Viabilidad técnica y económica de la implementación de sistemas híbridos para la generación de Energía Eléctrica en zonas no interconectadas

El objetivo de este proyecto es evaluar la viabilidad técnico-financiera de los sistemas híbridos de generación de energía eléctrica, aprovechando el potencial de los recursos solar, biomasa y viento. Para lograrlo, se llevaron a cabo estudios exhaustivos de caracterización de cada uno de estos recu...

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Autores:
Mendoza Castellanos, Luis Sebastián
Galindo Noguera, Ana Lisbeth
Tipo de recurso:
Investigation report
Fecha de publicación:
2023
Institución:
Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
Repositorio:
Repositorio UNAB
Idioma:
spa
OAI Identifier:
oai:repository.unab.edu.co:20.500.12749/20855
Acceso en línea:
http://hdl.handle.net/20.500.12749/20855
Palabra clave:
Hybrid system
Solar panels
Biomass resource
Energetic industry
Energetic resources
Electric power
Electric sector
Feasibility studies
Economic analysis
Industria energética
Recursos energéticos
Energía eléctrica
Sector eléctrico
Estudios de factibilidad
Análisis económico
Sistema híbrido
Paneles solares
Recurso biomasa
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description El objetivo de este proyecto es evaluar la viabilidad técnico-financiera de los sistemas híbridos de generación de energía eléctrica, aprovechando el potencial de los recursos solar, biomasa y viento. Para lograrlo, se llevaron a cabo estudios exhaustivos de caracterización de cada uno de estos recursos. En el caso del recurso solar, se utilizaron estaciones meteorológicas para recopilar datos precisos de radiación solar y temperatura ambiente. Además, se utilizaron modelos de simulación numérica, como el modelo de Weibull, que tuvo en cuenta datos históricos de viento y la topografía local para estimar la distribución de probabilidad del viento en la ubicación del sistema, proporcionando una evaluación precisa del recurso eólico. Para evaluar el recurso de biomasa, se realizó un análisis detallado de la disponibilidad y calidad de los materiales orgánicos utilizados, como residuos agrícolas, forestales o de procesos industriales. Estos estudios de caracterización proporcionaron información crucial para determinar la viabilidad técnica y financiera de los sistemas híbridos de generación de energía eléctrica, permitiendo. tomar decisiones fundamentadas en la implementación del proyecto. Con el fin de asegurar un suministro de energía eléctrica constante, se planteó la implementación de paneles solares, un aerogenerador, un banco de baterías y un generador diésel. Estos componentes trabajando en conjunto permitirán garantizar un servicio continuo de generación de energía. El sistema híbrido fue modelado en MATLAB para evaluar su viabilidad técnico-financiera en 5 escenarios de operación, tomando como base el costo nivelado de la energía. En el modelo de generación fotovoltaica se consideró el modelo de eficiencia del panel, teniendo en cuenta las condiciones climáticas del lugar, los datos técnicos de los módulos solares y la irradiación en un plano inclinado. Por otro lado, el modelo del aerogenerador se basó en el modelo desarrollado por Pallabazer y en la distribución de probabilidad de Weibull. Para el generador diésel, se empleó un modelo que tuvo en cuenta el consumo de combustible por hora, dependiendo de la potencia generada. Finalmente, el modelo de las baterías determinó la energía de carga y descarga en cada hora, estableciendo límites de carga máxima y mínima. Estos modelos permitieron realizar una evaluación integral del sistema y su comportamiento en diferentes escenarios, considerando aspectos técnicos y financieros. Se llevaron a cabo simulaciones para evaluar 5 escenarios posibles de combinación de tecnologías, calculando el costo nivelado de la energía para cada fuente de generación. Los resultados revelaron que el escenario de paneles solares junto con un banco de baterías de litio presentó el costo nivelado más bajo, con un valor de 0.548 USD/kWh. Por otro lado, el escenario que combinaba paneles solares, aerogenerador y generador diésel mostró el mayor costo de generación, con un valor de 3.89 USD/kWh. Estos hallazgos proporcionan información clave para la toma de decisiones en cuanto a la selección de la combinación tecnológica más rentable y eficiente desde el punto de vista económico.
