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La electrónica de potencia ante el reto energético del siglo XXI
Prof. Dr.‐Ing. Mario Pacas
Universität Siegen
Algunos
temas del
momentoReto
Respuesta
tecnica
Rol de la
electrónica
de potencia
Rol y
responsa‐
bilidad
del
ingeniero
Algunos
temas del
momentoReto
Respuesta
tecnica
Rol de la
electrónica
de potencia
Rol y
responsa‐
bilidad
del
ingeniero
Seminario Anual de Automática, Electrónica Industrial e InstrumentaciónProf. Dr. -Ing. Mario Pacas, Cátedra de Electrónica de Potencia y Accionamientos eléctricos, Universität Siegen Page 4
Migraciones Sur‐Norte
Seminario Anual de Automática, Electrónica Industrial e InstrumentaciónProf. Dr. -Ing. Mario Pacas, Cátedra de Electrónica de Potencia y Accionamientos eléctricos, Universität Siegen Page 5
Derrame de petróleo, México
Barataria
Bay, Louisiana, fuente
stern.de
Seminario Anual de Automática, Electrónica Industrial e InstrumentaciónProf. Dr. -Ing. Mario Pacas, Cátedra de Electrónica de Potencia y Accionamientos eléctricos, Universität Siegen Page 6
Calentamiento global
IPCC Fourth
Assessment
Report: Climate
Change 2007 (AR4) -
SPANISH
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Efecto invernadero, emisiones antropógenas
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Población mundial
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Consumo de energía
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Pronóstico hasta 2050
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Reservas fuentes convencionales
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Evolución del precio del crudo
Seminario Anual de Automática, Electrónica Industrial e InstrumentaciónProf. Dr. -Ing. Mario Pacas, Cátedra de Electrónica de Potencia y Accionamientos eléctricos, Universität Siegen Page 13
Objetivos de Desarrollo del Milenio
Algunos
temas del
momentoReto
Respuesta
técnica
Rol de la
electrónica
de potencia
Rol y
responsa‐
bilidad
del
ingeniero
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Retos tecnológicosSolución al problema de deshechos sólidos
Abastecimiento con agua potable
Residuos líquidos
Contaminación ambiental
Emisión de CO2
….
Acceso a energía eléctrica barata y “limpia”
Ahorro y utilización racional de la energía
Algunos
temas del
momentoReto
Respuesta
técnica
Rol de la
electrónica
de potencia
Rol y
responsa‐
bilidad
del
ingeniero
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Algunas respuestas técnicasGeneración distribuida
Solar
Eólica
Hidráulica
Cogeneración
Smart
y micro grids
Electromovilidad
Ahorro energético
……
Energías
renovables
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Energías alternativas
89,90%
0,80%
1,60%
7,00%
0,70%
10,10%
Aportación de las fuentes renovables al
consumo total de energía in Alemania Total: 8.470 PJ
Fuentes fósiles: Hulla, lignito, petróleo, gas natural, energía atómica.
Fuente: Entwicklung der erneuerbaren Energien in Deutschland im Jahr 2009Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU)
Fuentes renovables
Hidráulica
Eólica
Biomasa
Resto
Fuentes renovables
Energía
Fotovoltaica
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Energía fotovoltaica
Potencia instalada
40 MWÁrea: 110 hectáreasSitio: Brandis
bei
Leipzig, Alemania
Usuario
SachsenFonds
GmbHPlanificación
juwi
solar GmbH
Planificación
juwi
solar GmbHProducción anual: 40 Milliones
de kWh
Reducción de CO2: Aprox. 25.000 paMódulos:CdTe-Dünnschicht
(First
Solar)
Electrónica SMA:
Sunny
Central SC 500HE
Parque energético "Waldpolenz":la instalación más grande a nivel mundial: 110 hectáreas (200 campos de fútbol)
Fuente: www.sma.de
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Desarrollo fotovoltaico: incremento de η
Como alcanzar este objetivo?
