Presentación SmartGrid Electroindustria

Presentacin Centro

Presentacin

Prof. Rodrigo Palma Behnke

abril de 2010

Centro de Energa

Facultad de Ciencias Fsicas y Matemticas

Universidad de Chile

mayo de 2013

2

Introduccin

Redes Inteligentes

Generador Virtual

Ejemplo de proyecto

Conclusiones

Contenido

Contribuir al mbito energtico, desarrollando e introduciendo soluciones tecnolgicas novedosas y de calidad, relevantes para el

desarrollo nacional y competitivas internacionalmente.

Encauzar el potencial de la FCFM en investigacin, innovacin y desarrollo hacia asociaciones productivas con la industria y

colaboraciones acadmicas estratgicas.

Misin

Credibilidad, confiabilidad e idoneidad como base para constituirse en el referente regional, con la energa como eje inspirador

de la innovacin tecnolgica.

Emprendimientos como base para agregar valor a la cadena de oportunidades que transforma el conocimiento en empresas y negocios

de impacto econmico y social.

Visin

1. Introduccin: Definicin del CE-FCFM

Directorio CE-FCFM

CMM DIE

ISCI Decanatura

FCFM

Equipo de Gestin y Desarrollo Direccin

Equipo de desarrollo de tres profesionales

Reporta a Directorio

Comit asesor Estratgico

(nacional, internacional)

Administracin DIE

Of. Difusin FCFM

Apoyo especializado (acadmicos,

profesionales)

1. Introduccin: Organigrama y equipo de trabajo

Representante de la Industria

1. Sistemas para redes inteligentes en la forma de

generadores virtuales y unidades de generacin distribuida

(microhidrulica, solar, geotrmica de baja temperatura).

2. Soluciones tecnolgicas asociadas al desarrollo de

vehculos elctricos y sistemas de acumulacin.

3. Herramientas de apoyo a la toma de decisiones para la

operacin, planificacin, monitoreo y control de sistemas

de energa.

1. Introduccin: Areas de desarrollo

60 investigadores en temas

relacionados con energa

CIEMAT,

ETSAM, IIT

Madrid

P. Valencia

U. Dortmund

INESC Porto

T.U. Berlin

U. Liege

U. Atenas

U. Waterloo

U. Washington

Purdue U.

M. Energticos

U. San Juan

IEEE, IEE,

CIGRE,

ELSEVIER

APERC

U. Yale

U. Edinburgh U. Michigan

P.U. Catlica

U. Illinois

Ohio State U.

U. Tokio

NTT

U. Southern Cal.

U. C. Berkeley U. Leuven

RPI

U Toulouse Georgia Tech

U. Auckland

Sydney

EPF, Suiza

U Nacional de San

Luis,

U. Nacional Tucuman,

U. Nacional

Corrientes, LEA, UN

Rosario

U. Lille

Latu

Joensuu, AAU

U. Wageningen

Upssala

Imperial College

1. Introduccin: Red de Cooperacin en Energa de la Universidad de Chile

U. Keio

U. Missouri

Qu distingue a Chile? Estructura longitudinal de nuestro sistema interconectado central. Abundancia de recursos renovables. Plataforma de comunicaciones desarrollada. Amplio rango de calidad y nivel de desarrollo en tcnicas de estimacin para identificar recursos de energa renovable y

consumos.

Existencia de embalses con capacidad de regulacin relevante que permiten efecto de compensacin de intermitencias.

Mltiples causas de fallas: fatiga de material, efectos del clima, accidentes, errores humanos, retrasos en planificacin de la

inversin, desastres naturales.

Diseo de mercado que enfatiza operacin segura a mnimo costo en general se traduce en niveles de innovacin bajos.

Necesidad de encontrar espacios como pas para proceso de innovacin y emprendimiento.

1. Introduccin: El sector elctrico

Gran potencial?!:

Energa

renovable

SIC Capacidad

instalada [MW]

Potencial [MW]

Mini-Hidrulico 120 20.392

Geotrmico 0 16.000

Elico 80 40.000

Biomasa 191 13.675

Solar 0 100.000

Total 391 190.067

Fuente: PREN, U. de Chile, U. Tcnica Federico Santa Mara, 2008

Existencia Recurso

Seleccin tecnologa

Operacin Mercado

Financiamiento

Integracin Mercado

8

1. Introduccin: Energas Renovables en Chile

~ =

~ ~

Nivel

Conceptual

Terico

Desarrollos

Intermedios

Innovacin Tecnolgica

mayo de 2013

10

Introduccin

Redes Inteligentes

Generador Virtual

Ejemplo de proyecto

Conclusiones

Contenido

11

Cmo abastecer de electricidad un consumo o conjunto de consumos?

