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Ing. Juan Manuel Barragán González
GRUPO
SEAS, Centro de Formación Abierta
Ing. Juan Manuel Barragán González
GRUPO FUNDACIÓN SAN VALERO
SEAS, Centro de Formación Abierta
ZARAGOZA
Ing. Juan Manuel Barragán González 1
Ing. Juan Manuel Barragán González 2
Práctica con software HOMER Tecnologías de Hidrógeno y Pilas de Combustible
Juan Manuel Barragán González
Noviembre 2012
FUNDACION SAN VALERO
SEAS, Centro de Formación Abierta
ZARAGOZA
Ing. Juan Manuel Barragán González 3
1. INDICE
Introducción, el problema a resolver…………………………………………………….
1. El paso a paso……………………………………………………………………….…………….
I. Ventana de inicio
II. Ingreso de componentes
III. Pantalla de componentes
IV. Ingreso de las cargas
V. Configuración de dispositivos
VI. Electrolizador
VII. Baterias
VIII. Paneles fotovoltaicos
IX. Aerogenerador
X. Tanque de hidrógeno
XI. Pila de combustible
XII. Inversor
2. Recursos………………………………………………………………………..…………………….….
I. Radiación Solar
II. Recurso Eólico
3. Resultados de optimización………………………………………………………………………
I. Constraints
4. Comentario final y análisis…………………………………………………………………………
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PRACTICA CON SOFTWARE HOMER
INTRODUCCION
El problema a resolver
Se va a analizar el sistema aislado (sin conexión a red) de generación eléctrica del
edificio de la Fundación del Hidrógeno (Walqa, Huesca). Está compuesto por los
siguientes equipos, algunos de los cuales hay que optimizar:
1. Fotovoltaica: 10 kW.
2. Eólica: 1 kW.
3. Baterías: 2000 A durante 100 horas.
4. Inversores: 1 de 6,6 kW cada uno1.
5. Una carga del edificio a estudio.
6. Pila: Es uno de los elementos que se busca optimizar en el rango (0,5 – 4 kW).
7. Electrolizador: Es otro de los elementos que se busca optimizar en el rango (0,5 –
5 kW).
8. Depósito de hidrógeno: Se trata del tercer componente a optimizar (1 – 5 kg).
1 En verdad en el sistema hay dos inversores de 3,3 kW, pero para HOMER es lo mismo que decirle que hay
uno colocado de 6,6 kW.
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1. El paso a paso
I. Despues de obtener el programa, procedí a instalarlo y al ejecutarlo me
mostró la ventana de inicio.
II. Enseguida según el instructivo procedí a ingresar los componentes
que configuraran el sistema y que habrán de ser optimizados, esto se
logra oprimiendo el botón Add/Remove y seleccionamos cada uno de
los dispositivos.
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III. Esta es la pantalla resultante despues de seleccionar los componentes
del sistema
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IV. Enseguida se ingresan los datos de las cargas, que no es otra cosa que
la potencia necesaria para sostener el consumo eléctrico hora tras hora
durante las 24 horas del dia.
Hora Potencia
(kW)
Power (kW)
0-1 1,2 1.2
1-2 1,2 1.2
2-3 1,2 1.2
3-4 1,2 1.2
4-5 1,2 1.2
5-6 1,2 1.2
6-7 1,2 1.2
7-8 1,2 1.2
8-9 3,6 3.6
9-10 4,0 4.0
10-11 4,5 4.5
11-12 5,4 5.4
12-13 5,5 5.5
13-14 4,1 4.1
14-15 4,1 4.1
15-16 4,3 4.3
16-17 4,8 4.8
17-18 5,0 5.0
18-19 2,0 2.0
19-20 1,2 1.2
20-21 1,2 1.2
21-22 1,2 1.2
22-23 1,2 1.2
23-0 1,2 1.2
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Pantalla de cargas antes de configurar
Cargas configuradas
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V. Posterior al ingreso de las cargas, procedemos a configurar uno a uno
los equipos que conforman el sistema, se configuran según el
dispositivo: los costos de adquisición, de reposicion, de mantenimiento,
tamaño, cantidad, calidad, capacidad, eficiencia, tiempo de vida, carga
de inicio, coordenadas de ubicación geográfica, etc.
VI. Configuración del electrolizador
Size (Tamaño) (kW): 3,0;
Capital (Capital) ($): 50 000,00
Replacement (Reemplazo del equipo) ($): 50 000,00
O&M (Coste de operación y mantenimiento) ($/yr; $/año): 400,00
Lifetime (Esperanza de vida) (years; años): 10
Efficiency (Eficiencia) (%): 45
Sizes to consider (Tamaños a considerar) (kW): 0,5; 1,0; 3,0; 4,0; 5,0.
