sección ingeniería nuclear rubén f. flores garcía méxico, d.f. octubre 31, 2012 academia...
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Sección Ingeniería Nuclear
Rubén F. Flores García México, D.F. Octubre 31, 2012
Academia Mexicana de Ingeniería
El impacto de la incorporación de Fuentes de Energía Variable en la Operación de Sistema Eléctricos
Desde el inicio de la civilización el hombre ha
transformado la naturaleza e impactado las
condiciones ecológicas.
El uso de los energéticos se ha convertido en una
parte fundamental de la actividad humana y es parte
de muchos problemas ambientales.
El progreso económico de algunas
naciones en el siglo XX, se logró en base
a los energéticos baratos de origen fósil,
lo que motivó un gran descuido en lo
referente a eficiencia y conservación de
la energía
1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 20400
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
En
erg
y i
nte
nsu
tyAspects of energy efficiency
U.K.
U.S.A.
West Germany
France
Japan
Developing countries
Se contamina
La Tierra
El agua
El aire
Por el área afectada la contaminación puede ser:
Local (Rellenos sanitarios, basureros)
Regional (Ríos, lluvia ácida)
Global (Cambio climático)
Energía reflejada de la
tierra
Energía reflejada de
la atmosfera
Atmosfe
ra
Calor de retorno a la
tierra
Radiación de calor
Energía solar entrante
Concentración actual
Tasa de Incremento
Importancia
Carbón Dioxide (CO2)
391 ppm 0.6% 65%
Metano (CH4)
1.65 ppm 1% 25%
Nitrous oxide (N2O)
305ppb 0.2%
Clorofluorocarbono (CFC)
10-20 ppt 5% 10%
Ozono (O3) 35 ppb 1%
Importancia de los Gases de Invernadero
Fuentes Antropogénicas de CO2
Producción de electricidad
Transporte
Industria
Doméstico
Otros
41%
22%
20%
7%
10%
China y EUA producen el 41% del total ( IEA Outlook 2010)
El cambio climático
Los registros muestran un modelo cíclico de la temperatura de entre 10,000 y 20,000 años
El efecto invernadero del vapor de agua y CO2 mantiene una temperatura media de 33 ° C
Una molécula típica de H2O permanece en la atmósfera una semana
En el ciclo del carbón hay procesos en diferentes escalas de tiempo Ei
Con la atmósfera
Con los océanos
Con la tierra
Sistemas biológicos
Procesos geológicos
El cambio climático
Se estima que se emiten 750 Gt por año por procesos naturales y 27 Gt al año por procesos antropogénicos.
La concentración de CO2 ha aumentado de 280 ppm (1750) a 390 ppm (2010) con un incremento de 2 ppm/año
El protocolo de Kyoto expira a fines de 2012
Ahora solo hay consenso que se requiere disminuir los GEI y los gobiernos solo aceptan metas voluntarias
El objetivo es el de evitar gases que causan
el efecto invernadero, al menor costo
económico posible, no la promoción de las
energías renovables per se.
Puede haber casos en que no sean
justificados ciertas formas de energías
renovables
El panel intergubernamental para el cambio
climático de la ONU, concluyó que se requiere de
al menos una reducción del 50% de las
emisiones de CO2 para el 2050 tomando como
referencia el año 2000 para poder limitar el
incremento global de la temperatura entre 2.0 y
2.4 °C y con esto evitar desajustes climáticos
catastróficos
Las expectativas de limitar el incremento global de
la temperatura en 2 °C se vuelve imposible
En el año 2010 las emisiones de CO2 se
incrementaron en 5% con respecto al 2008 (30.6
Gt) a pesar del bache económico con lo que se
tiene el 80% de lo programado para el 2020
Agencia Internacional de Energía (30 de mayo 2011)
Las reformas del 1 de junio de 2011 a la “Ley para el aprovechamiento de Energías Renovables y el Financiamiento de la Transición Energética” en sus transitorios establece:
SENER fijará como metas
Una participación máxima del 65% de los combustibles fósiles en la generación de energía eléctrica para el año 2024
Del 60% para el año 2035
Del 50% para el año 2050
Aspectos
Técnicos
o Los generadores cambian su carga de acuerdo
a las necesidades del sistema y las órdenes de
un despacho centralizado
o Las redes(alto grado de envejecimiento)
o actúan en forma pasiva de acuerdo a las
leyes eléctricas El usuario no tiene
conocimiento del costo real de la energía que
está consumiendo y recibir de la empresa
eléctrica la totalidad de lo que demande en
todo momento
Generadores Controlables
“En todo momento debe existir un balance entre la generación y las cargas eléctricas de los usuarios más las pérdidas en la red” (alta centralización)
El Sistema Eléctrico Tradicional
Redes de Transmisión--------------
De Distribución
UsuariosIndustriales
y Comerciales
UsuariosDomésticos
OtrosUsuarios
Años
Semanas
Días
Horas
Minutos
Segundos
Milisegundos
Temporalidad de la Operación y Planificación de los Sistemas Eléctricos
Protecciones
Masa inicial del Sistema (hasta 30 segs)(Regulación de frecuencia primaria)
Gobernadores de velocidad y control automático de generación (entre 30 seg y 10 mins)(Regulación de frecuencia secundaria)
Despacho económico (entre 5 y 15 minutos)(Regulación terciaria)
ReservasOperativas
Margende capacidad Predespacho (Unit Commitment) (Programación
horaria de Generación, paros y arranques)(diaria y semanal)
Planeación de la generación anual, mensual y semanal
Expansión de la capacidad
Se conoce como “crédito de capacidad” a la medida de capacidad “firme” de una fuente variable que puede ser contabilizada como una contribución “confiable” a la suma de la capacidad de generación del sistema eléctrico. Es una fracción de su capacidad instalada de (FEV)
El crédito de capacidad para las FEV es una función no lineal que depende de:
* El nivel de penetración de las FEV
* Disponibilidad de la generación convencional
* Carga eléctrica
* Restricciones de transmisión
Consideraciones de Capacidad de las Fuentes de Energía Variable
En el cálculo de los “créditos de capacidad” mediante modelos estocásticos/probabilísticos se calculan los siguientes índices de CONFIABILIDAD DEL SISTEMA
* Loss of load probability (LOLP). La probabilidad anual/estacional de que la demanda pico no pueda ser cubierta con la capacidad de generación disponible no puede cubrirse la demanda.
