Nota técnica | Proyecto de instalación de una central para el aprovechamiento de energías renovables y el estudio de su inserción en la red como generación distribuida, en el ámbito de una escuela de enseñanza técnica

 

Por Ing. Horacio Podestá e Ing. Gabriel Nóbile
Escuela Técnica N° 1 “Otto Krause” - Distrito Escolar 4

Nota del editor: El presente trabajo fue presentado originalmente por los autores en el Concurso Técnico organizado durante la última edición de Biel Light + Building, en noviembre de 2013, resultando merecedor del primer premio

Resumen

En la Escuela Técnica Nº 1 “Otto Krause”, desde hace muchos años se han tomado los temas de salud, educación ambiental y ahorro de energía como ejes principales para el cuidado del medioambiente, desarrollándose diversos trabajos en los que participan activamente los alumnos del ciclo superior de las todas las especialidades de la escuela que integran la comunidad educativa.
Entendiendo que la salud ambiental es un derecho esencial para el desarrollo humano que permite alcanzar a los sujetos y a las comunidades una mejor calidad de vida, en nuestra escuela -que es institucionalmente social- se han venido desarrollando proyectos de estudio y aprovechamiento de nuevas formas de energía no convencionales, como la eólica y la solar y el empleo de otras fuentes sustitutivas de los combustibles fósiles, con la posibilidad de inyectar o devolver la energía producida a la red eléctrica de la escuela, a los efectos de poder mostrarle a nuestros futuros técnicos las diversas ventajas de la generación distribuida, y diferentes métodos modernos de ahorro de energía, ya que será de vital importancia para su vida profesional que tomen consciencia y se eduquen en el cuidado del medioambiente.
El proyecto consiste en la instalación de varios aerogeneradores tanto de eje horizontal como vertical, paneles fotovoltaicos con seguidores solares, sistemas de carga y descarga de baterías, equipos de transferencia y devolución de energía a la red, alimentación de energía segura a aulas y ascensor, sistema de iluminación de emergencia, equipos de generación mediante el empleo de biodiésel, estudio de la conversión de hidrógeno y su aprovechamiento en celdas de combustible, procesamiento de pilas y baterías usadas, aprovechamiento de los desechos urbanos, producción de calor mediante recolección solar para calefacción y agua sanitaria, etc.
Se desarrolló en diversas etapas, la primera fue la puesta en marcha del primer generador eólico de 2.000 W, montado en noviembre de 2010, y sus equipos auxiliares, junto con la instalación de las cañerías para el cableado eléctrico y el armado de tableros y el montaje de los equipos. Se ha concluido con la instalación de una estación meteorológica, y luego se dio paso a la colocación del primer panel solar fotovoltaico de 500 W con seguidor de un eje.
La experiencia alcanzada en el ciclo lectivo 2011 ha resultado interesantísima. Se ha tomado registro de las distintas variables -climáticas, eléctricas, mecánicas, etc.- con el único aerogenerador instalado hasta la fecha, cuya producción energética ha servido para cargar baterías en principio y, mediante adecuados convertidores electrónicos trifásicos, devolver la energía producida a la red, lo que permitió -modestamente- cubrir el consumo de la iluminación de dos aulas de la escuela durante todo el día.
Este proyecto fue declarado de interés educativo y científico por la Legislatura de la Ciudad Autónoma de Buenos Aires, según la resolución 5/2011.
Cabe destacar la interrelación entre los diferentes departamentos y áreas de la escuela, comprometidas en estas realidades del mundo que nos rodea.