Conexin a la red existente

Sistema aislado

Sin generacin distribuida

Con generacin

distribuida (GD)

Generacin local nica

Mltiples fuentes de generacin

GD nica

Mltiples fuentes GD

Alternativas de conexin

2. Redes Inteligentes, Contexto

Sistema conectado



Sistema aislado


Congeneracin

distribuida (GD)



GD nica

Mltiples fuentes GD

Sistema aislado / elec. rural

Red elctrica

SIC


Sistema conectado sin GD



Sistema aislado


Congeneracin

distribuida (GD)



GD nica

Mltiples fuentes GD

Red elctrica

SIC

Sistema conectado con GD

Sistema hbrido, microred,

generador virtual


(ER) Tecnologas de Energas Renovables: basadas en recursos energticos

renovables, como energa elica y solar.

(GL) Generacin local basada en Microturbinas o Celdas de Combustible,

el calor y la electricidad son consumidas en el mismo lugar.

(DR) Dispositivos de respaldo para

suministro de punta: generadores de

emergencia, generadores locales.

(CHP) Cogeneracin: Aprovechamiento del

calor en plantas o procesos industriales o

de servicios para generar energa

elctrica.

(GD) Generacin distribuida: Generacin

de electricidad con unidades de pequea

escala ubicadas en la cercana de los

consumos o conectadas directamente al

sistema de distribucin.

Aplicaciones en generacin 2. Redes Inteligentes, Contexto

Sistema aislado / G. local nica



Sistema aislado


Congeneracin

distribuida (GD)



GD nica

Mltiples fuentes GD

Sistema aislado

mltiples fuentes de generacin

Sistema hbrido


Sistemas aislados hbridos

Un sistema hbrido es un sistema que

combina dos o ms fuentes de energa

con el fin de poder abastecer en forma

controlada consumos elctricos.

Ejemplo de sistemas: Sistema Hbrido

Diesel-Elico, Sistema hbrido Elico-

Fotovoltaico, Sistema hbrido Elico-

Fotovoltaico-Hidrulico.

Concepto puede extenderse a

satisfacer requerimientos de calor,

agua, etc.

Fuente: Departamento de Energa , EEUU


Power Quality

Storage Industry

Solar

Household

Fuel Cell

Wind

Combined cycle plant

Storage

0,4 kV

10/20 kV

110 kV

Metering

Visin futura de los sistemas elctricos de potencia. Situacin actual en Chile: generacin distribuida es excepcin, gran potencial?, necesidad de

seguridad energtica, necesidad de innovar.

Ref: Handschin, UNIDO.

Ref: KEMA Consulting.


Visin futura de los sistemas elctricos de potencia. Situacin actual en Chile: generacin distribuida es excepcin, gran potencial?, necesidad de

seguridad energtica, necesidad de innovar.

Ref: Handschin, UNIDO.

Ref: KEMA Consulting.


mayo de 2013

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Sistema interconectado

Generador virtual/ Micro-redes


Generador virtual/ Microredes

Red de Dx

Tendido elctrico corto

(r x) Trafo

bajada (tap)

Equipo de compensa-cin (L , C,

P)

Consumo baja

potencia (domicilio, industria)

Trafo Booster

Generacin pequea

distribuida (renovable,

diesel)

Acumuladores

(bateras, embalses)

Elementos de

proteccin

Desafos tcnicos y de coordinacin


Ref: IBM

Avances en

electrnica de

potencia,

informtica,

telecomunicacion

es, sensores,

actuadores.

Aumento del

nivel de

requerimientos

y complejidad

de los SEP, ME

Aumento de

insercin de

energas renovables

intermitentes,

generacin

distribuida,

vehculos

inteligentes.

Generacin distribuida Micro-redes Generadores virtuales Medidores inteligentes Casas/edificios inteligentes

2. Redes Inteligentes: Origen!

Tecnologa de inversores / Electrnica de potencia

Fuente: Distintos fabricantes en Internet

- Potencia baja, media, alta

- Operacin continua o espordica

- Capacidad de sincronizacin a la red

- Modos de operacin

DC

AC ~ =

2. Redes Inteligentes: avances tecnolgicos

Tecnologa de medidores inteligentes

Fuente: Distintos fabricantes en Internet

- Slo energa

- Bidireccional , medicin neta

- Capacidad de registro

- Capacidad de comunicacin

- Capacidad de monitoreo y control

- Extensin a otros servicios: gas, agua.

