Integración de energías renovables en el sector de petróleo y gas

Las plataformas costa afuera y las plantas remotas en tierra mantienen turbinas de combustión y grupos electrógenos diésel funcionando de forma ininterrumpida. Estos accionan trenes de compresión, bombas de inyección de agua y servicios auxiliares. El consumo de combustible impacta directamente en el costo operativo. También genera una responsabilidad por emisiones a medida que las regulaciones se endurecen y añade riesgos a la cadena de suministro donde la logística ya es compleja. Si se suma el precio del carbono, la exposición empeora. La verdadera pregunta no es si se deben incorporar renovables, sino cómo hacerlo sin perjudicar la confiabilidad del proceso o la integridad de la seguridad.

Por qué esto es más difícil que una instalación conectada a la red

Un parque solar o eólico a escala de servicios públicos descarga en una gran red síncrona. La red absorbe las fluctuaciones. Una plataforma costa afuera o una planta de gas remota no es eso. Es una microrred aislada. El margen de capacidad es escaso. Las cargas son grandes y cambian por escalones: arranques de motores, sobretensiones en compresores. Si se pierde la energía, se puede disparar el proceso: venteo, costos de reinicio, fatiga del equipo. Si se añade generación intermitente a eso sin una arquitectura de control seria, se obtiene inestabilidad, no ahorros.

Los desafíos fundamentales son:

  • Estabilidad de frecuencia y tensión en una barra débil cuando la salida solar o eólica cae repentinamente
  • Adecuación de la reserva rodante: las turbinas o generadores existentes deben seguir cubriendo la carga total si la producción renovable colapsa
  • Distorsión armónica introducida por la generación basada en inversores en un sistema con variadores de velocidad
  • Coordinación de protecciones: la contribución de corriente de falla de los inversores difiere fundamentalmente de las máquinas síncronas, y los ajustes de relés existentes pueden no responder correctamente

Contexto de normas y requisitos

Un conjunto de normas establece el marco de diseño y seguridad en este ámbito:

  • IEC 61511 rige la seguridad funcional para los sistemas instrumentados de seguridad en la industria de procesos. Cuando la integración de renovables afecta el suministro eléctrico a los resolvedores lógicos del SIS o a los elementos finales, la arquitectura del suministro eléctrico debe evaluarse dentro del ejercicio de verificación SIL.
  • IEC 61400-1 cubre los requisitos de diseño de turbinas eólicas. Los requisitos de diseño de turbinas eólicas se cubren en IEC 61400-1:2019, que incluye cargas estructurales y ambientales específicas para costa afuera. (Nota: IEC 61400-3 ha sido retirada).
  • IEC 62305 cubre la protección contra rayos y sobretensiones, crítica para arreglos solares y turbinas eólicas montadas en estructuras que también transportan equipos de hidrocarburos. La serie IEC 61892 se aplica a las instalaciones eléctricas en unidades de petróleo y gas costa afuera, incluidos los requisitos de aislamiento, aparamenta y protección relevantes para instalaciones fijas y flotantes. (IEC 60092 se aplica a buques).
  • API RP 505 proporciona orientación sobre la clasificación de ubicaciones para instalaciones eléctricas en instalaciones petroleras, que debe revisarse cuando se introduce nuevo equipo eléctrico cerca de áreas clasificadas.
  • IEC 61850 proporciona el estándar de arquitectura de comunicación para la automatización y protección de sistemas eléctricos, cada vez más relevante al integrar sistemas de gestión de energía a través de activos de generación heterogéneos.

Cuando se incluyen sistemas de almacenamiento de energía por batería (BESS) en el diseño, la clasificación del cuarto de baterías como una área clasificada potencialmente peligrosa (desprendimiento de hidrógeno de ciertas químicas) debe abordarse bajo la norma de clasificación de áreas aplicable.