Objetivos del proyecto

Desde hace muchos años, en la Escuela Técnica Nº 1 “Otto Krause” se han tomado a los temas de la salud, la educación ambiental, la utilización sustentable de la energía y el uso eficiente de los recursos como ejes principales en el cuidado del medioambiente, en el estudio de las formas de aprovechamiento y conversión de la energía, en el diseño racional de las instalaciones eléctricas y en el empleo de aparatos de la mayor clasificación de eficiencia energética, desarrollándose diversos trabajos en los que participan activamente los alumnos del ciclo superior de las todas las especialidades que integran la comunidad educativa.
Sin embargo, y como la propuesta educativa de la escuela se limitaba al aspecto puramente teórico de estos temas, se ha pensado que mediante el estudio práctico de la problemática se daría la posibilidad a los alumnos de experimentar con estos conceptos, y con ello conseguir su verdadera internalización, para que luego ellos, en sus prácticas profesionales futuras, no dejen de incluirlos en sus asesoramientos y diseños como requisitos esenciales.
Por lo tanto, y a imitación de nuestro guía y fundador en el desarrollo de la enseñanza técnica, el ingeniero Otto Krause, se ha planteado que así como él dotó a la primera escuela técnica argentina de los equipos de generación eléctrica más modernos de su época –hace más de cien años- estábamos obligados a pensar en un proyecto que debía basarse en el estudio y aprovechamiento de formas de energía no convencionales, como la eólica y la solar, y el empleo de otras fuentes sustitutivas de los combustibles fósiles, con la posibilidad de inyectar o devolver la energía producida a la red eléctrica de la escuela, a los efectos de poder mostrarle a nuestros futuros técnicos las diversas ventajas de la generación distribuida, y diferentes métodos modernos de ahorro de energía.
Si bien la idea de la generación distribuida con inyección de energía a la red por parte de pequeños usuarios aún no se encuentra legalizada en nuestro país, pensamos que ya es hora de ser mucho más cuidadosos con el medioambiente, y en ese sentido la generación de energía eléctrica a partir de energías renovables y el aprovechamiento de recursos que causen la menor contaminación son premisas para el hoy. Así se desarrolló la idea de crear una central generadora de energía eléctrica mixta a partir de la conversión de la energía del viento y de la energía radiante del sol.
El proyecto consiste en la instalación de varios aerogeneradores tanto de eje horizontal como vertical, paneles fotovoltaicos con seguidores solares, sistemas de carga y descarga de baterías, equipos de transferencia y devolución de energía a la red, alimentación de energía segura a aulas y ascensor, sistema de iluminación de emergencia, equipos de generación mediante el empleo de biodiésel, estudio de la conversión de hidrógeno y su aprovechamiento en celdas de combustible, recuperación de los metales componentes de pilas y baterías usadas, aprovechamiento de los desechos urbanos, producción de calor mediante recolección solar para calefacción y agua sanitaria, y toda otra técnica que pueda ser mostrada y experimentada a nivel de los alumnos de escuela secundarias técnicas.

Justificación del proyecto

El problema de la satisfacción energética ante una demanda creciente, el daño que produce al ambiente la quema de combustibles fósiles y la inminente escasez de hidrocarburos hacen pensar que se debe enfocar el problema incluyendo definitivamente a las energías renovables no solo en la generación de energía eléctrica sino también en su conversión directa a energías utilizables.
Para iniciar la instalación de equipos en este proyecto se han elegido las formas eólica y solar fotovoltaica
¿Por qué energía eólica?

  • Es una tecnología ampliamente probada internacionalmente, pero aún desarrollándose en nuestro país.
  • Argentina es un país que por su geografía resulta totalmente apta para la aplicación de dicha tecnología, por ende una reconversión e incorporación a esta opción en la matriz energética sería notablemente viable, al menos como transición a otras fuentes mejores.
  • Es una tecnología multipropósito y limpia, pues puede aplicarse para grandes consumos y de modo individual, a su vez como complemento de otros sistemas limpios como ser energía solar geotérmica, por ejemplo.
  • Es una tecnología simple y económica pero que requiere perfeccionamiento y optimización en su diseño, en especial en zonas de vientos de baja velocidad (zonas urbanas). A este respecto, aún si las experiencias demostrasen que con los diseños actuales no resultara lucrativa la inversión, la finalidad didáctica y de investigación que el proyecto encierra justifica plenamente su inclusión.