- Medidores convencionales inteligentes

2. Redes Inteligentes: avances tecnolgicos

Redes Inteligentes / Smartgrids

Ref: IBM

Tecnologa clave que permitira el

desarrollo de las energas renovables, la

adopcin de vehculos elctricos y

mejoras en la eficiencia energtica.

(1) Red elctrica transformada (en los

niveles de transmisin y distribucin)

que utiliza sistemas de comunicacin

bidireccionales. (2) Sobrenombre para

una amplia paleta de aplicaciones que

potencian la capacidad de monitoreo y

control de una red elctrica.

2. Redes Inteligentes


Ref: IBM

Atributos segn Departamento de

Energa de E.E.U.U. :

Permite participacin informada del cliente/consumidor,

Considera todas las opciones de generacin y almacenamiento,

Habilita nuevos productos, servicios y mercados,

Provee energa de calidad para la economa digital,

Optimiza las instalaciones y opera eficientemente,

Se anticipa y responde ante perturbaciones en el sistema,

Opera robustamente frente a ataques y desastres naturales.



Ref: IBM

Componentes bsicos de una red

inteligente:

- 1. Sensores

- 2. Infraestructura de comunicacin

- 3. Algoritmos de control (aplicaciones)

- 4. Sistemas actuadores


Mapeo:

- 1. TC, TP, PMU, SM, ..

- 2. PLC, WiFi, LAN, HAM, ..

- 3. WAM, AGC, OPF, VVO, DR, - 4. DG, FACTS, HVDC, int. Automticos, ..

2. Redes Inteligentes Elementos constituyentes

Cmo se crea una red inteligente ?

Ref: IBM

Integracin masiva de sensores, actuadores, tecnologas de medicin y esquemas de automatizacin en todos los niveles de

la red.

Se enfatiza la creacin de un sistema de informacin e inteligencia distribuidos en el sistema.

Sistemas de control inteligente que permitan extender los servicios intercambiados entre los distintos agentes del

mercado elctrico y asimismo aprovechar eficientemente la

capacidad de transmisin de la red.

Incorporacin masiva de generacin distribuida, la que permite coordinarse a travs de la red inteligente.

Incorporacin equipos de control que permiten actuar de manera eficiente frente a fallas.

Colocar en primer plano proceso de innovacin ya existente

2. Redes Inteligentes Elementos constituyentes

Ref: IBM

Incorporacin por parte de los usuarios de electrodomsticos y equipos elctricos inteligentes, que permiten ajustarse a

esquemas de eficiencia energtica, seales de precio y

seguimiento de programas de operacin predefinidos.

Incorporacin de vehculos elctricos, que por un lado demandan nuevas estructuras para posibilitar su carga en

distintos puntos, pero asimismo permiten disponer de una

capacidad de almacenamiento y la posibilidad de que stos

se transformen en pequeas fuentes de generacin en

situaciones de congestin.

Uso de tecnologas avanzadas, tales como: superconductores de alta temperatura, sistemas de almacenamiento masivo,

ultracapacitores, transformadores y motores de alta eficiencia,

equipos FACTS, etc.

Cmo se crea una red inteligente ?

mayo de 2013

29

Laboratorio ISET,

STEAG Project,

Encorp Virtual Power Plant,

Virtual FC Power Plant,

Fenix project (DER Unin Europea)

Otros proyectos relacionados de la Unin Europea (CRISP, DISPOWER, MICROGRIDS, EUDEEP, DGFACTS),

Virtual Power Plant NATCON7,

Decentralized Energy Management System de SIEMENS.

SmartGridCity (Boulder, Colorado), Xcelenergy.

NTT research centre, Japan (control-communication)

Ref: FENIX, ISET


mayo de 2013

30

2. Redes Inteligentes Experiencias Internacionales

Olympic Pennynsula Project Smart metering Control automtico de demanda

Smart Grid City Boulder Smart metering Alta penetracin de GD Control de demanda

participativo

Model City Manheim Problema multirecurso (energa +

agua + cargas trmicas + transporte)

Ref: e-solutions

2. Redes Inteligentes, Visin en Japn

Fuente: Toshiba

Fuente: Xtreme Power

Ejemplos de Micro-redes

Fuente: Proyecto EU Kythnos


Accin de reserva de los embalse

Horizonte de Tiempo

Inye

cci

n, D

em

and

a, M

W

En forma natural los embalses pueden apoyar con la reserva requerida. Clculo dinmico de capacidad de lneas de transmisin.

