Hacia un Parque Energéticamente Independiente: Asesoría y Análisis de un Equipo de MIT

Cuando Conservación Patagónica se propuso crear un parque central que sirviera de modelo, no sólo nos pusimos como objetivo desarrollar una arquitectura que fuera duradera y eficiente energéticamente, sino también un sistema de energía local renovable que convirtiera el parque en un ejemplo de independencia energética a pequeña escala. Hasta el momento, hemos instalado una estación  hidroeléctrica pequeña, paneles solares y estamos trabajando para instalar captadores solares. En Enero, un grupo de estudiantes de posgrado de MIT (Instituto de Tecnología de Massachusetts) se unió a nuestro equipo para prestar conocimientos y asesoría técnica durante la fase intermedia de este trabajo. A continuación está la historia de Kevin Berkmeyer, el jefe del equipo, que nos cuenta como lo hicieron para acceder y mejorar nuestra micro red en el parque.

Después de una tormenta de nieve, un vuelo de diez horas a Santiago, un vuelo de dos horas a Balmaceda, y un viaje manejando por siete horas hasta el alojamiento principal, finalmente logré llegar al futuro Parque Nacional Patagonia.

“¡Bienvenidos al Parque en construcción!”
Foto: Kevin Berkmeyer

Estaba preparado para todo tipo de climas, listo para pasar todas las noches en mi carpa, y emocionado de estar en la región patagónica de Chile, un área que es conocida por sus paisajes impactantes con glaciares, cimas, valles, ríos, lagos, así como también por darle el nombre a Patagonia Inc., una de mis marcas favoritas. Recuerdo que cuando era niño mis papás me vestían con ropa Patagonia y reutilizábamos las prendas familiares que más nos gustaban a medida que íbamos creciendo. Siempre quise explorar esta región y finalmente tuve la oportunidad de hacerlo.

Estaba emocionado de empezar un proyecto con Conservación Patagónica (“CP”). CP fue fundada por Kris Tompkins, antigua CEO y parte del equipo fundador de Patagonia Inc. Juntos, Kris y su marido, Doug Tompkins, el fundador de The North Face, están comprometidos con proteger y conservar esta área de Sudamérica para las generaciones del futuro. Ambos, Kris y Doug han sido fundamentales en el fortalecimiento de un sistema de parques nacionales que es bastante fuerte en esta región; siempre que la gente escucha el nombre Tompkins, se viene a la mente la idea de conservación. Es probablemente una de las historias más interesantes dentro de la comunidad de conservación moderna.

La organización está trabajando para rehabilitar 80.000 hectáreas de tierras que anteriormente fueron fundos para crear el corazón de un nuevo parque nacional en la región patagónica. Este proyecto incluye la construcción de infraestructura sustentable, establecer un plan de conservación fuerte, reintroducir y apoyar las especies que están amenazadas, y desarrollar circuitos de senderos. Chile va a contribuir 182.000 hectáreas adyacentes que actualmente forman parte de las reservas nacionales Jeinimeni y Tamango para crear el futuro Parque Nacional Patagonia, que tendrá un total de 263.000 hectáreas. El Centro de Servicio Público de MIT me dio una beca para asesorar a CP en la implementación de una micro red que esté completamente basada en energía renovable y que permitirá al parque ser independiente energéticamente. Esto parque no sólo va a ser un proyecto de conservación crucial para Chile sino que también va a servir como modelo importante para la creación de otros parques nacionales alrededor del mundo.

Mi proyecto consistió en hacer una revisión de la infraestructura energética actual del parque, ver cuáles son las restricciones y recursos adicionales que se podrían agregar, demostrar la optimización de un sistema de micro redes y hacer recomendaciones e introducciones para apoyar su plan de energía.

Al estar ubicado en una región remota de Chile, el parque está totalmente desconectado de la red. CP ha trabajado para construir su propia infraestructura de red eléctrica: una red con la cual distribuir la energía.  A pesar de que están aislados, existen abundantes recursos como el viento, el sol y agua, que se pueden utilizar para abastecer las instalaciones. La carga completa de electricidad es aproximadamente 20 kW. Al momento de nuestra visita, CP tenía la siguiente capacidad y recursos eléctricos instalados:

Electricidad (ver fotos más abajo):

  • 20 kW CD hidroturbina
  • 20 kW CD solar térmico/paneles eléctricos (parabólicos a través de paneles solares térmicos con celdas FV solares altamente eficientes)
  • 40 kW CD generador diesel

