Potencial de las ERNC

Seminario
“Oportunidades y Amenazas Generadas por el Mercado del Carbono:
Oportunidades
Nuevas Tendencias Huella de Carbono y Agua”

Potencial de las ERNC
Micro-redes
Micro redes de Emergencia
Concepción
19 de Agosto de 2010

Presentación
P t ió Ing. Guillermo A. Jiménez Estévez, PhD
Centro de Energía
Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas
Universidad de Chile

OBJETIVO

ﾰ

Contribuir desde el punto de vista de identificar
Contribuir desde el punto de vista de identificar
espacios de innovación, con antecedentes técnicos
y económicos para el análisis de la integración
y económicos para el análisis de la integración y
aplicación a las redes eléctricas nacionales de las
ERNC.
ERNC

2

agosto de 2010

Contenido

Introducción
I t d ió
ﾰ
Tendencias
T d i

Micro-redes
Mi d

Ejemplos para Chile
Ej l Chil

Conclusiones
C l i
3

agosto de 2010

1. Introducción: Areas de desarrollo

1. Sistemas para redes inteligentes en la forma de
generadores virtuales y unidades de generación
distribuida.
distribuida

2. Soluciones tecnológicas asociadas al desarrollo de
vehículos eléctricos y sistemas de acumulación.

3. Herramientas de apoyo a la toma de decisiones para la
operación, planificación, monitoreo y control de sistemas
de energía.

1. Introducción: El sector eléctrico
Motivación: ¿ Qué distingue a Chile?

• Abundancia de recursos renovables.
•E t t
Estructura l
longitudinal d sistema propenso a f ll
it di l de i t fallas.
• Dependencia energética.
• SIC de característica hidrotérmica.

• Diseño de mercado que enfatiza operación segura a mínimo costo
en general se traduce en niveles de innovación bajos.
• Necesidad de encontrar espacios como país para proceso de
innovación y emprendimiento.

1. Introducción/Motivación Oportunidades Energético/Recursos
Situación actual en Chile:
Energía Capacidad Potencial
renovable instalada [MW] [MW]
Mini- 130 20.392
Hidráulico
Hid á li
Geotérmico 0 16.000
Eólico 164 40.000
Biomasa 191 13.675
Solar 0 100.000
Total 445 de 15.000 190.067

Source: PREN, U. de Chile,
Source: CNE U. Técnica Federico Santa María, 2008

1. Introducción Integración de ERNC

1. Introducción El mercado eléctrico chileno

Peak load pricing

1. Introducción Diferenciación de ERNC
No se puede mostrar la imagen. Puede que su equipo no tenga suficiente memoria para abrir la imagen o que ésta esté dañada. Reinicie el equipo y , a continuación, abra el archiv o de nuev o. Si sigue apareciendo la x roja, puede que tenga que borrar la imagen e insertarla de nuev o.

MW

ERNC
Energías Renovables
Energías Energías
no Convencionales
Convencionales
C i l Convencionales
C i l

20 MW
Cogeneración Excedentes ? 20 MW Cogeneración
Eficiente Eficiente
MGNC

9 MW
Excedentes ?< 9 MW
Excedentes < 9 MW

PMGD PMG

Nota:
PMGD : Pequeño Medio de Generación Distribuido
PMG : Pequeño Medio de Generación
MGNC : Medio de Generación No Convencional
CHP : Combined heat and power - Cogeneración eficiente

1. Introducción Alternativas de inter. comercial

No existe un esquema de subsidios  prima neutralidad tecnológica !!
 Foco en reflejar externalidades

Contenido

Introducción
I t d ió
ﾰ
Tendencias
T d i

Micro-redes
Mi d

Ejemplos para Chile
Ej l Chil

Conclusiones
C l i
12

agosto de 2010

2. Tendencias Impacto en seguridad

Desafíos técnicos globales observados a nivel internacional
g

cuellos de
integración de
cuellos de botella en las
la
l energíaí
botella en las redes de
eólica en el
redes de transmisión
mar en gran
distribución
escala

