Implementación de una red eléctrica inteligente "Smart grid" de PCH en Misiones, Argentina

Tema 6 – Energía eólica, geotermia, biomasa y otras energías no convencionales.

Resumen

Este artículo propone la implementación de una red eléctrica inteligente "smart-grid", de micro y pico centrales hidroeléctricas ubicadas en la provincia de Misiones –Argentina. Utilizando enlaces satelitales como vía de comunicación.

Palabras clave: Smart Grid, Microcentrales Hidroelectricas, Energía Renovable, Satélites, Radioenlaces.

ABSTRACT

This article aims to implement a smart grid of micro and pico hydropower plants located in the province of Misiones-Argentina. Using satellite links as a medium of communication.

Este artículo propone la implementación de una red eléctrica inteligente "smart-grid", de micro y pico centrales hidroeléctricas ubicadas en la provincia de Misiones –Argentina. Utilizando enlaces satelitales como vía de comunicación.

Keywords: Smart-grid, Micro-Hydropower-plants, Renewable-Energy, Satellite, Radio-Communications.

Introducción

En la provincia de Misiones Argentina, desde mediados de los años 1970, el Ing. Erico R. Barney, en estrecha colaboración de un prominente artesano inmigrante francés, Don Gastón Gaillou, radicado en la ciudad de Oberá, comenzó a estudiar y desarrollar un tipo de turbomáquina hidráulica de flujo transversal, conocida como turbina tipo Michell-Banki. Por lo reducido del tamaño y la envergadura en lo que a potencia se refiere, se la llamó en ese entonces; microturbina hidráulica o simplemente microturbina. (Kurtz, 2013a)

En el año 1984, tanto el Gobierno Nacional como el Provincial demostraron gran interés por lo investigado y desarrollado en la Facultad de Ingeniería de la UNaM (en ese entonces "Facultad de Ingeniería Electromecánica") que fue declarado de interés publico por el Gobierno Provincial, el desarrollo y fomento de las microturbinas y su instalación en zonas rurales aisladas, carentes de energía eléctrica. (Kurtz, 2013b)

Es así que se firma ese mismo año un convenio entre el Gobierno de la Provincia de Misiones y la Universidad Nacional de Misiones (UNAM), para la realización de varios proyectos de microgeneración hidroeléctrica.

Para la materialización de este convenio, se conformaron consorcios integrados por los futuros usuarios. Estos consorcios serían los encargados de administrar los fondos que el Gobierno Provincial adelantaba para la ejecución de la obra. Los futuros beneficiarios asumían el compromiso de participar en la construcción de las obras civiles y el tendido de la línea de distribución eléctrica.

El Gobierno Provincial a través de la dirección de Recursos Hídricos, se encargaba de la realización del proyecto de la obra civil y supervisión de su ejecución. La entonces Empresa de Energía de Misiones, realizaba el proyecto de las líneas de transmisión y distribución eléctrica.

La Facultad de Ingeniería se hacía cargo de todo el Equipamiento Hidromecánico y Electrónico de la microcentral, así como la capacitación de los nuevos usuarios para el manejo y uso racional de la energía. (Kurtz, 2013a; Kurtz, 2013b).

Con el apoyo gubernamental a través de la Facultad de Ingeniería de la UNaM ejecutaron varios Pequeños Aprovechamiento Hidroeléctricos (PAH), en zonas rurales alejadas de los centros urbanos las que funcionaron satisfactoriamente. (Kurtz, 2003)

Inicialmente estas PAH, se encontraban emplazadas a gran distancia de la línea de distribución de energía eléctrica comercial. Pero con el tiempo el aumento poblacional y un cambio de la política de electrificación rural, propició la llegada del tendido eléctrico comercial a los pobladores abastecidos por la PAH.

La llegada de la red eléctrica comercial con más potencia disponible, sumada al costo de mantenimiento de la micro central hidroeléctrica, que para ese entonces ya era de propiedad de los beneficiarios, conforme al convenio original del gobierno provincial; propició el lento abandono de la mayoría de los PAH, instalados en la Provincia de Misiones.

El aumento de la demanda de energía eléctrica

El constante crecimiento demográfico trae como consecuencia el aumento de la demanda de energía eléctrica. Los sistemas de generación, transmisión y distribución de la energía eléctrica no acompañan el crecimiento de la población y de la industria en la misma proporción. Este problema exige la necesidad de incrementar la generación de energía eléctrica por diferentes medios, ya sea a través de fuentes renovables o no renovables. Claro está que las energías renovables no convencionales, tienen cada día una mayor aceptación, máxime si se conjugan con lo ecológico. Las PCH (Pequeñas Centrales Hidroeléctrica), constituyen una fuente de energía que combina lo ecológico con lo renovable. El agua se considera un bien renovables y dada las características de la PCH, que generalmente no utilizan represas, un bien ecológico. Esto es las PCH, son consideradas ecológicas y renovables.