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Estos estudios de caracterización proporcionaron información crucial para determinar la viabilidad técnica y financiera de los sistemas híbridos de generación de energía eléctrica, permitiendo. tomar decisiones fundamentadas en la implementación del proyecto. Con el fin de asegurar un suministro de energía eléctrica constante, se planteó la implementación de paneles solares, un aerogenerador, un banco de baterías y un generador diésel. Estos componentes trabajando en conjunto permitirán garantizar un servicio continuo de generación de energía. El sistema híbrido fue modelado en MATLAB para evaluar su viabilidad técnico-financiera en 5 escenarios de operación, tomando como base el costo nivelado de la energía. En el modelo de generación fotovoltaica se consideró el modelo de eficiencia del panel, teniendo en cuenta las condiciones climáticas del lugar, los datos técnicos de los módulos solares y la irradiación en un plano inclinado. Por otro lado, el modelo del aerogenerador se basó en el modelo desarrollado por Pallabazer y en la distribución de probabilidad de Weibull. Para el generador diésel, se empleó un modelo que tuvo en cuenta el consumo de combustible por hora, dependiendo de la potencia generada. Finalmente, el modelo de las baterías determinó la energía de carga y descarga en cada hora, estableciendo límites de carga máxima y mínima. Estos modelos permitieron realizar una evaluación integral del sistema y su comportamiento en diferentes escenarios, considerando aspectos técnicos y financieros. Se llevaron a cabo simulaciones para evaluar 5 escenarios posibles de combinación de tecnologías, calculando el costo nivelado de la energía para cada fuente de generación. Los resultados revelaron que el escenario de paneles solares junto con un banco de baterías de litio presentó el costo nivelado más bajo, con un valor de 0.548 USD/kWh. Por otro lado, el escenario que combinaba paneles solares, aerogenerador y generador diésel mostró el mayor costo de generación, con un valor de 3.89 USD/kWh. Estos hallazgos proporcionan información clave para la toma de decisiones en cuanto a la selección de la combinación tecnológica más rentable y eficiente desde el punto de vista económico.1. Descripción del Proyecto ............................................................................................ 4 2. Sinopsis ....................................................................................................................... 4 3. Resumen ...................................................................................................................... 5 3.1 Primer objetivo: Caracterizar el recurso solar y el recurso biomasa para evaluar el potencial energético de la zona. ................................................................. 6 3.2 Segundo Objetivo: Modelado de los componentes de la microrred propuesta para su simulación en el software Matlab. ................................................................. 8 3.2.1 Modelo del sistema fotovoltaico ........................................................................ 9 3.2.2 Selección del módulo fotovoltaico ................................................................... 10 3.2.3 Demanda energética y performance ratio ........................................................ 11 3.2.4 Número de módulos fotovoltaicos ................................................................... 12 3.2.5 Cálculo del Inversor-Cargador ......................................................................... 14 3.2.6 Modelamiento matemático del sistema eólico ................................................. 15 3.2.7 Verificación del modelo matemático ............................................................... 16 3.2.8 Modelamiento matemático del banco de baterías ............................................ 17 3.2.9 Modelamiento matemático del Generador diésel ............................................. 18 3.3 Tercer objetivo: Simular en el sistema hibrido para obtener la combinación de los recursos energéticos con el menor costo nivelado. ........................................ 19 3.3.1 Estudio de caso para los escenarios 1 y 2 ........................................................ 21 3.3.2 Diagrama de flujo para el escenario 3: Paneles – Aerogenerador – Generador diésel ......................................................................................................................... 23 3.3.3 Diagrama de flujo para el escenario 4: Paneles – Aerogenerador – Banco de baterías ...................................................................................................................... 24 3.3.4 Diagrama de flujo ara el escenario 5: Fotovoltaica-Eólica-Baterías- Generador Diésel ......................................................................................................................... 26 3.4 Cuarto objetivo: Evaluar la operación del sistema Diésel/ORC, por medio de simulaciones aplicadas al estudio de casos, a fin de identificar la producción de energía eléctrica, el consumo de gasóleo y las emisiones de gases al ambiente ..... 