Almacenamiento Energía en el Sistema de Energía Eléctrica

Almacenamiento Energía en el Sistema de
Energía Eléctrica: ¿tiene sentido en Chile?
Gabriel Olguin, Ph.D.
Socio Director Power Business,
Profesor Universidad de Santiago
golguin@powerbusiness.cl gabriel.olguin@usach.cl
Objetivos
• Presentar impulsores (market drivers) del
almacenamiento de energía (AE) en los
Sistemas Eléctricos de Potencia (SEP) en Chile
– Cambio climático y los compromisos de Chile en
relación a reducir emisiones de GEI
• Describir algunos principios y tecnologías de
AE y aplicaciones en los sistemas eléctricos.
Contenidos
• Desafíos para la industria eléctrica
– Contribución a mitigar el cambio climático
• Aplicaciones del Almacenamiento de
Energía
• Tecnologías
– Baterías BESS
– Volantes de Inercia FESS
Cambio climático – Políticas públicas
• Existe consenso científico (y últimamente
también político) que la temperatura de la tierra
está aumentando lo que podría originar cambios
climáticos con efectos desconocidos para la vida
sobre la tierra.
• Representantes de las diversas naciones se han
reunido en diversos foros (CMNUCC) para
acordar mecanismos de trabajo conjunto que
permitan reducir los gases de efecto
invernadero
Cambio climático
“Sí, destruimos el planeta Tierra, pero por momentos creamos
mucho valor para nuestros accionistas”
Gases de efecto invernadero
Gases que atrapan el calor en la
atmósfera
• Dióxido de carbono CO2
– Quema de combustibles
fósiles
• Metano CH4
– Industria de alimentos (carne)
y rellenos sanitaros
• Óxido Nitroso N2O
– Act. Industriales, de
agricultura y quema de fósiles
• Gases fluoruros
Emisiones totales 2013 USA
6673 Millones de toneladas
CO2
5% 3%
Dioxido de
Carbono
10%
Metano
82%
– Variedad de procesos
Fuente: USA environmental protection Agency wwww.epa.gov
Óxido
Nitroso
Floruros
Gases de Efecto Invernadero en Chile
Peso Porcentual por Sector con respecto al Total Nacional
(ton CO2eq)
Cemento; 1,40%
Siderurgia; 3,10%
Transporte Aéreo;
3,40%
Comercial y Público;
1,37%
Transporte Terrestre;
27,00%
Energía - Petróleo y
Gas; 4,52%
Cobre; 5,44%
Residencial; 5,93%
Transporte Marítimo;
7,20%
Energía - Gas y
Coque; 1,19%
Celulosa; 1,18%
Energía Electricidad; 25,27%
Industrias y Minas
Varias; 9,64%
Pesca; 0,92%
Azúcar; 0,67%
Energía - Gas y
Metanol; 0,62%
Salitre; 0,50%
Hierro; 0,48%
Transporte
Ferroviario; 0,10%
Petroquímica; 0,07%
Energía - Carbón y
Leña; 0,00%
Proyección de la evolución de las emisiones de gases de Efecto Invernadero en el Sector Energía 2000-2025; POCH
Compromiso de Chile
"quisiera reafirmar el compromiso voluntario de Chile
de reducir en un 20% sus emisiones proyectadas al
2020, sujeto a apoyo internacional".
Reducción de Emisiones CO2
• Eficiencia energética y Conservación de la
energía
– Hacer más con menos energía y evitar el mal uso
de la energía
• Transformación energética
– Cambiar de combustible o fuente primaria
• Captura y secuestro de CO2
– Grupo de tecnologías que evitan o reducen la
emisión de CO2
Reducción de Emisiones CO2
Opciones
• Energía nuclear y almacenamiento de los
residuos radioactivos
• Combustibles fósiles y captura del
carbono
• Eficiencia energética, Energías
Renovables, flexibilidad de la red y
almacenamiento de energía
El Potencial Eólico, Solar e
Hidroeléctrico de Arica a Chiloé
•
•
Chile tiene zonas donde las
energías renovables presentan
condiciones privilegiadas, y su
gran potencial supera con creces
el crecimiento de la demanda
eléctrica nacional proyectado
para las próximas décadas.