Elico

Embalse

Demanda

Desafos tcnicos

2. Redes Inteligentes: coordinacin hidrotrmica!

SIC

Rapel Cuenca Maule Laja BioBio

Canutillar

Qu nivel de penetracin de energa elica es compatible con el SIC? Up-Powering tiene sentido?

2. Redes Inteligentes: coordinacin hidrotrmica!

2. Redes Inteligentes: Sistemas de monitoreo de mercado

Nivel de estudio

Nivel de diseo

Nivel de

implementacin

1. Requerimientos

del Negocio

2. Modelamiento

de los datos

3. Diseo de la

arquitectura

4. Implementacin

5. Distribucin de

la informacin

Situacin de Operacin del Mercado

Elemento Indicador

Barras

Precios Marginales

Precios de Nudo

Precios promedio de los

clientes libres

Precios de los combustibles

Precios de la potencia

Lneas Peajes

Empresas

Generadoras y

Distribuidoras

Estadsticas de reclamos

Cambio de paradigma en la industria automotriz


Reservas de Litio Ref: Proyecto CE-FCFM, U Chile, Marubeni

Desarrollos:

Tarifas flexibles con incentivos. Electrodomsticos inteligentes + EE Vehculos elctricos.

2. Redes Inteligentes: Domtica y vehculos elctricos

2. Redes Inteligentes: Domtica y vehculos elctricos

Ref: RWE, Alemania

mayo de 2013

40

Introduccin

Redes Inteligentes

Generador Virtual

Ejemplo de proyecto

Conclusiones

Contenido

En trminos tcnicos,

relacin directa con

concepto de GeVi

41



Sistema aislado


Con generacin

distribuida (GD)



GD nica

Mltiples fuentes GD

Alternativas de conexin

3. Generador virtual: definicin

mayo de 2013

42

Definiciones

Generador Virtual: Grupo de

generadores distribuidos de

pequea escala (GD)

operando bajo un esquema de

coordinacin comn.

Ventajas

Operacin coordinada permite entregar

funcionalidades adicionales.

Capacidad de integracin de diversas fuentes /

soluciones tecnolgicas.

Generador Convencional

Generador Elico

Cargas

Paneles Solares

Referencia

Generacin

Generacin

Consumo

Generacin

Base Datos

Unidad Control

Moni- toreo

Manejo

Generador Virtual / Microredes

3. Generador virtual: definicin

43/39

3. Generador virtual: visin

Geotermia

Elico

Solar

Hidrulica

Biomasa

44

3. Generador virtual: visin

FALLA OPERACIN

EN ISLA

DESCONEXIN RECONEXIN

mayo de 2013

46

Tecnologa

Contribuir con soluciones tecnolgicas para alcanzar

seguridad energtica del pas y mejorar el entorno.

Alcanzar el desarrollo de un GeVi competitivo

concepto general, servicios (mercado), esquema de control, plataforma de

comunicacin, interfaces, desarrollos tecolgicos especfico.

Replicabilidad

Aprovechar oportunidad para exportar idea y soluciones.

Primer prototipo GeVi

Que entre en operacin en el pas a comienzos del ao 2010 de manera de

validar los modelos y equipos desarrollados.

3. Generador virtual: objetivos

Sistemas de generacin Plataforma de comunicacin

Generacin distribuida Micro-redes Generadores virtuales Medidores inteligentes Casas/edificios inteligentes

Esquemas de incentivos. Impacto ambiental

Impacto social / compromiso

Capacitacin

3. Generador virtual: Enfoque metodolgico

3. Generador virtual: Capas y estado de avance

2. Desarrollo de controladores locales y

accionamientos

2.1 Control de grupos diesel

2.2 Interfaz de control manual

local

2.3 Control de central

microhidrulica

2.4 Inversor Controlable

2.5 Interfaz de control de demanda

2.6 Red de pruebas de laboratorio

2.7 EDAC 2.8 Contactores de

accionamientos remotos

2.9 Interfaz de la microrred (static

switch)