Enfoques de integración técnica

Fotovoltaica solar en instalaciones en tierra

Los arreglos fotovoltaicos fijos o con seguimiento pueden reducir el consumo de combustible diurno en grandes plantas de gas en tierra. La salida del inversor llega al tablero principal a través de un alimentador dedicado con la protección adecuada. Las decisiones que importan:

  • Arquitectura de cadenas de CC frente a inversor central: los inversores de cadena ofrecen redundancia y un aislamiento de fallas más sencillo; los inversores centrales son más eficientes a escala pero representan un punto único de falla. En una microrred aislada, el esquema de protección del inversor debe evitar desconexiones molestas durante excursiones transitorias de tensión o frecuencia que de otro modo ocurrirían en un sistema conectado a la red. El sistema de control debe estar diseñado para soportar perturbaciones creíbles en lugar de dispararse y desconectar la fuente renovable de la barra. En su lugar, el sistema de control debe gestionar explícitamente el funcionamiento en isla intencional.
  • Filtrado de armónicos: los variadores de velocidad ya presentes en la barra de carga de la plataforma generan corrientes armónicas. La adición de generación basada en inversores requiere un estudio de armónicos según la serie IEC 61000-3 para confirmar que la distorsión armónica total permanece dentro de los límites de tolerancia del equipo.

Turbinas eólicas en plataformas costa afuera

Las estructuras fijas costa afuera con viento moderado pueden albergar turbinas pequeñas, pero la interfaz mecánica con una estructura de proceso activa requiere un análisis riguroso de fatiga. Las unidades de producción flotantes son peores: las cargas de la torre se acoplan con el movimiento de la embarcación.

La salida eléctrica de las turbinas eólicas de velocidad variable es CA de frecuencia variable, rectificada a CC y luego reinvertida para coincidir con la frecuencia de la barra. Esta conversión de potencia total aísla mecánicamente la turbina, pero significa que la turbina no aporta inercia natural a la barra, una consideración para el análisis de estabilidad de frecuencia.

Almacenamiento de energía por batería como tecnología habilitadora

La energía solar o eólica por sí sola no resolverá la reserva rodante. Un BESS dimensionado para cubrir la brecha de la tasa de rampa entre la pérdida de producción renovable y el tiempo de respuesta de la turbina de gas permite reducir la carga de la turbina durante la alta producción renovable, disminuyendo el consumo de combustible, mientras la batería cubre cualquier déficit repentino de generación.

En entornos tropicales o desérticos, la gestión térmica del recinto de la batería no es opcional.

Integración de protección y control

La adición de fuentes no despachables requiere que el PMS se actualice o se reemplace por un sistema de gestión de energía (EMS) capaz de:

  • Pronosticar la producción renovable (usando sensores de irradiancia o velocidad del viento con predicción de horizonte corto)
  • Despachar generación convencional en respuesta
  • Desconectar cargas no críticas antes de iniciar una parada de planta si el déficit de generación excede la capacidad del BESS

La coordinación de los relés de protección necesita una revisión. Las fuentes basadas en inversores contribuyen a la corriente de falla de manera diferente a los generadores síncronos, típicamente limitándose a un múltiplo bajo de la corriente nominal durante un período corto antes de que el inversor se dispare por protección de sobrecorriente. Los relés de sobrecorriente existentes ajustados para contribuciones de falla síncronas pueden no operar, o pueden operar incorrectamente, en un sistema de generación mixta. Un estudio completo de coordinación de protecciones es obligatorio antes de la energización.

Escenario ilustrativo

Lo siguiente es ilustrativo y no representa un proyecto específico.

Considere una estación de compresión de gas remota en tierra. Dos turbogeneradores de gas funcionan en paralelo, uno en reserva. Desierto de alta irradiancia. Alguien propone energía solar fotovoltaica más BESS para reducir el consumo de combustible diurno.

