Energías alternativas aeropuerto

GOBIERNO REGIONAL JUNÍN
g
g
Dirección Regional de Energía Y
Minas

I FERIA MINERA ENERGÉTICA REGIONAL
ESTUDIANTIL 2013
Huancayo, 18 de Octubre de 2013
Ing. Xavier Saltó – Gerente General
xsalto@caba.pe

I CONGRESO INTERNACIONAL DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ENERGÍAS NO CONVENCIONALES

APLICACIÓN DE ENERGÍAS ALTERNATIVAS
Ó
Í
Y EFICIENTES

Servicios para la sostenibilidad

Aplicación de energías alternativas y eficientes: guión contenidos

1.
1
2.
3.
4.
4
5.
6.
7.
7

El comportamiento energético d edificios
t i t
éti de difi i
La importancia del diseño en las energías NC
p
g
Caso Aeropuerto Internacional
Caso Hotel en autoconsumo
Caso Hospital en doble generación
Mapa energético futuro del Perú
Conclusiones


El comportamiento energético de los edificios
Los factores de influencia en el comportamiento energético de los edificios son:
 Climatológicos: temperatura, humedad, altura sobre el nivel del mar, vientos
dominantes…
 Situación y ubicación: altura relativa a su entorno, orientación y altura del
edificio…
 Arquitectónicos: factor de forma, composición de la envolvente térmica,
exposición solar, ventilación natural…
 De ingeniería: diseño de las instalaciones energéticas, monitoreo, tipo de
combustibles y fuentes energéticas disponibles…
 De uso y explotación: comportamiento de los usuarios para con los
consumos, necesidades funcionales del edificio…

Pero ¿cuales son los aspectos primarios y secundarios?
 Demanda energética: cantidad de energía, en kWh, que es necesaria para
mantener un edificio en régimen de confort para cualquiera de sus necesidades,
ya sea térmico, lumínico, de calidad de aire, producción de agua caliente, etc.
 Consumo final: cantidad de energía que los equipos que tienen por objeto
aportar confort (pe HVAC systems, equipos de iluminación, etc.) consumen
durante su función, y de la cual se debe abastecer al edificio.


La importancia del diseño en las energías no convencionales

El uso de nuevos sistemas basados en energías no
convencionales y eficientes (sin ser renovables, pero con
altos rendimientos) es una oportunidad para el sector de la
ingeniería eléctrica térmica y civil de desarrollar edificios y
eléctrica,
usos humanos en general más económicos, confortables y
respetuosos con el medio ambiente, con menores tasas de
consumo y de emisiones al medio
medio.


Uso final lé i
U fi l eléctrico:
 Energía solar fotovoltaica: instalación por la cual se obtiene energía eléctrica mediante la transformación
de la radiación solar en electricidad en corriente continua Se usan módulos fotovoltaicos elementos construidos
continua.
fotovoltaicos,
a base de semiconductores que aprovechan la radiación solar para excitar de los electrones libres y generar así
energía eléctrica
 Energía eólica: aprovechamiento del viento para producción de energía eléctrica mediante la conversión de
la energía mecánica del viento a través de la rotación de un motor.
 Energía hidráulica: instalación de generación eléctrica mediante la transformación de la energía potencial
contenida en un salto de agua (o caudal en movimiento por su defecto) a través del movimiento de un rotor.
 Energía geotérmica: generación eléctrica mediante el aprovechamiento de las variables termofísicas de un
fluido que se encuentra bajo la capa Terrestre
q
j
p
 Iluminación LED: sistema de iluminación eficiente mediante LED (Light Emisor Diode) que substituye a la
iluminación convencional y obtiene los mismos niveles lumínicos con un potencia entre el 50 y el 85% menor
menor.

