GENERACIÓN RENOVABLE, ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA Y REDES

INTELIGENTESRICARDO MOTA PALOMINO

ESIME IPN

NOVIEMBRE DE 2017

CONTENIDO

• 1. El Mercado Mexicano

• 2. Sistemas de Generación Distribuida

• 3. Redes eléctricas inteligentes

• 4. Almacenamiento de energía

• 5. Conclusiones

Sistemas de generación distribuida

Sistemas de generación eléctrica distribuida en México:

• Sistemas fotovoltáicos

• Sistemas eólicos

• Producción de energía a partir de basura y deshechos agrícolas

• Pequeñas turbinas de diferentes tecnologías

• Sistemas de cogeneración eficiente

Energías limpias

• En México se tiene el objetivo de avanzar en la transición energética. En2012, se aprobó la Ley General de Cambio Climático, en la cual el paísestablece como meta la reducción de emisiones de gases de efectoinvernadero en 30% para el año 2020 y 50% para el 2050, en relación conla línea base de emisiones del año 2000.

• …al menos 35% de la generación eléctrica del país provenga de fuenteslimpias en 2024, y que además se cumpla con lo dispuesto en la Ley parael Aprovechamiento de las Energías Renovables y Financiamiento de laTransición Energética y la Ley para el Aprovechamiento Sustentable de laEnergía.

• En los últimos tiempos, el desabasto de gas natural que ha sufrido el mercado interno ha obligado a la CFE a sustituir gas natural por combustóleo lo que ha tenido un impacto financiero de 18.9 miles de millones de pesos en 2012 y de 8.4 miles de millones de pesos en el primer cuatrimestre de 2013.

• Una matriz energética más limpia y diversificada es una condición necesaria para cumplir con los objetivos de mitigación del cambio climático, tener mayor flexibilidad en generación y poder disminuir los costos. …

• México cuenta con un gran potencial en materia de energías renovables, particularmente en energía eólica, geotérmica, hidráulica y mini hidráulica, biomasa y solar.

La Comisión Federal de Electricidad fue diseñada para responder a lanecesidad urgente de electrificar al país e integrar al sistema.

• Esta vocación de origen fue muy exitosa para avanzar en esos objetivos,adoptando un modelo basado en grandes plantas de generacióntermoeléctrica.

• Sin embargo, la organización industrial que corresponde a este modelo notiene la flexibilidad necesaria para integrar de manera eficiente lasenergías renovables a gran escala ni la generación distribuida

• La reforma tuvo como uno de sus objetivos el corregir laslimitaciones del modelo actual para agregar capacidad de energíasrenovables a gran escala mediante la creación de un mercadocompetitivo de generación, administrado por el Estado a través deun operador independiente, y el establecimiento de certificados deenergías limpias.

LAS REDES INTELIGENTES

El modelo conceptual del IEEE: Los 7 dominios

El modelo conceptual del IEEE: El dominio del Mercado

El modelo conceptual del IEEE: El dominio de la transmisión

El modelo conceptual del IEEE: El dominio de Distribución

El modelo conceptual del IEEE: El dominio del Cliente

El modelo conceptual del IEEE: El dominio de los proveedores de servicios

ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA

• Las tecnologías de almacenamiento de energía se pueden emplearpara garantizar potencia de fuentes renovables así como para evitar sudesconexión mientras se promueve la máxima cosecha energética.

• El almacenamiento puede también compensar la necesidad degeneración adicional ó capacidad de reserva manteniendo elsuministro en tiempo nublado ó por las noches enfocándose a picosrepentinos de demanda.

• El almacenamiento de energía permite la integración de mayores niveles de generación renovable incluyendo el rasurado de picos ó el balance de precios, esto es, almacenando energía en períodos de baja demanda y entregándola a la red durante demandas pico.

• La energía almacenada y la capacidad de almacenamiento se debenadministrar de la manera más efectiva mediante un algoritmo de controlque tome en cuenta las estimaciones de precios horarios futuros y laproducción de energía renovable.

• La aplicación de tecnologías de almacenamiento de energía en redes se puedeclasificar en forma burda en aplicaciones de potencia y aplicaciones deadministración de energía; se diferencian en base a la duración de descarga delalmacenamiento.

• Las aplicaciones de energía descargan la energía

almacenada en forma relativamente lenta y en un período de

tiempo de larga duración (esto es en decenas de minutos a

horas).

• Las aplicaciones de potencia descargan rápidamente la

energía almacenada (esto es de segundos a minutos) a

tasas elevadas.

• Las tecnologías de almacenamiento para aplicaciones de potencia se usan paracortas duraciones para atender temas de calidad de energía, tales como depresionesy elevaciones de tensión (sags & swells), impulsos, y flickers.

• Las tecnologías utilizadas en administración de energía almacenan energía enexceso durante períodos de baja demanda y se utiliza en períodos de demanda alta.Estos dispositivos son típicamente usados por períodos de tiempo más largos paraservir funciones que incluyen rasurado de picos, nivelación de carga, islasintencionales, y recolección y despacho de energía renovable.

• Los sistemas actuales de almacenamiento de energía a escala de red son basados en electroquímica (baterías y capacitores) así como en energía cinética (centrales hidroeléctricas de rebombeo, almacenamiento de aire comprimido (CAES), y volantes de inercia de alta velocidad (flywheels)).

• Para aplicaciones de potencia, las tecnologías adecuadas incluyen volantes de inercia, capacitores, almacenamiento de energía magnética superconductora.

• Para aplicaciones de energía, las tecnologías adecuadas incluyen centrales hidro de rebombeo, CAES, y baterías de alta energía de sulfuro de sodio y de flujo.

