Control de sistemas de generación Undimotriz

GRUPO DE CONTROL AUTOMÁTICO Control de Sistemas de Generación Undimotriz Aitor J. Garrido aitor.garrido@ehu.es University of the Basque Country – UPV/EHU Dept. Automatic Control and Systems Engineering EUITI de Bilbao, Pº Rafael Moreno 3, 48013 Bilbao

JORNADA DE DIVULGACIÓN: ACTIVIDAD DE INVESTIGACIÓN EN EL ÁMBITO DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES EN EL MEDIO MARINO EN EL SENO DE LA AGREGACIÓN EUSKAMPUS

4 de junio de 2014

Introducción a la temática

1. Introducción Introducciónaalalatemática: temática: Breve Breve introducción introducción al control al control de de sistemas sistemas de generación de generación undimotriz undimotriz 2. Presentación del Grupo de Control Automático: Trayectoria, líneas y capacidades 3. Estrategia de futuro en al área de control de energías marinas

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1. Introducción Motivación: Cambio Climático 2020 Package: La UE establece tres objetivos clave para 2020 conocidos como “20-20-20”: • • •

Reducción del 20% emisiones de gas de efecto invernadero con respecto a los niveles de 1990.

Alcanzar 20% de energía primaria de origen renovable.

Mejora del 20% de eficiencia energética en la UE. http://ec.europa.eu/clima/policies/package/index_en.htm

2050 Energy Roadmap: Reducción del 80-95% emisiones de gas de efecto invernadero para 2050 (resp. 1990). http://ec.europa.eu/energy/publications/doc/2012_energy_roadmap_2050_en.pdf |

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1. Introducción Medio: Impulso desarrollo Energías Limpias –Renovables– En particular de la Energía Marina (Ocean Energy)

“2013 Industry Vision Paper” European Ocean Energy Association |

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1. Introducción Energías renovables procedentes del mar Undimotriz (Wave Energy): Las olas se forman por acumulación de energía producida principalmente por acción de los vientos. Se trata de captar dicha energía.

Mareomotriz/Corrientes (Tidal Energy): Captadores de energía del flujo debido a cambios de marea/corrientes marinas.

Térmica Oceánica (Ocean Thermal Energy Conversion): Captadores de energía a partir de la diferencia de temperatura entre agua en superficie y aguas más profundas.

Gradiente Salino (Salinity Gradient): Captadores de energía a partir de la diferencia de presión osmótica entre aguas con diferente salinidad (oceanos vs rios). |

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1. Introducción Energías renovables procedentes del mar Biomasa Marina: Producción de biocombustible a partir de biomasa marina microscópica (90% de la biomasa marina, equivalente a 240.000M de elefantes africanos!).

Vientos Oceánicos (Off-shore Wind Energy): NO es Energía Marina |

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1. Introducción Energías renovables procedentes del mar

“Harnessing the power of the sea: The future of ocean energy”, 2012 Directorate-General for Maritime Affairs (UE) |

Térmica Oceánica (Ocean Thermal Energy Conversion): Captadores de energía a partir de la diferencia de temperatura entre agua en superficie y aguas más profundas.

Gradiente Salino (Salinity Gradient): Captadores de energía a partir de la diferencia de presión osmótica entre aguas con diferente salinidad (oceanos-rios).

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1. Introducción Energías renovables procedentes del mar Undimotriz (Wave Energy): Las olas se forman por acumulación de energía producida principalmente por acción de los vientos. Se trata de captar dicha energía.

Mareomotriz/Corrientes (Tidal Energy): Captadores de energía del flujo debido a cambios de marea/corrientes marinas.

Previsión de potencia instalada para Wave y Tidal en Europa en 2020 (>1.5GW, hoy 10MW conjunto energías marinas) “Harnessing the power“2013 of theIndustry sea: TheVision future Paper” of ocean energy”, 2012 European Ocean Energy Directorate-General for Maritime Affairs (UE) Association

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1. Introducción Energías renovables procedentes del mar “Harnessing the power of the sea: The future of ocean energy”, 2012 Directorate-General for Maritime Affairs (UE)

EuropeanCommission > Research&Innovation > Energy > EUEnergy > Research > OceanEnergy http://ec.europa.eu/research/energy/eu/index_en.cfm?pg=research-ocean

Distribución de energía de las olas (kW/m) |

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1. Introducción Tipos de convertidores de olas Gran variedad de dispositivos

⇨

≠ clasificaciones

António F. de O. Falcão. Wave energy utilization: A review of the technologies.

