OPTIMIZACIÓN EN DIMENSIONAMIENTO Y CONTROL ENERGÉTICO DE SISTEMAS HÍBRIDOS DE ENERGÍAS RENOVABLES EN ECUADOR

Abstract

La creciente demanda de energía eléctrica referida como factor clave en el desarrollo de la sociedad actual, junto con una industria basada principalmente en hidrocarburos, impulsan el desarrollo de nuevas tecnologías renovables que podrían encaminar a un desarrollo sostenible. Por lo tanto, la presente Tesis tiene como objetivo analizar la factibilidad de sistemas híbridos compuestos por energías renovables, su optimización y control energético en el Ecuador. En base a ello, en este documento se han realizado varios estudios donde se analiza el impacto de sistemas híbridos renovables (HRES) compuesto por energía fotovoltaica (PV), turbinas hidrocinéticas (HKT), turbinas eólicas (WT), baterías y gasificadores de biomasa (GB). Las simulaciones de los HRES, en algunos casos se realiza utilizando herramientas computacionales como HOMER Pro y Matlab Simulink. Los resultados demuestran que, al utilizar sistemas renovables conformados por más de una fuente energética son más eficientes con respecto a sistemas con una sola fuente renovable. Esta Tesis también presenta una comparativa entre tres sistemas alternativos para impulsar a un tranvía ubicado en Cuenca - Ecuador. Cada sistema estudia la combinación efectiva de supercondensadores (SC), baterías de iones de litio (LIB) y celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) a bordo. El primer sistema trata de la gestión energética de las fuentes renovables (PV/HKT/GB) en conjunto con SC y PEMFC simuladas en HOMER Pro, el segundo sistema utiliza baterías de ion litio como respaldo al sistema anterior mencionado (PV/HKT/GB/SC/PEMFC/LIB). Mientras que el tercer sistema no cuenta con fuentes renovables ya que utiliza energía de la red desde un único punto de carga para abastecer al tranvía, este sistema está formado por (SC/PEMFC/LIB/red eléctrica) haciendo que el tranvía sea completamente autónomo. El análisis energético y económico se basa en la capacidad de cada sistema para abastecer la carga y los recursos utilizados. Los resultados muestran que los nuevos sistemas de control propuestos son siempre capaces de suministrar la potencia que necesita el tranvía durante todo su recorrido. Otro bloque analizado en esta Tesis son los sistemas multienergéticos que, recientemente han sido protagonistas de un creciente interés en este campo. Este tipo de redes involucran diferentes vectores de energía y los trata en su conjunto. Los casos más típicos contemplan subsistemas eléctricos, de gas natural e hidrógeno. Se han realizado múltiples esfuerzos para modelar este tipo de redes para problemas de gestión energética. La sección final de esta Tesis tiene como objetivo desarrollar un modelo de microredes (MG) completo pero manejable y multienergético, que permita representar con precisión la interacción entre los subsistemas eléctricos, de gas natural e hidrógeno. Los resultados muestran que el modelo desarrollado es capaz de representar con precisión el comportamiento operativo de las microrredes multienergéticas, que pueden ser valiosas para múltiples herramientas de investigación y educación aplicadas en estaciones de servicio híbridas.

The growing electrical demand considered a key factor in the development of today's society, together with an industry based mainly on hydrocarbons, are driving the development of new renewable technologies that could lead to sustainable development. Therefore, this thesis aims to analyze the feasibility of hybrid systems composed of renewable energies, their optimization and energy control in Ecuador. Based on, several studies have been done where the impact of off-grid renewable hybrid systems (HRES) composed of photovoltaic energy (PV), hydrokinetic turbines (HKT), wind turbines (WT), batteries and biomass gasifiers (GB). The simulations of HRES have been done using computational tools such as HOMER Pro and Matlab Simulink. The results have shown that, by using renewable systems made up of more than one energy source simultaneously, the system is more efficient and promising. This work also presents a comparison of three alternative systems to supply the traction power of a tramway in Cuenca - Ecuador. Each system studies the effective combination of supercapacitors (SC), lithium-ion batteries (LIB), and proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) on board. The first system deals with the energy management of renewable sources (PV/HKT/GB) in conjunction with SC and PEMFC simulated in HOMER Pro, the second system uses lithium ion batteries as a backup to the above mentioned system (PV/HKT/GB/SC/PEMFC/LIB). While the third system does not consist of renewable sources, using energy from the grid in a single charging point to supply the tramway (SC/PEMFC/LIB/electrical grid) making the tramway completely autonomous. The energy and economic analyzes are based on the capacity of each system to supply the load and the resources used. The results show that the new proposed control systems are always capable of supplying the tramway on its round trip. Another block analyzed in this thesis is the multi-energy systems that, recently, there has been a growing interest in this field. This type of network involves different energy vectors and treats them as a whole. The most typical cases contemplate electrical, natural gas and hydrogen subsystems. Multiple efforts have been made to model this type of network for energy management problems. The final section of this thesis aims to develop a complete but manageable, but multi-energetic, microgrid model (MG) that allows to accurately represent the interaction between the electrical, natural gas and hydrogen subsystems. The results show that the developed model is capable of accurately representing the operational behavior of multi-energy microgrids, which can be valuable for multiple research and education tools applied to hybrid refueling stations.