Almacenamiento de Energía Parte 5. AplicacionesAlmacenamiento de Energía • La energía...

AlmacenamientodeEnergíaParte5.Aplicaciones

GabrielOlguín,Ph.D.—[email protected]

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Objetivos•  Enestemóduloseexplicanunconjuntodeaplicacionesdelossistemasdealmacenamientodeenergía.

•  Seprivilegialaaplicaciónalossistemaseléctricosporserlaenergíaeléctricalaformamásefectivayfácildeusarenergíaenprocesosindustriales,comercialesyanivelresidencial


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TransmisiónversusAlmacenamiento•  UnSistemadeTransmisiónproveelaenergíadondesenecesita–latransportaenelespacioNísico

•  UnSistemadeAlmacenamientodeEnergíaproveeenergíacuandosenecesita–latrasladaeneltiempo

•  Latransmisiónespartedelacadenadevalordelaindustriaeléctrica

•  ElAlmacenamientoreciéncomienzaaserconocidoyvalorado


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Contenidos

•  Introducción•  Aplicaciones

– Arbitrajedeenergía– Servicioscomplementarios

•  Reservaengiro•  Partidaennegro(PRS)•  EDAC–Negativo•  Postergacióndeinversiones


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Introducción•  Lasredeseléctricas(TxyDx)permitentrasladarlapotencia/energíaeléctricaenelespacioaprovechando–  economíadeescaladelafuenteprimaria–  diversidaddelascargas

•  ElAlmacenamientodeEnergíapermitetrasladarlapotencia/energíaeléctricaeneltiempoparaaprovecharocompensar–  Variabilidaddelacarga–  Disponibilidadyvariabilidaddelageneración–  Costodeoportunidaddelaenergía/potencia


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Introducción•  Lassolucionesdealmacenamientodeenergíaofrecenaplicacionesalolargodetodalacadenadevalordelaindustriaeléctrica:–  Generación-Mercadomayorista–  Arbitrajedeenergía,seguimientodecarga,servicioscomplementarios(SSCC)–  Transmisión

•  Postergacióndeinversiones,SSCC,seguridad–  Distribuciónprimariaysecundaria,

•  Postergacióndeinversiones,SSCC,seguridad,recursoenergéticodistribuido

–  UsoNinaldelaenergíaeléctrica•  Microredes,respaldo,suministroautónomo,SSCC


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SistemadeAlmacenamientodeEnergíaEléctricaIdeal•  UnSAEidealparaelSEPdebería:

–  Proveerrespaldodinámico(sincronizado)yestáticodepartidarápidaylenta

–  Aportaralcontroldefrecuencia–  Aportaralcontroldevoltaje–  Aportaramejorarlacalidaddelproducto–  Reducirloscostosdeoperacióndelsistema–  Reducirloscostosdeexpansióndelsistema

•  Noexisteunaúnicatecnologíaqueproveatodosestosserviciossinounportafoliodesoluciones


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DosdimensionesdelA.E.PotenciaversusEnergía


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Potencia MW

Tiempo de descarga

Inyección/absorción rápida de energía - segundos a minutos

Inyección/absorción masiva de energía – minutos a horas

AlmacenamientodeEnergía•  Laenergíaeléctricasoloesalmacenableencamposeléctricos

(capacitancia)ycamposmagnéticos(inductancia),estosprincipiosyasehandesarrolladoconaplicacionesdepotencia(nodeenergía)

•  Otrasopcionesdealmacenamientodeenergíaconsideranalmacenarlaenergíaprimaria,carbón,gas,petróleo,aguaenembalse,etc.

•  Tambiénsepuedetransformarlaenergíaeléctricaenotraenergíaparaalmacenarlayeventualmentetrasladarla,enespacioytiempo,dondetengamásvalor.Porejemplodesdeenergíaeléctricaaenergía…–  Potencialhidráulicamediantebombeoaguasarriba–  Potencialgracitacionalmedianteelevacióndepeso–elevadorcongenerador–  Inerciarotacionalmediantemotor–generadoryvolantedeinercia–  Térmicamediantecambiosdetemperaturao/ycambiodeestados–  GeneracióndeHidrogenomedianteelectrolisis


