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RESUMEN DE TRABAJO DE TESIS
“IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA HÍBRIDO EÓLICOTÉRMICO A GAS NATURAL PARA DISMINUIR EL
CONSUMO DE GAS COMBUSTIBLE EN EL SUMINISTRO
ELÉCTRICO DEL YACIMIENTO PETROLERO LOTE-X DE
TALARA”
En el Perú de hoy, se utilizan los combustibles fósiles, vale decir,
petróleo, diesel y gas natural, para generar la energía necesaria en la
explotación de los yacimientos petroleros. ¿Será factible utilizar el
potencial eólico aprovechable con que cuenta el país?
Autores: Francisco Porles Ochoa1, James Coris Cáceres2
En nuestro país, los yacimientos de petróleo y gas, por su extensión y ubicación
geográfica, no se encuentran conectados al sistema eléctrico interconectado nacional
(SEIN), requiriendo para ello elevados costos de inversión. Según el Informe Mensual
(Setiembre 2014) de Perupetro, existen en el país 70 contratos de hidrocarburos vigentes,
de los cuales, 46 están en la etapa de exploración y 24 en la etapa de explotación. De
estos 24 contratos de explotación, es decir, en producción, 11 se ubican en la costa
(noroeste), 10 en la selva y 3 en el zócalo.
El presente trabajo de investigación3, plantea la utilización de la energía eólica como
fuente de energía alternativa para la producción de electricidad en un yacimiento petrolero
ubicado en el noroeste del país, y evalúa la implementación de un sistema híbrido eólicotérmico a gas natural para el abastecimiento de electricidad en dicho yacimiento, -el cual
actualmente autogenera electricidad para su propio consumo mediante energía térmica-,
con el objetivo de disminuir el consumo de gas natural para la generación eléctrica y
reducir los altos índices de interrupciones en el suministro eléctrico. Asimismo, el presente
trabajo realiza un Análisis de Estabilidad y Confiabilidad del sistema eléctrico resultante, a
efectos de viabilizar su implementación.
1
2
Ingeniero Mecánico (Universidad Católica del Perú)
Ingeniero Electricista (Universidad Nacional del Centro)
3
Trabajo de tesis titulado: “IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA HÍBRIDO EÓLICO-TÉRMICO A GAS NATURAL PARA DISMINUIR EL
CONSUMO DE GAS COMBUSTIBLE EN EL SUMINISTRO ELÉCTRICO DEL YACIMIENTO PETROLERO LOTE-X DE TALARA”; realizado para
obtener el grado de Maestro en Ciencias con mención en Energía. Maestría organizada por la Facultad de Ingeniería
Mecánica (FIM-UNI) en convenio con el CARELEC (Ministerio de Energía y Minas).
El yacimiento petrolero en explotación materia del presente estudio es el Lote-X, ubicado
en el distrito El Alto, provincia de Talara, departamento de Piura (ver Figura 1), que opera
en forma aislada al Sistema Eléctrico Interconectado Nacional (SEIN). Es un auto
productor de energía eléctrica y cuenta para ello con generación local propia a través de
una central termoeléctrica de 8,3 MW de potencia instalada, equipada con nueve (09)
grupos electrógenos que usan como combustible el gas natural producido en el mismo
yacimiento. Las cargas principales están representadas por motores eléctricos asíncronos
trifásicos con rotor del tipo jaula ardilla, de potencia variable entre 5 y 75 HP con tensión
de alimentación de 460 voltios, utilizados para accionar las unidades de bombeo
mecánico de los más de 1,700 pozos productores que se encuentran ubicados en forma
dispersa en todo el yacimiento, en un área de más de 47,000 hectáreas (470 Km²),
conformando pequeñas y medianas agrupaciones de carga que varían entre 80 KVA a
800 KVA.
REDES DE DISTRIBUCIÓN
ELÉCTRICA LOTE X
CTE El Alto
LOTE X
Área: 470 Km2 (47000 hectáreas)
N° Pozos: más 1700
Zona Costera (ventosa)
Distrito de El Alto
Provincia de Talara
Departamento de Piura
Pozos productores
Figura 1. Ubicación geográfica del yacimiento Lote-X y de su sistema eléctrico para el
abastecimiento de electricidad a los pozos productores de petróleo y gas.
Para realizar el modelamiento y las simulaciones eléctricas, se utilizó el software
DIgSILENT Power Factory, así como también, el software HOMER como herramienta
para el diseño, modelado, optimización y análisis de factibilidad del sistema híbrido eólicotérmico (a gas natural). Para ello, se evaluaron cuatro (04) escenarios con generación
eólica y un (01) escenario base, con la finalidad de poder abarcar los suficientes
escenarios que permitan determinar la conexión eléctrica más óptima:

Escenario Base: sistema actual de generación convencional a partir de la única central
termoeléctrica existente, conformado por grupos electrógenos a gas natural.

Escenario 1: sólo generación eólica, de manera centralizada y ubicada en el Distrito El
Alto.

Escenario 2: sólo generación eólica distribuida por zonas a lo largo de toda la
extensión del yacimiento.