Electrolizador configurado
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VII. Configuración de las baterías
Batterie type (Tipo de batería): Hoppecke 16 OPzS 2000
Quantity (Cantidad de baterías): 24
Capital (Capital) ($): 12 000,00
Replacement (Reemplazo del equipo) ($): 12 000,00
O&M (Coste de operación y mantenimiento) ($/yr; $/año): 100,00
Bateries to consider (número de baterías a considerar): 24.
Batteries per string (Baterias por linea): 1
Initial state of charge (Porcentaje inicial de carga) (%): 100
Baterías configuradas
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VIII. Configuración de los Paneles Fotovoltaicos
Size (Tamaño) (kW): 10
Capital (Capital) ($): 20 000,00
Replacement (Reemplazo del equipo) ($): 20 000,00
O&M (Coste de operación y mantenimiento) ($/yr; $/año): 50,00
Sizes to consider (Tamaños a considerar) (kW): 5; 10; 15.
Output current (Corriente de salida): DC (Corriente continua, CC)
Lifetime (Tiempo de vida) (years; años): 25
Derating factor (Factor de sobrepotenciación2) (%): 80
Slope (Pendiente de los paneles) (degrees; grados): 35
Azimuth (Acimut) (degrees; grados): -3
Ground reflectance (Reflectancia del suelo) (%): 20
Tracking system (Sistema de seguimiento): No tracking (Sin seguimiento)
Paneles Fotovoltaicos configurados
2 Factor por el cual el sistema se sobredimensiona. Si el factor es del 80 %, se sobredimensiona el 20%.
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IX. Configuración de Aerogenerador
Turbine type (Tipo de turbina): Generic 1 kW
Quantity (Cantidad): 1
Capital (Capital) ($): 2 600,00
Replacement (Reemplazo del equipo) ($): 2 600,00
O&M (Coste de operación y mantenimiento) ($/yr; $/año): 100,00
Sizes to consider (Tamaños a considerar) (Quantity; Cantidad): 1.
Lifetime (Tiempo de vida) (years; años): 25
Hub height (Altura de buje3) (m): 20
Aerogenerador configurado
3 Altura del rotor de las aspas.
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X. Configuración del tanque de Hidrógeno
Size (Tamaño) (kg): 5
Capital (Capital) ($): 4 000,00
Replacement (Reemplazo del equipo) ($): 4 000,00
O&M (Coste de operación y mantenimiento) ($/yr; $/año): 200,00
Sizes to consider (Tamaños a considerar) Size (Tamaño) (kg): 1; 2; 3; 5.
Lifetime (Tiempo de vida) (years; años): 25
Initial tank level size (Porcentaje de llenado inicial) (%): 10
Tanque configurado
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XI. Pila de combustible
Las pilas de combustible están consideradas como elementos generadores en el
programa HOMER. Para poder considerar a estos elementos como Pilas de
combustible se ha de cambiar previamente el combustible a emplear y después
ingresar los datos correspondientes.
Size (Tamaño) (kW): 2
Capital (Capital) ($): 10 000,00
Replacement (Reemplazo del equipo) ($): 7 000,00
O&M (Coste de operación y mantenimiento) ($/hr; $/hora): 0,010
Sizes to consider (Tamaños a considerar) Size (Tamaño) (kW): 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0.
Type (Tipo): DC (CC)
Lifetime (Tiempo de vida) ( horas de funcionamiento): 15 000,00
Minimun load ratio (Porcentaje mínimo de carga) (%): 30
Selección de tipo de combustible
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Hidrógeno seleccionado como combustible
Pila configurada
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XII. Inversor
Size (Tamaño) (kW): 6,6
Capital (Capital) ($): 2 000,00
Replacement (Reemplazo del equipo) ($): 2 000,00
O&M (Coste de operación y mantenimiento) ($/yr; $/año): 100
Sizes to consider (Tamaños a considerar) Size (Tamaño) (kW): 6,6
Lifetime (Tiempo de vida) (years; años): 15
Efficiency (Eficiencia) (%): 90
Capacity relative to invertir (Capacidad relativa al inversor) (%): 100
Efficiency (Eficiencia) (%): 85
Inversor configurado
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2. Recursos
Tras definir los elementos que componen el edificio, así como las cargas del mismo,
se han de considerar los recursos que proveen la energía, en este caso viento y sol.