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AlmacenamientodeE.E.enelSEP


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ES ES

ESES

ES

10aplicacionesdeAESegmento Aplicación DescripciónGeneraciónysistema

1 Serviciosalmercadomayorista

AlmacenamientomasivodeenergíaparaofertasdecapacidadySSCC:CPF,CSF,seguridad

2 Integraciónderenovables

AlmacenamientomasivoparadesplazamientotemporalySSCC

Transmisiónydistribución

3 AlmacenamientoestacionarioenlareddeT&D

MejoramientodelautilizacióndeactivosdeT&D,postergacióndeinversionesenactivosdeT&D

4 AlmacenamientotransportableparaT&D

MejoramientodelautilizacióndeactivosdeT&D,postergacióndeinversionesenactivosdeT&Denmúltiplessitiossegúnserequiera

5 Almacenamientodistribuido(EDR)

Almacenamientocentralizado:conNiabilidad,calidaddeservicios,SSCC GabrielOlguín,Ph.D.—

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10aplicacionesdeAESegmento Aplicación DescripciónDistribución 6 Sistemasagregados

ESCOSistemasdeAEdistribuidosgestionadoscentralizadamenteparabeneNiciosendistribución

UsuariosNinales

7 CalidaddelapotenciayconNiabilidadenindustriaycomercio

SistemasparaproveercalidaddepotenciayconNiabilidadencomercioeindustria

8 Gestióndedemandaenindustriaycomercio

Sistemasparareducircargosporpotenciayenergíaenindustriaycomercio

9 Gestióndedemandaresidencial

Sistemasparatrasladodecargasahorafueradepunta

10 Respaldocomercialyresidencial

Sistemasderespaldoparapequeñosconsumosdegranvalor GabrielOlguín,Ph.D.—

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12ESCO: Energy Service Companies

Generación-MercadoMayorista•  Arbitrajedeenergía

–  Absorcióndeenergíaabajocosto(fueradepunta)ydespacho/ventaposteriordurantehorasdepuntacuandosuvaloresmayor.

–  BeneNicios:•  IngresosparaelSistemadeAlmacenamientodeEnergíapordiferencialdeprecio

–  Comprayventaapreciospot•  Mejorusodeunidadesdebasesubutilizadasdurantehoradevalle•  Mejorusodeunidadespordisminucióndeciclosparaseguimientodelacargaysuavizaciónderampas


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Evaluacióneconómicadelarbitraje

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Supuestos: •  50MW/400MWh 80% Ef. •  $ carga: 20USD/MWh •  O&M: 1% CAPEX/año •  Seguros: 1%CAPEX •  Vida Útil: >15 años

Diferencial $ punta - $ fuera de punta en USD/MWh 40 50 60 70 80 90 100

1000

1400

1800

2200

2600

CAPEX USD/kW TIR @80% roundtrip

efficiency

<2%

2-4%

4-6%

8-10%

12-20%

Ref.: Value proposition for Utility-Scale Energy Storage, D.Manz; J. Keller; IEEE 2011

Generación-MercadoMayorista

•  CapacidaddeReservaparacontingencias– Comorecursoadicionaleneleventodeunacontingenciadetransmisiónogeneración

– BeneNicios:•  RecursodisponibleparaeloperadorindependienteCDECs(ISO)

•  Recurso“despachable”paralasuministrarcargasimprevistas-reemplazandoreservaengiro/sincronizada,secundariaypronta


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ReservaenGiro•  NTSyCS–Capitulo1Terminología•  77.ReservaenGiro:Margenentrelapotenciadedespachoylapotenciamáximaqueelconjuntodelasunidadesgeneradorassincrónicasenoperaciónpuedenaportarysosteneranteunaumentobruscodelademandaoreducciónbruscadelageneración.LaReservaenGirodelsistemaincluyeelaportequepuedenhacerlosEquiposdeCompensacióndeEnergíaActiva.


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Notarespectodelareservaengiro•  Elnombre“reservaengiro”hacereferenciaaciertacapacidaddegeneracióndisponibleyderápidore-despachoenmáquinassincronizadasconelobjetolograrbalanceofertademandaycontrolarlafrecuenciadelsistema

•  Unnombremásapropiadoaladisponibilidadtecnológicaactualesreservasincronizadaderespuestarápidapuesexistetecnologíascapazdeofrecerelmismoserviciosinestarengiro


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Reservasincronizada/engiro


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G G G

La frecuencia es 50 Hz sólo si Generación es igual a la Demanda Perdidas



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G G G

La frecuencia es <50 Hz si G<D+Perd, por ejemplo por pérdida de generación.