Renewable & Sustainable Energy Reviews, 14 (2010), pp. 899–918

(dim. horizontal << long. ola) “Proyecto bimep”. Yago Torre-Enciso. I Jornada de Energía EUITI Minas y O.P., Bilbao jun. 2013 | JORNADA DE DIVULGACIÓN: ACTIVIDAD DE INVESTIGACIÓN EN EL ÁMBITO DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES EN EL MEDIO MARINO EN EL SENO DE LA AGREGACIÓN EUSKAMPUS

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1. Introducción Tipos de convertidores de olas Principio de funcionamiento

Rebosamiento Capturan el agua de un frente de olas mediante un colector de olas para mover turbinas hidráulicas de salto reducido (Kaplan)

Dr. Krpan-Lisica. Energija mora. Split 2012

Tapered Channel (TAPCHAN) Norway 1985

António F. de O. Falcão. Wave energy utilization: A review of the technologies.

Renewable & Sustainable Energy Reviews, 14 (2010), pp. 899–918

http://www.wavedragon.net

Wave Dragon - Denmark 2005 | JORNADA DE DIVULGACIÓN: ACTIVIDAD DE INVESTIGACIÓN EN EL ÁMBITO DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES EN EL MEDIO MARINO EN EL SENO DE LA AGREGACIÓN EUSKAMPUS

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1. Introducción Tipos de convertidores de olas Principio de funcionamiento

Dispositivos oscilantes Proporcionan movimiento de oscilación vertical/rotación que se traslada mecánica o hidráulicamente al generador

http://www.pelamiswave.com

Pelamis wave farm – Portugal 2008

António F. de O. Falcão. Wave energy utilization: A review of the technologies.

Renewable & Sustainable Energy Reviews, 14 (2010), pp. 899–918

http://www.aquamarinepower.com

Oyster – Scotland 2009 | JORNADA DE DIVULGACIÓN: ACTIVIDAD DE INVESTIGACIÓN EN EL ÁMBITO DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES EN EL MEDIO MARINO EN EL SENO DE LA AGREGACIÓN EUSKAMPUS

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1. Introducción Tipos de convertidores de olas Columna de agua oscilante -OWC Principio de funcionamiento

La ola comprime y descomprime aire que alimenta a un grupo turbogenerador

http://www.oceanlinx.com

http://www.jamstec.go.jp/e

Oceanlinx – Australia 2005 Mighty Whale – Japan 1998

António F. de O. Falcão. Wave energy utilization: A review of the technologies.

Renewable & Sustainable Energy Reviews, 14 (2010), pp. 899–918

http://www.pico-owc.net

Pico – Azores 2005 JORNADA DE DIVULGACIÓN: ACTIVIDAD DE INVESTIGACIÓN EN EL ÁMBITO DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES EN EL MEDIO MARINO EN EL SENO DE LA AGREGACIÓN EUSKAMPUS

http://cordis.europa.eu Report 66628981EN6

LIMPET – Scotland 2000 4 de junio de 2014

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1. Introducción Planta MOWC de Mutriku Ø Primera

instalación comercial de este tipo (MOWC).

MOWC

Ø 16

cámaras de captura. Grupos turbogeneradores de 18,5 kW (0.296MW total) Ø 600.000

kWh/año

“Harnessing the power of the sea: The future of ocean energy”, 2012 Directorate-General for Maritime Affairs (UE) |

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1. Introducción Elementos clave en sistemas OWC Turbina Ø

Wells (robustez y alta velocidad) e Impulso

Ø

Autorectificantes: Giro unidireccional indep. del sentido de incidencia del flujo

Generador Ø

Generadores de velocidad variable que permitan generación para un amplio rango de olas: Ø

Jaula de ardilla

Ø

Doblemente alimentado - DFIG (manejo del convertidor)

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1. Introducción Descripción del Sistema

Sistema a controlar Actuadores JORNADA DE DIVULGACIÓN: ACTIVIDAD DE INVESTIGACIÓN EN EL ÁMBITO DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES EN EL MEDIO MARINO EN EL SENO DE LA AGREGACIÓN EUSKAMPUS

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1. Introducción Objetivos de Control Plantear estrategias de control que coordinen los diferentes actuadores para: Ø

Maximizar la potencia activa (Stalling, MPPT)

Ø

Mantener regulada la potencia reactiva ||

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Sistema Sistema a controlar acontrolar Actuadores Actuadores 4 de junio de 2014

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2. Presentación del GCA

1. Introducción a la temática: Breve introducción al control de sistemas de generación undimotriz 2. Presentación del Grupo de Control Automático: Trayectoria, líneas y capacidades 3. Estrategia de futuro en al área de control de energías marinas

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2. Presentación del GCA Presentación Ø

Grupo reconocido GIU11/02 (oficialmente 2011-, 1ª tesis 2006).

