departamento de ingeniería eléctrica · clasificación de paquetes de demanda en función del...

Universidad Politécnica de CartagenaDepartamento de Ingeniería Eléctrica

Programa de doctorado de “Tecnologías Industriales”. Subprograma de “Neurotecnología, Control, Robótica y Gestión

Energética”

Cartagena, 2011

Análisis e Integración de Recursos Energéticos Distribuidos

http://www.pdfcomplete.com/cms/hppl/tabid/108/Default.aspx?r=q8b3uige22

Bloque

Lección 8: Aplicación de recursos DER en un usuario institucional de energía: Universidades

NOTA: es necesario recordar los ejemplos de la lección 4 de Eficiencia Energética


Bloque APLICACIÓN: SIMULACIÓN DEL POTENCIAL DE LA DEMANDA

1. Introducción (II)Clasificación de paquetes de demanda en función del mercado en que se participa

Largo plazo:Demanda identificable a más de un añoCambio de la demanda por reestructuración de actividades o inversiones en nuevas tecnologías

Medio plazo:Demanda restructurable a un día vistaAdopción de acciones de controlMercado diario (24h)

Corto plazo:Demanda identificable y controlable en 1 ó 2 horasAdopción de acciones de control

Tiempo real:Demanda controlable en tiempo realServicios auxiliares o complementarios: ISOControl externo al usuario

Consideración de generadores de apoyo del usuario:17% de variación de demanda en algunos sistemas



2. Adecuación de las cargas (I)

Función de la capacidad que tenga el usuario para reducir la demanda manteniendo un umbral de servicio. Ejemplos:

Nivel de temperatura (climatización)Producción (capacidad de almacenamiento de producto)Nivel de ventilación (nº renovaciones/hora)

Parámetros de mantenimiento del servicio:Servicio final de la carga (uso)Capacidad de almacenamiento (energía, producto)Los ciclos de conexión de la carga: m(t)La facilidad de controlar la carga: u(t)



2. Adecuación de las cargas (II)A) Servicio final de la carga:

Tipo de conversión de energíaEj. Cargas duales de climatización

Gas/electricidadFuel/electricidad



2. Adecuación de las cargas (III)B) Capacidad de almacenamiento

Interno: los propios elementos de la carga o aparatoEspecífico: depósitos, tanques, baterías….Circunstancial: refrigerante usado por cargas HVAC

Externo: el medio físico (ambiente) que rodea a la cargaAire, muebles, paredes,…



2. Adecuación de las cargas (IV)C) Ciclos naturales de la carga (m(t): estado operación)

Ciclos naturales: controladores internos (termostatos)Ciclos forzados: factor de uso de la cargaEjemplos: un aparato AC y un acumulador cerámico (TES)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 100 200 300 400 500 600 700 80021

22

23

24

25

26

27

28

Tiempo (minutos)

Ttermostato=26ºC Ttermostato =22ºC Ttermostato =26ºC

0 100 200 300 400 500 600 700 800Tiempo (minutos)

Tem

pera

tura

inte

rior

(ºC)

Pote

ncia

elé

ctric

a de

man

dada

(W)

0 5 10 15 20 250

200

400

600

800

1000

1200 DPA No DPA

600

300

450

DPA No DPA

Tiempo (horas)

Bloques cerámicos. Tem

peratura media (ºC

)

Pote

ncia

elé

ctric

a de

man

dada

(W)

AC

TES



2. Adecuación de las cargas (V)

D) Facilidad de gestionar la cargaMecanismos de control para reducir o modificar el consumoFunción del usuario y tipo de mercado

Reestructuración Interna de la demandaReestructuración externa: agregador, servicios auxiliares

Con estos criterios se puede realizar una primera clasificación de cargas potencialmente utilizables



Adecuación de cargas (VI)A: Alta; M: media; B: baja disponibilidad; PE: paqeuetes Eª