Corto plazo Medio plazo Largo plazo

posibles huecos
de tensión en insuficiente coordinación de
gran escala
l reserva en giro
i generadores en
(balance) todos niveles de
tensión

Fuente: Jens Bömer
13

2. Tendencias Evolución de redes de distribución

Sistema interconectado

14

agosto de 2010

2. Tendencias Evolución de redes de distribución

• Desafíos técnicos y de coordinación

Tendido
eléctrico corto
(r ≈ x)
Elementos Trafo
de bajada
protección (tap)

Acumulado Equipo de
res
(baterías, Red de Dx
Red de Dx p
compensa‐
ción (L , C,
embalses) “P”)

Generación Consumo
pequeña “baja”
distribuida potencia
(renovable, (domicilio,
diesel) industria)
Trafo Booster

2. Tendencias Evolución de redes del sistema

• Visión futura de los sistemas eléctricos de potencia.
p
• Situación actual en Chile:
generación distribuida es excepción, gran potencial?, necesidad de
seguridad energética, necesidad de innovar.

Storage
Industry
Power
Quality

Household
Metering

Solar Storage

110 kV

10/20 kV

Fuel Cell
Combined
0,4
0 4 kV cycle plant
l l t

Wind
Ref: Handschin, UNIDO.
Ref: KEMA Consulting.


• Visión futura de los sistemas eléctricos de potencia.
p
• Situación actual en Chile:
generación distribuida es excepción, gran potencial?, necesidad de
seguridad energética, necesidad de innovar.

Ref: Handschin, UNIDO.
Ref: KEMA Consulting.


Sistemas aislados híbridos

Un sistema híbrido es un sistema que
combina dos o más f entes de energía
fuentes
con el fin de poder abastecer en forma
controlada consumos eléctricos.

Ejemplo de sistemas: Sistema Híbrido
Diesel-Eólico, Sistema híbrido Eólico-
Fotovoltaico, Sistema híbrido Eólico-
Fotovoltaico-Hidráulico.
Fotovoltaico Hidráulico

Concepto puede extenderse a
satisfacer requerimientos de calor,
agua, etc.

Fuente: Departamento de Energía , EEUU

2. Tendencias Redes inteligentes

Aumento del
A t d l
nivel de
requerimientos Aumento de
Avances en y complejidad
p j inserción de
electrónica de de los SEP, ME energías renovables
potencia, intermitentes,
informática, generación
telecomunicacion
t l i i distribuida,
di ib id
es, sensores, vehículos
actuadores. eléctricos.

• Generación distribuida
• Micro-redes
• Nano-redes
Nano redes
• Generadores virtuales
• Medidores inteligentes
• Casas/edificios inteligentes Ref: IBM

2. Tendencias Redes inteligentes

• Redes Inteligentes / Smartgrids
(1) Red eléctrica transformada (en los
niveles de transmisión y distribución) que
utiliza sistemas de comunicación
bidireccionales
bidireccionales.

(2) Sobrenombre para una amplia paleta
de aplicaciones que potencian la
capacidad de monitoreo y control de
una red eléctrica.
d lé t i

Ref: IBM

2. Antecdentes técnicos:
2. Tendencias Experiencia internacional
Experiencia Internacional

 Laboratorio ISET,
 STEAG Project,
 Encorp Virtual Power Plant,
 Virtual FC Power Plant,
 Fenix project (DER Unión Europea)
 Otros proyectos relacionados de la Unión Europea
(CRISP, DISPOWER, MICROGRIDS, EUDEEP, DGFACTS),
 Virtual Power Plant NATCON7,
21
 Decentralized Energy
Decentrali ed Energ Management S stem de SIEMENS
System SIEMENS.
 SmartGridCity (Boulder, Colorado), Xcelenergy. agosto de 2010
 NTT research centre, Japan (control-communication)
Ref: FENIX, ISET