Ø

Parte de la UFI11/07 - Modelado, Simulación y Control de Sistemas Complejos junto con otros 4 grupos reconocidos.

Ø

10 miembros aprox. de 4 dptos. distintos.

Ø

Único grupo reconocido de la EUITI de Bilbao. |

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2. Presentación del GCA Líneas principales Control de Plantas de Energía Marina de Generación Undimotriz Cód. Unesco: 3311.02; 3322.05

Control de Plasma en Reactores de Fusión Nuclear Cód. Unesco: 3311.02; 3320.05

Stellarator TJ-II. Laboratorio Nacional de Fusión (CIEMAT)

Laboratorio del GCA

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2. Presentación del GCA Control de Plasma en Reactores de Fusión Nuclear Fusión nuclear Principio básico: Fusionar dos núcleos atómicos ligeros formando un nucleo estable más pesado ⇨ Reducción de la masa total + liberación de energía en forma de energía cinética de los productos de la reacción.

La reacción más sencilla se produce entre deuterio y tritio: 2 3 4 D + T → 1 1 2 He + n + 17.6

MeV

Requirements: Temperatura ~ 100 ·106 ºC (104[eV]) Density ~ 1020 m−3 (plasma) JORNADA DE DIVULGACIÓN: ACTIVIDAD DE INVESTIGACIÓN EN EL ÁMBITO DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES EN EL MEDIO MARINO EN EL SENO DE LA AGREGACIÓN EUSKAMPUS

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2. Presentación del GCA Control de Plasma en Reactores de Fusión Nuclear Confinamiento magnético Plasma ≡ iones + electrones (charged particles)

Confinamiento magnético: Mantener el plasma alejado de las paredes de la vasija mediante campos magnéticos.

TOKAMAK (ITER) TOroidalnaya KAmera i MAgnitnaya Katushka “Cámara toroidal con bobinas magnéticas” JORNADA DE DIVULGACIÓN: ACTIVIDAD DE INVESTIGACIÓN EN EL ÁMBITO DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES EN EL MEDIO MARINO EN EL SENO DE LA AGREGACIÓN EUSKAMPUS

Tokamak previsto en ITER (corte poloidal) http://www.iter.org |

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2. Presentación del GCA Control de Plasma en Reactores de Fusión Nuclear Ø Objetivo:

Demostrar la viabilidad de la fusión nuclear controlada como una alternativa limpia a energías fósiles y fisión nuclear (combustible inagotable, intrínsecamente segura, residuos baja actividad) Ø Problemas: Ø Ø Ø

Llegar a generar 10 veces la energía que consume Incrementar la duración del pulso mediante actuadores no inductivos Evitar el decaimiento prematuro de la reacción por inestabilidades en el plasma

Ø Solución:

Controlar el plasma para mantenerlo estable y conseguir una duración de la reacción de minutos en lugar de segundos | JORNADA DE DIVULGACIÓN: ACTIVIDAD DE INVESTIGACIÓN EN EL ÁMBITO DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES EN EL MEDIO MARINO EN EL SENO DE LA AGREGACIÓN EUSKAMPUS

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2. Presentación del GCA Capacidades Resumen resultados (últimos tres años) Más de 25 revistas, prácticamente todas JCR Control de plantas de energía marina de generación undimotriz Dos tesis leídas (una premio extraordinario) 11 JCR (8 Q1), una patente

Equipamiento: Tanque olas (5m) y bancadas experimentación turbina Wells + DFIG/PMSG Convenio Ente Vasco de Energía - EVE (UPV/EHUEVE6/2011)

Control de plasma en reactores de fusión nuclear Dos tesis leídas (una internacional) 9 JCR (6 Q1) Equipamiento: ULISES - Ultra Low Iota Super Elongated Stellarator Convenio Laboratorio Nacional de Fusión del CIEMAT (UPV/EHUCIEMAT08/190) JORNADA DE DIVULGACIÓN: ACTIVIDAD DE INVESTIGACIÓN EN EL ÁMBITO DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES EN EL MEDIO MARINO EN EL SENO DE LA AGREGACIÓN EUSKAMPUS

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3. Estrategia de futuro

1. Introducción a la temática: Breve introducción al control de sistemas de generación undimotriz 2. Presentación del Grupo de Control Automático: Trayectoria, líneas y capacidades 3. Estrategia de futuro en al área de control de energías marinas