El aprovechamiento de una
fracción significativa de ese
potencial plantea desafíos. Entre
ellos están los relacionados con la
expansión de los sistemas de
transmisión y con el manejo de
la variabilidad de la producción
renovable.
http://www.minenergia.cl/archivos_bajar/Estudios/Potencial_ER_en_Chile_AC.pdf
Potencial Eólico total
Región - Zona
Proyectos d.p.
Potencia disponible
Potencia total
MW
F.P.
MW
F.P.
MW
F.P.
De Antofagasta
240
0,37
2622
0,32
2862
0,32
Taltal
99
0,41
11479
0,36
11578
0,36
De Atacama
533
0,34
86
0,34
619
0,34
De Coquimbo
777
0,35
389
0,36
1166
0,34
De Valparaíso
21
0,40
21
0,40
Del L. B. O’Higgins
75
0,34
75
0,34
Del Bio Bio
419
0,32
4581
0,33
5000
0,33
De La Araucanía
407
0,38
1933
0,33
2341
0,34
De Los Rios
51
0,39
2863
0,35
2914
0,35
3770
0,36
3770
0,36
De Los Lagos
Isla Chiloe
428
0,39
9678
0,34
10106
0,34
Total
2975
0,36
37477
0,34
40452
0,35
Potencial Solar
Región - Zona
Arreglo PV fijo
PV con seguimiento
Ha
MW
Ha
MW
De Arica y Parinacota
104015
20803
205024
41005
De Tarapacá
309163
61833
1055670
211134
De Antofagasta
4995313
999063
6003064
1200613
De Atacama
769467
153893
920363
184073
De Coquimbo
11442
2288
16201
3240
De Valparaíso
117
23
319
64
Total
6189517
1237903
8200641
1640128
Variabilidad de las fuentes
Flexibilidad de la red para
gestionar energías variables
Storage
Costo de las soluciones
Vertimiento
Storage
Mercados
• Precio en
tiempo real
(f)
• Respuesta
de Dda
• SSCC
Generación
flexible
• Turbina de
gas
• Ciclo
combinado
• Hidro de
embalse
• 1 a 2%
• Bombeo
• Gas
• Hidro de
embalse
• Baterías
Grado de flexibilidad creciente
• Baterías
• Volantes de
inercia
• Aire
comprimido
• Vehículos
eléctricos
Transmisión versus Almacenamiento
Dónde versus Cuándo
• Un Sistema de Transmisión provee la energía donde se
necesita, la transporte en el espacio físico
– Desde donde es abundante hasta donde es necesaria
• Un Sistema de Almacenamiento de Energía provee
energía cuando se necesita, la traslada en el tiempo
– Desde donde es abundante hasta cuando es necesaria
• La transmisión es parte de la cadena de valor de la
industria eléctrica
• El Almacenamiento de Energía comienza a ser parte
de la cadena de valor
Almacenamiento de Energía
Necesidades
• Regulación de frecuencia
• Calidad, continuidad y seguridad de
servicio
• Apalancamiento de las ERNC
• Arbitraje de energía
Tecnología
• Battery Energy Storage BESS
• Pumped hydro storage
• Flywheel energy storage
Regulación
sectorial
• Almacenamiento de energía como
parte de la cadena de valor
• Servicios complementarios
Almacenamiento de Energía en la
normativa
• Capítulo 1- 99 NTSyCS - Sistema Interconectado
• Conjunto de instalaciones de un sistema eléctrico
incluyendo: las centrales eléctricas; líneas de
transmisión a nivel troncal, subtransmisión y
adicionales; enlaces HVDC, equipos de compensación
de energía activa, subestaciones eléctricas, incluidas
las subestaciones primarias de distribución, y Barras de
Consumo de Clientes Libres abastecidos directamente
desde instalaciones de un sistema de transmisión o a
través de alimentadores de uso exclusivo; que operan
interconectadas entre sí, con el objeto de generar,
transportar y distribuir energía eléctrica en dicho
sistema eléctrico.