2. Tendencias Experiencia internacional

• Olympic Pennynsula Project
– Smart metering
– Control automático de demanda

• Smart Grid City Boulder
– Smart metering
– Alta penetración de GD
– Control de demanda
participativo

• Model City Manheim 22

– Problema multirecurso (energía +
agua + cargas térmicas + agosto de 2010
transporte)

Contenido

Introducción
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ﾰ
Tendencias
T d i

Micro-redes
Mi d

Ejemplos para Chile
Ej l Chil

Conclusiones
C l i
23

agosto de 2010

3. Micro-redes Definición

“Conjunto de cargas y fuentes operando como un
Conjunto Una micro‐red es una sistema
sólo sistema que provee electricidad y calor. La ma‐ de energía integrado que consis‐
yoría de las fuentes debe ser basada en electrónica te de cargas y recursos distri‐
de potencia para proveer la flexibilidad necesaria y buidos interconectados, el cual
así asegurar la operación como un sólo sistema agre‐ puede operar en paralelo con la
gado. Esta flexibilidad le permite a la Micro‐red pre‐ red o bajo modo aislado
sentarse al sistema como una unidad controlada que intencional.
cumple con los requerimientos locales de confiabi‐
confiabi Navigant Consulting Inc.
lidad y seguridad”.
Consorcio CERTS
QUE NO ES
“Es una red de distribución que incluye generación
local (distribuida) y posiblemente almacenamiento; y Una sola tecnología (ejemplo,
que puede operar en modo aislado”. una microturbina en un
General Electric edificio comercial) – esto es
difi i i l)
generación distribuida!
“Subconjunto auto sostenible y autónomo de un área
de un sistema de potencia que puede operar g p
Un grupo de fuentes de
independiente de la red o en conexión con ella” generación individuales que
WG IEEE P1547.4 no están coordinadas.

3. Micro-redes Características

•Diseñadas para aumentar la
p
confiabilidad local y sistémica.

•Provee energía durante cortes de
suministro.
suministro

•Provee variedad de servicios
complementarios.

•Favorece a la Gx y Tx al proveer
tecnologías plug&play  recorte de
punta.
punta

•Potencial para incentivos económicos.

•Incorpora fuentes ERNC.

•Facilita aplicaciones de cogeneración.

•Vía para alcanzar metas de programas
ERNC(20/20).
Fuente: Proyecto EU Kythnos

3. Micro-redes Características

•Combinación de fuentes convencionales y/o renovables, estados de conexión o
no a la red.
•Presencia de sistemas de almacenamiento para compensar intermitencias
•Red de comunicaciones para todos los elementos de la Micro-red incluyendo
agrupamientos de cargas
cargas.

Necesidad de un sistema inteligente de control para
optimizar y realizar la gestión de generadores,
almacenamiento y l cargas d t d l Micro-red.
l i t las dentro de la Mi d

Fuente: GE, B. Sagoo.

3. Micro-redes Experiencia internacional

Ejemplos de Micro‐redes


Ejemplos de Micro‐redes

Fuente: Toshiba

Fuente: Xtreme Power
Fuente: Proyecto EU Kythnos


Micro redes
Micro-redes en USA

Programas federales, instituciones y sector privado participan del
desarrollo y puesta en marcha de proyectos. Estos desarrollos buscan
verificar beneficios esperados y reducir los riesgos de implementación
de micro-redes.
micro redes
Fuente: Merrill Smith, DOE

3. Micro-redes Redes inteligentes y Micro-redes

Control del i t
C t l d l sistema •Control d l sistema
C t l del i t
•Transferencia de energía, control del flujo de potencia
•Control de demanda

Casas
(futuro)
Subestación

•EMS inteligente –
Casa
•Medidores
inteligentes
i t li t
Edificio Comercial •PV/baterías/equipo
de control
•EMS inteligente - Edificio •Control de demanda
•Control de demanda/DSM •Bloques inteligentes
•PV/baterías/equipo de control (departamentos)

