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Introducción
A nivel mundial, el sector del transporte es responsable de más de un 30 % del consumo total de energía, una cuarta parte de las emisiones de CO2 y un 15 % de las emisiones antropogénicas de Gases de Efecto Invernadero (GEI) [1,2]. Si se anhela cumplir con las obligaciones establecidas en el Acuerdo de París, es necesaria una transición que se aleje paulatinamente del consumo de combustibles fósiles. Esto sería posible mejorando la eficiencia energética de los modos de transporte y las tecnologías relacionadas con los mismos. En este sentido urge un cambio conceptual, estructural y técnico para alcanzar el reto de la sostenibilidad energética. No existe formulación técnica posible para lograr el desarrollo sostenible con el uso de los combustibles fósiles.
En el campo de las fuentes renovables de energía, se reconocen las ventajas del empleo de sistemas integrados a la red por sobre las aplicaciones aisladas, debido principalmente al alto costo de los sistemas de almacenamiento de energía y a la intermitencia y variabilidad de los recursos renovables [3,4]. Hoy es evidente el desarrollo de la utilizacion de las fuentes renovables y su aplicación en la recarga de vehículos eléctricos como solución a la necesidad de un transporte menos contaminante [5-7].
Por otro lado, aunque parezca suficiente un determinado potencial solar o eólico para considerar preferible un sistema eólico puro o fotovoltaico puro, el empleo de sistemas híbridos de energía resulta en muchos casos, más confiable [3,8,9]. La posibilidad de implementar un sistema híbrido eólico-fotovoltaico en localidades con reducido potencial eólico para la recarga de vehículos eléctricos es algo aun por analizar.
Muchas empresas, centros de enseñanza, y otras instituciones emplean flotas de ómnibus de combustión para el traslado de los estudiantes y trabajadores desde las sedes hasta determinados enclaves. La gran mayoría de esos equipos poseen varios años de explotación y en ocasiones se encuentran sobreexplotados. Debido a que no se cumple con los plazos de los mantenimientos planificados y por ello aumenta el deterioro técnico y el consumo de combustibles y lubricantes. Los tiempos de parada por rotura traen aparejado que no se cumplan los planes anuales de transportación.
Los autores analizaron la propuesta de sustituir una flota de ómnibus diésel por una de ómnibus eléctricos para ser usados en la transportación de los trabajadores de los centros de trabajo y educacionales. Dicha flota va a ser recargada usando un sistema híbrido eólico-fotovoltaico; situado en dos zonas de estudio, una primera zona con un abundante potencial eólico (Zona 1) y otra zona con un potencial eólico pobre (Zona 2). Con un cargador de 60 kW se pueden recargar sus baterías hasta la máxima capacidad de 295 kWh en 5 horas [10]. En este trabajo se utilizó el ómnibus híbrido Yutong E12, la capacidad es de 97 personas, tienen una velocidad máxima de 69 km/h y una autonomía de 300 kilómetros [11].
El objetivo de esta investigación consistió en evaluar un sistema híbrido eólico-fotovoltaico conectado a la red para la recarga de una flota de ómnibus eléctricos. Se comprobó que el sistema híbrido en ambas localidades cumple con la demanda para la recarga de la flota y se evidenció la influencia positiva que tiene contar con un buen potencial eólico en la generación eléctrica. Como resultado colateral se obtuvo una reducción considerable de GEI debido al empleo de fuentes renovables de energía para la generación de la electricidad de recarga de los ómnibus, en lugar de utilizar la red eléctrica. Los resultados corroboran que la demanda de electricidad necesaria para la recarga de una flota de 8 ómnibus eléctricos con pobre potencial eólico como el de la zona 2, se puede satisfacer con un sistema híbrido eólico-fotovoltaico.
Métodos y Materiales
Esta investigación se realiza para evaluar y comparar la energía entregada al sistema de recarga por dos fuentes renovables (viento y sol) en dos emplazamientos, uno con un buen potencial eólico (Zona 1) y otro con un potencial eólico pobre (Zona 2). Cada uno de los sistemas debe generar la energía para recargar las baterías de una flota de los 8 ómnibus eléctricos K12. En este estudio se evaluó la factibilidad técnica de implementar un sistema de recarga híbrido en localidades con reducido potencial eólico. Como resultado colateral se evidencia una reducción considerable de los GEI debido al empleo de fuentes renovables de energía para la generación de la electricidad de recarga de los ómnibus, en lugar de utilizar la red eléctrica.
Las disponibilidades de las fuentes de energía estudiadas se obtienen: para la energía solar-fotovoltaica en los trabajos [3,12] y para la energía eólica que puede ser generada en cada territorio en los trabajos [13,14].