Durante el diseño, un estudio de flujo de carga y estabilidad muestra el problema: si el arreglo solar se dispara durante un transitorio de nubes mientras ambas turbinas tienen poca carga, la generación restante no puede detener la caída de frecuencia antes de que el compresor de proceso se dispare por subtensión. Por lo tanto, el BESS se dimensiona —basándose en la curva de respuesta del regulador de la turbina de la hoja de datos del fabricante— para inyectar suficiente potencia durante el transitorio para mantener la frecuencia dentro de la banda de tolerancia del compresor. La lógica del PMS se reescribe para detener la descarga de la turbina por debajo de un límite que mantenga una reserva rodante adecuada, incluso si eso significa limitar la energía solar. El estudio de armónicos encuentra una resonancia a una frecuencia específica; se requiere un filtro pasivo en la barra principal.

Resultado: reducción significativa de combustible a la luz del día, misma disponibilidad de proceso que la configuración original de solo turbinas.

Lista de verificación de decisión e implementación

Antes de que se comprometa el dinero, ingeniería y adquisiciones deben trabajar en lo siguiente:

Factibilidad y Alcance

  • [ ] Caracterizar el sistema de generación existente: tipos de máquinas, respuesta del regulador, constantes de inercia, ajustes de protección
  • [ ] Establecer el perfil de carga con suficiente resolución temporal para identificar cambios escalonados y períodos de carga mínima
  • [ ] Evaluar el recurso renovable (datos de irradiancia, distribución de velocidad del viento) con resolución específica del sitio

Estudios de Ingeniería (No Negociables)

  • [ ] Estudio de flujo de carga que cubra escenarios de generación mínima y máxima
  • [ ] Análisis de estabilidad transitoria para eventos creíbles de pérdida de generación
  • [ ] Estudio de armónicos que cubra las contribuciones combinadas de inversores y VSD
  • [ ] Revisión de coordinación de protecciones para generación mixta síncrona/inversor
  • [ ] Evaluación de impacto SIL si las fuentes de alimentación del SIS se ven afectadas (IEC 61511)
  • [ ] Revisión de área clasificada para salas de baterías y nuevos equipos eléctricos cerca de áreas de proceso (API RP 505)
  • [ ] Revisión de protección contra rayos y sobretensiones (IEC 62305)

Adquisiciones y Evaluación de Proveedores

  • [ ] Confirmar los datos de contribución de corriente de falla del inversor y los parámetros del lazo de control para los ajustes de los relés de protección
  • [ ] Requerir la especificación de capacidad grid-forming o grid-following de los proveedores de inversores; esto afecta la estabilidad en barras débiles
  • [ ] Evaluar el sistema de gestión térmica del BESS para las condiciones ambientales en el sitio
  • [ ] Confirmar que el proveedor de PMS/EMS tenga referencias de microrredes aisladas, no solo proyectos conectados a la red de servicios públicos

Comisionamiento y Entrega

  • [ ] Energización por etapas: comisionar la fuente renovable en modo de corriente limitada antes de la integración total
  • [ ] Realizar pruebas de inyección de fallas en vivo con las cargas de proceso en funcionamiento
  • [ ] Verificar que los esquemas de anti-islanding y protección funcionen según lo diseñado
  • [ ] Documentar los procedimientos operativos revisados para los operadores, incluyendo la anulación manual del despacho renovable durante el mantenimiento planificado de la generación convencional

Conclusión

La integración de renovables en el sector de petróleo y gas es, ante todo, un problema eléctrico y de control. La economía de la energía es secundaria. Las barreras técnicas (estabilidad de microrredes aisladas, coordinación de protecciones con fuentes de inversores, reserva rodante) son solucionables con métodos establecidos. Pero solo si los estudios se realizan antes de los compromisos de adquisición.

Para cualquier instalación que esté considerando esto, el siguiente paso es un estudio del sistema de potencia pre-FEED. Debe caracterizar el sistema de generación existente e identificar las restricciones vinculantes. Sin esa línea base, el dimensionamiento del equipo es una conjetura y los riesgos de integración aparecen durante el comisionamiento, donde corregirlos cuesta mucho más.

Incorpore especialistas en protección eléctrica con experiencia en microrredes aisladas junto con los equipos de procesos y equipos rotativos desde el principio. La mayoría de los problemas comienzan en el punto de integración entre la potencia.