Almacenamiento Energía en el Sistema de Energía Eléctrica: ¿tiene sentido en Chile?
Gabriel Olguin, Ph.D.Socio Director Power Business,
Profesor Universidad de Santiago
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 invernaderoGases 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– Variedad de procesos
Emisiones totales 2013 USA
82%
10%
5% 3%
6673 Millones de toneladas CO2
Dioxido deCarbonoMetano
ÓxidoNitrosoFloruros
Fuente: USA environmental protection Agency wwww.epa.gov
Gases de Efecto Invernadero en ChilePeso Porcentual por Sector con respecto al Total Nacional
(ton CO2eq)
Energía - Carbón y Leña; 0,00%
Comercial y Público; 1,37%
Celulosa; 1,18%
Cemento; 1,40%
Pesca; 0,92%
Azúcar; 0,67% Salitre; 0,50%
Hierro; 0,48%
Transporte Ferroviario; 0,10%
Energía - Gas y Metanol; 0,62%
Energía - Gas y Coque; 1,19%
Transporte Aéreo; 3,40%
Energía - Petróleo y Gas; 4,52%
Cobre; 5,44%
Residencial; 5,93%
Transporte Marítimo; 7,20%
Industrias y Minas Varias; 9,64%
Energía - Electricidad; 25,27%
Transporte Terrestre; 27,00%
Petroquímica; 0,07%
Siderurgia; 3,10%
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 totalRegión - 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
De Los Lagos 3770 0,36 3770 0,36
Isla Chiloe 428 0,39 9678 0,34 10106 0,34
Total 2975 0,36 37477 0,34 40452 0,35
Potencial SolarRegión - 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
Mercados• Precio en
tiempo real (f)
• Respuesta de Dda
• SSCC
Generación flexible• Turbina de
gas• Ciclo
combinado• Hidro de
embalse
Storage• Bombeo• Gas• Hidro de
embalse• Baterías
Vertimiento• 1 a 2%
Storage• Baterías• Volantes de
inercia• Aire
comprimido• Vehículos
eléctricos
Grado de flexibilidad creciente
Cost
o de
las s
oluc
ione
s
Transmisión versus AlmacenamientoDónde 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
• Regulación de frecuencia• Calidad, continuidad y seguridad de
servicio• Apalancamiento de las ERNC• Arbitraje de energía
Necesidades
• Battery Energy Storage BESS• Pumped hydro storage• Flywheel energy storage
Tecnología
• Almacenamiento de energía como parte de la cadena de valor
• Servicios complementarios
Regulación sectorial
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 AEAE
Algunas Aplicaciones del AESegmento 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
Transmisión y distribución
3 Almacenamientoestacionario 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
Algunas Aplicaciones del AESegmento Aplicación Descripción
Distribución 6 Sistemas agregados ESCO
Sistemas de AE distribuidosgestionados centralizadamente para beneficios en distribución
Usuarios finales
7 Calidad de la potencia y confiabilidad en industria y comercio
Sistemas para proveer calidad de potencia y confiabilidad en comercio e industria
8 Gestión de demandaen 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
ESCO: Energy Service Companies
Seguimiento de la carga
Máquinas reducen carga
Cierta generación operada por debajo de su valor nominal
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
G G G
SAEE
¿quién obtiene el beneficio de la introducción de A.E. ?
Postergación de Inversiones en Tx/Dx
SAE
Capacidad de transformación / transmisión MW
Dda Max anual
Flujo de potencia
Postergación de Inversiones en Dx
Capacidad de transformaciónMW
Dda Max anual
SAE
Calidad de la potencia: Hundimientos de tensión / cargas sensibles
Hundimiento de tensiónV
PC SAE
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.
Beneficio T. Consumo final10s de kW
Distribución y Transmisión
100s kW a 10s MW
Geneneración e ISOs100s de MW
Alto
val
or d
e la
en
ergí
a al
mac
enad
a $/
kWh
Energía $/Kwh
Hora
s
Potencia $/Kw
Min
utos
Alto
val
or d
e la
pot
enci
a $/
kW
Fiabilidad $/kW
Segu
ndos
Operación $/KVAr&$/Kw
Calidad del producto
Recursos energéticos distribuidos Servicios
Complementarios
Capacidad, potencia firme
Arbitraje de energía
Gestión energética
Postergación de inversiones en activos
de Tx y Dx
Fiabilidad
integración de
ERNC
integración de
ERNC
Suavización de ERNC
Suavización de ERNC
Soporte al Sistema de transmisión
Beneficios del Almacenamiento de Energía Eléctrica
UPS y Calidad de la potencia
Soporte y desplazamiento de carga en T&D
Gestión energética mayorista (masiva)
Central de bombeo
Baterías de Ion-Li
Aire comprimido CAESBaterías de flujo: Zn-Cl; Zn- Air; Zn-Br;
Súper-capacitores
Baterías de plomo ácido
Volantes de inercia FES
Segu
ndos
Min
utos
Hora
s
Baterías de NaS
Oferta tecnológica y aplicaciones
1kW 10kW 100kW 1MW 10MW 100MW 1GW
Almacenamiento de Energía en BateríasBattery 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
39
Baterías
Transformados deacoplamiento
Barra de AT
P, Q ~
=
Convertidor VSC
Battery Energy Storage System
Battery Energy Storage System: BESS
Controlador
transductores
Almacenamiento de energía • Celdas de batería• Gestor Baterías
• Convertidor DC/AC• Electrónica de
potencia • Protección DC• Refrigeración
Transformador de conexión
Protección y maniobra MV
Almacenamiento de energía • Celdas de batería• Gestor Baterías
• Convertidor DC/AC• Electrónica de
potencia • Protección DC• Refrigeración
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
mi
R
ri
vi
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-advanced-energy-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
GRACIAS
Gabriel Olguin, Ph.D.Socio Director Power Business, Profesor Universidad de Santiago
