potencial de las ernc
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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
1. Introducción Integración de ERNC
Peak load pricing
1. Introducción El mercado eléctrico chileno
Peak load pricing
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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.
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.
Ref: Handschin, UNIDO.
Ref: KEMA Consulting.
Sistemas aislados híbridos
2. Tendencias Evolución de redes del sistema
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
3. Micro-redes Experiencia internacional
Ejemplos de Micro‐redes
3. Micro-redes Experiencia internacional
Ejemplos de Micro‐redes
3. Micro-redes Experiencia internacional
Fuente: Toshiba
Fuente: Xtreme PowerFuente: Proyecto EU Kythnos
3. Micro-redes Experiencia internacional
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
Fuente: Denda, Shimizu Corpotation
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
Fuente: Denda, Shimizu Corpotation
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
Fuente: Denda, Shimizu Corpotation
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
Micro redes de emergencia
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
3. Micro-redes Micro-red urbana/emergencia
Micro-redes de emergencia Micro-redes de Seguridad Energética (ESMTM)Implicancias en el largo plazo
Micro redes de emergencia
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
3. Micro-redes Micro-red urbana/emergencia
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
3. Micro-redes Micro-red urbana/emergencia
Micro-redes de emergencia Micro redes de emergencia
Instalaciones críticas:
~=
Instalaciones críticas:
•Hospitales•Comunicaciones
~= =
•Bombeo de combustible•Bombeo de agua•Suministro de alimentos•Servicios públicos = ~=Servicios públicos
3. Micro-redes Micro-red urbana/emergencia
Micro-redes de emergencia Micro redes de emergencia
Tecnologías de generación:
~=
Tecnologías de generación:
•Microturbinas vs Motores•Plomo ácido vs Li-ion
~= =
•Eólico•Hidro•Solar
= ~=
3. Micro-redes Micro-red urbana/emergencia
Micro-redes de emergencia - Ejemplo Micro redes de emergencia Ejemplo
=~=
~= ~=
3. Micro-redes Micro-red urbana/emergencia
Micro-redes de emergencia - Ejemplo Micro redes de emergencia Ejemplo Sin micro-red operativa
Círculo vicioso
3. Micro-redes Micro-red urbana/emergencia
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
3. Micro-redes Micro-red rural
~= ~=
~=
~=
3. Micro-redes Micro-red rural
3. Micro-redes Micro-red rural
3. Micro-redes Micro-red rural
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
3. Micro-redes Micro-red rural
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).
3. Micro-redes Micro-red rural
R l d•Pronóstico de viento
Resultados
3. Micro-redes Micro-red rural
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]
3. Micro-redes Micro-red rural
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
4. Algunos ejemplos para Chile Oportunidades y Desafíos
Micro hidráulica Plug / Play
Micro hidráulica Plug / Play
4. Algunos ejemplos para Chile Oportunidades y Desafíos
Micro hidráulica Plug / Play
Micro hidráulica Plug / Play
4. Algunos ejemplos para Chile Oportunidades y Desafíos
Micro hidráulica Plug / Play
Micro hidráulica Plug / Play
4. Algunos ejemplos para Chile Oportunidades y Desafíos
Micro hidráulica Plug / Play
Micro hidráulica Plug / Play
4. Algunos ejemplos para Chile Oportunidades y Desafíos
Micro hidráulica Plug / Play
Micro hidráulica Plug / Play
4. Algunos ejemplos para Chile Oportunidades y Desafíos
Micro hidráulica Plug / Play
Micro hidráulica Plug / Play
4. Algunos ejemplos para Chile Oportunidades y Desafíos
Micro hidráulica Plug / Play
Plazas sustentables4. Algunos ejemplos para Chile Oportunidades y Desafíos
Lugares públicos educación + sustentabilidad.
Otras alternativas:
4. Algunos ejemplos para Chile Oportunidades y Desafíos
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