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Retos de la energía fotovoltaicaCeldas de alto redimiendo física
Aumento de la eficiencia electrónica de potencia
Acoplamiento a la red monofásica y trifásica electrónica de potencia
Micro redes electrónica de potencia, comunicación, ingeniería eléctrica
Confiabilidad, instalación adecuada, orientación, MPP tracking ingeniería
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Tareas específicas
Reducción de las pérdidas de conmutación
Reducción de las pérdidas de conducción
Utilización de SiC
y nuevos materiales magnéticos
Nuevas topologías y esquemas de control
Alta confiabilidad del equipo
Energía
eólica
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Energía eólica
Fuente: www.enercon.de
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Energía eólica: Distribución y transmisión
Cable submarino:Tasmania Australia HVDC
•Conexión del parque eólico Clusters Borkum
2 / EON
• HVDC Light®•Phase 1: 400 MW• 128 km
Cable submarino
• 75 km
cable terrestre hasta Diele• Puesta en marcha verano 2009
Reference number: PTD H 200605.409 eSiemens AGCorporate CommunicationsPress OfficePress
Office Power Transmission and Distribution (PTD)
Fuente
ABB "Efficient and climate-conscious use of wind power" en www.abb.de
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Temas concretos
Diseño del molino ing. mecánica
Control mecánico robusto control
Acoplo a la red, transmisión por cable y alta tensión
continua (HVDC) ing. eléctrica, el. de potencia
Control de generación distribuida ing. eléctrica
Distribución inteligente control, ing. eléctrica
Mantenimiento preventivo control, ing. eléctrica
Electromovilidad
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Electromovilidad: pornóstico 2015
Volumen vehículos eléctricos (EV + PHEV) Europa occidental acumulado
Porcentaje V-
Eléctricos nuevos Europa occidental [%]
1)
Quelle: RWE, BCG, McKinsey, Roland Berger
und
Citigroup EV: Electric vehicle2)
Schätzungen
Bestand
Deutschland
variieren
von
1 Mio. –
4,5 Mio. in 2020 PHEV: Plug-in hybrid
electric
vehicle
inkl. Range-Extender
2010 2015 2020
Key-ParameterSubvención estatalDesarrollo tecnológico Condiciones propicias
>
Rápida innovación de las baterías; 2015 nivel de costos aceptables
>
Carga rápida a bordo disponible 2012. (Capacidad. 20 kWh)
>
Ultra-fast
Charging
para autopistas
>
Bonos e incentivos>
Inversión pública en I&D>
…..
>
Infraestructura>
Regulaciones>
Vías prioritarias en carreteras>
Estacionamientos
19,15 % 1)
2,4 Mio. 2)
Alemania
(Pronóstico RWE)
>10 Mio.Europa
(Pronóstico RWE)
Vehículos eléctricos Alemania y Europa occidental
Diagrama cortesía de RWE
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Cubrimiento de la demanda de energíaConsumo E-vehículos
Numero de vehículos en millones 46,5
Recorrido promedio (km/a) 13.400
E-vehículos .1)
–
2020 (%) 25%
Consumo promedio (kWh/100 km) 15
Energía 2)
E-vehículos (TWh) 25
Demanda adicional E-vehículo. (%) 4%
Produccion
electrica
D (TWh) 637Erneuerbare
80 parques eólicos offshore
3)
(con turbinas de 5 MW)
Demanda de energía para vehículos eléctricos in 2020: 25 TWh
Quelle: Roland Berger; KBA; VDEW; Bundesanstalt
für
Straßenwesen; IEA 1) Annahme
2) inkl. Verluste
des Leitungsnetzes
3) Ein
Windpark
umfasst
80 Turbinen
Aumento en el consumo debido al auto eléctrico D
Diagrama cortesía de RWE
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Infraestructura para la carga
Carga en todos los lugares de aparcamiento
Diagrama cortesía de RWE
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Estaciones de carga
Foto cortesía de RWE
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ElectromóvilidadAutomóvil eléctrico
Automóvil hibrido
Transporte urbano e interurbano
Transporte industrial
Almacenamiento distribuido
Redes de recarga eléctrica
Acumulador
Seguridad, comunicación
..Cabezal
del tren
de alta
velocidad
ICE3
Deutsche Bahn AG y Niederländische Staatsbahn
Copyright Siemens AG, Transportation
Systems
Metro SystemShanghai Pearl Line, Shanghai, China Siemens AG, Transportation
Systems
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Temas concretosIntegración del accionamiento ing. mecánica
Gestión energética (Energy
Management)ingeniería, control
Almacenamiento de la energía química, ingeniería
Estaciones de carga distribuidas el. de potencia
Ferrovías interurbanas ingeniería eléctrica, ingeniería civil, ambiental, política, sociología, planificación regional
Vías urbanas impacto en el aspecto urbano, popularidad del medio de transporte
Ahorro
energético
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Consumo de energía sin ahorroReducción del consumo en base al aumento en la eficiencia
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Potenciales de ahorro
Gráfica
cortesía
Dr. Lorenz Infineon
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Cadena de suministro
Energía primaria: petróleo, carbón, agua, viento
Transporte:
Pipeline, tanque
Eficiencia en la conversión
Pérdidas de transmisión Eficiencia
de componen
tes
Eficiencia del proceso
Ener
gía
utili
zabl
e
Potencial
de ahorro
Generación Distribución Consumo
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El reto energético en cuanto a ahorroAhorro energético en la industria
Componentes modernas tienen una alta eficiencia
El potencial de ahorro está
en la optimización de procesos industriales
Nuevas estructuras de producción
Uso de accionamientos controlados
Reducción de pérdidas
..