Escenario 3: generación híbrida (eólica – térmica a gas natural) instalados en la actual
ubicación de la central termoeléctrica.

o
Sub-escenario 3.1: generación eólica cubriendo hasta el 14,3 % de la demanda
eléctrica del yacimiento, el resto con generación térmica a gas natural.
o
Sub-escenario 3.2: generación eólica cubriendo hasta el 28,59 % de la demanda
eléctrica del yacimiento, el resto con generación térmica a gas natural.
o
Sub-escenario 3.3: generación eólica cubriendo hasta el 42,89 % de la demanda
eléctrica del yacimiento, el resto con generación térmica a gas natural.
Escenario 4: generación híbrida (eólica – térmica a gas natural) distribuida por zonas a
lo largo de toda la extensión del yacimiento.
o
Sub-escenario 4.1: generación eólica cubriendo hasta el 14,3 % de la demanda
eléctrica del yacimiento, el resto con generación térmica a gas natural.
o
Sub-escenario 4.2: generación eólica cubriendo hasta el 35,74 % de la demanda
eléctrica del yacimiento, el resto con generación térmica a gas natural.
o
Sub-escenario 4.3: generación eólica cubriendo hasta el 42,89 % de la demanda
eléctrica del yacimiento, el resto con generación térmica a gas natural.
Respecto al recurso eólico a utilizar, los datos meteorológicos del viento se pueden
importar del programa HOMER, pudiendo además obtenerse del programa METEONORM
los valores horarios de la velocidad del viento para la zona en estudio. Sin embargo, se ha
utilizado la base de datos histórica de mediciones de viento que fueron registrados por la
Estación Meteorológica de Talara perteneciente a CORPAC4. El rango de velocidades del
viento utilizado, según el registro histórico de viento en Talara es: 4,0 m/s; 5,0 m/s; 5,5
m/s; 6,5 m/s y 7,0 m/s (Ver Figura 2).
4
CORPAC S.A, Corporación Peruana de Aeropuertos y Aviación Comercial.
Figura 2. Sensibilidad de la velocidad del viento en m/s (zona de Talara) en HOMER.
Desde el punto de vista técnico-económico, para un suministro más confiable de energía
eléctrica, se requerirá un sistema híbrido eólico-térmico a gas natural, compuesto por:

Dos (02) aerogeneradores VESTAS modelo V100-1,8MW o similar, los cuales poseen
un rotor a barlovento equipado con tres palas a 120° entre ellas. Dentro de cada
aerogenerador se encuentran los equipos de control y conexión en baja tensión. La
potencia individual de cada aerogenerador es de 500 kW a la velocidad de viento
promedio de 6 m/s, totalizando para el parque eólico 1,000 kW disponibles para el
despacho eléctrico.

Cuatro (04) grupos electrógenos CUMMINS modelo 1250GQNA de 1,028 kW cada
uno.

Dos (02) grupos electrógenos CATERPILLAR modelo 3516LE de 428 kW cada uno.

