Dr. Hugo Pérez Rebolledo Instituto de Investigaciones Eléctricas

Generación y Consumo de Energía

Miércoles 22 de octubre del 2014

Impacto de la Eficiencia

Energética en el Cambio Climático

Índice

• Introducción

• Generación

• Redes

• Demanda

• Tendencias tecnológicas

• Conclusiones y Recomendaciones

Contenido

El porcentaje del consumo de energía primaria y las emisiones de dióxido de carbono tiende a incrementar en los próximos años:

• La población mundial sigue aumentando;

• Las economías emergentes continúan desarrollándose;

• El cambio climático conduce a una mayor demanda de enfriamiento en edificios en climas cálidos, y

• La creciente riqueza personal impulsa la demanda

de consumidores con mas electrodomésticos.

Introducción

Consumo de energía per cápita en México: En el año 2011: El consumo de energía per cápita fue 76.9 GJ por habitante, 3.3% mayor que 2010. En dicho año, la población mexicana pasó de 108.4 a 109.2 millones de habitantes, lo que representó un crecimiento de 0.8%. Por su parte, el consumo nacional de energía creció 4.1%. El consumo de electricidad per cápita incrementó 6.1% respecto al año anterior, al ubicarse en 2,077.4 kilowatts-hora (kWh) por habitante. Esto fue resultado del incremento en el consumo total de electricidad (6.9%) y de la población nacional (0.8%). En el 2013 el consumo de energía per cápita se mantuvo cerca de los 76.16 GJ. Actualmente (2014) somos 112´,336,538 habitantes, 57´481,307 mujeres y 54´855,231 hombres.

Introducción

(Sener, Conapo e Inegi)

Consumo de energía per cápita (GJ por habitante)

Introducción

2012 2013

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Balance Nacional de Energía 2010 (Petajoules)

Introducción

Introducción

Generación Eléctrica

Eficiencia en la Generación de Electricidad

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KEMA Energy efficiency on power plants-2009

Eficiencia y Emisiones en la Generación de Electricidad

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Eficiencia de Centrales Generadoras de CC

Eficiencia de algunos tipos de plantas generadoras

Fuente: KEMA Energy efficiency un power plants-2009

Cogeneración

• Casi 2/3 de los 49,555 Twh consumidos para la producción de electricidad en el mundo son disipados al ambiente.

• Dicha disipación es el nicho que busca aprovechar la Cogeneración, aplicando CHP (Combined Heat and Power) o conceptualizando sistemas de generación descentralizada (o distribuida)

Hugh Rudnick Van De Wyngard)

Generación de electricidad por fuente primaria

Generación eléctrica por fuente primaria para los años 1997 a 2007

Generación bruta en el servicio público por tipo de energético utilizado, 1997 – 2007 (TWh)

Generación de Electricidad por Tecnología

15

Generación de Electricidad por Tecnología

Eficiencia en la generación de electricidad con combustibles fósiles

Composición global de combustibles empleados en generación eléctrica y su eficiencia 1990-2009

Eficiencia en la generación de electricidad

Generación eléctrica con combustibles fósiles.

En la actualidad (datos 2006), en el mundo el 80% del consumo energético proviene de combustibles fósiles2. En el caso de la electricidad, el 60% se genera a partir de combustibles fósiles3, con un 16% generados con energía nuclear y el otro tanto con hidroeléctrica. En México el porcentaje de energía eléctrica generada a partir de combustibles fósiles es del 80%4. La AIE prevé que para 2030 el porcentaje de electricidad generada con combustibles fósiles será del 66%, lo que muestra que no solo no disminuye, sino que incluso aumenta ligeramente en este periodo. 1Agencia Internacional de Energía. World Energy Outlook 2008. pp. 78. 2Agencia Internacional de Energía. World Energy Outlook 2008. pp. 143. 3Prospectivas del Sector Eléctrico 2008-2017. SENER. pp. 109. 4Agencia Internacional de Energía. World Energy Outlook 2008. pp. 143.

• Proyección de instalaciones de Fotovoltaicos.

Generación fotovoltaica

El ejemplo de Mexicali Baja California

El fraccionamiento Valle de las Misiones: • 220 casas económicas con sistemas

fotovoltaicos interconectados a la red eléctrica

• Aislamiento térmico.

La energía eléctrica requerida en las viviendas: • Energía generada por las celdas fotovoltaicas y • Complementada por la energía de la red

eléctrica de la CFE

Capacidad del sistema. 1 kW

Costo del sistema $ 81,370

Vida útil 30 años

Producción promedio anual 2040 kWh

Producción promedio mensual 170 kWh

Ahorro promedio mensual. $ 120.00

Proyecto primer etapa. 220 casas

Fecha del Proyecto: 12 de octubre de 2006

20

Almacenamiento por hidro-bombeo • 75-80% en el ciclo de

eficiencia de almacenamiento.

• 30-350 MW por unidad

Generación por almacenamiento Hidro por Bombeo

• Aire comprimido por proceso adiabático CAES, Compressed Aire Energy Storage:

• Eficiencia de cerca del 70%.