Calefacción:

  • Colectores solares térmicos
  • Calefacción en base a alcohol
  • Calefacción en base a leña

Transporte:

  • Bencina: bencina diesel para camiones/vehículos de trabajo
La represa con Dago, Nadine and Jeff (Bastante bien!) Foto: Kevin Berkmeyer

La represa con Dago, Nadine and Jeff (Bastante bien!)
Foto: Kevin Berkmeyer

La hidroturina (Dago respondiendo mis preguntas) Foto: Kevin Berkmeyer

La hidroturina (Dago respondiendo mis preguntas)
Foto: Kevin Berkmeyer

 

Los colectores FV/solares térmicos. Estos cilindros parabólicos concentran 10 veces la luz del sol para producir electricidad y calor.  Foto: Kevin Berkmeyer

Los colectores FV/solares térmicos. Estos cilindros parabólicos concentran 10 veces la luz del sol para producir electricidad y calor.
Foto: Kevin Berkmeyer

Generador Diesel (bastante común y muy ruidoso) Foto: Kevin Berkmeyer

Generador Diesel (bastante común y muy ruidoso)
Foto: Kevin Berkmeyer

 

Current System

Sistema Actual: Diesel, Hidro y Varias Fuentes de Calor

Además de lo anterior, CP ha desarrollado o explorado un plan de energía para el futuro que incluye electricidad generada por el viento, que usa hidrólisis para producir hidrógeno como recurso energético para una flota de vehículos basada en el hidrógeno. El siguiente diagrama representa el futuro sistema en operación:

Solución a Largo Plazo: Agregar Viento y Electrólisis para Producir Energía

Solución a Largo Plazo: Agregar Viento y Electrólisis para Producir Energía

Antes de nuestra llegada, CP había recibido muchas recomendaciones y consejos para sus sistemas de energía y de cómo podían construir un sistema que alcance su objetivo de lograr ser energéticamente independientes y generar cero emisiones, donde uno de los desafíos era tener una evaluación objetiva. Nuestra meta era entregarles una asesoría sincera, no tendenciosa y práctica que les facilitara la información para poder tomar decisiones a futuro.

Después de casi 20 horas de viaje, estábamos ansiosos de empezar a trabajar e incluso tuvimos la suerte de encontrarnos con Kris Tompkins mientras que entrábamos con el auto al parque. Jeff y yo la habíamos conocido antes durante una presentación en MIT y fue muy bueno verla de nuevo. Nos saludó, “¡Bienvenidos al Parque en construcción!”, y cenamos, instalamos rápidamente nuestras carpas y dormimos allí esa noche.

Cuando recién llegamos, no estábamos completamente seguros de cómo íbamos a ayudar a CP con su sistema de energía durante nuestra estadía en el parque. Teníamos un tiempo limitado y algunos de nuestros objetivos principales eran asegurarnos de dejar un impacto, que ayudásemos de verdad y que abordáramos las preguntas más importantes y pendientes de CP. Nuestro primer día, conocimos a Nadine Lehner, la Directora Ejecutiva de CP y Dago Guzmán, el Administrador del Parque, para conversar de nuestro proyecto. Dago preguntó inmediatamente, “¿Qué pueden hacer para ayudarnos?” Nos llevaron directo al grano y a pesar de que mi castellano era un poco básico, fui capaz de contarle de mi experiencia en energía solar y baterías, y discutimos cuáles eran sus desafíos y metas para su actual sistema energético.

Los objetivos actuales para la energía del parque son los siguientes:

  • desarrollar un sistema que sea renovable, sustentable y deje a CP bien encaminado para generar cero emisiones
  • desarrollar un sistema que no falle y sea práctico: que mantenga las luces prendidas y que sea eficiente
  • desarrollar un sistema que tenga una buena relación de costo beneficio y optimice el uso de distintos recursos
  • desarrollar un sistema que sea un modelo para otros parques e instalaciones similares en otras partes del mundo, y que sea un recurso adicional para que los visitantes recorran y comprendan.

Esta era una lista muy realista y práctica para cualquiera que estuviera desarrollando su propio sistema de micro red, pero se hacía más desafiante debido a los recursos limitados y al compromiso de dejar cero emisiones. Estos temas eran cruciales para los operadores del parque y CP porque la energía es una pieza central dentro de su plan global de desarrollar un parque nacional sustentable. Esto también era crucial para los residentes de las comunidades cercanas porque un sistema de energía como ese serviría como modelo nuevo para generar energía que ellos también podrían implementar.