Para el análisis y modelación de los sistemas de recarga basados en fuentes energéticas renovables se empleó el software HOMER versión 2.68 Beta. Este programa permite diseñar y evaluar diversos sistemas híbridos teniendo en cuenta el análisis de la sensibilidad y optimización a partir de la definición de las tecnologías, los costos, las cargas de demanda y la disponibilidad de recursos. Permite además realizar un análisis detallado hora a hora del comportamiento del sistema, propiciando la buena selección de las opciones y minimizando el tiempo de trabajo.
La instalación de recarga se diseñó con un aerogenerador de 65 kW de potencia, modelo Entegrity eW15, un arreglo de 400 paneles fotovoltaicos de 300 Wp, para una potencia fotovoltaica total de 120 kW y se utilizan 4 conversores para las 4 estaciones de recarga y 4 inversores bidireccionales (CD)/(CA) conectados a la red para la entrega de la energía sobrante a la misma, figura 2.
Características del ómnibus
Uno de los modelos de ómnibus híbridos más empleados es el modelo Yutong K12, figura 1 y cuyas características se muestran en la tabla 1 [10]. Después de realizadas las pruebas técnicas los mismos se encuentran circulando por distintas ciudades con un buen desempeño y una reducida emisión de contaminantes en su funcionamiento. Este modelo es el empleado en esta investigación.
Tabla 1 Características técnicas del ómnibus Yutong E12
| Largo | 12,0 m | Potencia | 200 kW |
| Ancho | 2,5 m | Torque | 2400 N-m |
| Peso | 19700 kg | Velocidad máxima | 70 km/h |
| Pasajeros sentados | 23 | Autonomía | 320 km |
| Pasajeros de pie | 69 | Tiempo de recarga | 5 h con cargador de 70 kW |
Estos ómnibus no emiten emisiones de gases en su funcionamiento y son más silenciosos que los de combustión, disminuyendo la contaminación sonora. Poseen características de diseño semejantes a los ómnibus tradicionales. Su capacidad es de 92 personas, semejante a los ómnibus de combustión de iguales dimensiones [11].
Los ómnibus trabajan cinco horas y media diarias, en ese tiempo recorren alrededor de 60 km por día, en régimen urbano, con velocidad promedio de 30 km/h. El consumo promedio de los ómnibus eléctricos es de 1,1 kWh/km [10].
Las flotas de ómnibus realizan recorridos iguales en ambas localidades. Em la mañana trasladan el personal de 5 am a 7:30 am, en la tarde de 5:30 pm a 8 pm. El resto del tiempo permanecen en la base, este plan de transportación se repite todos los días laborales, excepto los fines de semana. Este itinerario permite aprovechar el recurso solar de 7:30 am a 5:30 pm en la recarga de la flota, cuando los ómnibus se encuentran en la base.
Teniendo en cuenta los recorridos diarios de la flota, se tiene una demanda energética de 405 kWh al día, con una potencia pico para la recarga de 70 kW. En la investigación se decidió recargar la flota entre las 9 am a 4 pm todos los días, figura 3.
Estaciones de recarga y fuentes de energía
Las estaciones de recarga se encuentran en zonas con abundante recurso solar, por el contrario las velocidades del viento difieren considerablemente en ambos lugares y esto hace que las densidades de potencia también sean diferentes. En este trabajo se evaluó el comportamiento de la instalación de recarga teniendo en cuenta el potencial eólico abundante y escaso de las zonas 1 y 2 respectivamente. Los datos de la velocidad del viento promedio mensual de ambas zonas, en metros por segundo, se muestran en la tabla 2. Las disponibilidades de las fuentes de energía estudiadas se obtienen: para la energía solar-fotovoltaica en los trabajos [3,12] y para la energía eólica que puede ser generada en cada territorio en los trabajos [13,14]. En la figura 4 se observa la frecuencia mensual de probabilidad de velocidad del viento a 50 m de altura para las dos zonas.
Tabla 2 Velocidad del viento promedio mensual
| Mes | E | F | M | A | M | J | J | A | S | O | N | D | Promedio |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Zona 1 | 7,6 | 7,7 | 7,5 | 7,6 | 6,3 | 6,8 | 7,3 | 6,7 | 5,6 | 6,2 | 7,6 | 7,7 | 7,1 (m/s) |
| Zona 2 | 5,4 | 5,5 | 5,6 | 5,1 | 4,7 | 4,1 | 4,2 | 3,9 | 4,3 | 4,5 | 5,6 | 5,4 | 4,8 (m/s) |
En la figura 5 se representa la curva de potencia en función de la velocidad del viento para el aerogenerador empleado, modelo Entegrity eW15 [15]. Con las gráficas de la figura 4 y la curva de potencia del aerogenerador se obtuvo la energía anual que entrega el aerogenerador para cada velocidad de viento, el factor de capacidad y las horas de trabajo al año en ambas localidades. Los resultados se muestran en la figura 6.
Resultados y Discusión
Se realizaron 120 iteraciones del software, los resultados más factibles se muestran resumidos en la tabla 3. Se observó que para ambas localidades fue posible simular adecuadamente el sistema híbrido propuesto. Se evidenció además la necesidad de tener conectado el sistema a la red para cumplir con la demanda de recarga de la flota, debido fundamentalmente a la fluctuación de la velocidad del viento y la radicación solar.
