potencial de las ernc

Seminario“Oportunidades y Amenazas Generadas por el Mercado del Carbono:Oportunidades y Amenazas Generadas por el Mercado del Carbono:

Nuevas Tendencias Huella de Carbono y Agua”

Potencial de las ERNCMicro redes de EmergenciaMicro-redes de Emergencia

Concepción19 de Agosto de 2010

P t ióPresentación Ing. Guillermo A. Jiménez Estévez, PhD

Centro de EnergíaFacultad de Ciencias Físicas y Matemáticas

Universidad de Chile

OBJETIVO

ﾰﾰ

Contribuir desde el punto de vista de identificarContribuir desde el punto de vista de identificar

espacios de innovación, con antecedentes técnicos

y económicos para el análisis de la integración yy económicos para el análisis de la integración y

aplicación a las redes eléctricas nacionales de las

ERNC

2

ERNC.

agosto de 2010

2

Contenido

I t d ióﾰ

Introducción

T d iTendencias

Mi dMicro-redes

Ej l Chil

3

Ejemplos para Chile

C l iagosto de 2010

3Conclusiones

1. Introducción: Areas de desarrollo

1. Sistemas para redes inteligentes en la forma degeneradores virtuales y unidades de generacióndistribuidadistribuida.

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

3. Herramientas de apoyo a la toma de decisiones para la3. Herramientas de apoyo a la toma de decisiones para laoperación, planificación, monitoreo y control de sistemasde energía.

Motivación: ¿ Qué distingue a Chile?

1. Introducción: El sector eléctrico

Motivación: ¿ Qué distingue a Chile?

• Abundancia de recursos renovables.E t t l it di l d i t f ll• Estructura longitudinal de sistema propenso a 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.

Situación actual en Chile:

1. Introducción/Motivación Oportunidades Energético/Recursos

Energíarenovable

Capacidadinstalada [MW]

Potencial [MW]

Mini-Hid á li

130 20.392HidráulicoGeotérmico 0 16.000

Eólico 164 40.000

Biomasa 191 13.675

Solar 0 100.000

Total 445 de 15.000 190.067

Source: CNESource: PREN, U. de Chile,

U. Técnica Federico Santa María, 2008

1. Introducción Integración de ERNC

Peak load pricing

1. Introducción El mercado eléctrico chileno

Peak load pricing

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 archivo de nuevo. Si sigue apareciendo la x roja, puede que tenga que borrar la imagen e insertarla de nuevo.

MW

1. Introducción Diferenciación de ERNC

ERNCEnergías Renovables

no ConvencionalesEnergías C i l

Energías C i l

MW

20 MW

Convencionales Convencionales

Excedentes ? 20 MW

MGNC

CogeneraciónEficiente

CogeneraciónEficiente

Excedentes ?< 9 MW

PMGExcedentes < 9 MW

9 MW

PMGPMGD

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

I t d ióﾰ

Introducción

T d iTendencias

Mi dMicro-redes

Ej l Chil

12

Ejemplos para Chile

C l iagosto de 2010

12Conclusiones

Desafíos técnicos globales observados a nivel internacional

2. Tendencias Impacto en seguridad

g

cuellos de cuellos de botella en las integración de

l íbotella en las redes de distribución

redes de transmisión

la energía eólica en el mar en gran escala

Corto plazo Largo plazoMedio plazo

insuficiente i

posibles huecos de tensión en

lcoordinación de

reserva en giro(balance)

gran escala generadores en todos niveles de tensión

Fuente: Jens Bömer13

Sistema interconectado

2. Tendencias Evolución de redes de distribución

14

agosto de 2010

14

• Desafíos técnicos y de coordinación

2. Tendencias Evolución de redes de distribución

Tendido

• Desafíos técnicos y de coordinación

eléctrico corto (r ≈ x) Trafo

bajada (tap)

Elementos de

protección

Red de DxEquipo de compensa‐

Acumuladores Red de Dx p

ción (L , C, “P”)

Consumo Generación

(baterías, embalses)

“baja” potencia (domicilio, industria)Trafo Booster

pequeña distribuida (renovable, diesel) Trafo Booster

• Visión futura de los sistemas eléctricos de potencia.

