Como abastecer unha gandería cunha microrrede

En moitas ocasións, as explotacións gandeiras ubícanse en áreas remotas onde a rede eléctrica é débil, esta dispón de pouca capacidade, ou nas que directamente non existe acceso á rede. Neste artículo compartimos a experiencia que dende o equipo de Norvento vivimos relativa á implementación dun sistema de abastecemento renovable e desconectado da rede.

Contexto do proxecto

A explotación gandeira en cuestión produce ovos campeiros e ecolóxicos, atopándose as súas instalacións nunha contorna protexida medioambientalmente, onde existen importantes restricións para o desenvolvemento de determinadas infraestruturas; especificamente é parte da Rede Natura 2000. Debido á localización remota da explotación, non existen liñas de distribución eléctrica próximas que permitan o acceso á rede. Ademais, o elevado desembolso económico e as importantes tramitacións administrativas necesarias para a obtención dun punto de subministración dende a rede fan que esta opción non sexa viable.

Ante dita problemática, o cliente optara no pasado pola incorporación dun grupo electróxeno diésel que lle permitise operar desconectado da rede e que funcionaba ininterrompidamente. Debido ao elevado custo que supón esta tecnoloxía, tanto de combustible como de mantemento, o cliente púxose en contacto co equipo de Norvento para estudar a implementación dun sistema de abastecemento enerxético que lle axudase a aliviar os devanditos custos e que, se é posible, puidese estar máis en liña coa súa vontade de operar unha explotación moi sostible, idealmente alimentada con enerxía renovable.

Evaluación da instalación previa

Nunha primeira visita á explotación gandeira, os nosos enxeñeiros inspeccionaron e inventariaron as instalacións eléctricas existentes, á vez que instalaban un analizador de calidade da enerxía eléctrica para poder determinar o rango de tensións e frecuencias nos que operaba o grupo electróxeno, e analizar os consumos do cliente.

Os resultados da análise da calidade de rede reflectiron elevadas desviacións de tensión e frecuencia ante chanzos de carga, producidas polas limitacións na resposta dun grupo electróxeno antigo, inestable e que funciona lonxe do seu punto óptimo de operación. Estas desviacións poderían causar deterioracións temperás dos elementos de consumo, así como interrupcións na subministración da instalación.

O maior consumo da explotación provén dun sistema de ventilación monitorizado que está sempre en funcionamento para manter a zona onde se sitúan os animais nun rango de temperatura constante. Así mesmo, o sistema de procesado e empaquetado de ovos tamén fai uso da enerxía xerada polo grupo electróxeno. A partir das medicións realizadas, obtivéronse os seguintes consumos:

Solución proposta

Tras unha análise de viabilidade preliminar do proxecto, no que se analizaron e compararon as distintas solucións posibles, finalmente, o equipo de Norvento propón complementar o sistema de xeración diésel cun sistema de xeración fotovoltaica, un sistema de almacenamento de enerxía, un sistema de apoio e un sistema de xestión enerxética, convertendo a instalación nunha microrrede renovable illada.

Cualitativamente, o novo sistema ofrece ao cliente alta calidade de enerxía en términos de estabilidade de tensión, frecuencia e reducida distorsión armónica e subarmónica, e elevada fiabilidade grazas a que agora existe redundancia de componentes e que se limita a operación, e desgaste, do grupo electróxeno.

Xeración de enerxía

No caso dunha instalación deste tamaño, a fotovoltaica constitúe a fonte de enerxía máis competitiva en termos de custo. Engadido ás restricións ambientais da zona que puidesen complicar unha posible instalación eólica temos como vantaxe a dispoñibilidade dunha cuberta orientada e inclinada adecuadamente para realizar unha instalación fotovoltaica coplanar.

Ademais, decidiuse manter o sistema de apoio co grupo diésel existente, co que se garante a perfecta operación en períodos sen produción fotovoltaica e ausencia de carga nas baterías. Dito grupo electróxeno entraría en operación en modo back-up durante unhas poucas horas ao día, sempre traballando nun punto de operación óptimo onde o consumo de combustible é mínimo en relación ca enerxía eléctrica producida, supoñendo un menor custo de combustible e unha redución en horas de operación do grupo que redunda en menor mantemento e un aumento da súa vida útil.

Almacenamento de enerxía

Unha fonte intermitente de xeración debe complementarse sempre cun sistema de almacenamento, para o que neste caso escollemos baterías de Ion-Litio. O sistema de almacenamento xoga un papel clave, xa que debe facer balance instantáneo entre xeración renovable e demanda da granxa. Cando hai excedente de xeración almacénao, podendo ser dita enerxía utilizada en periodos onde o consumo requerido é maior que a xeración.