HorasMMACongeladores

Min.MMBFrigoríficos

HorasMAATermos de agua

HorasBMABombas de riego

HorasHorasHoras

AMM

AMA

MAA

Climatización:■ Directo■ Almac. Parcial■ Almac. Total

HorasAMAIluminaciónRegulable

Duración del bid

PE en tiempo real

PE a corto plazo

PE a medio plazo

Tipo de carga



3. Análisis de la estructura de demanda (I)Análisis de los usos finales anteriores

En las curvas de demanda diaria y estacionalIdentificación de las cargas

Inspección de las curvas de consumo estacionales (ver figura)Sistema de monitorización invasivo/no invasiva del consumidorEnsayos en edificios: despachos y aulasDatos de otros estudios, bases de datos (INDEL, Eurostat)

0 2:30 5 7:30 10 12:30 15 17:30 20 22:301000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

Perfil de julio

Perfil de abril

Perfil de enero

Tiempo

HVAC?


Bloque

Estructura de la demanda (II): monitorización no invasiva

Concepto: encontrar una “huella” característica de cada tipo de cargaPrimeros intentos (Schweppe, MIT): en viviendas

Escalones de potencia activaEspacio P vs. Q

Problemas:Solapamientos de cargasMedida a un nivel muy bajo de agregación (coste)

10 20 30 40 50

1

2

3

4

5

kW

minutos

Frigorífico

Horno

Horno

Frigorífico

Horno


Bloque

Estructura de la demanda (III): monitorización no invasiva (II)Huella armónica de la demanda

La forma de onda de la intensidad absorbida por cada carga es típica (armónicos, orden y fase)

Se aplica un algoritmo similar a Fourier o Wavelets. Las funciones de base son las formas de ondaLa forma de onda de la intensidad en un punto de la red será

Se minimiza el valor RMS de las diferencias de intensidad (real-propuesta)

Ii(t) ' jN

k'0aki cos(kwt) % bki sen(kwt)

L(t,w) ' jM

i'1wi Ii(t)

J(t,w) '1Tm

T

0

I(t) & L(t,w) 2dt



3. Análisis de la estructura de la demanda (IV): ►asignación de % a usos finales

No se considera en el ejemplo

4MWGen. Distribuida

Expendedoras, cámaras, alumbrado emergencia

Aprox. 8-10%Otros consumos

No regulable¿máx <10%?Eq. Laboratorio

No regulable10-15%Equipos electrónicos

300kW externo150kW regulables

25-30%Iluminación

Individuales, split y centralizados trifásicos

35%Aire acondicionado

Bombas de calor5% convencional

18-20%Calefacción eléctrica

NotasPorcentaje de la demanda

Usos finales


Bloque

Generación de ofertas a largo plazo (I)¿Dónde? Mercados de Capacidad: hasta tres años vsita

Forward Capacity Market (ISO-NE, USA: 4,5$/kW-month en la primera puja, 2008)Reliability Pricing Model (PJM, USA)Installed Capacity (ISO-NY, USA)

¿Cómo? Medidas de eficienciaEjemplo: Eficiencia energética (Greenlight, ETSII o evaluación del potencial CFL, ver lección 4)

Consumo inicial iluminación: 70kWConsumo final iluminación: 40kWPaquete ofertado: 30kW de capacidadCoste: 16 lámparas de inducción de 165WBeneficio: pago por capacidad, ahorro Eª, ¿Eficiente económicamente? Realizamos la inversión



4. Generación de ofertas a medio plazo: bids (I)

Definir los paquetes de demanda:Paquetes L1: demanda fácilmente controlable compuesta por la carga de climatización

Paquetes L1a, L1b, L1c en función de la disminución del servicioque se origina (recordamos un ejemplo de cargas HVAC de 2kW)

Ejemplo: vídeo PBLM

u(t) (%)

DR Period

Payback time

Peak Clipping (%)

Energy Savings

Comfort Temp (ºC)

25 i to i+4 i+5,i+6 65 19% 15 33 i to i+4 i+5,i+6 54 15% 15.9 50 i to i+4 i+5,i+6 22 8% 18 66 i to i+4 I+5 7.8 2.5% 18.8