• Las tecnologías para aplicaciones específicas pueden además ser subdivididas deacuerdo a la escala de almacenamiento requerido, por ejemplo, el despliegue como unrecurso de generación distribuida, o en un alimentador de distribución , subestación, o alnivel de sistema de potencia troncal.

• El almacenamiento de energía en un sistema futuro posiblemente necesitaráalmacenamiento en una variedad de tamaños y configuraciones para cumplir con lasnecesidades a todos los niveles del sistema.

• A continuación, la Tabla presenta las características principales, incluyendo tamaño,desempeño, y costo de estas tecnologías de almacenamiento de acuerdo a su potenciaó aplicación energética para la integración de renovables.

Opción tecnológica Madurez Capacidad (MWh) Potencia

(MW)

Duración

(horas)

% de eficiencia

(ciclos totales)

Costo Total

($/kW)

Costo

($/kWh

Almacenamiento de energía en bloque para soportar sistema y energía renovable

Hidro de rebombeo Madura 1680-5300 280-530 6-10 80-82

(>13000)

2500-4300 420-430

5400-14,000 900-1400 6-10 1500-2700 250-270

CT-CAES

(subterráneo)

Demo 1440-3600 180 8 (>13000) 960 120

20 1150 60

CAES

(Subterráneo)

Comercial 1080 135 8 (>13000) 1000 125

2700 20 1250 60

Sulfuro de sodio Comercial 300 50 6 75

(4500)

3100-3300 520-550

Ácido de plomo

avanzada

(lead acid)

Comercial 200 50 4 85-90

(2200)

1700-1900 425-475

Comercial 250 20-50 5 85-90

(4500)

4600-4900 920-980

Demo 400 100 4 85-90

(4500)

2700 675

Vanadio redox Demo 250 50 5 65-75

(>10000)

3100 3700

Zn/Br redox Demo 250 50 5 60

(>10000)

1450-1750 290-350

Fe/Cr redox R&D 250 50 5 75

(>10000)

1800-1900 360-380

Zn/aire redox R&D 250 50 5 75

(>10000)

1440-1700 290-340

Almacenamiento de energía para regulación de frecuencia rápida en un ISO e integración de renovables

Volante de inercia Demo 5 20 0.25 85-87

(>10000)

1950-2200 7800-8800

Li-ion Demo 0.25-25 1-100 0.25-1 87-92

(>100000)

1085-1550 4340-6200

Ácido de plomo

avanzada

(lead acid)

Demo 0.25-50 1-100 0.25-1 75-90

(>100000)

950-1590 2770-3800

• El almacenamiento centralizado, tal como el hidro de rebombeo y los CAES esmás probable encontrarlos del lado de la oferta (esto es al nivel de bloque ósistema de transmisión) para administrar variaciones a la salida de plantassolares y granjas eólicas dando firmeza en capacidad.

• A nivel de distribución y de ubicación de recursos distribuidos del lado delcliente, es mas factible encontrar formas de almacenamiento de energías máscompactas y de corta duración para aplicaciones de potencia (volantes deinercia, baterías y capacitores).

• El uso de baterías, baterías de flujo, volantes de inercia, y ultra capacitores paraaplicaciones de potencia han ganado impulso en los últimos tiempos ya que sonadecuados para la compensación rápida de fluctuaciones de potencia comosuceden en los sistemas de energía eólica ó fotovoltáicos.

• El uso de baterías, baterías de flujo, volantes de inercia, y ultra capacitores paraaplicaciones de potencia han ganado impulso en los últimos tiempos ya que sonadecuados para la compensación rápida de fluctuaciones de potencia comosuceden en los sistemas de energía eólica ó fotovoltáicos.

• Varios proyectos demostrativos a nivel de distribución han establecidoexitosamente el valor de estas tecnologías para regulación de frecuencia,transición intencional de islas, y otras aplicaciones similares. Estas tecnologíasde almacenamiento distribuido sirven del lado de la demanda; las tecnologíasmóviles y modulares son preferidas para microredes y comunidadesdesconectadas de la red principal.

Conclusiones en generación renovable

1. Existe un gran nicho de mercado para el desarrollo de fuentes renovables en media y baja tensión (del orden de 25000MW al 2018)

2. El intentar cerrar el gap entre el costo de producción de energía y las tarifas subsidiadas incentivarán a corto y mediano plazo el desarrollo de este nicho

3. Las grandes centrales a base de renovables son materia de desarrollo transnacional y la estructura gubernamental que queda tendrá que resolver el problema técnico de absorberlas en los sistemas comerciales

4. La estructura del parque generador en México facilita la promoción del

desarrollo de generación renovable para producir economía en términos ambientales.

5. Los precios altos de la energía eléctrica en el futuro estimularán el desarrollo de la generación distribuida

6. Las tecnologías para el almacenamiento de energía facilitarán la inserción de mayores volúmenes de fuentes renovables.

Preguntas para el panel

• Que proceso se puede seguir para implementar sistemas de almacenamiento? Será necesaria la participación de gobierno?

• Cuales son los sistemas de almacenamiento lo suficientemente maduros para ser utilizados en la red eléctrica? Sería necesario hacer algún estudio o investigación para soportar la propuesta?

• Que normas o reglamentos existen para regular la implementación de sistemas de almacenamiento? Sería necesario elaborar estándares nacionales para complementar lo existente?

• Que metodologías se pueden aplicar para determinar aspectos como: ubicación óptima, capacidad óptima, análisis de costo beneficio, medición, análisis de información y reporte del desempeño de los sistemas de almacenamiento. Sería necesario realizar investigación para completar ó adecuar lo existente?

• Que características debería tener un primer proyecto demostrativo para obtener experiencia que ayude a escalar los resultados a sistemas mas complejos?