2. Tendencias Evolución de redes del sistema

p• Situación actual en Chile:

generación distribuida es excepción, gran potencial?, necesidad de seguridad energética, necesidad de innovar.

Power

StorageIndustry

Quality

HouseholdMetering

Solar Storage

110 kV

Fuel CellCombined

l l t0 4 kV

10/20 kV

110 kV

Wind

cycle plant0,4 kV

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


Sistemas aislados híbridos

Un sistema híbrido es un sistema que combina dos o más f entes de energíacombina dos o más fuentes de energía 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 HidráulicoFotovoltaico-Hidráulico.

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

Fuente: Departamento de Energía , EEUU

A t d l

2. Tendencias Redes inteligentes

Avances en

Aumento del nivel de

requerimientos y complejidad

Aumento de inserción deAvances en

electrónica de potencia,

informática, t l i i

y p jde los SEP, ME

inserción de energías renovables

intermitentes, generación di ib idtelecomunicacion

es, sensores, actuadores.

distribuida, vehículos eléctricos.

• Generación distribuida• Micro-redes• Nano redes

Ref: IBM

• Nano-redes• Generadores virtuales• Medidores inteligentes• Casas/edificios inteligentes

• Redes Inteligentes / Smartgrids

2. Tendencias Redes inteligentes

• Redes Inteligentes / Smartgrids(1) Red eléctrica transformada (en losniveles de transmisión y distribución) queutiliza sistemas de comunicaciónbidireccionalesbidireccionales.

(2) Sobrenombre para una amplia paletade aplicaciones que potencian lacapacidad de monitoreo y control de

d lé t i

Ref: IBM

una red eléctrica.

2. Antecdentes técnicos: Experiencia Internacional2. Tendencias Experiencia internacional

Laboratorio ISET, STEAG Project, Encorp Virtual Power Plant, Virtual FC Power Plant, Fenix project (DER Unión Europea)

21

Fenix project (DER Unión Europea) Otros proyectos relacionados de la Unión Europea

(CRISP, DISPOWER, MICROGRIDS, EUDEEP, DGFACTS), Virtual Power Plant NATCON7,

Decentrali ed Energ Management S stem de SIEMENS

agosto de 2010

21 Decentralized Energy Management System de SIEMENS. SmartGridCity (Boulder, Colorado), Xcelenergy. 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

22

Alta penetración de GD– Control de demanda

participativo

• Model City Manheim

agosto de 2010

22• Model City Manheim– Problema multirecurso (energía +

agua + cargas térmicas + transporte)

Contenido

I t d ióﾰ

Introducción

T d iTendencias

Mi dMicro-redes

Ej l Chil

23

Ejemplos para Chile

C l iagosto de 2010

23Conclusiones

3. Micro-redes Definición

“Conjunto de cargas y fuentes operando como un Una micro‐red es una sistemaConjunto de cargas y fuentes operando como unsólo sistema que provee electricidad y calor. La ma‐yoría de las fuentes debe ser basada en electrónicade potencia para proveer la flexibilidad necesaria y

Una micro‐red es una sistemade energía integrado que consis‐te de cargas y recursos distri‐buidos interconectados, el cual

así asegurar la operación como un sólo sistema agre‐gado. Esta flexibilidad le permite a la Micro‐red pre‐sentarse al sistema como una unidad controlada quecumple con los requerimientos locales de confiabi‐

puede operar en paralelo con lared o bajo modo aisladointencional.Navigant Consulting Inc.cumple con los requerimientos locales de confiabi

lidad y seguridad”.Consorcio CERTS

Navigant Consulting Inc.