Fuente: Denda, Shimizu Corpotation

3. Micro-redes ERNC y Micro-redes

Flujo de potencia a red
Control del flujo de
potencia

Punto de inyección

Fuentes ERNC

Batería Generador
Red de distribución

Sistemas de
almacenamiento
l i t

Micro-red Generador


3. Micro-redes Control de flujo con CD/DSM

Nivel de requerimiento de CD desde Micro - EMS

bajo alto Emergencia

Operación Control energético y
Económica optimización
cia
Control de flujo de potenc

Control de flujo de
Sólo
d

control GD potencia
Operación
en isla
Control de flujo de
Control GD Modo isla
&
potencia con DSM/CD
CD/DSM


3. Micro-redes Ámbitos de aplicación

Micro‐red en área urbana

Sistema opera como respaldo en caso de emergencia
•Centro médico
•Parques industriales
•Centro de datos/cómputo
•Centro de control de tráfico
Centro de control de tráfico

Micro‐red en área rural

Penetración y aplicación de ERNC
•Granjas solares y eólicas
•Electrificación rural
•Electrificación rural
•Islas aisladas
•Pilotos de desarrollo tecnológico


3. Micro - redes Micro-red urbana / emergencia

Micro redes
Micro-redes de emergencia

Disponer de micro-redes que apoyen eficientemente en situaciones de
emergencia.
emergencia

3. Micro-redes Micro-red urbana/emergencia

Micro redes
Micro-redes de Seguridad Energética (ESMTM)
Micro-red compuesta por cargas y fuentes dispersas

Características de una ESMTM
Seguridad energética mejorada
Facilita la integración de fuentes renovables y otros GD
Ofrece oportunidades a la cogeneración  mayor eficiencia en uso de
combustible
La confiabilidad se plantea en términos del impacto en la misión
Aplicable a nivel militar y/o civil

Hace uso de la generación de respaldo existente (i.e. recorte de punta).

Las nuevas fuentes de generación de la micro-red se integran para crear
una interconexión entre las instalaciones críticas.

Dos enfoques:
Dos
Tradicional, control central para todas las unidades de la micro-red.
Control autónomo de las fuentes de generación.
Fuente: Akhil, Sandia National Laboratories


Micro redes
Micro-redes de Seguridad Energética (ESMTM)
Implicancias en el largo plazo
p g p

Permite modificaciones de una gran cantidad de generadores de
respaldo existentes.

Fácil integración de ERNC y otros GD que operen con inversores.

Elimina tanto arquitectura de control central como la infraestructura.

Permite aplicaciones Plug & Play.

Fuente: Akhil, Sandia National Laboratories


Micro redes

=~

~= =~
La red entra en
operación cuando no se
cuenta con suministro
del sistema.

El almacenamiento y la
generación se encuentran del
lado de la carga para cumplir con
requerimientos de potencia y
disponibilidad de la solución


Micro redes

Instalaciones críticas:

•Hospitales
•Comunicaciones =~
•Bombeo de combustible
•Bombeo de agua
•Suministro de alimentos
•Servicios públicos
Servicios ~= =~


Micro redes

Tecnologías de generación:

•Microturbinas vs Motores
•Plomo ácido vs Li-ion =~
•Eólico
•Hidro
•Solar
~= =~


Micro-redes de emergencia - Ejemplo
Micro redes

=~

~= =~


Micro redes
Sin micro-red operativa

Círculo vicioso


Micro redes
Con micro-red operativa

=~

~= =~

Círculo vicioso

3. Micro-redes Micro-red rural
Ejemplo de sistema híbrido aislado

Antecedentes:
•Suministro limitado de energía – 10 horas
•Energía provista por unidad diesel
g p p
•Altos costos de operación
•Emisiones

Ejemplo de sistema híbrido aislado

~ =
= ~

=
~

~
=


Sistema EMS
Si t
Variables
Datos de entrada
D t d t d Medición
Clima Monitoreo
Carga

W
i
n
d

D
i
e
s
= e
~ l
S
o =
l ~
a
r

= =

~ ~

Optimización
Wate
r Batte
tower ries

~

=

UC + OPF + DSM
Variables
Control
C l

Historizador


Estrategia

Potencia generador diesel(PD), potencia batería(PB), señales de bombeo (BP), señal a
usuarios (SL).