Almacenamiento de Energía en la
normativa
• NTSyCS; Capitulo 1.- terminología y …
• Equipo de Compensación de Energía Activa: Equipo
electrónico de potencia capaz de inyectar potencia
activa a la red en forma rápida y sostenerla durante
un tiempo prefijado, dentro de todos los rangos
aceptables de frecuencia y tensión del Sistema
Interconectado, ante variaciones de la frecuencia.
Almacenamiento de Energía en la
normativa
• Proyecto de Ley de Transmisión; Artículo 72°-2.- Obligación
de Sujetarse a la Coordinación del Coordinador
….... Asimismo, estarán sujetos a la coordinación de la
operación del Coordinador los sistemas de
almacenamiento de energía que se interconecten al
sistema eléctrico. …
El Sistema Eléctrico de Potencia
Almacenamiento de Energía en el
Sistema de Eléctrico de Potencia
AE
AE
AE
AE
AE
Algunas Aplicaciones del AE
Segmento
Aplicación
Descripción
Generación y
sistema
1
Servicios al mercado
mayorista
Almacenamiento masivo de
energía para ofertas de capacidad
y SSCC: CPF, CSF, seguridad, PRS
2
Integración de
renovables
Almacenamiento masivo para
desplazamiento temporal y SSCC
3
Almacenamiento
estacionario en la red
de T&D
Mejoramiento de la utilización de
activos de T&D, postergación de
inversiones en activos de T&D
4
Almacenamiento
transportable para
T&D
Mejoramiento de la utilización de
activos de T&D, postergación de
inversiones en activos de T&D en
múltiples sitios según se requiera
5
Almacenamiento
distribuido (EDR)
Almacenamiento centralizado:
confiabilidad, calidad de servicios,
SSCC
Transmisión y
distribución
Algunas Aplicaciones del AE
Segmento
Aplicación
Descripción
Distribución
6
Sistemas agregados
ESCO
Sistemas de AE distribuidos
gestionados centralizadamente
para beneficios en distribución
7
Calidad de la potencia Sistemas para proveer calidad de
y confiabilidad en
potencia y confiabilidad en
industria y comercio
comercio e industria
8
Gestión de demanda
en industria y
comercio
Sistemas para reducir cargos por
potencia y energía en industria y
comercio
9
Gestión de demanda
residencial
Sistemas para traslado de cargas a
hora fuera de punta
10
Respaldo comercial y
residencial
Sistemas de respaldo para
pequeños consumos de gran valor
Usuarios finales
ESCO: Energy Service Companies
Seguimiento de la carga
Cierta generación
operada por debajo
de su valor nominal
Máquinas
reducen carga
Reserva en Giro
• NTSyCS – Capitulo 1 Terminología
• 77. Reserva en Giro: Margen entre la potencia
de despacho y la potencia máxima que el
conjunto de las unidades generadoras sincrónicas
en operación pueden aportar y sostener ante un
aumento brusco de la demanda o reducción
brusca de la generación. La Reserva en Giro del
sistema incluye el aporte que pueden hacer los
Equipos de Compensación de Energía Activa.
Nota respecto de la reserva en giro
• El nombre “reserva en giro” hace referencia a
cierta capacidad de generación disponible y de
rápido re-despacho en máquinas sincronizadas
con el objeto lograr balance oferta demanda y
controlar la frecuencia del sistema
• Un nombre más apropiado a la oferta
tecnológica actual es reserva sincronizada de
respuesta rápida pues existe tecnologías capaces
de ofrecer el mismo servicio sin estar en giro
Reserva sincronizada / en giro
G
G
G
Unidades aportando reserva sincronizada o reserva en giro
Reserva sincronizada / en giro
G
G
G
Reserva sincronizada / en giro
SAEE
SAEE
G
G
¿quién obtiene el beneficio de la introducción de A.E. ?
