Almacenamiento Energía en el Sistema de Potencia: ¿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 para acordar mecanismos de trabajo conjunto que permitan reducir las emisiones de gases de efecto invernadero

• Chile será parte de la (CMNUCC) que se llevará a cabo en diciembre en París y donde los países concurrentes se comprometerán a adoptar las medidas necesarias con el objeto de mantener el calentamiento global por debajo de los 2 grados centígrados.

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 – Variedad de procesos

Emisiones totales 2013 USA

82%

10%

5% 3%

6673 Millones de toneladas CO2

Dioxido deCarbono

Metano

ÓxidoNitroso

Floruros

Fuente: USA environmental protection Agency wwww.epa.gov

Gases de Efecto Invernadero en Chile Peso 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 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

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 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

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

Co

sto

de

las

solu

cio

nes

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 en la normativa Chilena

• 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 Chilena

• 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 chilena

• 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 de suministro, Plan de Recuperación del Servicio

2 Integración de renovables

Almacenamiento masivo para desplazamiento temporal y SSCC

Transmisión y distribución

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)

Gestión centralizada: confiabilidad, calidad de servicios, SSCC

Algunas Aplicaciones del AE

Segmento Aplicación Descripción

Distribución 6 Sistemas agregados ESCO

Sistemas de AE distribuidos gestionados 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 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

ESCO: Energy Service Companies

Seguimiento de la carga

Máquinas reducen carga

Cierta generación operada por debajo de su valor nominal

Reserva en Giro – en Chile

• 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 existen 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 transformación MW

Dda Max anual

SAE

Calidad de la potencia: Hundimientos de tensión / cargas sensibles

Hundimiento de tensión V

PC SAE

Otras prestaciones: • Op. en isla • EDAC Negativo • Gestión energética

• Recortar la punta • Tarifa de verano

Esquema de Desprendimiento de Carga (EDAC Negativo)

• NTSyCS – Cap 5-3 Estándares para instalaciones de clientes.

• En las Instalaciones de Clientes se implementara el aporte al EDAC por subfrecuencia a través de:

• a) …

• b) …el Cliente podra 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 final 10s de kW

Distribución y Transmisión

100s kW a 10s MW

Geneneración e ISOs 100s de MW

Alt

o v

alo

r d

e la

en

ergí

a al

mac

enad

a $

/kW

h

Energía $/Kwh

Ho

ras

Potencia $/Kw

Min

uto

s

Alt

o v

alo

r d

e la

po

ten

cia

$/k

W

Fiabilidad $/kW

Segu

nd

os

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

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 CAES Baterías de flujo: Zn-Cl; Zn- Air; Zn-Br;

Súper-capacitores

Baterías de plomo ácido

Volantes de inercia FES

Segu

nd

os

Min

uto

s

Ho

ras

Baterías de NaS

Oferta tecnológica y aplicaciones

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

38

Baterías

Transformados de acoplamiento

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

ω

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 ω • E= ½Ιω2

• 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

golguin@powerbusiness.cl