¿Por qué energía fotovoltaica?

  • Proviene de una fuente de energía inagotable, al igual que la anterior.
  • Es un sistema de aprovechamiento de energía idóneo para zonas donde el tendido eléctrico no llega, ya como el campo o las islas, o bien es dificultoso y costoso su traslado conveniente a más de 5 km y en potencias bajas.
  • Los sistemas de captación solar son de fácil mantenimiento.
  • El costo disminuye a medida que la tecnología va avanzando.
  • El nivel de radiación fluctúa de una zona a otra y de una estación del año a otra, y se efectuarán investigaciones para ver cuál es su variación entre verano e invierno en nuestra zona de influencia.
  • Para recolectar energía solar a gran escala se requieren grandes extensiones de terreno y gran inversión inicial, pero nuevamente la finalidad didáctica justifica su inclusión y estudio.
  • Es necesario complementar este método de convertir energía con otros. Los lugares donde hay mayor radiación son desérticos y alejados (energía que no se aprovecha para desarrollar actividad agrícola o industrial, etc.).

Ambas resultan de interés nacional e institucional.

Desarrollo del proyecto

Con la idea base consolidada, comenzó el trabajo de materialización con la adquisición de un primer generador eólico de eje horizontal y de un primer panel fotovoltaico. Llegado este punto, el proyecto debía empezar a adquirir forma concreta, y al plantear los primeros esquemas de la central, se estableció que sería una condición de diseño dejar campos en reserva en cantidad suficiente para que puedan ir incorporándose al proyecto nuevos equipos, de diferente tecnología de conversión e incluso de diferentes fuentes de energías.
Además, notamos que, para simular las operaciones tal como se procede en una central verdadera, se debía poder maniobrar muy flexiblemente desde varios puntos de las instalaciones: al pie de máquina, desde un puesto de operador y desde un puesto de más alto nivel. También se entendió que el proyecto debía funcionar siempre, haya o no haya viento, haya o no haya radiación solar convertible y -lo que es más complejo aún- haya o no haya operarios.

Figura 1

De allí se planteó la necesidad de que todas las maniobras y todas las mediciones se hicieran en forma manual y automática, y con la posibilidad de dejar registros de los estados a fin de poder estudiar el comportamiento pasado cuando se trabaje con los alumnos.
Razonando de este modo, se plantearon varios esquemas hasta que finalmente adoptamos uno de cuádruple barra en 48 V CC y triple barra en 380 V CA como el de la figura 1.

Lado de CC
En cada acometida de un generador se estudió disponer de la posibilidad de seleccionar la barra donde entrega su energía en CC. Así se diseñó al sistema para poder generar desde ocho diferentes fuentes de conversión de energías alternativas, incluyendo además la conexión directamente en barras de CA de un grupo electrógeno convencional que podría ser alimentado con combustibles obtenidos de biomasa.
En cuanto a las barras de CC, se observan varias tecnologías de selección de las barras, mediante interruptor simple y seccionadores selectores, interruptores dobles y de interruptor y medio, seccionadas longitudinalmente y acopladas transversalmente mediante interruptores adecuados a tales fines, que permitirán a los alumnos comprender las secuencias de operaciones correctas según los casos de maniobras que se les presenten.
A ellas se conectarán diversos bancos de baterías, dos por cada par de barras, permitiendo la posibilidad de ampliar esta cantidad. Si bien somos conscientes de que debemos buscar formas de acumulación de energía que resulten más amigables para el medioambiente que el uso de acumuladores de plomo ácido, la posibilidad de comenzar a utilizar la energía generada por los equipos que se tienen ya montados fue solo posible por este medio, a pesar que de entrada se observó una oportunidad de desarrollo y experimentación con tres nuevos procesos, que quedarán para etapas posteriores:

  • Acumular energía elevando agua (central de bombeo)
  • Acumular energía en aire comprimido
  • Acumular energía disociando hidrógeno y oxígeno en una reacción electrolítica