Problema educacional, de gestión y de política gubernamental
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Ahorros en aplicaciones industriales
Compañía Sector Aplicación Potencia instalada
[kW]
Ahorros confirmados
[kWh]
% ahorrado
Peña Colorada
Minería Ventilador en planta de
Paletización
1.250 2.423.750 35%
China Steel
TaiwanMetalur-
giaBombas de
refuerzo672 3.030.720 61%
Cruz Azul, México
Cemento Horno ID ventilador1+2
1.470 5.309.640 54%
Repsol YPF Argentina
Petro químico
Ciclón (sustitución de
turbina de vapor)
3.000 7.560.000 43%
Daqing
Plastic
Factory, China
Petro químico
Mezclador 1.300 2.600.000 31%
Fuente: ABB Review
Algunos
temas del
momentoReto
Respuesta
tecnica
Rol de la
electrónica
de potencia
Rol y
responsa‐
bilidad
del
ingeniero
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Conlcusión: Algo hay en común
La electrónica de potencia escomponente clave en todos los casos mostrados
Convertidor electrónico de
potencia
Energía eléctrica Energía eléctrica
Trabajo interdisciplinario: control, informática, mecánica, física.…
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Evolución de la electrónica de potencia Hasta los años 50
Aplicaciones en accionamientos de CC y cascada subsíncrona
(Kramer) hasta varios MW
Varios enlaces de alta tensión continua de hasta 60 MW
Tracción eléctrica ( transporte urbano e interurbano)
Hasta los años 80 prevalecen los tiristores Accionamientos industriales
Tracción
enlaces de alta tensión continua
Presente: transistores, IGBTs, IGCTs
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¿Tenemos todo lo que necesitamos?Evolución de ciencia auxiliar a ciencia clave
Tecnología adecuada
Teoría de control
Herramientas
Capacidad de cómputo
……
Personal capacitado?Personal capacitado?
Es una ciencia o un arte? Es una ciencia o un arte?
……tal vez solo un oficio?tal vez solo un oficio?
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Rol de la electrónica de potenciaEs una componente clave
Sin electrónica de potencia es imposible aumentar la eficiencia de muchos procesos
El potencial esta en el proceso
Pero para avanzar sustancialmente
Se necesita al generalista y al especialista del proceso!
La abstracción es una ayuda pero no la solución, las soluciones no son anónimas!!
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Como alcanzar los objetivosInvestigación en
Materiales Si, SiC, GaAs, Cerámicas, plásticos
Nuevos semiconductores de potencia
Control
Electrónica, microelectrónica, µC
Nuevas aplicaciones
Tradición en el área
Inversión en laboratorios
Formación profesional a todo nivel
Defensa de nuestros intereses!
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¿Cuales son las barreras?Campo interesante interdisciplinarioExige vocación, aptitudes y una formación sólida en ingeniería
Física de semiconductoresTeoría de circuitosControl, control
digital
Alta frecuenciaMáquinasComponentes magnéticasDiseño de placas, compatibilidad electromagnéticaFísica del calorInstrumentación….Gestión, trabajo en equipo pero también individual!
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¿Cuales son las barreras?Hacen falta recursos humanos
Profesiones más atractivas desde el punto de vista económico
Ramas de la ingeniería eléctrica menos problemáticas y más sexy
Formación escolar y académica inadecuada
Falta de tradición familiar
….
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¿Cuales son las barreras?
Presión de política universitaria: ciencia, arte, oficio?
Publish
or
perish Hirsch index
Competencia (desleal) de otras ramas de la ingeniería,
informática, física e incluso ciencias humanísticas
Investigación sin ninguna relevancia práctica: solución
conocida, se busca el problema!
Falta de cooperación con la industria, trabajo para la
papelera
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El modelo alemán en ingeniería
Prácticas en empresa durante el estudio
Proyectos de investigación conjuntos
Universidad/ Empresa con ventajas para la
empresa y la Universidad.
Acceso a un puesto docente en Alemania en
carreras técnicas viniendo de la industria
Algunos
temas del
momentoReto
Respuesta
técnica
Rol de la
electrónica
de potencia
Rol y
responsa‐
bilidad
del
ingeniero
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Mision, codigo
éticoAlgunos códigos de ética del Ingeniero estipulan:
Que el profesional considerará
como primordial la seguridad, salubridad y bienestar público.
Código ético del IEEE
Aceptar la responsabilidad en la toma de decisiones de ingeniería consecuentes con la seguridad, salud, y
bienestar de las personas, y revelar rápidamente los factores que pudieran poner en peligro a las personas
o al entorno.
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Polyhistor
el genio universal
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Polyhistor
el genio universalPolyhistor
(πολύς, ἱστορία
) el genio universal
Gottfried Wilhelm von
Leibniz (Leipzig, 1 de julio de 1646 ‐
Hannover, 14 de noviembre de 1716) fue un
filósofo, matemático, jurista, bibliotecario y político alemán.
Fue uno de los grandes pensadores del siglo XVII y XVIII, y se le reconoce como "El último genio
universal".
……
pero tal vez debería ser el ejemplo para la electrónica de potencia y motivación para las nuevas
generaciones
¿Conclusiones?