Diciembre 2010 Ing. Reinaldo Medina Kempter

WindAR 2010 –3er Congreso y Exposición

Sudamericana de Energía Eólica

TURBINAS EÓLICAS TURBINAS HIDROCINÉTICAS

DESARROLLO DE TECNOLOGÍA PARAGENERACIÓN ELÉCTRICA A PARTIR DE FUENTES RENOVABLES

ACTIVIDADES DE INVAP EN ENERGÍA EÓLICA

Evaluación del recurso:Campañas de medición, procesamiento de datos, mapeos eólicos, estudios de factibilidad de parques

Líneas de desarrollo de aerogeneradores:

1- Baja Potencia2- Media Potencia3- Alta potencia

Terreno fiscal: delimitado por línea roja

Cuadrícula.Horizontal: 1500mVertical: 1800m

N

S

EO

Proyecto Parque Eólico C° Policía (45 Km2 sobre planicie de 500 Km2)

N

S

EO

Estudio CFD-Dirección del viento: superposición de N, NO, O, SO y S

Zonas restringidas (vientos a 80m sobre la barda)Azul: por velocidad ascendenteRojo: por velocidad descendenteVerde: por turbulencia

POSIBILIDAD DE POTENCIAR ESTAS CENTRALES INSTALANDO EN SU CERCANÍA GRANDES PARQUES EÓLICOS (utilizando infraestructura existente )

Fuente: CAMMESA

1. Baja Potencia: IVS - 4500

Corte del aerogenerador IVS-4500

ESPECIFICACIONES GENERALES AEROGENERADOR IVS-4500

� 1) Potencia nominal 4500 watts.

� 2) Velocidad de viento para potencia nominal: 12 m/s. Veloc. de arranque: 4,2 m/s.

� 4) Velocidad máx. de viento en operación normal: 110 Km/h (30,5 m/s). Supervivenciahasta 160 Km/h.

� 5) Diámetro de hélice: 4,50 mts.

� 6) Tipo de hélice: bipala con perfiles aerodinámicos laminares de alta eficiencia.

� 7) Control de velocidad: pasivo por plegado de hélice.

� 8) Freno de parada manual: plegado de cola y freno eléctrico.

� 9) Voltaje: 24, 48 volts CC, 380 volts CA frecuencia variable (bombeador).

� 10) Aplicaciones:En corriente continua, para carga de baterías (alimentación a viviendas, proteccióncatódica de gasoductos, oleoductos, sistemas de telesupervisión, etc).

En corriente alterna, aplicación en bombeo de grandes cantidades de agua,especialmente para agricultura, dependiendo del lugar de implantación y la alturade elevación del agua, se puede llegar a un máximo cercano a 30.000 lts / h.

� 11) Mantenimiento: revisión anual mínima, recorrida completa cada 5 años.

Esquema (p/ potencia hasta 22 KW)

G

G

Regulador rectificadorGrupo Electrógeno

On/Off

Banco de Baterías

Regulador rectificador

Aerogenerador

Inversor

Consumo Trifásico

Consumo Fase 1

Consumo Fase 2

Consumo Fase 3

Consumos en Corriente Continua

IVS 4500 - OLDELVAL

BOMBEO PARA RIEGO

(con o sin tanque de almacenamiento)

IVS 4500 Chihuido Sur - Provincia del Neuquén - Marzo 2006

IVS 4500 Calcatre - Provincia de Neuquén - Agosto 2007

IVS 4500 Los Gigantes - Provincia de Córdoba - Octubre 2007

Montaje de un IVS-4500

IVS - 4500

Torre articulada

Edificio Torre Cefira

Mar del Plata

Enero 2008

GENERADOR EOLICO IVS 4500 DURANTE LA PUESTA

EN MARCHA EN BASE ESPERANZA

GENERADOR EOLICO AVS 4500

BASE ESPERANZA (E.A.) CARGA DEL GENERADOR

IVS 4500 – Modelo Antártico Antártida Argentina - Base Esperanza

2. Sistemas Híbridos Autónomos

Mediana Potencia

Hasta 150 KW

Para zonas aisladas y para generación distribuída

Aspectos Innovadores

• Alta modularidad en función de las necesidades de consumo y de la disponibilidad de recursos energéticos.