A pesar de que nos hubiera encantado ayudarlos en cada uno de los desafíos y entregarles una solución completa para los problemas que tienen, sabíamos que solo podíamos hacer una cierta cantidad de cosas dentro de nuestra corta estadía con CP. Por lo tanto, decidimos enfocarnos en lo siguiente:

1) Mapeo de Sistemas:

Durante nuestra primera reunión con Dago, nos dibujó la arquitectura básica del sistema actual de energía (electricidad y calefacción), con los diferentes recursos destacados. También nos mostró dónde les gustaría estar al largo plazo, con algunas de las opciones. Aunque habían algunos planes del sistema a grandes rasgos, nos dimos cuenta de que no había una síntesis clara del progreso de su plan y que CP necesitaba mapas simples del sistema para poder mostrar visualmente el camino para lograr sus objetivos y mitigar sus desafíos. Por lo tanto, planificamos desarrollar tres mapas del sistema: el sistema actual, la solución a mediano plazo y la solución a largo plazo.

2) Componentes y consideraciones del sistema actual:

Con la mayoría de los sistemas de micro redes, existen varios componentes diferentes que sirven de fuentes para generar energía. CP no era la excepción y pensamos que sería útil desglosar los componentes de su sistema actual y entregar un detalle de la capacidad, el perfil operacional, gasto operacional y los pros y contras de cada componente. Esto nos permitió mirar cada pieza del sistema y destacar las ventajas y desventajas de cada tecnología para ayudar a CP a medida que desarrolla su plan. Por ejemplo, aunque el concepto de paneles PV/solares térmicos (combinación de calor y electricidad) es excelente, de acuerdo al diseño de este sistema, el cual concentra la luz del sol sobre un flujo térmico y paneles solares FV que requieren acceso a luz solar directa y consistente, las condiciones de luz nubladas o difusas que se viven en la Patagonia pueden limitar su eficiencia.

3) Componentes y consideraciones de sistemas en el futuro:

CP estaba pensando en la posibilidad de usar otros recursos en terreno, tales como baterías, y quisimos entregarles un contexto útil para que puedan tomar una decisión más informada cuando elijan una tecnología. Después de haber trabajado en la activación de una batería y con distintas tecnologías de baterías en ARPA-E, les di un resumen de los beneficios que tiene una batería, especialmente para una micro red, y los detalles de distintas tecnologías, principalmente baterías de plomo ácido, iones de litio e iones de sodio. De forma similar al análisis de los componentes del sistema actual, pasé por los pros y contras de cada tecnología y les di una gama de precios que pueden esperar.

El uso de baterías significaría ahorrarse esfuerzos mentales para CP, ya que les permitiría optimizar sus recursos y proveer electricidad de manera estable y que no falle. Un buen uso que se les podría dar a las baterías en CP sería en conjunto con la hidroturbina. Cuando se tiene un sistema de micro red, existe la necesidad de evacuar o liberar electricidad desde la red cuando el abastecimiento es mayor a la demanda de tal manera de mantener la red estable. En el sistema actual, CP está evacuando la energía de la micro red usando la electricidad que sobra para calendar bobinas de cerámica, de esta manera permitiendo que la energía se disipe en forma de calor. En vez de disipar o liberar esta energía, CP podría estar guardándola en baterías.

Aca hay una foto de las bobinas de ceramica instaladas en la parrte trasera de la casa de la hidroturbina Foto: Kevin Berkmeyer

Aca hay una foto de las bobinas de ceramica instaladas en la parrte trasera de la casa de la hidroturbina
Foto: Kevin Berkmeyer

Una de las partes más importantes para operar una micro red de forma eficiente es la optimización de los recursos que se utilizan. Un sistema de control inteligente permite el uso basado en el perfil de la operación más eficiente de cada recurso de acuerdo a la demanda de energía. Sirve como función de monitoreo para programar que los recursos se suban a la red cuando sea necesario, monitorear el almacenamiento y administrar mejor la vida de las baterías. El objetivo global de la optimización es minimizar el costo de la energía (el costo por kWh producido).