G
Postergación de Inversiones en Tx/Dx
Flujo de potencia
MW
Capacidad de transformación / transmisión
Dda Max anual
SAE
Postergación de Inversiones en Dx
SAE
MW
Capacidad de transformación
Dda Max anual
Calidad de la potencia: Hundimientos
de tensión / cargas sensibles
PC
V
SAE
Hundimiento de tensión
Otras prestaciones:
• Op. en isla
• EDAC Negativo
• Gestión energética
• Recortar la punta
• Tarifa de verano
EDAC Negativo
• NTSyCS – Cap 5-3 Estándares para instalaciones de clientes.
• En las Instalaciones de Clientes se implementará el aporte al
EDAC por subfrecuencia a través de:
• a) …
• b) …el Cliente podrá utilizar o acreditar el uso de Equipos de
Compensación de Energía Activa que permitan aportar con
un tiempo de respuesta equivalente, y sostener durante el
tiempo que requiera la DO, una potencia al menos
equivalente a la desconexión de consumo que le asigna el
Estudio de EDAC en el respectivo escalón de subfrecuencia.
Beneficios del Almacenamiento de
Energía Eléctrica
Potencia
$/Kw
Horas
Minutos
Energía
$/Kwh
T.
Fiabilidad
$/kW
Operación
$/KVAr
&$/Kw
Segundos
Alto valor de la
Alto valor de la potencia
energía almacenada
$/kW
$/kWh
Beneficio
Consumo final
10s de kW
Gestión
energética
Fiabilidad
Recursos
energéticos
distribuidos
Calidad del
producto
Distribución y
Transmisión
100s kW a 10s MW
Geneneración e ISOs
100s de MW
Postergación de
integración Arbitraje de
inversiones en activos de
energía
de Tx y Dx
ERNC
Capacidad, potencia
firme
Suavización
de ERNC
Soporte al Sistema de
transmisión
Servicios
Complementarios
Oferta tecnológica y aplicaciones
UPS y Calidad de la
potencia
Soporte y desplazamiento Gestión energética
de carga en T&D
mayorista (masiva)
Horas
Central de bombeo
Baterías de flujo: Zn-Cl; Zn- Air; Zn-Br;
Súper-capacitores
Aire comprimido CAES
Baterías de NaS
Minutos
Baterías de Ion-Li
Segundos
Baterías de plomo ácido
Volantes de inercia FES
1kW
10kW
100kW
1MW
10MW
100MW
1GW
Almacenamiento de Energía en Baterías
Battery Energy Storage System BESS
Gabriel Olguin, Ph.D.
Socio Director Power Business,
Profesor Universidad de Santiago
Battery Energy Storage System: BESS
• Medio de almacenamiento: baterías electroquímicas
(varios tipos, cada uno con sus pros y cons):
– Súlfuro de sodio (NAS) 89%, Plomo ácido 75-85%, Níquel
Cadmio (NiCd) 60-70%, Ion Litio 95%.
• Convertidor de potencia:
– Semiconductores, electrónica de potencia, control digital
• Balance of plant (conexión y auxiliares):
– Transformador, paño AC, refrigeración, control, protección,
monitoreo
BESS
Convertidor VSC
Baterías
Barra de AT
=
P, Q
~
Transformados de
acoplamiento
Battery Energy Storage System
39
Battery Energy Storage System: BESS
transductores
Protección y
maniobra MV
Controlador
Transformador
de conexión
• Convertidor DC/AC
• Electrónica de
potencia
• Protección DC
• Refrigeración
• Convertidor DC/AC
• Electrónica de
potencia
• Protección DC
• Refrigeración
Almacenamiento
de energía
• Celdas de batería
• Gestor Baterías
Almacenamiento
de energía
• Celdas de batería
• Gestor Baterías
Baterías para almacenamiento de EE
Baterías: Vida útil
• Vida útil:
– La vida útil de la batería depende de los ciclos de
carga/descarga y profundidad de éstos. Diferentes
tecnologías de baterías tienen diferentes vidas
útiles.
– En general la vida útil se especifica en ciclos de
carga y descarga, por lo que la vida en años
depende de la aplicación efectiva.