Smart intra grid de micro centrales

Una forma de incrementar la producción de electricidad, puede estar en la interconexión de mini y micro centrales hidroeléctricas a la red eléctrica publica, con gestión inteligente de carga, una suerte de "smart intra grid", esto es: Red inteligente interna, tomando como epicentro la Facultad de Ingeniería (UNaM) (FIO-UNaM), ubicada en Oberá, provincia de Misiones.

La implementación de una red inteligente de microturbinas en Misiones presenta fundamentalmente dos inconvenientes: Uno de orden técnico y otro que tiene que ver con políticas de implementación.

El tema político o de reglamentación, gurda relación con el hecho que en Argentina no se cuenta al día de hoy, con una ley que regule la venta de energía eléctrica por parte de pequeños productores particulares. Por lo que no está permitida la inyección de energía a la red comercial.

Al particular, la Facultad de Ingeniería (FIO-UNaM), genera en paralelo inyectando a la red comercial desde hace tiempo, en el micro aprovechamiento hidroeléctrico denominado "El Tigre" ubicado a aproximadamente 25km de la FIO-UNaM.

La hidroelectricidad producida a modo experimental por El Tigre, pensado como laboratorio de la FIO-UNaM, puede suministrar energía a la red comercial, gracias a un acuerdo entre la UNaM y la Cooperativa Eléctrica Limitada de Oberá (CELO), esta última propietaria del tendido eléctrico comercial próximo al emplazamiento de la micro central El Tigre. (Kairiyama et al., 2009)

Con el acuerdo entre la UNAM y la CELO, se hizo posible el estudio por parte de la Facultad de Ingeniería, del funcionamiento de PCH conectadas en paralelo a una red de gran porte, sin que exista una reglamentación regulatoria referente de la venta de energía eléctrica por parte de pequeños productores particulares.

Pero hasta el presente, el tema de venta de energía eléctrica por parte de productores independiente. Todavía constituye un punto a resolver.

El inconveniente de orden técnico a su vez, se puede dividir en dos. Uno en relación a la línea eléctrica que une los PAH distribuidos en la provincia de Misiones. Y otro, la vía de transmisión de datos desde cada aprovechamiento hidroeléctrico con la central de control.

El caso de la conexión eléctrica de los distintos PAH, al sistema interconectado provincial. No presentaría inconveniente, ya que como se indicó anteriormente. La llegada de la línea fue uno de los motivo del abandono de las PCH. O sea las líneas estarían disponibles, por lo menos desde el punto de vista técnico.

Respecto a la vía de transmisión (kurtz, 2003) de datos desde cada aprovechamiento hidroeléctrico con la central de control, todavía constituye un problema a resolver.

Ubicación de aprovechamientos en Misiones

El análisis de los parámetros de cada aprovechamiento se centra en algunas de PAH ubicadas actualmente en la provincia de Misiones Argentina. En la Figura 1 se observa la ubicación de los PCH considerados. En esta misma figura también se puede observar la ubicación de la Facultad de Ingeniería (UNaM), donde se recibirán y tratarán los datos trasmitidos y recibidos de cada uno los aprovechamientos que conformaran la red inteligente propuesta

Figura 1. Ubicación de aprovechamientos en Misiones – Argentina (Fuente Gobierno de Mnes [8]

En la Tabla 1 se resume las características de los aprovechamientos y las distancias aproximadas relativas al punto de recepción de datos. En lo que respecta al aprovechamiento El Tigre, este dispone de estructura para implementar una turbina secundaria destinada a los ensayos de los diferentes tipos de controladores y generadores, donde próximamente se realizaran también las pruebas de enlaces y envío de datos propuestos en este trabajo.

Tecnologías apropiadas de comunicación

Dadas las condiciones geográficas y la densidad poblacional del entorno en donde están implementados los aprovechamientos, normalmente, no se cuenta con soporte de comunicación para datos, en algunos casos hay disponible servicio de telefonía celular y en otros casos se implementan radio – enlaces telefónicos para mantener comunicada a la zona, pero los costos no siempre son accesibles.

Para ejemplificar, se ha seleccionado dos aprovechamientos cercanos a la Facultad de Ingeniería, los cuales se indican en el sector del mapa topográfico de la Figura 2, y se presenta un estudio de prefactibilidad de enlaces en la banda no licenciada de 2,4 GHz dado que el equipamiento en esta frecuencia tiene un costo accesible y se dispone con cierta facilidad.