Uso final é i
U fi l térmico:
 Energía solar térmica: generación de agua caliente mediante placas solares que incorporan un serpentín en
su interior y calientan el agua a su paso, aprovechando la radiación solar y por tanto el incremento de
temperatura en su interior.
 Energía geotérmica de baja entalpia: intercambio térmico (frío o calor) con alto rendimiento energético
(COPs entre 4,5 y 9) aprovechando las condiciones estables y de temperatura del suelo.
Uso final combinado térmico y eléctrico:
 Cogeneración: sistema de alto rendimiento por el cual se produce de forma simultanea electricidad y agua
caliente. Un motor a gas quema el combustible produciendo la rotación de un generador eléctrico, y a su vez los
humos de combustión intercambian su calor con agua.
 Trigeneración: el sistema parte del concepto anterior, al cual se acopla una máquina de absorción que
convierte el agua caliente en agua refrigerada para producción de frío.


Todas ll
T d ellas son positivas en valor absoluto, pero no en valor relativo. C b realizar un análisis d iimplantación y
ii
l b l
l l i Cabe li
áli i de l
ió
viabilidad:
 Demanda energética del edificio: identificar cuantitativa y cualitativamente la demanda del edificio con un
edificio,
soporte informático para poder simular convenientemente todos los efectos que ésta crea sobre el edificio,
zonificando debidamente y pudiendo analizar los resultados por períodos horarios e incluso inferiores.
 Disponibilidad climatológica: estudio climatológico que desarrolle el potencial solar, eólico y geológico del
subsuelo para determinar el potencial de cada una de las fuentes energéticas.
 Uso del edificio: intensidad del uso, tipología de uso (agua caliente, computadoras, sistema climatización...)
 Disponibilidad de tecnología: análisis sobre en qué medida cada una de las tecnologías está disponible en
el entorno del edificio
 Disponibilidad de redes de suministro energético: verificar si las redes eléctrica y de Gas Natural están
disponibles en la ubicación del edificio, modeladas (sólo como hipótesis de simulación) como fuentes con
acumulación infinita de energía
energía.

Ahorro energético
Ahorro de costes
Rendimiento del sistema
Ahorro en costes ambientales
Inversión inicial
ó
Período de retorno
TIR
VAN

4 variables técnicas +
4 variables financieras


Tecnología
T
l í

Producción
P d ió

Factor i it i
F t prioritario

Factores secundarios
F t
d i
Baja demanda energética eléctrica

Energía solar fotovoltaica

Consumos energéticos durante horas
Eléctrica

en autoconsumo

debido a la limitación en el
diurnas y sin estacionalidad anual
rendimiento de los módulos solares
Baja demanda energética eléctrica debido

Energía solar fotovoltaica

Buena calidad de red pública para
Eléctrica

a la limitación en el rendimiento de los

conectada a red

optimizar la conexión de producción
módulos solares
Demandas energéticas no intensivas para
Entorno próximo abierto y libre de

Energía eólica
g

Eléctrica

p
poder regular la intermitencia en la
g
obstáculos naturales y artificiales
producción
Alta intensidad en el uso para
p

Sistemas iluminación LED

Eléctrica

Niveles lumínicos medios y no

aprovechamiento de la larga vida de los

focalizados si no trabajando en

equipos LED frente a convencionales

ámbitos genéricos


Tecnología
T
l í

Producción
P d ió

Factor i it i
F t prioritario

Factores secundarios
F t
d i
Equilibrio entre cargas térmicas y

Demanda energética de producción de
Cogeneración

Eléctrica + Térmica

eléctricas para buena sincronización de
calor estable durante todo el año
ambas producciones
Equilibrio entre cargas térmicas y

Eléctrica + Térmica
Trigeneración

eléctricas para buena sincronización de
(calor y frío)
ambas producciones
Tener un edificio con demandas

Geotermia de BT sistema

Trabajo térmico a baja temperatura
j
j
p

energéticas de calor y frío equilibradas,,
g
q

Térmica
cerrado (close-loop)

(<45ºC) para obtener COPs interesantes para no descompensar cíclicamente la
temperatura del subsuelo
p

Geotermia de BT sistema

Trabajo térmico a baja temperatura

Disponer de caudales de agua vivos y a

Térmica
abierto (open-loop)

(<45ºC) para obtener COPs interesantes poca profundidad


Caso para el ahorro y eficiencia energética en la instalación de iluminación de un
Aeropuerto Internacional con las siguientes características:
p
g
 Uso 24 horas al día durant 365 días al año
g
p
 Altos costos energéticos y en reposición de materiales (materiales + mano
de obra)
 Potencia total instalada 75,77kW
 Nivel lumínico exigible 200lux (zonas de tránsito)


Esquema del estudio:
a.
b.
c.
d.
e.
f.