• Los inversores permiten suministrar electricidad a 220/380 V 50 Hz en Corriente Alterna trifásica.

• Nuevos desarrollos de Aerogeneradores de 30 KW y 150/200 KW, aptos tanto para uso en Sistemas Híbridos como para generación distribuída en redes, así como bombeo directo de agua en volúmenes importantes.

Esquema (p/ potencia superior a 25 KW)

Aerogenerador de 30 KW

Aún no se ha iniciado el desarrollo.

Aerogenerador de 150/200 KW

(Actualmente está en fabricación el primer prototipo).

CARACTERISTICAS GENERALES:Potencia Nominal :

30 KW, para vientos clase I y II (Norma IEC 61400)

Rotor: de tres palas con control de paso, de velocidad variable.Generador: de imán permanente, con acople directo al eje primario, generaciónen Tensión y frecuencia variable.

Electrónica de potencia: rectificador y ondulador (Full Power Converter)Sistema de orientación: pasivo, del tipo barlovento, con colaSistema de control y seguridad: PLC

Aerogenerador de 30 KW

3. Eólica de Alta Potencia

Aerogenerador 1.5 MW

Aerogenerador

DESCRIPCION GENERAL

ROTOR

61400-1a

Este proyecto que se inicia en el año 2004, para ese tiempo no

tenía ningún antecedente en el mundo en lo que se refiere al

tamaño y a la clase de viento para el cual estaba pensado.

Para esos tiempos no existía máquina alguna para vientos

Clase I plus y de una potencia de 1500 KW.

Lo que implicó un severo desafío tecnológico de importancia

para ese entonces.

Otro desafío fue el bajo costo de generación que se requirió,

recordemos que para aquellos tiempos, las tarifas se habían caído

por la finalización de la convertibilidad.

Donde el incentivo de 1 centavo por KW otorgado por Nación a lo

que alguna provincia agrego un ½ centavo, no alcanzaba para

modificar la ecuación de costos ni en lo mas mínimo.

Hubo parques ya instalados antes de ese tiempo por

cooperativas eléctricas que con un esfuerzo loable y

con un criterio fundamentalmente social se

embarcaron a instalar aerogenerdores para

generar en forma limpia y sustentable .

Este esfuerzo o el reconocimiento a este esfuerzo nunca fue

tomado en cuenta .

Y la generación a pérdida fue tan dura para

las cooperativas que muchas veces las máquinas quedaban

largos periodos fuera de servicio por falta de repuestos.

Cosa que terminaba siendo una situación de alivio porque evitaba

pérdidas aún mayores.

En este contexto general de la generación local se busco la

arquitectura tecnológica de un diseño que cumpliera

plenamente con generar al menor costo y con una calidad de

energía generada compatible con las normas internacionales

vigentes.

Esta arquitectura también permite asegurar

factores es de disponibilidad del aerogenerador

superiores al 98%

Con el más estricto cumplimiento de estas condiciones se

desarrolló primero la ingeniería básica

y

posteriormente la ingeniería de detalle de el

EOLIS 15

Con una potencia nominal de 1,5MW

Turbinas Hidro Cinéticas (Acuerdo con ARSA)

HIDROELECTRICA CONVENCIONAL

Energía potencial

• Típica instalación de turbinas que requieren altura diferencial (head).

• Estas turbinas captan la Energía Potencial ,obtenida por la diferencia de altura de los niveles del agua.

• Esto implica una gran inversión en obra civil e instalaciones, y también sensibles modificaciones del medio ambiente.

ENERGIA CINETICA - Esquema de instalación

• Típica instalación de turbina hidrocinética (THC), anclada en el curso de un río, y que no requieren altura diferencial.

• Estas turbinas captan la Energía Cinética que posee la masa de agua en la corriente de un rio, corrientes oceánicas o de mareas.