Potencia solar pronosticada(PS) potencia turbina(PE) curva de carga(PL) y consumo
solar pronosticada(P ), potencia ), curva de carga(P ) y consumo
de agua (wc).


Resultados
R l d
•Pronóstico de viento


Resultados – O
R l d Operación del sistema
ió d l i
Potencia [kW]

Consumo Bombeo agua
Viento

gua
Paneles

mbas de ag
G.Diesel
Baterías

Potenncia bom
[kW]
Tiempo
[hrs]


R l d
Resultados – O ió d l i ( l di i )
Operación del sistema (valores diarios)

Gen ERNC
E [kWh] E [kWh]
382 Gen Diesel

320 Dda Energía

134

Reducción
Situación antes de proyecto Situación con proyecto
186 kWh

Reducción anual de 52 Ton CO2e

3. Micro-redes Inserción social

3. Algunos ejemplos para Chile Generador Virtual: mapa social

3. Micro-redes: visión

56/39

3. Micro-redes: visión

Eólico

Geotermia

Hidráulica

Solar

Biomasa

57

OPERACIÓN
DESCONEXIÓN
RECONEXIÓN
FALLA
EN
ISLA

Contenido

Introducción
I t d ió
ﾰ
Tendencias
T d i

Micro-redes
Mi d

Ejemplos para Chile
Ej l Chil

Conclusiones
C l i
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agosto de 2010

4. Algunos ejemplos para Chile Domótica y vehículos eléctricos

Mercado / Políticas asociadas

Efectos en la red eléctrica

Tipos de vehículos

Cargadores
Sistemas
Rápidos Lentos de baterías

Integración de ERNC ? Vi? Visión europea Ref: Marubeni
CE-FCFM

4. Algunos ejemplos para Chile Domótica y vehículos eléctricos

Ref: RWE, Alemania

4. Algunos ejemplos para Chile Oportunidades y Desafíos

Condominios ecológicos
• Fomento del concepto de vida ecológica.
• Búsqueda de eficiencia energética en las viviendas.
• E it contaminación visual producto d l redes aéreas d di t ib ió
Evitar t i ió i l d t de las d é de distribución.
• Fomento a las energías renovables.

Sistema aislado con generación autónoma Microred inteligente a base de energías
en hogares renovables


Micro hidráulica Plug / Play

Plazas sustentables
Lugares públicos  educación + sustentabilidad.


Otras alternativas:

- Geotermia de baja entalpía y motores Stirling.
- Cosechadores de energía.
- Sistema de calefacción solar.
- Sistema netmetering para Chile
- …

 espacio de innovación a nivel nacional!

Contenido

Introducción
I t d ió
ﾰ
Tendencias
T d i

Micro-redes
Mi d

Ejemplos para Chile
Ej l Chil

Conclusiones
C l i
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agosto de 2010

Nivel
Conceptual
Teórico
 

Desarrollos
Intermedios

~
=
~
~

Innovación Tecnológica

Conclusiones

• Vi ió general de desarrollos requeridos para l i t
Visión ld d ll id la integración
ió
de ERNC en los sistemas eléctricos nacionales.

• Tendencias internacionales.

•Micro‐redes y sus aplicaciones
Micro redes y sus

•Algunos ejemplos para Chile. =
~

• Oportunidades de
desarrollo,
I+D  prototipos.

• Desafíos para el país
el país
en innovación y emprendimiento
en el sector.

¡Gracias por su atención!
¡Gracias por su atención!

Presentación Ing. Guillermo A. Jiménez Estévez, PhD
Centro de Energía
Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas
Universidad de Chile

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