Tabla 1. Principales Características de los distintos aprovechamientos considerados

* Facultad de Ingeniería

** Se considera Familia tipo compuesta de 4 Personas

*** Esta microcentral se usa para cubrir la energía eléctrica que consume la Facultad de Ingeniería

Figura 2. Sector donde están ubicados los aprovechamientos más cercanos al punto de recepción de datos

En las figuras 3 y 4 se pueden observar los perfiles topográficos asociados a cada enlace, donde se puede apreciar la necesidad de una torre de 60 metros instalada en la Facultad de Ingeniería que funcione de soporte para las distintas antenas que estarán orientadas cada una, hacia la dirección del aprovechamiento, otras torres de altura considerable en el lugar de cada aprovechamiento que tendrán la altura particular dependiente del terreno. Estos tipos de instalaciones son de un costo considerable.

Como referencia se presentan los costos de los aspectos más relevantes de la infraestructura en la Tabla 2.

Tabla 2. Costos aproximados de instalación de los radioenlaces considerados

Considerando lo expuesto hasta ahora; los costos asociados a la instalación, puesta a punto y mantenimiento de los radioenlaces se elevan de tal manera que no resulta eficiente la relación costo beneficio. A partir de estas consideraciones toma relevancia la opción con enlace satelital, la cual será abordada en la próxima sección.

Enlaces satelitales

Las comunicaciones satelitales son llevadas a cabo por sistemas de telecomunicaciones que emplean uno o más satélites para retransmitir las señales electromagnéticas generadas por una estación emisora con el objeto de enviarlas a otra esta estación, que habitualmente no tienen alcance visual (Vela, 2003) (Moya, 2002).

Para la transmisión de datos a bajo costo, vía satélite se han creado estaciones de emisión-recepción de bajo costo llamadas VSAT (Very Small Aperture Terminal). Una estación VSAT típica tiene una antena de un metro de diámetro y un vatio de potencia. Normalmente las estaciones VSAT no tienen potencia suficiente para comunicarse entre sí a través del satélite (VSAT – satélite – VSAT), por lo que se suele utilizar una estación en tierra llamada "hub" que actúa como repetidor (Kurtz, 2003). De esta forma, la comunicación ocurre con dos saltos tierra-aire (VSAT- satélite – hub – satélite – VSAT). Un solo hub puede dar servicio a múltiples comunicaciones VSAT [9].

Estos satélites, generalmente pertenecen a empresas proveedoras exclusivamente de este servicio, lo que limita su manejo; además, como es un único canal de comunicación, debe ser compartido por muchos usuarios, lo que hace necesario contar con técnicas o protocolos de acceso que garanticen la correcta transmisión de información. (Gioda, 2005)

El costo de una transmisión vía satélite es independiente de la distancia, siempre que las dos estaciones se encuentren dentro de la zona de cobertura del mismo satélite. Además, no hay necesidad de crear infraestructuras terrestres importantes. El equipamiento necesario es relativamente reducido, por lo que son especialmente adecuados para enlazar instalaciones provisionales que tengan una movilidad relativa, o que se encuentren en zonas donde la infraestructura de comunicaciones esté poco desarrollada.

Cabe destacar que si bien el costo de esta tecnología es independiente de la distancia y no conlleva una gran infraestructura para la puesta en marcha la erogación de un enlace de 64Kbps ronda los U$$ 350 por mes por el servicio, a esto hay que sumarle el costo de los equipamientos.

En la Figura 5, se presenta el esquema de la configuración propuesta para este tipo de servicio.

Figura 5. Esquema de conexión propuesta con enlaces satelitales

Conclusiones

Conclusión Respecto al Enlace:

La utilización de enlaces satelitales para el envío de variables de operación de micro y pico centrales hidroeléctricas, que se encuentran alejadas a más de 25 km de los centros urbanos, provee una opción económicamente viable dentro de las tecnologías disponibles en la zona.

Los estudios de prefactibilidad que se realizan para logra el envío de datos desde los distintos aprovechamientos con tecnología de microondas; arrojan resultados positivos pero asociados a una inversión de una magnitud comparable a la instalación del aprovechamiento.

Debido al costo del sistema de radio frecuencia terrestre, se recurre a la opción de servicios de enlaces mediante satélites geoestacionarios que, con equipos relativamente más económicos permiten el envío de datos independientemente de la ubicación geográfica. Con este tipo de tecnología se espera concentrar datos provenientes de lugares muy distantes con el fin de obtener modelos de comportamiento de acuerdo al asentamiento poblacional que abastece y asociado a esto, es posible proveer comunicación telefónica y servicio de Internet a la zona aislada bajo el mismo servicio.