• No requieren obra civil significativa y tienen casi nula acción sobre el medio ambiente.

Alta Potencia (Ejemplo con venturi * )

Potencia = 1 Mw

Diámetro turbina = 11.5 metros

Longitud del ducto = 19.2 metros

Utilización : corrientes oceánicas , mareas y ríos

muy caudalosos

(*) Vista de la THC con su cubierta

( venturi) destinada a aumentar la

velocidad del agua en su pasaje por las

palas.

Método utilizado para el desarrollo:

• Consolidación de datos de entrada

• Caracterización por CFD de diferentes perfiles de álabes

• Caracterización de distintos aumentadores

• Diseño de la turbina

• Generación del modelo en 3-D

• Modelado por CFD

• Obtención de las curvas de performance Construcción del prototipo

• Ajustes y calibraciones en banco de pruebas

• Determinación experimental de curvas de performance

• Comparación de los resultados con el fin de validar el modelo de

• cálculo para su utilización en maquinas de tamaños mayores

Proyecto INVAP-THC

Etapa 1 Construcción modelo 0,8-1,0 KW

• Desarrollo y fabricación de un Modelo de 0.8-1,0 KW, para ensayarlo en un flujo de agua libre, con el objeto de validar las herramientas de cálculo y diseño utilizadas CFD (Dinámica de los Fluidos Computacional), para el diseño de un Prototipo THC de 4.5 Kw.

• Desarrollo y fabricación de una cubierta (venturi).

• Potencia Nom. = 0.8 Kw• Diámetro de palas = 0.86 m• Velocidad agua = 2 m/s

Modelado conceptual inicial

Proyecto INVAP-THC

Etapa 1 Construcción modelo 0,8-1,0 KW

Detalle de la THC prototipo, visto desde aguas abajo, con el dispositivo Venturi montado.

Proyecto INVAP-THC

Etapa 1 Modelado CFD del prototipo 1

Algunos resultados iniciales de la modelización CFD donde se visualiza al intensidad de turbulencia, un parámetro de diseño importante para mejorar la performance del equipo

Proyecto INVAP-THC

Modelado del rotor por CFD utilizando FLUENT

Curvas de performance predichas por el modelo

Comparación de los resultados en CFD (FLUENT) con y sin aumentador

Velocidad infinito: 2 m/seg

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

50 100 150 200 250 300w [rpm]

P [W

]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

eff [

%]

2.5 m/s

2.0 m/s

3.0 m/s

1.6m/s

eff 3.0m/s

eff 2.5m/s

eff 2.0m/s

eff1.6m/s

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

1900

2000

75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325rpm

Pot

enci

a al

eje

[W]

0%

50%

100%

150%

200%

250%

300%

aum

ento

por

cent

ual d

e po

tenc

ia

2 m/s - sin aumentador

2 m/s - con aumentador

aumento porcentual de potencia

Proyecto INVAP-THC

Etapa 1 Construcción modelo 0,8/1,0 KW

Vista del rotor en su versión de 4 palas

Curvas de performance de ensayo

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 75 100 125 150 175 200 225 250rpm

Pot

enci

a al

eje

[W]

0.0%

5.0%

10.0%

15.0%

20.0%

25.0%

30.0%

35.0%

40.0%

45.0%

50.0%

dife

renc

ia p

orce

ntua

l abs

olut

a

1.6m/s modelo CFD

1.6m/s experimental

diferencia porcentual absoluta

Proyecto INVAP -THC

Etapa 2 Construcción Prototipo 9 Kw (4.5 Kw + 4.5 Kw )

• La unidad de 4,5 KW y la de 9 KW ( con dos rotores gemelos) serán

en sí mismas los dos modelos comerciales de menor potencia, dentro

de la gama de turbinas previstas.

• Se diseñó una máquina simple, de paso fijo, que gira a régimen

variable de rpm y genera en tensión y frecuencia variables, para luego

obtener la tensión de red y los 50 Hz mediante un convertidor, igual al

de los aerogeneradores, pero con la ventaja de no necesitar

prácticamente, un banco de baterías.