QUE NO ES“Es una red de distribución que incluye generaciónlocal (distribuida) y posiblemente almacenamiento; yque puede operar en modo aislado”.General Electric

Una sola tecnología (ejemplo, una microturbina en un difi i i l)

“Subconjunto auto sostenible y autónomo de un áreade un sistema de potencia que puede operar

General Electric edificio comercial) – esto es generación distribuida!

Un grupo de fuentes de de un sistema de potencia que puede operarindependiente de la red o en conexión con ella”WG IEEE P1547.4

g pgeneración individuales que

no están coordinadas.

3. Micro-redes Características

•Diseñadas para aumentar la pconfiabilidad local y sistémica.

•Provee energía durante cortes de suministrosuministro.

•Provee variedad de servicioscomplementarios.

•Favorece a la Gx y Tx al proveertecnologías plug&play recorte de puntapunta.

•Potencial para incentivos económicos.

•Incorpora fuentes ERNC.

•Facilita aplicaciones de cogeneración.

Fuente: Proyecto EU Kythnos

•Vía para alcanzar metas de programasERNC(20/20).

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 incluyendoagrupamientos de cargasagrupamientos de cargas.

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

Fuente: GE, B. Sagoo.

Ejemplos de Micro‐redes

3. Micro-redes Experiencia internacional

Ejemplos de Micro‐redes


Fuente: Toshiba

Fuente: Xtreme PowerFuente: Proyecto EU Kythnos


Micro-redes en USAMicro redes en USA

Programas federales, instituciones y sector privado participan del desarrollo y puesta en marcha de proyectos. Estos desarrollos buscanverificar beneficios esperados y reducir los riesgos de implementaciónde micro redes

Fuente: Merrill Smith, DOE

de micro-redes.

3. Micro-redes Redes inteligentes y Micro-redes

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

Control del sistema

Casas(futuro)

Subestación

•EMS inteligente –Casa•Medidores i t li t

Subestación

Edificio Comercial•EMS inteligente - Edificio•Control de demanda/DSM•PV/baterías/equipo de control

inteligentes•PV/baterías/equipo de control•Control de demanda•Bloques inteligentes(departamentos)•PV/baterías/equipo de control (departamentos)

Fuente: Denda, Shimizu Corpotation

3. Micro-redes ERNC y Micro-redes

Control del flujo de potencia

Flujo de potencia a red

Fuentes ERNC

GeneradorBatería

Punto de inyección

Sistemas de l i t

Red de distribución

Micro-red

almacenamiento

Generador


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

Nivel de requerimiento de CD desde Micro - EMS

Emergencia

Nivel de requerimiento de CD desde Micro EMS

bajo alto

Control energético y optimización

OperaciónEconómica

cia

Control de flujo de Sólode

pot

enc

potencia

Operación en isla

Sólo control GD

de fl

ujo

d

Control de flujo de potencia con DSM/CD

Modo islaControl GD&

CD/DSMCon

trol


3. Micro-redes Ámbitos de aplicación

Sistema opera como respaldo en caso de emergencia

Micro‐red en área urbana

•Centro médico•Parques industriales•Centro de datos/cómputo•Centro de control de tráficoCentro 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


Micro-redes de emergencia

3. Micro - redes Micro-red urbana / emergencia

Micro redes de emergencia

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

3. Micro-redes Micro-red urbana/emergencia

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


Características de una ESMTM

Seguridad energética mejoradaFacilita la integración de fuentes renovables y otros GDOfrece oportunidades a la cogeneración mayor eficiencia en uso de combustibleLa confiabilidad se plantea en términos del impacto en la misión

Aplicable a nivel militar y/o civilAplicable 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 enfoques: 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 de emergencia 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 de emergencia Micro redes de emergencia

~=

~= == ~=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



Instalaciones críticas:

~=

Instalaciones críticas:

•Hospitales•Comunicaciones

~= =

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



Tecnologías de generación:

~=

Tecnologías de generación:

•Microturbinas vs Motores•Plomo ácido vs Li-ion

~= =

•Eólico•Hidro•Solar

= ~=


Micro-redes de emergencia - Ejemplo Micro redes de emergencia Ejemplo

=~=

~= ~=


Micro-redes de emergencia - Ejemplo Micro redes de emergencia Ejemplo Sin micro-red operativa

Círculo vicioso


Micro-redes de emergencia - Ejemplo Micro redes de emergencia Ejemplo

=

Con micro-red operativa

~=

~= ~=

Círculo vicioso

Ejemplo de sistema híbrido aislado

3. Micro-redes Micro-red rural

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

Ejemplo de sistema híbrido aislado


~= ~=

~=

~=


Si t EMS

D t d t d

VariablesMedición

Sistema EMS

Datos de entradaClimaCarga

MediciónMonitoreo

~

=~

=

=

Diesel

Wind

Solar

=

OptimizaciónUC + OPF + DSM

~

~

=

Water

towerBatteries

~

VariablesC lControl

Historizador


Estrategia

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

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


R l d•Pronóstico de viento

Resultados


R l d O ió d l iResultados – Operación del sistema

ConsumoVientoPaneles

Bombeo agua

ia [k

W]

gua

G.DieselBaterías

Pote

nc

mba

s de

ag

ncia

bom

Pote

n[k

W]

Tiempo [hrs]


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

Gen ERNCE [kWh]

320

E [kWh]

382 Gen Diesel

Dda Energía

134

Reducción

Situación antes de proyecto Situación con proyecto

Reducción186 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

EólicoEólico

GeotermiaGeotermia

HidráulicaHidráulica

SolarSolar

BiomasaBiomasaBiomasaBiomasa

57

FALLAOPERACIÓN

ENISLA

DESCONEXIÓNRECONEXIÓN

Contenido

I t d ióﾰ

Introducción

T d iTendencias

Mi dMicro-redes

Ej l Chil

59

Ejemplos para Chile

C l iagosto de 2010

59Conclusiones

4. Algunos ejemplos para Chile Domótica y vehículos eléctricos

Efectos en la red eléctrica

Mercado / Políticas asociadas

Tipos de vehículos

Cargadores

Rápidos LentosSistemas de bateríasRápidos Lentos de baterías

Integración de ERNC ? Vi? Visión europea Ref: MarubeniCE-FCFM

4. Algunos ejemplos para Chile Domótica y vehículos eléctricos

Ref: RWE, Alemania

Condominios ecológicos

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 t i ió i l d t d l d é d di t ib ió• Evitar contaminación visual producto de las redes aéreas de distribución.• Fomento a las energías renovables.

Sistema aislado con generación autónoma en hogares

Microred inteligente a base de energías renovables

Micro hidráulica Plug / Play


Micro hidráulica Plug / Play

Plazas sustentables4. Algunos ejemplos para Chile Oportunidades y Desafíos

Lugares públicos educación + sustentabilidad.

Otras alternativas:


Otras alternativas:

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

espacio de innovación a nivel nacional! espacio de innovación a nivel nacional!

Contenido

I t d ióﾰ

Introducción

T d iTendencias

Mi dMicro-redes

Ej l Chil

72

Ejemplos para Chile

C l iagosto de 2010

72Conclusiones

Nivel ConceptualTeórico Teórico

Desarrollos Intermedios

~=~~

Innovación Tecnológica

Conclusiones

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

• Tendencias internacionales.

•Micro‐redes y sus aplicacionesMicro redes y sus aplicaciones

•Algunos ejemplos para Chile.~=

• Oportunidades de desarrollo, I+D prototipos.

• Desafíos para el paísDesafíos para el paísen innovación y emprendimientoen el sector.

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

Presentación Ing. Guillermo A. Jiménez Estévez, PhDPresentación Ing. Guillermo A. Jiménez Estévez, PhD

Centro de EnergíaFacultad de Ciencias Físicas y Matemáticas

Universidad de Chile

potencial de las ernc

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