Para ello en la ventana principal aparecen dos iconos que hacen referencia a los
recursos, tras pulsar sobre ellos se puede acceder a sus menús correspondientes
I. Radiación solar
Latitude (Latitud): 42º 8’ N
Longitude (Longitud): 0º 24’ W
Time zone (Zona horaria): GMT +1
Data source (Fuente de datos): Enter monthly average (Introducción de media
mensual)
Mes Daily radiation
(Radiación diaria)
(kWh/m2/d)
January (Enero) 1,70
February (Febrero) 2,43
March (Marzo) 3,78
April (Abril) 4,62
May (Mayo) 5,57
June (Junio) 6,23
July (Julio) 6,32
August (Agosto) 5,54
September
(Septiembre)
4,53
Octuber (Octubre) 3,03
November (Noviembre) 1,94
December (Diciembre) 1,50
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Recurso solar configurado
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II. Recurso Eólico
Data source (Fuente de datos): Enter monthly average (Introducción de media mensual)
Mes Wind Speed
(velocidad de
viento) (m/s)
January (Enero) 2,620
February (Febrero) 2,920
March (Marzo) 2,650
April (Abril) 3,330
May (Mayo) 2,670
June (Junio) 2,850
July (Julio) 2,810
August (Agosto) 2,540
September (Septiembre) 2,690
Octuber (Octubre) 2,580
November (Noviembre) 2,770
December (Diciembre) 2,730
Recurso eólico configurado
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Aparece una advertencia
La advertencia nos indica que hay un cierto calor residual del generador, en este caso la
pila de combustible, y que no hay una carga que se sirva de ese calor, que sumemos al
sistema una carga para ese calor o que cambiemos el valor de recuperación de calor
residual a cero en el generador, por lo que se procede a poner en cero ese valor.
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La advertencia ha desaparecido y entonces nuestro programa ya ha sido cargado con los
datos adecuados para poder realizar los calculos y la optimización del sistema, al estar
todo listo se obtiene la siguiente pantalla.
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3. Resultados de optimización
Cuando se han introducido todos los datos de la instalación se procede a la
realización de los cálculos. Para ello se ha de pulsar sobre el botón Calculate y la
barra de progreso se empieza a llenar, pero….
I. Constraints. Ahora nos aparece otra advertencia
Se nos sugiere modificar las limitaciones del sistema (constraints), Si se ponen los
valores de Maximum annual capacity shortage al 100% (punto 6) se permitirá a los
elementos que se han empleado, almacenar energía hasta el 100% de su
capacidad.
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Constraints sin modificar
Ventana de Constraints modificada
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Cuando se han introducido los cambios en la ventana constraints se procede de nuevo a
la realización de los cálculos, y……. ¡BINGO!, ……¡¡¡HOMER HA ENCONTRADO UNA
SOLUCION OPTIMIZADA para nuestro sistema !!!
Aunque ya se ha encontrado una solución, nos hace cuatro advertencias o señalamientos
sobre posibles insuficiencias en los “espacios de busqueda”(?) de los componentes del
sistema.
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Ahora que ya contamos con una solución, damos doble click en cualquiera de los iconos
de los resultados de la simulación y se nos generará el reporte final, que es el que nos
ocupará para ser analizado.
4. Comentarios
El reporte final nos arroja el VAN del sistema, los costos iniciales, los costos
operativos, costos por reemplazos de componentes, que componentes son los que
producen, cuanto se produce, etc., en realidad este tipo de software son herramientas
invaluables, ya que te dan una idea muy aproximada a la realidad de lo que necesitas
saber y de lo que necesitas invertir para lograr un sistema de calidad óptima y de
eficiencia máxima.
En esta parte del reporte, podemos
observar como se conforma el sistema,
de que tamaño, que cantidades y
capacidades debe tener cada elemento
Aquí podemos ver el VAN, los costos
operativos anuales y el costo
normalizado de la energía producida.
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Esta gráfica nos muestra como se desglosa el VAN o Costo Neto Actual y
que componentes son los que participan en cada partida de dinero, capital
inicial, reemplazos, costos operativos, combustibles y la parte salvable.
En la tabla siguiente observamos lo mismo pero en números.
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A lo largo del informe podemos ver los flujos de dinero a traves de los 25 años de vida del
sistema, la aportación eléctrica mensual de cada uno de los componentes involucrados en la
generáción, es ahí en donde se alcanza a visualizar que la pila de combustible no participa (¿?),
cosa que se comprueba al observar las tablas y la grafica en la parte inferior de esta página.
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A través del informe se ven muchos detalles, así como se observa que el arreglo electrolizador-
pila de combustible no se llega a necesitar, es notorio como los paneles fotovoltaicos son los
principales actores en la producción y como las baterias permanecen cargadas casi todo el año, a
excepcion del mes de enero, mes considerado como crítico y que vuelve al sistema inestable.
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Por el momento es una gran parte de lo que puedo concluir, pudiera seguir analizando y
encontrar muchas cosas que me permitieran re-diseñar el sistema hasta lograr el más
eficiente y el más económico, lástima que el tiempo ahorita no me lo permite, pero ya
inmersos en estos temas el seguir practicando y buscando alternativas se convertirá en
algo indispensable en un futuro no muy lejano, o ¿acaso será ya indispensable en este
presente?, me parece…. ¡que sí!.
Juan Manuel Barragán González
Jala, Nayarit. MEXICO
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