4. Generación de ofertas a medio plazo: bids (II)

Definir los paquetes de demanda:Paquetes L2: iluminación externa

Paquete L2a: circuito fijo no controlablePaquete L2b: circuito de conmutación nocturno

Paquetes L3: iluminación internaPaquete L3a: iluminación no regulablePaquete L3b: balastos regulables

Paquetes L4: resto de cargas no controlablesCámaras frigoríficas (a estudiar en un futuro)Equipos informáticosLaboratorios

Las modificaciones de los paquetes pueden solucionarse con otros paquetes o con compra en el mercado a corto plazo



4. Generación de ofertas a medio plazo: bids (III)

Clasificación de los paquetes de demandaModelar a 24 horas los paquetes L1 a L4 (ARIMA + Modelos físicos)Agrupar hora a hora los paquetes de demanda que se consideran críticos para el desarrollo de la actividad del usuario

L4 + L2a + L3aAgrupar hora a hora los paquetes que admiten reducción del servicio y de la demanda

L1 + L2b + L3bAsignar el valor económico horario del servicio (uso) que proporciona la carga



4. Generación de ofertas a medio plazo: bids (IV)

4.1. Asignación de un valor a los paquetesPaquetes L4+L2a+L3b: básicos para la actividad

Costes salariales medios: 20-25 k€Consumo anual de energía: 30GWhRedistribución/aplazamiento de tareas

Paquetes L2b + L3b: no afectan sustancialmenteL2b: coste de seguridad adicional, accidentalidadL3b: coste del equipo de control y regulación (%)

Paquetes L1: pueden obligar a reestructurar la actividadEquipos duales frío/calor: 130-150€/kW (instalado)Adición de tanques de almacenamiento: 20-30€/kWh



4. Generación de ofertas a medio plazo (V)Ejemplo de asignación de valor al paquetes L3b (I)

Daylight and electronic ballast impacts

0,00%

5,00%

10,00%

15,00%

20,00%

25,00%

30,00%

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23



4. Generación de ofertas a medio plazo (VI):4.1. Asignación de valor a L3b (II):

Duración de balastos: 30-40.000h (15 años)Servicio: 10h/día*22días/mes*10meses/año=2200h

Aula tipo (PB5): aprox. 1kW potencia 1/3 luminarias con balasto electrónico

25% reg. P2/3 luminarias con balasto regulable

Costes:Balasto regulable: 450€Mano de obra (circuito): 150€ coste >0,08€/kWhEquipo de control: 100€

Factor de disponibilidad de la regulaciónInvierno: 0,5; Primavera/Otoño:1; Verano: 2


Bloque Niveles de iluminación natural en el aula PB5

¿Y si no se acepta el PE? Consecuencias

Mañana: buen nivel de Tarde: Baja iluminancia Iluminancia



4. Generación de ofertas a medio plazo (VII):4.2. Curva de compra de energía

Pico de invierno (29 de enero de 2002)

Prec

io (€

/kW

h) L4+L3a+L2a

L2bL1

7.3

0.5

Demanda eléctrica (MW)

3

L3b

5.45.255.15

0.8

1


Bloque

Curva de venta de energía (OMEL)Se compra toda la energía

30

40



5. Ofertas a corto plazo: “Demand Offers (I)”5.1. Estimación de las posibilidades de participación (tamaño P.E. vs. Tiempo)

>25010 días/año30min50kWWabashValley (*)

>100020v/año1-2h-Nueva Zelanda

RTP6 días/año-100kW1MW (agr)

NY-ISO (EEUU)

500 a 1000--100kWISO NewEngland

400 a 1250--50kWWisconsin El. (*)

?30h/mes-1MWCA-ISO (EEUU)

>50010 v/ciclo2h/día100kWPJM (EEUU)

Precio ($/MWh)

FrecuenciaDuración “offer”

Nivel mínimo

Empresa



5. Ofertas a corto plazo: “Demand Offers”(III)

5.2. Asignación de PE a corto plazoDeterminar la carga prevista a 24h Hipótesis: suponemos paquetes 50kW a 100kWParticipación: 20-30 horas de concurso en el mercado por estación (puntas de verano e invierno)Flexibilidad de la demanda:

Mediante modelos físicos se calcula las reducciones de la demanda y del servicioSe asignan paquetes cada 2˚ C de pérdida de servicio en HVAC (L1a, L1b y L1c)

Precio del paquete:Paquetes L1: 10% de aumento de precio por cada ˚CPaquete L3b: ayuda a amortización del equipo de control y de medidas de eficiencia (50% del coste diario)

Estimar recuperaciones de energía (coste en el mercado a tiempo real o el control de paquetes)


Bloque

Algo obvio, pero necesarioHaremos ofertas cuando los precios, previsibles, del mercado de la energía a corto plazo sean altos.… seleccionando las cargas más adecuadas (uso y posibilidades de reducción)

HVAC, DF

0 5 10 15 2040

60

80

100

120

140

160

Time (hr)

Pric

e ($

/MW

h)

High price forecastAverageWH, HS WH, HS



5. Ofertas a corto plazo: “Demand Offers (IV)”

5.3. Simulación de la curva oferta-coste Pico de verano: 9 de Julio de 2002 de 13 a 14h

L1a

Prec

io (€

/kW

h)

2 .15

0.25

Demanda eléctrica (MW)

0.4

0.7

0.5 0.7 0.75

L1bL3b

L1c

0.15



6. Simulación de la aceptación de la oferta (I)6.1. Modelado de la carga

Modelos físicos HVAC: L1Modelos regresión: L2, L3 y L4

6.2 Determinación de paquetes de energíaPrecio del mercado (0,15€/kWh): precio habitual mercado a tiempo real en Julio 2002 en EspañaSe acepta el paquete L1a (5x100kW)Datos climatológicos (radiación, temperatura)Control predictivo

Nivel de referencia: de 8,2MW a 7,65MW ( -550kW)Energía/grupo en el control no debe diferir más de un 10%Payback acumulado < 20%* energía sin control4-5 horas de control + recuperación



5. Asignación de valor a los paquetes4.1. Asignación de valor a L1a (I):

A) Coste de un sistema alamacen.: 20-30€/kW (20 años)B) Conexión DG: motores diesel 1MWServicio: 5h/día*30días/estación =150h/año

Costes A (500kW, compartidos con otras opciones):

Sistema TES: 10-15k€Mano de obra 1k€ > 1€/kWhEquipo de control: 500€

Costes B (500 kW, exclusivos)CombustibleAmortización equipo >0,12€/kWhControl de equipos



6. Simulación de la aceptación de la oferta (II)Curva de carga real y simulada



6. Simulación de la aceptación de la oferta (III)Consideraciones:

Se ha supuesto la aceptación de ofertas previas (200kW-400kW en periodos horarios anteriores)Demanda es mayor que la referencia (cargas que salen del control voluntaria o involuntariamente)

En caso de un fallo mayor en la predicción:Comprar 50kW a tiempo realAceptar penalizaciones del operadorOrdenar la entrada de otros paquetes

19.5 20 20.5 21 21.5 22 22.5 23 23.5 24 24.50

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Temperatura interior (ºC)

Comportamiento cargas controladas

Comportamiento natural cargas


Bloque CONCLUSIONES

Es imposible el funcionamiento del mercado sin la participación de la demandaBeneficios de la participación:

Disminuye la volatilidad de precios, y problemas en T y D.Se incrementa la eficiencia y fiabilidad del sistemaEl usuario controla sus costes energéticos

La participación “tradicional” o DSM no funcionaNo es aceptada por usuarios (confort)

Nuevas posibilidades para la demandaEs posible flexibilizar la demanda (existe elasticidad en la demanda)Servicios Auxiliares, Restricciones de redesMercados de capacidad

Demanda ≠ GeneraciónVentajas e inconvenientes (son más las primeras)

Necesidad de herramientas de softwareModelos de cargaIdentificación de usos finalesAsignación de valor al servicio suministrado

Superar los obstáculos actuales: demostración de políticas de DR


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