G G G


20

La reserva sincronizada recupera la frecuencia aportando potencia. También se recurre a los EDAC para recuperar la frecuencia en caso de pérdidas importantes de generación.



21

G G G

La frecuencia es >50 Hz si G>D+Perd, ejemplo pérdida de una carga importante.



22

G G G

La frecuencia se recupera reduciendo generación ERAG



23

El AE puede participar en la recuperación de la frecuencia aportando o absorviendo potencia activa

SAEE

SAEE

G G G

SAEE

G

NTSyCSCap1.-44EDAC•  EsquemadeDesconexiónAutomáticadeCarga:Esquemadecontrolque,

aldetectarcondicionesanormalesenelSIqueponenenriesgosuestabilidad,emiteórdenesdedesenganchesobredistintosinterruptoresquealimentanconsumos.

•  SedistinguenEDACdeltipo:•  porsubfrecuencia:enlosqueeldesengancheeshabilitadoporla

operaciónpreviadeunreledesubfrecuencialocal;•  porsubtensión:enlosqueeldesengancheeshabilitadoporlaoperación

previadeunreledesubtensiónlocal;•  porDesengancheDirecto:enlosqueelprocesamientodeladecisiónde

desengancheserealizaenunaubicaciónremota,sobrelabasedeladeteccióndeuncambiodeestadoodevariableseléctricasanormales,quepuedenafectarlaSyCSdeunáreadelSI.


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Variacionesrápidasdefrecuencia


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Aportes del sistema de almacenamiento

MercadoMayorista

•  Partidaautónoma/BlackStart– ComorecursodeapoyoalPlandeRecuperacióndeServicio(PRS)

– BeneNicios:•  EstratégicamentedispuestoelSAEpuedeproveerserviciodepartidaautónomaaunaomáscentrales(siemprequeexistalalíneadetransmisiónentreelSAEylacentral)

•  Permitiracelerarlarestauracióndelservicio•  Respaldoacargascríticasantecatástrofesnaturales


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Partidaautónoma-aportedelA.E.


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Energización de La línea de transmisión

Rampa de alivio de carga coordinada con la toma de carga del generador

Energía necesaria para la central

Controldefrecuencia


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Inerciaysuefectoenlaestabilidaddefrecuencia

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La razón de cambio inicial Hz/MW de la frecuencia es solo función de la inercia del Sistema

Respuesta inercial sistema ERCOT USA pérdida de 2750 MW (60Hz)

ConceptodeInerciacritica

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La inercia sistémica para la cual la frecuencia desciende activando el EDAC antes que los recursos rápidos respondan y superen la contingencia. 0.4 Hz

0.5 s

Másreserva“inercial”esnecesariaconbajainercia

31

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

50 100 150 200 250 300 350 400

PrimaryFrequencyResponse(MW)

Inertia(GW∙s)

PrimaryFrequencyResponse(MW)

Estudios han mostrado que la reserve necesaria crece a medida que la inercia del Sistema se acerca a la inercia critica

PostergacióndeInversionesenTxAliviodecongestiónenTx


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SAECapacidad de transformación

MW

Dda Max anual

Capacidad de transformación

Cap. Transmisión

PostergacióndeInversionesenDx


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Capacidad de transformación MW

Dda Max anual

SAE

Calidaddelapotencia:Hundimientosdetensión


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Hundimiento de tensión V PC SAE

Otras prestaciones: •  Op. en isla •  Gestión energética

•  Recortar la punta •  Tarifa de verano

NTSyCS–RecursosdeControldeContingencias:•  RecursosGeneralesdeControldeContingencias:Correspondena:

•  a)lainerciapropiadelasmáquinasrotatorias,incluyendovolantes.

•  b)elcontrolprimarioysecundariodefrecuencia.•  c)lareservadepotenciareactivayelcontroldetensión.•  d)losestabilizadoresdesistemasdepotencia.•  e)EDAC,elEDAG,elERAG,enlostérminosdeNinidosenelArtículo5-7.