Para a integración de baterías requírese un convertidor electrónico que adecúe a corrente continua de estas á corrente alterna da microrrede e ademais poda entregar a potencia precisa para conseguir o equilibrio entre xeración e demanda desta. Non todo convertidor de baterías é compatible coa súa operación nunha rede illada, xa que ten que ser capaz de estar continuamente contribuíndo a dito equilibrio. E non todo convertidor é compatible cunhas baterías específicas, nin eléctricamente nin en termos de control, xa que debe ser capaz de comunicarse adecuadamente co seu sistema de xestión, coñecido habitualmente como Battery Management System ou BMS.

Ainda que en Norvento traballamos con diversos provedores de convertidores, nesta ocasión o equipo empregado é propio da casa, o Norvento Gridmaster Converter. Este convertidor encaixa particularmente ben porque pode xestionar unha microrrede desconectada, está preparado para traballar nunha atmosfera complicada como a da granxa, e encaixa moi ben no nivel de potencia requirido para a instalación, que neste caso son 50kW.

Controlador da microrrede

O controlador da microrred ten como misión asegurar que en todo momento os equipos se coordinan para ofrecer enerxía de calidade e que en ningún momento queda comprometida a operación segura da microrrede. Todo iso naturalmente débeo facer de forma autónoma e sen necesidade algunha de intervención humana.

Así, o control encárgase de monitorizar qué tensión e frecuencia son as adecuadas, o nivel de enerxía dispoñible en baterías, e que se están satisfacendo os consumos. E para conseguir manter os parámetros da rede toma decisións de arranque e parada do sistema fotovoltaico e do grupo electróxeno e ademais realiza unha repartición de cargas entre estes e as baterías, todo para que a operación sexa sempre óptima para o cliente minimizando o consumo de combustible e asegurando a calidade na entrega de enerxía.

O controlador da microrrede comunícase por tanto con todos os equipos recibindo medidas de cada un deles, procesa dita información, e devólvelles consignas de operación. O convertidor empregado, Norvento Gridmaster Converter, incorpora un controlador de microrred capaz de realizar todas estas funcións. Ademais, permite a monitorización e xestión remota da instalación grazas á súa conexión a internet das cousas ou IoT, polo que o cliente ou o mantedor poden acceder á información en todo momento para entender o estado do sistema.

Dimensionando a instalación

Unha vez definida a solución de forma cualitativa, o equipo de Norvento realizou un modelo dos fluxos de enerxía considerando tanto a demanda como a xeración, o que lle permitiu identificar o dimensionamento óptimo de cada un dos elementos da instalación, como se pode ver na seguinte figura na que se mostran os fluxos de enerxía durante unha semana.

No caso da instalación fotovoltaica realizouse un estudo detallado da produción coa utilización de bases de datos meteorolóxicas, que revela unha irradiación solar horizontal media de 1.395 kWh/m²/ano. Adicionalmente, e dada a importancia da xeración dunha instalación fotovoltaica nun sistema illado, levouse tamén a cabo un estudo de sombras debidas a obstáculos circundantes mediante software específico, para poder así situar o campo fotovoltaico nunha zona óptima de produción. O resultado do estudo foi unha instalación fotovoltaica cunha potencia total de 35 kWp, cuxa produción de enerxía neta anual estímase en 1.160 kWh/kWp.

O modelo da instalación indicaba que o sistema de almacenamento, basado en baterías de Ion-Litio, tería óptimamente unha capacidade de 45 kWh, cunha profundidade de descarga de ata o 90%. O sistema de almacenamento funciona cunha eficiencia do 95% no ciclo carga-descarga.

Beneficios para o cliente

A instalación resultante deste dimensionamento será capaz de abastecer con enerxía renovable aproximadamente o 76% da enerxía consumida anualmente na explotación gandeira, e de por tanto reducir proporcionalmente os custos de O&M do grupo electróxeno, que achegará aínda o 24% da enerxía consumida ao longo do ano, en contraste co 100% previo. Isto redunda en beneficios económicos, ambientais e de operación.

No económico, e tendo en conta tanto a redución de custos de operación como o investimento inicial a realizar na nova instalación, estímase que o custo de enerxía (ou LCOE) diminuirá duns 458 €/MWh a 253 €/MWh. O cliente recuperará o investimento inicial nun período de 4,3 anos.

Medioambientalmente, estimamos unha redución nas emisións do cliente de 12,8 toneladas de CO₂/ano a 3,2 toneladas de CO₂/ano. Ademais, redúcese a emisión de partículas de NO_x ou SO₂, evitando a polución na contorna en que viven os animais.

Desde un punto de vista de operación da explotación gandeira o cliente goza agora de maior fiabilidade, maior protección aos equipos de consumo, e tranquilidade ao poder monitorizar a instalación remotamente mediante unha aplicación no seu teléfono móbil.

Solucións como a exposta mostran como as microrredes poden ser unha solución compacta e fiable para instalacións en zonas sen acceso á rede ou con mala calidade, asegurando unha óptima penetración de enerxía renovable e alta calidade de subministración.