No es necesario contar con banco de baterías ni convertidores, pues no hay exceso
de energía eléctrica para almacenar.
Como resultado del estudio de estabilidad transitoria, los escenarios más viables desde el
punto de vista de estabilidad son el Sub-escenario 3.1 y el Sub-escenario 4.1. Se
establece hasta un 14,3% como máximo de penetración de energía eólica en el sistema
eléctrico del yacimiento (ver Tabla 1 y Figura 2). Asimismo, estos sub-escenarios
presentan valores de frecuencia y tensión ligeramente fuera del rango tolerable durante y
después de la perturbación. Sin embargo,para el estado de restablecimiento se presentan
oscilaciones sostenidas que no se amortiguan ni se estabilizan, por lo que se requiere de
un estabilizador de potencia o PSS para que su implementación sea viable. Estas
oscilaciones son posibles de amortiguar mediante la aplicación de estabilizadores de
sistemas de potencia o PSS’s (Power System Stabilizer) en los generados síncronos. El
modelo propuesto es el PSS-IEEEST.
Potencia efectiva de
Número de
la central eléctrica
aerogeneradores de
kW
450 kW a 6 m/s.
Generación
Despacho (kW) de
eólica (kW)
generadores
Generación eólica
5 395,72 kW
cubriendo el 14,3 % de
(04 GG.EE CUMMINS a
la demanda de la
02
900
1 028 kW + 03 GG.EE
central eléctrica en
CATERPILLAR a 427,9
kW.
kW)
Total Demanda(kW)
Tabla 1. Despacho de generación Sub-escenario 3.1.
6,295.72
Figura 3. Ángulo del rotor de cada generador síncrono - Sub-escenario 3.1.
Como parte de los resultados del análisis técnico-económico realizado con el programa
HOMER, se concluyó que sí es posible reducir el costo de electricidad para el
autoabastecimiento del yacimiento Lote-X a través de la penetración de la energía eólica
disponible en la zona. Así se obtuvo una reducción en el costo promedio de energía
(COE) – incluyendo el costo del gas combustible - de 11.2 %, es decir, de 0.139 US$/kWh
con el escenario base a 0.125 US$/kWh con los sub-escenarios 3.1 y 4.1 (ver Figura 4).
Esto representa un ahorro económico para el operador del yacimiento de
aproximadamente 551,880 US$/año, que podrá ser invertido para optimizar su producción
de petróleo y gas.
Figura 4. Resultado final de Sensibilidad con HOMER para el Sub-escenario 3.1_4.1, para
velocidad de viento entre 3 y 4 m/s, precio del gas natural de 0.1 US$/m³ y cumpliendo la
restricción del Estudio de Estabilidad de 14.3 % (redondeo a 0.15).
A partir de los registros históricos de operación del sistema, que abarcan un período de 10
años (2004-2013) y con la utilización del software DIgSILENT, se determinaron índices de
confiabilidad (ver Tabla 1) del sistema de sub-transmisión, tales como el índice de
frecuencias de interrupciones promedio del sistema (SAIFI), índice de duración de
interrupciones promedio del sistema (SAIDI), índice de duración de interrupciones
promedio por cliente (CAIDI), índice de disponibilidad de servicio promedio (ASAI) y
energía no suministrada del sistema (ENS).
Tabla 1. Cuadro comparativo de índices de confiabilidad de los escenarios simulados.
Del análisis comparativo de los sub escenarios simulados, se obtuvieron las siguientes
conclusiones:
o
El sub-escenario 4.3 presenta en primer lugar los valores más bajos de los índices
SAIFI, SAIDI, CAIDI, ENS y mayor valor del índice ASAI. Además, de acuerdo al
estudio de estabilidad transitoria, este escenario no es viable por las oscilaciones
sostenidas de tensión y frecuencia después de ocurrida una gran perturbación.
Este sub escenario presenta una (01) falla cada 263 horas.
o
El sub-escenario 4.2 presenta en segundo lugar los mejores índices de
confiabilidad para el sistema y representa la generación eólica distribuida con el
35.74 % de la demanda eléctrica, y de acuerdo al estudio de estabilidad transitoria
no representa una opción viable. Este sub escenario presenta una (01) falla cada
255,796 horas.
o
El sub-escenario 4.1 presenta en tercer lugar los mejores índices de confiabilidad y
representa la generación eólica distribuida con el 14,3% de la demanda eléctrica, y
de acuerdo al estudio de estabilidad transitoria representa la opción más viable
para implementarse. Este sub escenario presenta una (01) falla cada 237,154
horas.
o
De manera general se concluye que, de acuerdo a los índices de confiabilidad de
la topología de red del Sub-escenario 4.1, éste no repercute significativamente en
la topología actual de la red, por lo que podemos asegurar que la incorporación del
14.3 % de generación eólica distribuida por zonas en el sistema actual, no afectará
la operación del sistema y por lo tanto es el sub-escenario recomendado para
implementarse con generación eólica.
Además, considerando una vida útil del proyecto de 10 años, el “Escenario Base”
consumirá anualmente en promedio 12.7 millones metros cúbicos (448,5 millones pies
cúbicos) de gas natural como gas combustible, mientras que los “Sub-escenarios 3.1 y
4.1” (sistema de energía híbrido térmico-eólico) con 14.3% de penetración de la energía
eólica consumirá 10.99 millones metros cúbicos (338.2 millones pies cúbicos), es decir,
una reducción anual del 24.6 % en el consumo de gas natural.
Respecto a la emisiones con el sistema híbrido óptimo obtenido, se alcanzará una
producción de 18´ 219,022 kg/año, lográndose reducir las emisiones de gases de efecto
invernadero (CO2) en un 36.4 % respecto al “Escenario Base”, con el cual se llegará a
producir 24´ 852,150 kg/año. Los beneficios económicos ambientales que ello conlleve, se
podrán sumar a los beneficios económicos por el menor COE (ahorro energético
obtenido).
Se demuestra que la velocidad del viento, es la variable termodinámica determinante para
la configuración del sistema híbrido, considerando el potencial energético existente en la
zona. Se determinó que la velocidad promedio de velocidad del viento disponible en la
zona es de 5 a 6 m/s, y para cumplir la restricción de 14.3 % de máxima penetración
eólica se requiere como mínimo 3.75 m/s, la cual es plenamente cubierta por la velocidad
promedio disponible.
Finalmente, se concluyó que un sistema híbrido (térmico-eólico) para la generación de
energía eléctrica bien dimensionado hasta una penetración de renovable del 14.3%, tiene
la ventaja de la estabilidad y confiabilidad en el suministro eléctrico que requiere el
yacimiento Lote-X. Con la información eólica que existe hoy en la zona norte, un sistema
de energía híbrido es factible de planificar, modelar y diseñar.
Asimismo, hoy el Perú está comprometido con las energías renovables, prueba de ello es
la presentación por parte del Ministerio de Energía y Minas (MINEM) del “Plan Energético
Nacional 2014-2025, que establece incrementar la participación de las centrales
renovables no convencionales (eólica, solar, etc.) progresivamente hasta alcanzar una
participación de 20% en el total de la generación eléctrica al 2025 en conjunto con las
hidroeléctricas menores de 20 MW.