Descripción del sistema propuesto
Variables de cálculo y límites de medida
Cálculo de la línea base de consumo para el sistema actual
á
í
Cálculo de la línea de consumo para el sistema propuesto
Cálculo del ahorro de consumo energético
Cá
é
Cálculo de las variables financieras


Caso Aeropuerto Internacional: descripción del sistema propuesto

La propuesta es la sustitución de las pantallas actuales, formadas por
lámparas de florescencia de 4x36W con reactancia electrónica, por pantallas
p
p p
con tecnología electrónica LED de 64W. La sustitución será de toda la pantalla
descartando la integración de la tecnología LED en las pantallas actuales por
g
g
p
p
motivos de funcionalidad y capacidad lumínica.



Además, se propone la instalación de un sistema de control de luz diurna que
apagará las pantallas en funcion de la variable fija, que será el nivel lumínico de
pg
p
j q
la zona. De este modo se optimiza el consumo en una importante parte del
tiempo, dadas las buenas condiciones climáticas del entorno así como del
p
diseño del edificio.
En relación al sistema de gestión, control y medición, se propone la
implantación de un sistema que permite controlar cada elemento lumínico
p
q p
instalado de forma individual o en grupos de elementos. Cada elemento lumínico
o sensor llevará instalado un nodo de comunicación que le proporcionará el
q
p p
control individual. Estos nodos se comunican con la base de datos y control con
el software vía radio mediante la frecuencia permitida.
p


 Monitorización del estado de funcionamiento de la luminaria
 Monitorización de los consumos energéticos de cada luminaria
g
 La gestión del apagado y encendido en relación a un sensor de flujo luminoso
 La gestión del apagado y encendido mediante asignación horaria
g
pg
g
 Avisos de averías de la luminarias
 Gestión de zonas


Caso Aeropuerto Internacional: variables de cálculo y límites de medida

Las dos principales variables para el cálculo son:
 Potencia de los sistemas: los sistemas actuales tienen una potencia de
lámparas de 144W (4x36W) y las reactancias electrónicas de 10W. Los sistemas
propuestos tienen un consumo de lámparas de 60W y reactancia de 4W
 Horas de uso del sistema: el uso del sistema de iluminación es intensivo
intensivo,
24 horas al día los 365 días al año. Ésta será la base de cálculo para el
comportamiento actual pero no así para la propuesta puesto que la instalación
propuesta,
del sistema de control mediante flujo lumínico permitirá apagar pantallas en
función de si son necesarias o no para la consecución del nivel lumínico
deseado. Las simulaciones han tomado en cuenta la climatología, las horas de
iluminación natural y el componente skycover
skycover.

Caso Aeropuerto Internacional: cálculo de la línea base de consumo

Potencia de los sistemas

Nivel lumínico actual
Se tomaron un total de 53 medidas con luxómetros, para comprobar los niveles

Horas de uso: 8.760 horas anuales


Caso Aeropuerto Internacional: cálculo de la línea base de consumo

Caracterizacion de las líneas base de consumo actuales (diaria y mensual)

Energía total anual: 663.728kWh


Caso Aeropuerto Internacional: cálculo de la línea de consumo sistema propuesto

Potencia de los sistemas
-58,5%
Cálculo nivel lumínico
Con la solución propuesta se han realizado simulaciones computacionales con
Dialux para verificar que ésta cumple con los requisitos de nivel lumínico



Horas de uso
Asumiendo el sistema de control de reguación de lux diurna para garantizar los
200lux, se ha realizado otra simulación computacional con EnergyP incorporando
los datos climatológicos del lugar para establecer cuantas horas al día va a
funcionar cada una de las lámparas, atendiendo a los condicionantes solares y
de climatología (skycover cobertura parcial o total)
(skycover,



Caracterización de la línea de consumo del sistema propuesto


Caso Aeropuerto Internacional: cálculo del ahorro de consumo energético


Caso Aeropuerto Internacional: cálculo de las variables financieras

Los aspectos financieros principales de la inversión serán:
 Ahorro económico por consumo de energía en general
 Ahorro económico por consumo de energía en horas punta (diurnas)
 Ahorro económico por menor potencia disponible
 Ahorro económico por menos reposición material + mano de obra)


Caso Hotel en autoconsumo
a.
b.
c.
d.
e.
f.
g.
h.