Tabla 3 Comportamiento del sistema en cada lugar
| Distribución anual Zona 1 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Generación | MWh/año | % | Consumo | MWh/año | % | |
| Fotovoltaica | 193,16 | 50,6 | Demanda para recarga | 147,82 | 38,7 | |
| Eólica | 178,96 | 46,8 | Suministrada a la red | 214,98 | 56,2 | |
| Obtenida de la red | 10,01 | 2,6 | Obtenida de la red | 10,01 | 2,6 | |
| Total | 382,13 | 100,0 | Total | 382,13 | 100,0 | |
| Fracción renovable | 372,12 | 97,4 | Balance | 204,97 | 55,1 | |
| Distribución anual Zona 2 | ||||||
| Generación | MWh/año | % | Consumo | MWh/año | % | |
| Fotovoltaica | 193,16 | 68,7 | Demanda para recarga | 147,82 | 52,6 | |
| Eólica | 72,34 | 25,7 | Suministrada a la red | 113,86 | 40,5 | |
| Obtenida de la red | 15,51 | 5,5 | Obtenida de la red | 15,51 | 5,5 | |
| Total | 281,01 | 100,0 | Total | 281,01 | 100,0 | |
| Fracción renovable | 265,50 | 94,5 | Balance | 98,35 | 37,0 | |
En la tabla 3 se observa que en la zona 1, con abundante potencial eólico, ambas fuentes por separado (eólica y fotovoltaica) serían capaces de cumplir con la demanda de 147,82 MWh/año, pues la fotovoltaica generó 193,16 MWh/año y la eólica 178,96 MWh/año, cada una por separado. El potencial fotovoltaico de la zona 2 es igual al de la zona 1, pero la eólica solo generó 72,34 MWh/año, solo un 25 % de la energía necesaria. Por esa causa en la zona 1 solo se necesitó un 2,6 % de aporte de la red y en la zona 2 un 5,5 %, el doble de la zona 1.
En el caso de la Zona 2 hay que destacar que su pobre recurso eólico no permitió utilizar en buena medida esta fuente, sobre todo en los meses de junio a octubre, esto se muestra en las barras de color verde de la figura 8. La potencia mensual promedio del aerogenerador en dicha zona fue de 10 kW, el 15,4 % de la nominal. En el mismo período se apreció la necesidad de un mayor aporte de energía por parte de la red (barras de color azul).
A pesar de esto, el aerogenerador en la Zona 2 trabajó un total de 5247 horas al año, el 60 % del período analizado y muchas veces en las horas sin sol, por lo que su generación se complementa con la fotovoltaica que asciende a 193,16 MWh/año, evidenciando el importante recurso solar de ambas zonas.
Se apreció también que el sistema en dicha localidad cumplió con la recarga de la flota, entregando a la red 98,35 MWh/año, que representó el 37 % de la generación de las fuentes renovables.
Por ello se puede plantear, que en ambos lugares es posible cumplir con la demanda de energía para la recarga de la flota, cumpliendo con el plan de transportación anual utilizando ómnibus eléctricos recargados mediante fuentes renovables.
El sistema suministró y recibió energía de la red, con un balance neto positivo de 214,98 MWh/año en la Zona 1 y 113,86 MWh/año en la Zona 2.
También se pudo apreciar que solo por concepto de generación limpia a partir de la eólica y la fotovoltaica, se dejan de emitir al entorno 155,10 T de CO2 que corresponden a la combustión de 48,5 T de diesel. Teniendo en cuenta un valor de emisiones de 950 g de CO2 por cada kWh generado [16].
En el uso de los datos meteorológicos de ambas zonas se consideró el carácter aleatorio del comportamiento de la velocidad de los vientos y la radiación solar para cumplir con la demanda de la recarga, con resultados positivos.
Limitaciones del trabajo: no se cuantificaron las cantidades considerables GEI que se dejan de emitir al sustituir la flota de ómnibus de combustión por la de ómnibus eléctricos. Faltaría realizar el análisis económico, en este trabajo solo se consideró la factibilidad desde el punto de vista energético. No obstante se puede argumentar que los costos de los proyectos de energía renovables se han mantenido disminuyendo en los últimos años [17] y hay otros que son subvencionados por el estado, teniendo en cuenta las ventajas medioambientales.
Conclusiones
En ambas localidades entre la energía que se inyectó a la red y la obtenida de la red hubo un balance energético neto positivo. Ambos sistemas tienen ventajas ecológicas o de bajo impacto ambiental, como dirección sostenible a seguir.
Los resultados corroboran que la demanda de electricidad necesaria para la recarga de una flota de 8 ómnibus eléctricos con pobre potencial eólico como el de la zona 2, se puede satisfacer con un sistema híbrido eólico-fotovoltaico.