Ejemplo 10% del pico anual o una vez cada 10 años.
* Loss of Load Expectation (LOLE) El número de horas por año que con la capacidad de generación disponible.
Ej. LOUE menor de 6 hr/año o LOLE igual a 0.11%
Capacidad Firme equivalente (EFC)
Es la capacidad de una central con 100% de disponibilidad que tendría el mismo efecto en el índice de confiabilidad seleccionado (LOLP/LOLE) que se obtendría al agregar al sistema una central de disponibilidad limitada
Capacidad Efectiva para soportar carga (ELCC)
Es la cantidad de carga que se puede agregar al sistema sin cambiar la relación LOLP/LOLE considerando la generación adicional variable
Indices para la evaluación del Crédito de la Capacidad de la FEV
55000 15000
Average Load Average Wind Average Solar
40000
10000
) W
(
Mda o
25000
5000
10000
0
1
5
9
13
17
21
Hour
55000 15000
40000 10000
) W
(
Mda oL25000
5000
10000
0
1
5
9
13
17
21
Hour
L L
oad
(M
W)
10000
25000
40000
55000
1 5 9 13
Hour17 21
0
5000
10000
15000
Win
d &
So
lar
(MW
)
Average Load Average Wind Average Solar
All Systemwide Daily Load, Wind, and Solar Profiles for July 2003.
La mayoría de los desbalances en condiciones normales se dan por la entrada y salida de cargas los que pueden ser mayores si coinciden con menor o mayor generación de las FEV por lo que se tienen rampas mas frecuentes
Dado que la generación de las FEV es “most take” a las centrales generadoras convencionales se les exige operar bajo condiciones fuera de diseño lo que provoca:
Mayores “heat rate” menor eficiencia
Menores ingresos
Violación de sus mínimos operativos
Problemas adicionales con FEV
Ni la generación fotovoltaica ni la de viento agregan inercia al sistema dado que no tienen masa rodante en el fV y es muy pequeña en la generación eólica lo que implica necesidad de cortes de carga para proteger al sistema en casos de pérdida súbita de generación
Simulaciones y estudios indican que solo es posible incorporar hasta un 15% de fuentes de energía variable (FEV) sin cambiar las condiciones de confiabilidad y operación actual, con cantidades mayores se requiere mayor cantidad de reserva firme
Cambio del Paradigma de Servicio
Respuesta de la Demanda(Tarifas dinámicas) Reducción de demanda (conservación y ahorro de
energía) Cambio de paradigma de transporte Cambio de paradigma de construcción (Normatividad)
Mejoras de diseños (generación, distribución super conductores, redes inteligentes)
Requerimientos para una red inteligente
Expansión de la infraestructura eléctrica
Remplazo de la red envejecida y red adicional (renovables)
Consideración de cargas móviles (vehículos eléctricos)
Chips en enseres domésticos
Medidores inteligentes (AMI) con conexión y desconexión remota
Inclusión de tecnología de informática, infraestructura de comunicaciones, uso intensivo de sensores modernos tanto para monitoreo como control en línea y fuera de línea, facilitando tanto la gestión operativa como la administrativa de los procesos
Detección automática de fallas
Incorporación de nuevas aplicaciones de monitoreo, control y protección que estén armónicamente integrados
Un nuevo entorno regulatorio que de señales económicas correctas a todos los participantes
Tarifas dinámicas
Visión de Red Inteligente en Estados Unidos
Optimiza la utilización de activos y la eficiencia de operación
Opera con elasticidad
durante disturbios, ataques o desastres naturales
Permite que los clientes o
consumidores participen estando
informados
Se aprovechan todas las
opciones de generación y
almacenamiento
Se dan las oportunidades para nuevos
servicios, productos y mercados
Da un servicio de calidad en el rango de las necesidades
Características de una red inteligente
Incrementar la seguridad cibernética
Mantener una fuerza laboral
calificada
Avance funcional con nuevas tecnologías
Hacer un plan de negocios sólido
para las inversiones en
una red inteligente
Permitir la interacción con otras redes a
través del cumplimiento de
normas
Incrementar la participación de
los consumidores en la
administración de la demanda
Retos para una red inteligente
Capacitación del personal
Compromiso y participación
de los interesados
Despliegue y demostraciones de una red inteligente
Investigación y desarrollo
Normas o estándares
Planeación y análisis de
interconexiones
Actividades claveSeguimiento
de avances en la
implementación
Una red inteligente utiliza tecnología digital para mejorar la confiabilidad, seguridad y eficiencia (tanto económica como energética) del sistema eléctrico desde la gran generación a través de los sistemas de entrega de electricidad a los consumidores con la participación de un número creciente de generación distribuida e instalaciones de almacenamiento
Smart Grid Components
Comisión Reguladora de Energía October 2012
Mexico Smart Grid Regulatory Framework Confidential and Proprietary