2.10 Punto de medicin

local/remoto

2.11 Pruebas en la red de laboratorio

3. Plataforma Monitoreo, control y

comunicaciones

3.1 Aplicaciones

3.1.1 Optimizador

3.1.2 Aplicacin de configuracin

3.1.3Partida en Negro

Automtica

3.1.4 Monitoreo

3.1.5 Control manual remoto

3.1.6 Administrador

de contingencias

3.1.7 Adquisicin

datos externos

3.1.8 Transacciones

con 3.2.5

3.2 Sistema Informacin y

control de planta

3.2.1 Base de datos /

historizador

3.2.2 Modelo de datos e

informacin

3.2.3 Libreras de conexin a

BD

3.2.4 Acceso a Internet

3.2.5 Red de comunicaciones

local

3. Generador virtual: desarrollos especficos

Estndar IEEE 1547

3. Generador Virtual Estndares existentes

~ = ~

=

~ =

~ =

Ejemplo de sistema hbrido aislado

3. Generador virtual: sistema hbrido aislado

~ = ~

=

~ =

~ =

Nivel de carga

Nivel de reserva de diesel

Nivel de

estanque

agua

potable

Nivel de

estanque

agua Nivel de carga

biogas

Ejemplo de sistema hbrido aislado

3. Generador virtual: sistema hbrido aislado

Datos

Meteorolgicos

Variables

medidas

Optimizador AGC

Historizador

Variables

manipuladas

3. Generador virtual: aplicacin de redes inteligentes

Sistema aislado / elec. rural Sistema conectado / GeVi

- Entrega solucin de servicio bsico.

- Posibilita operacin de sistema hbrido

- Mejoramiento de calidad de vida

- Calidad de servicio media

- Innovacin media.

- Obsolescencia

- Cambio de paradigma en energizacin

- Venta de energa al sistema.

- Nuevas oportunidades de negocio

- Calidad de servicio alta

- Innovador a nivel internacional

3. Generador virtual: Migracin

mayo de 2013

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Introduccin

Redes Inteligentes

Generador Virtual

Ejemplo de proyecto

Conclusiones

Contenido

Oportunidad?

A nivel nacional, existen distintas iniciativas de privados, donde se ha

privilegiado la creacin de condominios con las siguientes

caractersticas:

Fomento del concepto de vida ecolgica.

Bsqueda de eficiencia energtica en las viviendas.

Evitar contaminacin visual producto de las redes areas de distribucin.

Fomento a las energas renovables.

4. Posible Proyecto

Oportunidad?

Si bien este tipo de soluciones se ajusta a

los objetivos perseguidos por estas

comunidades, adolecen de las

siguientes dificultades:

La calidad de la energa, en trminos de continuidad de servicio y estndares son bajos debido a la indisponibilidad del energtico y

problemas de dimensionamiento producto de los costos asociados.

La generacin local de respaldo a base de combustibles fsiles y la disposicin final de bateras agotadas atentan contra la bsqueda de

un desarrollo sustentable amigable con el medioambiente.

Los costos de mantenimiento del sistema son altos (reparaciones, cambio de bateras).

La presencia de unidades elicas pequeas en la cercana de las casas produce contaminacin acstica.

El sistema es comparativamente complejo de utilizar.

4. Posible Proyecto

Sistema aislado con generacin autnoma

en hogaresMicrored inteligente a base de energas

renovables

4. Posible Proyecto, migracin

4. Posible Proyecto, sistema de gestin y control

DatosMeteorolgicos

Variables medidas

Sistema de gestin de energa y control

de Microred

Bas de datos

Variablesmanipuladas

Temas/ etapas a considerar

4. Posible Proyecto

Esquema de toma de decisiones, Esquema de integracin social con la comunidad, Proyecto de conectividad a la red de distribucin, Sistema de red local subterrnea, Acondicionamiento y traslado de unidades existentes (incluye sistema de control para hacerlas compatible con micro-red),

Sistema de gestin y control de la microred, Unidad de control en el punto de acoplamiento, Procedimientos de operacin y mantenimiento, Puesta en marcha y pruebas, Seguimiento.

mayo de 2013

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Introduccin

Redes Inteligentes

Generador Virtual

Ejemplo de proyecto

Conclusiones

Contenido

Conclusiones Visin general de desarrollos de redes inteligentes. Elementos de anlisis que permiten relacionarlo con los sectores de distribucin y subtransmisin. Oportunidades de desarrollo, I+D. Desafos para el pas en innovacin y emprendimiento en el sector.

Gracias por su atencin!

Rodrigo Palma Behnke, [email protected], 02 9784201

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