Además, surgió la posibilidad de llevar adelante un proyecto de construcción de un digestor orgánico de baterías que permita mostrar a los alumnos uno de los procesos de reciclado y tratamiento de estos peligrosos residuos más trascendentes, observando la gravedad del problema de su actual gestión final y acumulación de los desechos.
Con la aparición de estos nuevos campos se incorporaron al proyecto a los docentes de las áreas de mecánica, de construcciones y de química, y el proyecto comenzó a tomar carácter verdaderamente interdisciplinario, convirtiéndose en un tema de interés científico y educativo para el Gobierno de la Ciudad de Buenos Aires según la resolución 5/2011.
Se proyectó, además, instalar resistencias para que, ante la imposibilidad de generar energía en barras de CA y excedida la máxima capacidad de acumulación en las baterías, se pueda descargar las mismas sobre cargas seguras.
Para el enlace entre barras de CC y barras de CA se seleccionaron equipos conversores de tecnología GTPI (inversor de energía sincronizado con las redes, por sus siglas en inglés), es decir, generadores de CA que sincronizan solo en presencia de la red de potencias entre 300 y 600 W.
El esquema debe permitir la posibilidad de desconexión de los respectivos reguladores de carga de los generadores eólicos y solares para que, aplicados directamente sobre una barra sin conexión de los bancos de baterías sobre la misma -que quedará así a tensión variable- y conectados los convertidores, éstos procedan a trabajar sobre los respectivos puntos MPPT (seguimiento del punto de máxima potencia, según sus siglas en inglés) de las fuentes involucradas, para que instante a instante se pueda obtener la máxima energía de la misma, según las condiciones ambientales del momento.
Estos convertidores pueden considerarse, por la forma en que entregan energía en CA sin importar variaciones de tensión ni de frecuencia de la red, como generadores de potencia constante.
Para la regulación del nivel de tensión de salida, a los conversores se los conectará a las barras de CA a través de transformadores con diferentes salidas TAP ajustables (TAP es una disposición de los bobinados que permite cambiar la relación de transformación a efectos de modificar la tensión nominal de los mismos) que en forma didáctica instruirán a los alumnos sobre esta tecnología de regulación. Estos transformadores fueron diseñados en nuestras oficinas técnicas y bobinados por alumnos y maestros en nuestros talleres.

También se instalarán conversores unilaterales tanto para la carga de las baterías, mediante equipos de regulación automática de las diversas curvas de carga para poder manejar amplios márgenes de capacidades en Ah de los bancos de baterías; como inversores autónomos trifásicos UPS (fuente de energía ininterrumpible) de unos 3.000 W para convertir la energía disponible en las barras de CC a las barras seguras de CA en un sistema trifásico, y así poder alimentar algunos servicios esenciales de la escuela, como ser los servidores de la red de computación y almacenamiento de datos, cuya interrupción provocaría serios inconvenientes.

Lado de CA
Una vez convertida la energía en CC almacenada por los bancos de baterías, en energía de CA mediante los diferentes bancos de inversores GTPI, se la entrega a un triple juego de barras dispuesto de forma de una barra acoplada a la red de la escuela mediante dos alimentadores y seccionada longitudinalmente –sobre las que se hace la devolución de energía a la red– y a otra segura alimentada por los inversores autónomos UPS y las cargas esenciales a que se hacía mención en el párrafo anterior.
Se destaca la técnica de doble interruptor y de interruptor simple con seccionadores selectores, con seccionamiento longitudinal entre las barras de interconexión con la escuela, pero no con los respectivos acopladores de barras entre éstas y la barra segura.
Sobre una de las barras se recibe la energía entregada por el grupo electrógeno convencional, que se podrá alimentar mediante biodiésel fabricado por los alumnos de la especialidad Química. Para vincular las barras de red con la barra segura se ha pensado en dos métodos:

  • Mediante la conversión bilateral –con paso por CC– con el uso de un convertidor electrónico de frecuencia (simulando la interconexión entre Argentina y Brasil en Garabí). Este método es tradicional y ampliamente difundido en las redes eléctricas del mundo.
  • Mediante la conversión electromecánica de frecuencia con el empleo de una máquina asincrónica trifásica de rotor bobinado, acoplada a otra de corriente continua que entregará la cupla necesaria para la transferencia de potencia entre las redes, actuando el conjunto como un VFT (transformador de frecuencia variable, por sus siglas en inglés) tecnología de última generación y aplicación en algunas redes de transmisión de energía en el mundo.