• No requiere de gas ni genera emisiones (CO2)

• El CAES convencional requiere de gas y genera emisiones (CO2)

Generación con aire comprimido

Generación con Fuentes Renovables

Celdas de Combustible

Generación con Fuentes Renovables

• La generación de energía renovable (Hidro, solar, viento, biomasa, geotérmica y mareomotriz) ha crecido cerca del 13% anual en capacidad instalada en los últimos 10 años.

• La fotovoltaica ha mantenido un crecimiento promedio anual del 40% (Alemania, Italia, USA y Japón).

• Un 27% se tiene en aerogeneradores en tierra (los instalados en el mar son de tecnología emergente y requieren de mayor I&D para mejorar los componentes).

Redes

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Redes Inteligentes

Redes Inteligentes y la Administración de la Demanda Residencial

Internet (Cliente, servicio)

Medidor

Electrodomésticos

Red Eléctrica

Internet (Administrador de

red, medidor, servicio)

Controlador de

Administrador

de Energía

Portal en Web

Pantalla con

indicadores en

tiempo real

Control de AA

Contacto

Inteligente

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Transmisión:

• Optimización eléctrica de derechos de vía: incremento de capacidad

• Conversión de líneas de AC a DC

• Monitoreo y determinación dinámica de cargabilidad

• Metodologías de diagnóstico y determinación de vida útil de componentes

• Monitoreo en línea de contaminación del aislamiento

• Alargamiento de vida útil del aislamiento externo con base en nanocompuestos

Cables:

• Diagnóstico y monitoreo de condición

• Determinación dinámica de cargabilidad

Redes

Distribución

• Metodología para la automatización sustentable de la

distribución

• Metodología de reingeniería de alimentadores: reducción

de pérdidas técnicas, reducción de TIU, mejor

aprovechamiento de la capacidad instalada.

Redes

Fuente: European Commission for Smart Grids

Parques

Eólicos en el

Mar y

Generación

Mareomotriz

Nuclear

Energía

Termo-Solar

Biogas

Calor y Energía

Hidrógeno

Calor y Energía

Infraestructura Hidrógeno

Vehículos Hidrógeno

Vehículos Eléctricos

Tren Eléctrico y Transporte Publico

Producción con IGCC

Captación y Almacenamiento del

Carbón

Generación Eólica

Almacenamiento Hidráulico

Electricidad Hidroeléctrica y

Geotérmica

Fotovoltaico

CalefacciónSolar

Red Inteligente

Red Futura 2060

Visión General

30

Opera con nuevas tecnologías, como FACTS (controladores a base de electrónica de potencia), superconductividad, almacenamiento de energía

Reducción de pérdidas

Mayor confiabilidad

Mayor flexibilidad en la operación de la red eléctrica

EMPRESA DE SERVICIO DE ENERGÍA ELÉCTRICA:

Redes Inteligentes

EMPRESA DE SERVICIO PÚBLICO DE ENERGÍA ELÉCTRICA:

Observa una curva de demanda suavizada

Difiere inversiones de capital en transmisión y distribución

Aprovecha la infraestructura existente y optimiza su uso Cuenta con sistemas de monitoreo en línea de equipos

Detecta condiciones de pre-falla

Alarga la vida útil de los equipos Utiliza infraestructura avanzada de medición

Informa al usuario precios en tiempo real e incentivos para modificar patrones de consumo

Mejora la atención al usuario

Visión General

Opera una red de distribución automatizada

Detecta y aísla fallas, reconfigura la red para continuar con el servicio

Utiliza infraestructura de medición basada en sincrofasores y sistemas de protección de área amplia

Detecta situaciones previas a la pérdida de estabilidad o colapso de voltaje y aplica acciones preventivas

Mejora la confiabilidad y seguridad del sistema

EMPRESA DE SERVICIO DE ENERGÍA ELÉCTRICA:

Visión General

CONSUMIDOR (INDUSTRIAL, COMERCIAL Y RESIDENCIAL):

Mejor informado y apoyado en sistemas inteligentes de administración de la demanda

Reduce consumo de energía

Reduce el monto de su factura

Integrado a un sistema eléctrico confiable y con mejor atención del proveedor

Menor afectación económica por interrupciones y calidad deficiente

Podría contar con generación propia

Inyecta al sistema la energía excedente y reduce su factura

Visión General

Tendencias tecnológicas

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Tendencias en Innovaciones Tecnológicas en Eficiencia Energética

“Cool Earth”, Japan´Innovative Energy Technology Program, METI (Ministry of Economy, Trade and Industry of Japan): 2008

Tendencias Tecnológicas

INDUSTRIA Sistemas de Monitoreo Sistemas de Cogeneración Sistemas de Electrónica de potencia para el control de motores Sistemas de Administración de la energía Norma para la administración de la energía Sistemas de Recuperación de calor Sistemas de Electrónica de potencia para el control de procesos