Conclusión Respecto a la Interconexión Eléctrica:

La conexión eléctrica al sistema interconectado provincial, con gestión inteligente de carga, de mini y micro centrales hidroeléctricas, instaladas en la Provincia de Misiones en Argentina, si bien no solucionaría en la totalidad el problema de la creciente demanda de energía eléctrica, puede contribuir en el estudio e implementación de redes eléctrica inteligente (o smart grid en inglés) de mayor porte. En la región de estudio y por que no en La Argentina toda.

No solo para Pequeñas Centrales Hidroeléctricas, sino también la interconexión de otras fuentes alternativas de energía, por ej. Fotovoltaica, Eólica, Ggeotérmica, Biomasa, Undimotriz, Mareomotriz, entre otras.

Contribución:

Con la implementación de este sistema en escala. Puede también aportar antecedentes para la sanción de leyes argentinas, que rijan la venta de energía eléctrica de fuentes alternativas, renovables y ecológicas, generada por pequeños o medianos productores particulares.

Finalmente:

Con la instalación de una red inteligente interna, la que se le bautizo como "smart intra grid", con centro en la Facultad de Ingeniería (UNaM) en Oberá, se estaría contribuyendo a generar nuevos saberse en el área de redes inteligentes, que contribuirían en la formación de alumnos y docentes en lo que se conoce como; La Tercera Revolución Industrial. (Rifkin, 2011).

Y claro, sería deseable la union también en red, de los distintos centros de estudio e investigación que tratan los temas de energía renovables y afines.

Con la instalación de PCH en red, es posible aprovechar pequeñas centrales hidroeléctricas, actualmente en desuso. Generando conocimiento "Know-how" en un marco de desarrollo sustentable. Atentos a los lineamientos de la Secretaría de Ambiente y Desarrollo Sustentable de la Nación.

NOMENCLATURA

Referencias

Kurtz V. H. (2013) Pequeños aprovechamientos hidroeléctricos en Misiones. DNIC – Dirección Nacional de Información Científica Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación Productiva (MinCyT). Secretaría de Energía Argentina http://www.energia.gov.ar

Kurtz V.H. (2013) Pequeños aprovechamientos hidroeléctricos en Misiones. Universidad Nacional de Misiones – UNAM – http://www.monografias.com/trabajos94.

Kairiyama J.C., Fernández G. A. y Kurtz V. H. (2009) Sistema de automatización, supervisión y control del aprovechamiento hidroeléctrico arroyo el tigre. La máquina de estado como herramienta de diseño. Revista Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente (AVERMA) Vol. 13, 2009. Impreso en la Argentina. ISSN 0329-5184.

Kurtz V.H. (2003) Telemando para Pequeñas Centrales Hidroeléctricas, Anais do X Encontro Latino-Americano e do Caribe em Pequenos Aproveitamentos Hidroenergéticos, X ELPAH, MG Brasil.

[Vela 2003] – Vela R. N. (2003) "Comunicaciones Por Satélite" Ed Thomson – Mexico, 2003.

J. H. Moya "Comunicaciones Móviles" d. Paraninfo.- Madrid, 2002

M. Gioda "Comunicaciones satelitales S-UMTS" Tesis especialidad en telecomunicaciones telefónicas. Universidad Nacional de Córdoba, Marzo 2005

[8] http://www.misiones.gov.ar/misiones/mapas/index.htm

[9] http://es.wikipedia.org/wiki/VSAT

[10] Programa (Versión 8.17) de propagación de radio y cartas virtuales http://www.cplus.org/rmw/

Rifkin J. (2011). The third industiral Revolution: How Lateral Power is Transforming Energy, the Economy, and the World. Ed. Palgrave – Macmillan.

[12] Secretaría de Ambiente y Desarrollo Sustentable de la Nación. Consultado el 17 de junio de 2015 http://www.ambiente.gov.ar/

Autor:

V. H. Kurtz[1]

G. G. Osterwalder[2]

H. A. Mendoza[3]

1y3 Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Misiones – Proy. 16/I091

Juan Manuel de Rosas 325 – 3360 Oberá – Misiones

2School of Engineering Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaft (ZHAW)

Gertrudstrasse 15, CH- 8401 Winterthur, Zürich, Switzerland

[1] Director del proyecto de investigaci?n 16/I091.

[2] Investigador externo l?nea 16/I091.

[3] Investigador UNaM, l?nea 16/I091.