Datos generales
Estudio de demanda energética
Cálculo de la producción eléctrica disponible
á
ó é
Balance energético anual
Diseño eólico
ó
Diseño solar fotovoltaico
Diseño del
Di ñ d l acumulador eléctrico
l d lé i
Diseño general del sistema y conexionado


Caso Hotel en autoconsumo: datos generales

 Ubicación en la sierra de Tarragona, a 1.450 metros de altitud
 Núcleo urbano aislado, sin connexión a red eléctrica ni agua potable
 Superfície de 2.300m2
 Ocupación no regular y estacional
 Entorno arquitectónico y fauna protegido


Caso Hotel en autoconsumo: estudio de demanda energética

Condiciones iniciales:

Temporada b j
T
d baja
Temporada media
Temporada alta


Caso Hotel en autoconsumo: estudio de demanda energética

Mediante simulación computacional (
(Energy Plus) se analizan los consumos
)
diarios para cada uno de los 3 tipos de ocupación

Temporada baja
Temporada media
Temporada alta


Caso Hotel en autoconsumo: cálculo de la producción eléctrica disponible

Una vez más mediante simulación computacional (
(PVSyst, Eomax), y con la
)
incorporación de los datos climáticos de Llaberia, se realiza un cálculo de la
producción eléctrica disponible y se contrapone con la demanda calculada



Es de vital importancia obtener los datos de disponibilidad de generación para
poder determinar los períodos de déficit y en consecuencia, la magnitud de los
equipos de acumulación energética

Enero

Abril



Es de vital importancia obtener los datos de disponibilidad de generación para
poder determinar los períodos de déficit y en consecuencia, la magnitud de los
equipos de acumulación energética

Julio

Noviembre


Caso Hotel en autoconsumo: balance energético anual

Agregando pues los anteriores datos, obtenemos el balance energético anual del
edificio


Caso Hotel en autoconsumo: diseño eólico

Sobre las condiciones climatológicas, cabe decir que la zona de Llaberia dispone
de un gran recurso renovable no agresivo con el medio ambiente, éste es el
viento. El más importante de la zona es el viento de componente noroeste,
que barre la sierra con fuerza, especialmente en otoño, invierno e inicios de la
primavera. Según los datos estadísticos, el viento sopla entre los 3m/s y los
ú
í
12m/s el 58% del tiempo durante un año.



En
E cuanto a l t l í di ibl se h estudiado 3 modelos dif t d
t la tecnología disponible, han t di d
d l diferentes de
aerogeneradores con comportamientos muy diversos, a continuación se muestra
un gráfico d l potencia proporcionada por cada uno d ellos según l
áfi de la t i
i d
d
de ll
ú la
velocidad del viento incidente.



IIntegración arquitectónica y paisajística
t
ió
it tó i
i jí ti



Segñun los datos t i
S ñ l d t anteriores y con l modelados energéticos anteriores, se
los d l d
éti
t i
implantan 4 aerogeneradores de 5kW, modelo tornado5 de FICOSA con las
siguientes características
i i t
t í ti


Caso Hotel en autoconsumo: diseño fotovoltaico

La t l ió fotovoltaica
L iinstalación f t lt i proyectada está f
t d tá formada por módulos f t lt i
d
ód l fotovoltaicos
policristalinos de 140Wp. Éstos se se integrarán en la cubierta por una
cuestión arquiteectónica, orientados a suroeste e iinclinados 17º con el objetivo
tió
it tó i
i td
t
li d 17º,
l bj ti
de maximizar la superficie disponible.