(motores) Administración de la energía con Redes Inteligentes

RESIDENCIAL Casas y edificios de cero emisiones Materiales aislantes de calor Cogeneración en hogares (gas/electricidad) Iluminación eficiente: OLED, LED, Lámparas fluorescentes compactas Sistemas de calentamiento de agua eficientes Generación en casas: Celdas de combustible, paneles solares, aerogeneradores Sistemas de administración de la energía (Redes inteligentes) Controlador automático de consumo embebido en electrodomésticos Tomacorriente inteligente Prepago de consumo Potencia en espera Normas REDES INTELIGENTES • Todos los niveles

Tendencias Tecnológicas

COMERCIAL Materiales aislantes de calor Sistemas de Aire Acondicionado (bombas de calor) Sistemas de Cogeneración (gas/electricidad) Iluminación eficiente Sistemas de calentamiento de agua eficientes Generación eléctrica: Celdas de combustible, paneles solares Administración de la energía TRANSPORTE Motores híbridos Motores eléctricos Fabricación de biodiesel Recuperación de frenado

Tendencias Tecnológicas

MATERIALES PARA NUEVAS TECNOLOGÍAS

Desarrollo de LEDs y OLEDs Desarrollo de nanocompuestos de celdas solares Catálisis de bajo costo y membranas de alta selectividad para

celdas de combustible estacionarias Termoelectricidad Baterías recargables Películas conductoras Nanocompuestos duros e imanes suaves para sensores

Tendencias Tecnológicas

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Demanda

Consumo de electricidad en México

Consumo de electricidad por electrodoméstico en México

• En México los electrodomésticos de mayor consumo energético son las lámparas, el refrigerador, televisor, lavadora y secadora.

• Los refrigeradores representan el 29% del consumo eléctrico residencial debido a que son equipos que están permanentemente conectados y tienen un alto nivel de uso en las casa habitación.

Consumo de Energía Eléctrica

Impacto de la eficiencia energética en México desde los 90´s

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En la próxima década, que tecnologías serán implementadas?

A largo plazo, las nuevas tecnologías cambiarán la administración de la demanda y consumo de energía.

Demanda

Estimación de Ahorros y Emisiones Evitadas por Normas de Eficiencia Energética de Electrodomésticos

Estimación de ahorros por la aplicación de cuatro normas de eficiencia energética en México

Fuente: estudio IIE/CONAE/LBNL

Estimación de emisiones por la aplicación de cuatro normas de eficiencia energética en México.

(Refrigeradores, aire acondicionado, motores y lavadoras)

Cambio de Horario de Verano

Acciones tomadas en diferentes países

Referencia: International energy Agency

Potencia en Espera

Análisis de reducción del consumo de energía a lo largo de la cadena entera del producto desde la extracción de materia prima hasta la disposición final

Ciclo de Vida

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Tecnologías para Edificios; Sistemas de Administración de Energía

Administración integrada del edificio

Sistema HVAC

Control de alumbrado

Administración de elevadores

Controles digitales

directos (DDC)

Sistema de generación de

emergencia

Hidráulica

Refrigeración Administración de energía

Monitoreo de alarmas

PLCs

Referencia: IEA

Emisiones Globales de CO2 por Sector

Requisitos de flexibilidad en SE

• Integración de Renovables.- Incremento masivo de energías renovables producirá retos para sistemas de energía. La generación y el consumo se tendrán que balancear continuamente.

• Estudios de la Integración de generación renovable en gran escala, p.ej., modelos de pronóstico de la generación intermitente (eólica), estudios de impacto de la futura integración de generación de gran escala en la operación del sistema eléctrico.

• Generación Flexible.- La flexibilidad de plantas generadoras incrementará los costos debido a mas pérdidas por mantenimientos y de eficiencia.

• Expansión de redes.- Retrasos en la expansión de redes, debido a la baja aceptación de la gente y aprobaciones complicadas (medioambientales).

• Tecnologías inteligentes.-Control de cargas inteligentes contribuye a la estabilidad del sistema

• Almacenamiento de energía.- de las mas grandes en escala de almacenamiento de energía, se tienen las de hidro-bombeo, 75-80% eficiencias, 30-350 MW.

Conclusiones y Recomendaciones

• A nivel mundial la demanda de energía no disminuye, como consecuencia tampoco las emisiones de CO2.

• Se hacen esfuerzos para lograr el objetivo global de limitar el incremento de temperatura a 2oC.

• Se requiere de crear sistemas energéticos con tecnologías más limpias.

• Incrementar la infraestructura de Edificios inteligentes y viviendas sustentables.

• La eficiencia energética se reconoce como una estrategia de política energética indispensable.

• Educación y conciencia sobre el aprovechamiento eficiente de los recursos energéticos.

• El reto es construir un futuro energético limpio, seguro y competitivo.

Conclusiones y Recomendaciones

CONCLUSIONES

55

¡Gracias por su atención!

Dr. Hugo Pérez Rebolledo

Instituto de Investigaciones Eléctricas

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62490 Cuernavaca, Morelos, México

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