Por lo tanto, le dimos a CP un resumen de porqué la optimización del sistema es crucial para sus objetivos y luego usamos el modelo HOMER (Modelo de Optimización Híbrido para Renovables Eléctricos), originalmente del Laboratorio Nacional de Energía Renovable de EE.UU., para demostrar cómo la optimización mejora el costo de la energía dentro de los siguientes escenarios que están considerando:

  • Sistema actual: 20 kW FV, Generador Diesel, Hidro (sin batería)
  • Sistema a mediano plazo: 20 kW FV, Generador Diesel, Hidro, Batería
  • Solución de producción renovable maximizada  (70% renovables): 60 kW FV, Generador Diesel, Hidro, Batería
  • Sistema sin generador Diesel (requiriendo producción alternativa considerable)

5) Recomendaciones para los siguientes pasos

Queríamos dejar CP con recomendaciones de cuales pasos seguir y de cómo resolver algunos de los desafíos y temas pendientes. Planeamos hacer introducciones a empresas que están activas en esta área, incluyendo desarrolladores de micro redes, compañías de baterías y de sistemas de control. También planeamos tener una conversación inicial con uno de los desarrolladores de micro redes para tener una idea de cómo CP puede administrar mejor el desarrollo de su micro red. Por último, estamos ayudando a conseguir el software de rastreo que permitirá que los colectores solares funcionen. Aunque hay mucho que hacer para ayudar a CP con su sistema de micro red, creemos que están abordando el tema de la manera correcta.

Jeff y yo revisando algunos de nuestros trabajos con Nadine

Jeff y yo revisando algunos de nuestros trabajos con Nadine
Foto: Kevin Berkmeyer

Además de ayudar a CP, nuestro equipo aprendió mucho durante nuestra estadía en el futuro Parque Nacional Patagonia. Pudimos ver claramente como los sistemas de optimización y control son la clave para una micro red eficiente. A pesar de que he trabajado antes con micro redes, esta fue mi primera experiencia en terreno con una micro en una región remota, sin conexión a la red y con diversos recursos. Pude ver directamente como las micro redes con diversidad de recursos son sistemas complicados que requieren optimización. Mientras que el camino más fácil es instalar generadores diesel, la cual es una tecnología conocida con bajos costos adelantados, las reducciones de los costos que se logran usando energía solar, baterías y electrónica de potencia pueden reemplazar el uso del diesel y permitir un sistema mucho más sustentable desde una perspectiva económica y ambiental. Después de trabajar con el modelo HOMER y modelar diferentes escenarios para la optimización de los recursos disponibles de CP, pudimos corroborar que la habilidad para diversificar los recursos pero además controlarlos y operarlos al mismo tiempo es crucial. Basándose en un modelo así, la optimización conduce a costos menores de operación y un costo de vida útil de energía menor al 50%. Las baterías pueden permitir esto e incrementar la eficiencia global del sistema pero los dispositivos electrónicos de potencia también juegan un rol importante. Mientras que el uso de diferentes tipos de tecnología puede ser complicado y bastante confuso, especialmente para una organización pequeña, la tecnología actualmente se encuentra disponible y los precios de los productos estándares están mejorando. Existe, sin embargo, una clara necesidad por la simplificación y estandarización.

Después de tener la suerte de pasar un tiempo con Kris mirando la presentación de energía, conversando en más detalle sobre el trabajo de CP y escuchando a Cristián, que lideraba la conversación, hablar sobre los esfuerzos de conservación del parque, siento una profunda admiración por la misión de CP así como también su habilidad de ejecutar y llevar a cabo su misión. Los logros que ha realizado CP y que hará en el futuro en este lugar son increíbles: revivir una población de Huemules que está bajo peligro crítico de extinción, restaurar los hábitats, proteger la biodiversidad, revertir la desertificación, unir dos reservas nacionales para crear un único Parque Nacional Patagonia, la lista no se termina. Han creado un modelo ejemplar para los parques del futuro y estoy orgulloso de apoyar este trabajo. Mi experiencia trabajando con CP y ayudarlos con su sistema de micro red fortaleció mis objetivos y pasión por construir y desarrollar fuentes de energía más sustentables.

Acá hay una foto de nuestro equipo con Kris Tompkins después de nuestra presentación final y la gran conversación que tuvimos con ella Foto: Kevin Berkmeyer

Acá hay una foto de nuestro equipo con Kris Tompkins después de nuestra presentación final y la gran conversación que tuvimos con ella
Foto: Kevin Berkmeyer

Un comentario en “Hacia un Parque Energéticamente Independiente: Asesoría y Análisis de un Equipo de MIT

  1. 01 de January de 2016 at 19:46 hrs.

    Normalmente no contesto a los comentarios pero este artículo me ha parecido
    muy trabajado

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