Referencias proyectos BESS
AES GENER Los Andes BESS
• Primer BESS en Chile – Reserva en giro para Norgener
• 12MW 15 minutos
AES GENER Los Andes BESS
• Un SAEE permite separar la reserva en giro de la
central eléctrica
• La mejor ubicación de un BESS no es la planta de
generación sino la carga
AES Gener Angamos 20MW BESS
• Segundo proyecto de AES
Gener en Chile ( 2011)
• 10x2MW contenedores
de baterías Ion Litio
• 20 MW/5MWh de reserva
en giro de Angamos
• 10 contenedores de
baterías y 5x4MW
conversores
• Baterías A123 y
convertidores ABB
http://www.powermag.com/plant-of-the-yearaes-geners-angamos-power-plant-earns-powers-highest-honor/
Angamos 20MW BESS Chile
Angamos 20MW BESS Chile
60 MW Sistema de Almacenamiento de
Energía BESS-Guacolda
• Con el fin de participar en el mercado de Servicios
Complementarios y de almacenar excedentes de
energía en los momentos de baja demanda, e
inyectarlos cuando el SIC lo requiera, Empresa
Eléctrica Guacolda S.A ha proyectado en dos etapas
la instalación de un sistema de almacenamiento de
energía con baterías del tipo Ion-Litio, ubicado en la
Región de atacama a 16 km aproximado al sur de
Copiapó.
Fuente: SEIA www.seia.cl
60 MW Sistema de Almacenamiento
de Energía BESS-Guacolda
Fuente: SEIA www.seia.cl
Volantes de Inercia
Flywheel Energy Storage Systems FESS
Gabriel Olguin, Ph.D.
Socio Director Power Business,
Profesor Universidad de Santiago
Energía cinética rotatoria
vi
mi
ri
R
Volantes de Inercia
• Desarrollados en la industria del transporte para freno
regenerativo
• Dispositivo mecánico, cilíndrico, con momento de
inercia (I = ½ m2 r) significativo
– Gran resistencia a la variación de velocidad
– Energía cinética rotatoria o angular almacenada es
proporcional al momento de inercia I y al cuadrado de la
velocidad angular
• E= ½
2
• El principal objetivo de diseño de un volante de inercia
es eliminar perdidas por roce del rotor
• Eficiencia puede llegar a 80%
Volantes de Inercia
http://www.intechopen.com/books/dynamic-modelling/dynamic-modelling-and-control-design-of-advancedenergy-storage-for-power-system-applications
Volantes de Inercia
Referencias proyectos FESS
Algunos actores en el mercado
• Actualmente los proveedores más populares
en el sector eléctrico son:
– Beacon Power USA http://beaconpower.com/
– Temporal Power CA http://temporalpower.com/
– PowerCorp AUS-Alaska PowerStore (hoy ABB)
– Vycon http://www.acsystems.com/vycon/
• Existen otros proveedores en otros sectores:
transporte, puertos, datacenters, etc.
Beacon Power: Hazle Township,
Pennsylvania
• 20 MW para regulación de frecuencia PJM
• 200 unidades en operación desde Julio de 2014
• PCC en 66kV
Beacon Power: Hazle Township,
Pennsylvania
Temporal Power - NRStor
• 2 MW para control de
frecuencia en Ontario
CA
• En operación comercial
desde 2014
• Primer FESS en Canadá
http://www.nrstor.com/
PowerStore - ABB
Fuente: ABB USA - Microgrid
Reflexiones finales
• El AE de energía es nuevo eslabón en la cadena de la
industria eléctrica, Generación, Transmisión,
Distribución, Almacenamiento y uso final de la
energía Eléctrica
• Las aplicaciones son múltiples y se extienden a toda
la cadena del negocio eléctrico
• Las tecnologías son variadas y algunas todavía en
desarrollo
• La regulación se está actualizando a esta nueva
oferta tecnológica
Gabriel Olguin, Ph.D.
Socio Director Power Business,
Profesor Universidad de Santiago
GRACIAS
golguin@powerbusiness.cl