Ambas interconexiones con la red de la escuela dispondrá de compensación automática del factor de potencia, mediante sendos bancos de capacitores y los dispositivos automáticos de conexión.
Al igual que en el sector de CC, se han dejado campos libres para futuras ampliaciones en la instalación.
Se decidió que todos los órganos de mando y control y todo el instrumental de medición debían tener una conectividad coherente, y se prefirió la adquisición de equipos e instrumentos con salidas RS 485, a fin de poder conectarlos en red y poder ser manejados a distancia.
La instalación se completará con la instalación de un importante controlador por PLC, con posibilidad de manejar SCADA y HMI con unidades remotas y conexión por Internet para medir, controlar, registrar, indicar alarmas, almacenar los datos de todas las variables de la planta y de las futuras ampliaciones, con los siguientes puestos jerárquicos de mando:

  • Sobre el tablero general de barras, tal como en una playa de maniobras con mando local en campo
  • Sobre un tablero intermedio, tal como en la sala de control local de una subestación
  • Sobre un sistema de computación a distancia, tal como en SACME o CAMMESA

Inmediatamente, el proyecto debió incorporar a docentes del área de Electrónica, sumando así el aporte de una nueva especialidad de nuestra escuela.

Materialización del proyecto


Alumnos y docentes colaborando y observando un panel

Dado que uno de los objetivos es que el montaje y la puesta en servicio sean efectuados con docentes y fundamentalmente alumnos de la escuela, y que no se cuenta aún con recursos económicos propios, el proyecto se desarrolla bajo una planificación temporal abierta, dando curso a las tareas que son factibles de llevar a cabo cuando se disponen de los equipos, de los materiales y de los alumnos, además de las normales inclemencias del clima que afectan los trabajos, que se llevan a cabo en la azotea de la escuela.
El proyecto tuvo una primer etapa -noviembre de 2010- que consistió en el montaje del primer generador eólico de eje horizontal de 2.000 W y de sus equipos auxiliares.
Se trata de una máquina dotada de tres aspas fijas, con protección contra sobrevelocidad del tipo mecánico, para una velocidad de viento de 50 km/h desarrollando unas 600 rpm, acoplada a un generador trifásico de imanes permanentes de siete pares de polos y de potencia nominal 2.000 VA, que fue montada sobre una estructura tubular a doce metros de altura sobre el nivel de azotea del cuerpo principal anterior de la escuela, lo que resulta una altura de treinta metros sobre el nivel de vereda. Es claramente visible desde la avenida Paseo Colón.
Para la concreción del proyecto, se efectuaron varios ensayos y mediciones, que se describen a continuación

Tabla 1

Ensayos del generador eólico
Antes de proceder a montar el aerogenerador, se efectuaron los ensayos correspondientes a la máquina eléctrica de imanes permanentes, con los alumnos del último año de la especialidad Eléctrica del ciclo 2010, tal como se observa en la tabla 1.
Esto permitió la obtención de las gráficas -figura 2- para poder conectar –de acuerdo a la velocidad del viento y de rotación del aerogenerador– el autotransformador elevador provisto por el fabricante del equipo, a los efectos de aprovechar mejor las bajas velocidades del viento promedio en el sitio del edificio de la escuela.

Ensayo del autotransformador del aerogenerador
Se efectuaron los ensayos de vacío del autotransformador elevador provisto por el fabricante del aerogenerador, obteniéndose los resultados arrojados en la tabla 2. A partir de allí, se obtuvieron las curvas representadas en las figuras 3 y 4.