•  f)yengeneral,lossistemasqueenfuncióndelaevolucióndevariablesdecontroldelsistemaactúansobrelageneración,lacargaolatopologíadelsistema.


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NTSyCSCap.5:ExigenciasEstándaresdeSyC.S.

•  Art.5-15EnlasInstalacionesdeClientesseimplementaráelaportealEDACporsub-frecuenciaatravésde:

•  a)…•  b)…elClientepodrautilizaroacreditarelusodeEquiposdeCompensacióndeEnergíaActivaquepermitanaportarconuntiempoderespuestaequivalente,ysostenerduranteeltiempoquerequieralaDO,unapotenciaalmenosequivalentealadesconexióndeconsumoqueleasignaelEstudiodeEDACenelrespectivoescalóndesubfrecuencia.


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NTSyCSCap.5:ExigenciasEstándaresdeSyC.S.•  Artículo5-16•  TantolosClientesReguladoscomolosLibresseránresponsablesdeinstalar,administraryoperarlosequipamientosnecesariosparacumplirconlosporcentajesdeparticipaciónenelEDACporsubtensiónquedeNinalaDOsegúnelArticulo5-12.

•  Noobstante,losCoordinadospodránconvenircontercerosquedesconectenunacargaequivalenteparadarcumplimientoaestaobligación,siemprequesedemuestrealaDOquelosefectosdeestadesconexiónresultanequivalentes.


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ServiciosComplementariosD.S.130Art33•  Artículo31.-Losusuarios,seanéstosdistribuidorasoclientesnosometidosa

regulacióndeprecios,queprestenserviciosdedesprendimientoautomáticodecargaporsubfrecuencia,subtensiónoporcontingenciaespecíHica,asıcomoserviciosdedesprendimientomanualdecarga,recibiránunaremuneraciónporlaprestacióndedichosservicioscomplementariossólounavezsuperadoelnúmerodedesconexionesy/otiempodeduraciónacumuladoquelaNTSyCSdeHina,norecibiendoremuneraciónalgunaporlaprestacióndetalesserviciosmientrasnosesuperenlosrequerimientosestablecidosenlareferidanorma.Enelcasoquelaprestacióndedichosserviciossearealizadapordistribuidoras,éstasdeberántraspasaríntegramenteelvalordelaremuneraciónalosclientesNinalesqueresultarondesconectadosporlaaplicacióndelosreferidosservicios.ElvalordelaremuneraciónindicadaenelincisoanteriorequivaldraalcostodefalladecortaduracióndeNinidoenlaNTSyCS,porcadakilowattdesconectadoqueestuvierenconsumiendoalmomentodeladesconexión,segúnlodetermineelCDECatravésdelaDOenbasealamediciónquerealice,porladuracióndelevento,expresadaenhoras.


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ServiciosComplementariosD.S.130Art33

•  Articulo33.-Losclientesnosometidosaregulacióndepreciospodránacordarlasustitucióndesusaportesdedesprendimientosautomáticosdecargaporsub-frecuenciaosub-tensión,establecidasporelCDECatravésdelaDO,conlosotrosclientesnosometidosaregulacióndeprecios.CorresponderáalaDOaprobarorechazarlasustitucióndelosaportes,enatenciónalafactibilidadtécnicaycumplimientodelasexigenciasdecalidadestablecidasenlaNTSyCS.


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BeneHicio T.

ConsumoHinal10sdekW

DistribuciónyTransmisión

100skWa10sMW

GeneneracióneISOs100sdeMW

Altovalordela

energíaalmacenada

$/kW

h

Energía$/Kwh

Horas

Potencia$/Kw

Minutos

Altovalordelapotencia

$/kW

Fiabilidad$/kW

Segundos

Operación$/KVAr&$/Kw

Calidaddelproducto

Recursosenergéticosdistribuidos Servicios

Complementarios

Capacidad,potenciaNirme

Arbitrajedeenergía

Gestiónenergética

Postergacióndeinversionesen

activosdeTxyDx

Fiabilidad

integraciónde

ERNC

SuavizacióndeERNC

SoportealSistemadetransmisión

BeneNiciosdelAlmacenamientodeEnergíaEléctrica

OfertatecnológicayaplicacionesUPSyCalidaddelapotencia

SoporteydesplazamientodecargaenT&D

Gestiónenergéticamayorista(masiva)