Caso Hotel en autoconsumo: diseño del acumulador eléctrico

Dados los datos t i
D d l d t anteriores sobre el b l
b l balance energético di i se calculó una
éti diario,
l ló
demanda de autonomía (período en uso normal sin generación) de 8 días. Se
han t l d baterías de
h iinstalado b t í d carga y d
descarga l t d 4500Ah U t t l d 72
lenta de 4500Ah. Un total de
baterías ubicadas en tres bancadas, la cuales en un momento dado podrían ser
capaces d proporcionar l t t lid d d l potencia eléctrica iinstalada
de
i
la totalidad de la t i lé t i
tld


Caso Hotel en autoconsumo: diseño general del sistema y conexionado


Caso Hospital en doble generación
a.
b.
c.
d.
e.
f.
g.

Datos generales
Análisis de las demandas de calor y frío
Sistema energético actual
é
Sistemas de trigeneración
Determinación de los equipos del sistema
ó
Resumen de resultados del sistema
IImplantación d l proyecto y obra
l
ió del
b


Caso Hospital en doble generación: datos generales

 Hospital en Barcelona construido en 1889
 199 camas, 5 quirófanos, 42 locales de consulta y 421 trabajadores
 31.584 visitas y 5.604 intervenciones quirúrgicas
 Superfície de 17.400m2


Caso Hospital en doble generación: análisis de demanda de calor y frío

Para la obtención de las demandas energéticas, se realiza una auditoría
energética durante un año completo,, monitorizando y analizando los
g
p
consumos de cada unidad


Caso Hospital en doble generación: sistema energético actual

El edificio contaba antes de la actuación con 4 calderas a gas de 465 kW cada
una y dos enfriadoras eléctricas de 465 kW cada una.
El suministro eléctrico se realiza mediante una conexión a la red pública
p


Caso Hospital en doble generación: sistemas de trigeneeración

La trigeneración es un sistema f
L ti
ió
it
formado por un equipo d cogeneración y una
d
i de
ió
planta de absorción, en este caso. El equipo de cogeneración produce energía
eléctrica mediante un motor que f i
lé t i
di t
t
funciona con gas natural, y como
t l
subproducto se obtiene calor útil gratuito, el cual es aprovechado para el ACS y
la l f ió
l calefacción


Caso Hospital en doble generación: determinación de los equipos del sistema

Puesto
P t que es un sistema combinado, que d b d servicio a d ti d
it
bi d
debe dar
i i dos tipos de
demanda bien diferenciadas (eléctrica y térmica) se debe desarrollar el
análisis completo d di
áli i
l t de dimensionamiento d l sistema. U sistema d
i
i t del i t
Un i t
demasiado
id
grande produc´rá calor en exceso, y habrá que devolverlo al ambiente, y un
sistema iinfradimensionado no t d á un ó ti reotrno d l iinversión
it
f di
i d tendrá óptimo t de la
ió
Equipo de cogeneración

Planta absorción
Potencia
Potencia a
térmica
disipar (kW)
absorbida (kW)
25,6
25 6
42,8
42 8
77,4
130,6

Modelo

Potencia
elétrica (kW)

Potencia
térmica (kW)

Combustible
(kW)

Modelo

Potencia
frigorífica (kW)

TRI-70

HPC 50N
HPC 70N

50
70

82
109

146
204

Yazaki WFC SC05
Yazaki WFC SC20

17,2
17 2
52,9

TRI-100

HPC 100N

99

132

270

Yazaki WFC SC30

79,8

116,9

197

TRI-150

HPC 150N

142

207

392

Yazaki WFC SC30

87,6

127,8

216,3

TRI-200
TRI-400

HPC 200N
HPC 400N

200
404

293
513

553
1045

Thermax LT-10C
Thermax LT-10C

230,2
230,2

330,2
330,2

558,1
558,1

TRI-200



Para cada uno de los equipos propuestos se analizarán 3 variables técnicas:
cobertura de demanda de calor, cobertura de demanda de frío y tasa de
operación anual (%)
100,00

80,00

60,00

40,00

20,00

0,00

TRI‐50

TRI‐70

TRI‐100

TRI‐150

TRI‐200

TRI‐400

COBERTURA DE CALOR (%)

15,51

21,14

26,76

40,13

54,14

82,94

COBERTURA DE FRIO (%)
COBERTURA DE FRIO (%)

1,97
1 97

6,06
6 06

9,14
9 14

10,03
10 03

26,36
26 36

42,05
42 05

FUNCIONAMENTO ANNUAL (%)

