de la
turbina podemos desplazar la zona de operación a la parte superior del gráfico logrando una eficiencia más alta, especialmente en
operación de carga parcial.
Ejemplos de centrales de
velocidad variable en Europa
La central hidroeléctrica Nant de Drance
ubicada al suroeste de Suiza, cerca de la
frontera con Francia se equipará con seis
unidades de velocidad variable, cada una
con una potencia de 157 MW. La velocidad rotacional es de 428,6 rpm con un
rango de velocidad de ± 7%. El rotor está
alimentado por un inversor de fuente de
voltaje y la puesta en marcha está prevista para el 2015. El embalse superior tiene
una capacidad de más de 11 hm3 y el cabezal varía entre 250 y 390 m.
Alstom desarrolla otra central hidroeléctrica en Suiza, en este caso al noreste,
denominada Linthal 2015. La central se
equipará con cuatro unidades de velocidad variable, cada una con una potencia
de 250 MW, la velocidad rotacional es de
500 rpm con un rango de velocidad de ±
6%. El rotor está alimentado por un inversor de fuente de voltaje y la puesta en marcha también está prevista para el 2015. Se
ha diseñado un embalse superior con una
capacidad de 25 hm3 y el cabezal varía entre 560 y 724m 
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