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3. Estrategia de futuro Financiación continuada Ø Últimos Ø Ø Ø

5 años:

3 proyectos europeos 5 proyectos nacionales (ministerio) 8 proyectos regionales

Ø Futuro

inmediato (90% de caída en algunas convocatorias)

Ø Financiación Ø Necesidad

de PIF

de marco estable

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3. Estrategia de futuro Relaciones y colaboraciones Ø Convenios

marco de colaboración:

•

Ente Vasco de Energía – EVE

•

Centro de Invests. Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas – CIEMAT (UPV/

(UPV/EHUEVE6/2011)

EHUCIEMAT08/190) •

Centro de Investigación Cooperativa en Biociencias - CIC bioGUNE

(UPV/EHUbioGUNE5/2010)

Ø Colaboraciones: •

International Therm. Experimental Reactor - ITER http://www.iter.org Contacto: Stefano Coda

•

Lawrence Livermore National Laboratory - LLNL http://www.llnl.gov Contacto: Susana Reyes

•

Ecole Polytech. Fed. Lausanne – EPFL (Reactor TCV) http://www.epfl.ch Contacto: Jo Lister Max-Planck-Institut für Plasmaphysik http://www.ipp.mpg.de (ASTRA code) Contacto: Grigory

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3. Estrategia de futuro •

University of Bergen http://www.uib.no Contacto: Gunnar Fladmark

•

Rheinische Fachhochschule Cologne http://www.rfh-koeln.de Contacto: Dusko Lukac

•

Aalborg Universitet Esbjerg http://www.esbjerg.aau.dk Contacto: Birgit Kjærside Storm

•

General Electric http://www.ge.com/es Contacto: Jesús Concejo

•

BOSLAN - Ingeniería y Consultoría S.A. http://www.boslan.es Contacto: Jesús Mozas

•

Fundación AZTI http://www.azti.es Contacto: Julien Mader

•

l’Université de Pau et Pays de l’Adour (UPPA) http://www.univ-pau.fr Contacto: Stéphane Abadie

•

Rivages ProTech https://www.lyonnaise-des-eaux.fr Contacto: Pantxika Othéguy

•

Instituto Superior Técnico, TUL http://tecnico.ulisboa.pt Contacto: António Falcão

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3. Estrategia de futuro Perspectivas Ø

Algunos proyectos:

•

Coordinado con CIEMAT y TCV-Lausanne (solicitado)

•

Coordinado con Boslan (solicitado)

•

Coordinado con AZTI-Tecnalia, UPPA y Rivages ProTech

Ø

Planteamiento de futuro:

•

Ampliar relaciones internacionales (principalmente línea de energía marina ⇨ H2020)

•

Diversificar la investigación aplicando controladores avanzados ya desarrollados (robustos en modo deslizante y predictivo) a: q

Nueva línea de control de sistemas de energía maremotriz/corrientes (Tidal Energy)

q

Otras líneas ya en marcha en el grupo: • Control activo de vibraciones en maquina herramienta (proyecto europeo en marcha) • Eficiencia energética en edificación (tesis en marcha) • Control de sistemas de microscopía de fuerza atómica – AFM (tesis en marcha) |

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THANK YOU FOR

YOUR ATTENTION JORNADA DE DIVULGACIÓN: ACTIVIDAD DE INVESTIGACIÓN EN EL ÁMBITO DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES EN EL MEDIO MARINO EN EL SENO DE LA AGREGACIÓN EUSKAMPUS

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GRUPO DE CONTROL AUTOMÁTICO Control de Sistemas de Generación Undimotriz Aitor J. Garrido aitor.garrido@ehu.es University of the Basque Country – UPV/EHU Dept. Automatic Control and Systems Engineering EUITI de Bilbao, Pº Rafael Moreno 3, 48013 Bilbao

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Estancamiento de la turbina Wells (stalling) El par desarrollado por una turbina Wells puede ser evaluado en base al coeficiente de torque: q

V φ = tan(θ ) = rω

C = f (φ )

x

t

Cuando la velocidad axial del flujo de aire se incrementa, el coeficiente de flujo también se incrementa.

0.6

q

La turbina entra en una zona no deseada (descenso del par), con el consiguiente estancamiento de la misma. q

0.5

Ct (Torque Coefficient)

Si este coeficiente supera 0.3 provoca una rápida caída en el coeficiente de torque. q

t

X: 0.3 Y: 0.34

0.4

0.3

0.2

0.1

0

-0.1

0

0.2

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0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

Flow Coefficient 4 de junio de 2014

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