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Centraldebombeo

BateríasdeIon-Li

AirecomprimidoCAES

BateríasdeNlujo:Zn-Cl;Zn-Air;Zn-Br;

Súper-capacitores

Bateríasdeplomoácido

VolantesdeinerciaFES

Segu

ndos

M

inut

os

Hor

as

BateríasdeNaS

1kW 10kW 100kW 1MW 10MW 100MW 1GW

DesempeñodeunSAEE•  Energíaypotencia:MW&MWh•  Densidad:Kwh/m3•  Ciclosdecargadecarga•  Profundidaddedescarga•  Velocidaddecargaydescarga(rampas)•  ENicienciadeciclocompleto•  Manejoambiental

–  InNlamabilidad–  Manejodesustanciaspeligrosas–  Aceptaciónsocial


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SAEE

Requerimientodedesempeño


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Segmento Descripción Tamaño Duración Ciclos Vida-años

Mercadomayorista

Arbitraje 10-300MW 2-10hr 300-400/años 15-20

SSCC varios varios varios varios

Reg.frecuencia 1-100MW 15min >8000/año 15

R.sincronizada 10-100 1-5hr 20

Integracióndeenergíasvariables:solarfvyeólica

Eólica:soportedevoltajeycontrolderampasdevariación

1-10Dx100-400central

15min 5000/año10000

20

Eólica:AEfueradepunta

100–400MW 5–10hr 300-500/año 20

PV:desplazamientotemporal,sags,soporterápido

1-2MW 15min–4hr >4000 15

RequerimientodedesempeñoSegmento Descripción Tamaño Duración Ciclos/año Vida-

años

ApoyoestacionarioT&D

PostergacióndeactivosdeT&Durbanayrural.GestióndecongestiónISO

10-100MW

2-6hr 300-500/año

15-20

SoporteT&Dmóvil

Ídem 1–10MW 2-6hr ídem ídem

DESS-AEdistribuido

EnelladodelaDx,mejoradelaeNicienciadelaDx

25–75kW 2-4hr 100-150 10-15

CalidaddelapotenciaenCeInd.

SoluciónaSagseinterrupcionesdecortaduración

25–1000kW

<15min <50 10


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RequerimientodedesempeñoSegmento Descripción Tamaño Duración Ciclos Vida

años

ConNiabilidaddecargasIndyC.

Respaldorápidoacargassensibles

50–1000kW 4–10hr <50año 10

GestiónenergéticaenCeInd.

Reduccióndecostosporenergíaypotencia

50-1000kW 3-4hr 400-1500año 15

1MW

GestiónEdomiciliaria

ENicienciaymenorescostos

2-5kW 2-4hr 150-400año 10-15años

Respaldoresidencial

Niabilidad 2-5kW 2-4hr 150-400año 10-15años


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Aplicacionesfuturas•  Mayorvolatilidadenpreciosspot:

–  Lasenergíasvariablesaumentaranlavolatilidaddelospreciosspots(preciosnulosonegativosenciertashorasdeabundanciadelrecurso)

•  Integraciónderenovables–  Variosestudiosmuestranlanecesidaddeaumentarreservascuandoelniveldeintegraciónsuperael20%

•  Penetracióndefotovoltaicaendistribución:–  SeanticipandesaNíosdeoperaciónparagestionarlageneracióndistribuida.SAEpuedenproveersoportedevoltaje,gestionarintermitencia,etc.

•  GestióndelaDemanda:–  LaintroduccióndepagosporcargasgestionablespuedeabrirnuevosmercadosparalosSAE.Consumidorespodránvendercargadesprendibleyrespaldarlalocalmente.


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Referencias•  Laprincipalreferenciadeestemóduloeseldocumento:•  Whitepaper“ElectricityEnergyStorageTechnologyOptions:Awhitepaperprimeronaplication,costsandbeneNits”EPRI1020676;December2010

•  DOE/EPRI2013ElectricityStorageHandbookinCollaborationwithNRECA(SAND2013-5131)


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