28 3.4.1 Balance energético y modelación de costos del motor de combustión interna 29 3.4.2 Análisis termodinámico y económico del sistema Motor Diesel - ORC ......... 29 4. Resultados ............................................................................................................ 30 4.1 Escenario 1: Paneles solares- Banco de baterías ............................................... 30 4.2 Escenario 2: Aerogenerador – Banco de baterías ............................................. 33 4.3 Escenario 3: Aerogenerador – Paneles Fotovoltaicos – Banco de baterías ..... 35 4.4 Escenario 4: Aerogerador – Paneles Fotovoltaicos – Generador Diésel ......... 36 4.5 Escenario 5: Aerogenerador – Paneles Fotovoltaicos – Banco de baterías - Generador Diésel ........................................................................................................ 37 5. Conclusiones ........................................................................................................ 40 6. Bibliografía .........................................................................................40The objective of this project is to evaluate the technical-financial viability of hybrid electric power generation systems, taking advantage of the potential of solar, biomass and wind resources. To achieve this, exhaustive characterization studies of each of these resources were carried out. In the case of the solar resource, weather stations were used to collect precise data on solar radiation and ambient temperature. In addition, numerical simulation models, such as the Weibull model, which took into account historical wind data and local topography, were used to estimate the wind probability distribution at the system location, providing an accurate assessment of the wind resource. To evaluate the biomass resource, a detailed analysis of the availability and quality of the organic materials used, such as agricultural, forestry or industrial process residues, was carried out. These characterization studies provided crucial information to determine the technical and financial feasibility of hybrid electric power generation systems, allowing. make decisions based on the implementation of the project. In order to ensure a constant supply of electrical energy, the implementation of solar panels, a wind turbine, a battery bank and a diesel generator was proposed. These components working together will guarantee a continuous power generation service. The hybrid system was modeled in MATLAB to evaluate its technical-financial feasibility in 5 operating scenarios, based on the levelized cost of energy. In the photovoltaic generation model, the panel efficiency model was considered, taking into account the climatic conditions of the place, the technical data of the solar modules and the irradiation on an inclined plane. On the other hand, the wind turbine model was based on the model developed by Pallabazer and on the Weibull probability distribution. For the diesel generator, a model was used that took into account fuel consumption per hour, depending on the power generated. Finally, the battery model determined the charge and discharge energy in each hour, establishing maximum and minimum charge limits. These models allowed a comprehensive evaluation of the system and its behavior in different scenarios, considering technical and financial aspects. Simulations were carried out to evaluate 5 possible scenarios for the combination of technologies, calculating the levelized cost of energy for each generation source. The results revealed that the scenario of solar panels together with a bank of lithium batteries presented the lowest levelized cost, with a value of 0.548 USD/kWh. On the other hand, the scenario that combined solar panels, wind turbine and diesel generator showed the highest generation cost, with a value of 3.89 USD/kWh. These findings provide key information for decision-making regarding the selection of the most profitable and efficient technology combination from the economic point of view.Modalidad Presencialapplication/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Colombiahttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Viabilidad técnica y económica de la implementación de sistemas híbridos para la generación de Energía Eléctrica en zonas no interconectadasTechnical and economic viability of the implementation of hybrid systems for the generation of Electric Power in non-interconnected areasResearch reportinfo:eu-repo/semantics/workingPaperInforme de investigaciónhttp://purl.org/coar/resource_type/c_18wshttp://purl.org/coar/resource_type/c_8042info:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/redcol/resource_type/IFIUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaHybrid systemSolar panelsBiomass resourceEnergetic industryEnergetic resourcesElectric powerElectric sectorFeasibility studiesEconomic analysisIndustria energéticaRecursos energéticosEnergía eléctricaSector eléctricoEstudios de factibilidadAnálisis económicoSistema híbridoPaneles solaresRecurso biomasa[1] J. 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