91,67

91,67

91,67

91,65

88,49

78,78



Asimismo se analizarán dos variables económicas: beneficios generados por las
plantas y tiempo de amortización
25,00

20,00

15,00

10,00

5,00

0,00

TRI‐50

TRI‐70

TRI‐100

TRI‐150

TRI‐200

TRI‐400

BENEFICIOS (€ / HORA)

3,04
,

4,34
,

6,60
,

9,42
,

12,96
,

23,40
,

AMORTITZACIÓN (AÑOS)

8,82

6,57

5,62

6,06

5,29

5,12


Caso Hospital en doble generación: resumen de los resultados del sistema

De los análisis anteriores se definió la instalación óptima como la TRI-400, por
sus resultados técnicos y económicos.
TABLA RESUMEN

Dicha implantación tenia una
inversión $1.273.715 que han
sido financiados al 50% entre el
propio Hospital y un grupo de
inversores en formato ESCO
(Energy Service Companies). Los
resultados financieros de la
inversión son pay-back de 4
pay back
años y 9 meses y una TIR del
proyecto del 21,35%

Parámetros

Cálculo o medida Unidad

Definición

h

7.359,00

h/año

Horas totales de funcionamento

hcalor

5.365,00

h/año

Horas de funcionamento de producción de frío

hfrio

1.994,00

h/año

Horas de funcionamento de producción de calor

Q

7.690.155,00

kWh/año

Combustible consumido por el equipo de cogeneración

E

2.973.036,00

kWh/año

Calor útil producido  por el equipo de cogeneración

V

3.450.900,73

kWh/año

Electricidad producida  por el equipo de cogeneración

ƞ0

75,00

%

Rendimiento global mínimo segun el RD 616/2007

ƞ

83,53

%

Rendimiento global del equipo de cogeneración

ƞE

38,66

%

Rendimiento eléctrico del equipo de cogeneración

ƞV

49,09

%

Rendimiento térmico del equipo de cogeneración

Ref Hƞ

90,00

%

Valor de referencia de la eficiencia para la producción separada de calor.
V l d f
i d l fi i i
l
d ió
d d l
Decisión de la Comisión de 21 de diciembre del 2006

Ref Eƞ

49,60

%

Valor de referencia de la eficiencia para la producción separada de calor.
Decisión de la Comisión de 21 de diciembre del 2006

REEmin

49,50

%

Rendimiento eléctrico equivalente  mínimo exigido por el RD 661/2007
Rendimiento eléctrico equivalente mínimo exigido por el RD 661/2007

REE

77,11

%

Rendimiento eléctrico equivalente

AEP

2.138.203,33

kWh/año

Ahorro de energía primaria segun el RD 616/2007

PESmin

10,00

%

Ahorro porcentual de energía primaria mínimo para que la instalación sea
de alta eficiencia según la Directiva Europea 2004/8/CE

PES

21,76
21 76

%

Ahorro porcentual de energía primaria
Ah
t ld
í i i

Tn CO₂

Ahorro de emisiones de CO₂

Ahorro
Emisiones

431,66


Caso Hospital en doble generación: implantación del proyecto y obra


En el sistema eléctrico intervienen diferentes agentes:
 Generación
 Transporte
 Distribución
 Consumo
Las mejoras en cualquiera de los ámbitos anteriores impactan de igual modo a
la mejora energética de un país

G
Generación renovable y di t ib id
ió
bl distribuida
T
Transporte eficiente y d calidad
t fi i t de lid d
 Di t ib ió ordenada y moderna
Distribución d d
d
 Ahorro en el Cons mo
Consumo
No hay que olvidar que la generación distribuida cercana a los puntos de
distribuida,
consumo, ahorra en infraestructuras de transporte y distribución, y evita
sus pérdidas
De igual modo, debe ser máxima prioridad para el Perú fomentar el ahorro en
el consumo ya que evita inversiones y pérdidas en todos los anteriores
consumo,

Conclusiones


…muchas gracias por su atención
muchas

GOBIERNO REGIONAL JUNÍN
Dirección Regional de Energía Y
Minas

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