Figuras 2, 3 y 4

También se adquirió y montó en la azotea del edifico, para septiembre de 2011, una estación meteorológica, y se materializó la instalación de las cañerías para el cableado eléctrico desde la azotea hasta la sala que se designó en el subsuelo para funcionar como sala de tableros y control total del conjunto.

Con la donación de gabinetes modulares se procedió al armado del tablero principal que albergará el sistema de barras de CC y el de CA y los equipos de medición, y se han adquirido todos los instrumentos de medición y sus accesorios para poder medir y registrar todas las variables eléctricas del sistema. Hemos recibido en carácter de donación baterías de tipo de descarga profunda -de 110 y 230 Ah- para formar cuatro grupos de acumuladores de energía.
También se han recibido donaciones de contactores, relés térmicos de sobrecorriente, gabinetes, cañerías, cajas, conectores, rieles, borneras, etc. para las que se están generando los documentos y esquemas de montaje.
Por último se ha concluido con la construcción de la base para el montaje del primer panel solar fotovoltaico consistente en cuatro paneles de 125 W capaces de generar hasta 500 W con una radiación solar de 1.300 W/ m2.
El conjunto ha sido provisto con una base giratoria seguidor de un eje que permite orientar en forma automática a los paneles con la mayor perpendicularidad posible a la radiación solar. El sistema de control automático también podrá ser reemplazado por un control local manual de modo que se pueda experimentar qué ocurre con diferentes posiciones angulares de los paneles en diferentes horas del día y del año.

Tabla 2

Conclusiones y expectativas de logro a futuro


Figura 5

La presentación del proyecto ante varias empresas del sector de la electrotecnología ha causado adhesión instantánea, y varias de ellas se han comprometido a realizar aportes en equipos.
Asimismo, cuando fuera presentado ante la propia comunidad educativa se vio claramente que el proyecto presenta una transversalidad tal que alcanza a todos los departamentos y áreas de la escuela, comprometidas en estas realidades del mundo que nos rodea.
Es por ello que de forma inédita es presentado como el único proyecto multidisciplinario de una escuela politécnica ante el INET, obteniendo excelentes expectativas para obtener recursos económicos para su más acelerada concreción.
Aún con las pocas tareas que han podido llevarse a cabo hasta el momento, y teniendo en cuenta que las mismas se desarrollan exclusivamente con alumnos en sus horarios de enseñanza práctica de taller, y que hemos tenido durante los ciclos lectivos 2009 al 2012 la intervención en la escuela de dos empresas contratadas para trabajos de mantenimiento edilicio, hemos podido aprovechar la generación (con el único aerogenerador instalado hasta la fecha) para la carga de los cuatro bancos de baterías, representando la iluminación de dos aulas de teoría durante las horas del día.

Central metereológica montada

También hemos podido experimentar la generación de energía a través de los convertidores electrónicos trifásicos adquiridos, y hemos alimentado circuitos de iluminación conectados a la red de modo que les hemos mostrado a nuestros futuros técnicos que se puede devolver la energía producida a la red.
Creemos que cuando podamos reunir mayor información de los parámetros climáticos y eléctricos registrados estaremos en capacidad de realmente evaluar la eficiencia de los distintos procesos de conversión de la energía y, aunque anticipándonos a los pobres resultados que seguramente obtendremos de la generación eólica, la finalidad didáctica del emprendimiento dará los resultados que nos hemos propuesto como objetivos.
Dentro de un futuro un poco más lejano creemos que, si no decae el ánimo de colaboración de las mencionadas empresas, podremos contar con un parque de generación que alimente en forma permanente la iluminación de varias aulas de la escuela y provea, además, un sistema ininterrumpido de 48 V CC para alimentar un sistema de iluminación de emergencia y sistemas y equipos auxiliares esenciales para el funcionamiento del edificio y sus instalaciones.

Contactos: Ing. Horacio Podestá | Ing. Gabriel Nóbile

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