Proyecto INVAP-THC

Etapa 2 Construcción Prototipo 4.5 Kw

Esquema de la THC de 4,5 KW de INVAP con su cubierta (venturi) destinada a aumentar la velocidad del agua en su pasaje por las palas.

Potencia = 4.5 KW Velocidad nominal de la corriente de agua = 1,3 m/s

Proyecto INVAP-THC

Etapa 2 Prototipos 4.5 Kw

Ejemplo de una THC con su cubierta achatada (venturi) destinada a aumentar la velocidad del agua en su pasaje por las palas.

Potencia = 4.5 Kw Diámetro rotor = 1.5 metros

Importante potencial para el uso de

las THC en: Mareas oceánicas,

Corrientes oceánicas, ríos y canales

AVANCE ACTUAL DEL PROYECTO:

• SE VALIDÓ MODELO DE CALCULO Y DISEÑO

• SE CONSTRUYE PROTOTIPO DE 4,5 KW

• SE DISEÑA PROTOTIPO DE 30 KW

• EXPERIENCIA APLICABLE A DISEÑOS DE THC DE ALTA POTENCIA

La Energía Eólica en el Mundo

� La capacidad mundial instalada aumentó en 20.000 MW durante el año 2007, en 27.000 MW durante 2008, y en 2009 se agregaron mas de 35.000 MW, a pesar de la crisis que frenó la economía mundial.

� Hoy en día la potencia total instalada alcanzó los 175.000 MW, y podría llegar a unos 200.000 MW a fin de 2010.

� El sector eólico ha creado más de 500.000 puestos de trabajo en todo el mundo.

� Estados Unidos tomó el primer lugar en potencia instalada: 36.200 MW y continúa creciendo (agregó 10.000 MW en 2009). Le siguen China con 33.000 MW y Alemania, que cuenta con algo mas de 25.000 MW instalados.

� China sigue siendo el mercado más dinámico en los últimos 3 años, superando a Alemania y a España (que cuenta con 20.000 MW).

� Europa muestra estancamiento, desarrolla Offshore.

� Se estima un crecimiento global de más de 12 veces para el año 2020.

Generación Eléctrica total

Situación actual en Argentina(hidroeléctrica + térmica + nuclear)

Generación bruta del MEM

Fósil

60%

Hidráulica

33%

Nuclear

7%

Fuente: CAMMESA - CNEA

Tasas medias interanuales de crecimiento del consumo eléctrico y la capacidad instalada

0.00%

1.00%

2.00%

3.00%

4.00%

5.00%

6.00%

7.00%

Capacidad GW

Consumo/generación GWH

Exponencial (Consumo/generación GWH )

Exponencial (Capacidad GW)

Capacidad GW 6.00% 3.60% 4.20% 1.00% 2.80%

Consumo/generación GWH 6.30% 2.10% 6.30% 4.00% 5.30%

1970-1980 1980-1990 1990-2000 2000-2008 1990-2008

Incremento medio interanual por período

8 % Renovables en 2016

Evolución de la nueva potencia a instalarEscenario Estructural

Evolución de la nueva potencia a instalarEscenario Estructural

Fuente: Secretaría de Energía

USD por MWh

Solar $450 a $570Diesel $ 340,00Fuel Oil $ 215,00Gas Natural $ 95,00Nuclear $ 85,00Biomasa $ 82,00Pequeñas Centrales Hidroelectricas $ 81,00Carbón Nacional $ 80,00Eólica $ 75,00Grandes Centrales Hidroeléctricas $ 60,00

Costo promedio de generación E. Eléctrica en Brasil

Emisión de CO2

• PAIS Industrial media tensión Residencial

• Uruguay 133 261

• Chile 134 219

• Brasil 166 256

• Argentina 40 25

• Fuente SEG –ROU Octubre 2010

PRECIOS DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA EN LA REGIÓN

en $US/ MW hora

Muchas gracias por vuestra atención!

Ing. Reinaldo Medina Kempter

rmedinak @invap.com.ar