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AlmacenamientodeEnergíaParte5.Aplicaciones
GabrielOlguín,Ph.D.—golguin@powerbussiness.cl
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Objetivos• Enestemóduloseexplicanunconjuntodeaplicacionesdelossistemasdealmacenamientodeenergía.
• Seprivilegialaaplicaciónalossistemaseléctricosporserlaenergíaeléctricalaformamásefectivayfácildeusarenergíaenprocesosindustriales,comercialesyanivelresidencial
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TransmisiónversusAlmacenamiento• UnSistemadeTransmisiónproveelaenergíadondesenecesita–latransportaenelespacioNísico
• UnSistemadeAlmacenamientodeEnergíaproveeenergíacuandosenecesita–latrasladaeneltiempo
• Latransmisiónespartedelacadenadevalordelaindustriaeléctrica
• ElAlmacenamientoreciéncomienzaaserconocidoyvalorado
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Contenidos
• Introducción• Aplicaciones
– Arbitrajedeenergía– Servicioscomplementarios
• Reservaengiro• Partidaennegro(PRS)• EDAC–Negativo• Postergacióndeinversiones
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Introducción• Lasredeseléctricas(TxyDx)permitentrasladarlapotencia/energíaeléctricaenelespacioaprovechando– economíadeescaladelafuenteprimaria– diversidaddelascargas
• ElAlmacenamientodeEnergíapermitetrasladarlapotencia/energíaeléctricaeneltiempoparaaprovecharocompensar– Variabilidaddelacarga– Disponibilidadyvariabilidaddelageneración– Costodeoportunidaddelaenergía/potencia
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Introducción• Lassolucionesdealmacenamientodeenergíaofrecenaplicacionesalolargodetodalacadenadevalordelaindustriaeléctrica:– Generación-Mercadomayorista– Arbitrajedeenergía,seguimientodecarga,servicioscomplementarios(SSCC)– Transmisión
• Postergacióndeinversiones,SSCC,seguridad– Distribuciónprimariaysecundaria,
• Postergacióndeinversiones,SSCC,seguridad,recursoenergéticodistribuido
– UsoNinaldelaenergíaeléctrica• Microredes,respaldo,suministroautónomo,SSCC
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SistemadeAlmacenamientodeEnergíaEléctricaIdeal• UnSAEidealparaelSEPdebería:
– Proveerrespaldodinámico(sincronizado)yestáticodepartidarápidaylenta
– Aportaralcontroldefrecuencia– Aportaralcontroldevoltaje– Aportaramejorarlacalidaddelproducto– Reducirloscostosdeoperacióndelsistema– Reducirloscostosdeexpansióndelsistema
• Noexisteunaúnicatecnologíaqueproveatodosestosserviciossinounportafoliodesoluciones
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DosdimensionesdelA.E.PotenciaversusEnergía
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Potencia MW
Tiempo de descarga
Inyección/absorción rápida de energía - segundos a minutos
Inyección/absorción masiva de energía – minutos a horas
AlmacenamientodeEnergía• Laenergíaeléctricasoloesalmacenableencamposeléctricos
(capacitancia)ycamposmagnéticos(inductancia),estosprincipiosyasehandesarrolladoconaplicacionesdepotencia(nodeenergía)
• Otrasopcionesdealmacenamientodeenergíaconsideranalmacenarlaenergíaprimaria,carbón,gas,petróleo,aguaenembalse,etc.
• Tambiénsepuedetransformarlaenergíaeléctricaenotraenergíaparaalmacenarlayeventualmentetrasladarla,enespacioytiempo,dondetengamásvalor.Porejemplodesdeenergíaeléctricaaenergía…– Potencialhidráulicamediantebombeoaguasarriba– Potencialgracitacionalmedianteelevacióndepeso–elevadorcongenerador– Inerciarotacionalmediantemotor–generadoryvolantedeinercia– Térmicamediantecambiosdetemperaturao/ycambiodeestados– GeneracióndeHidrogenomedianteelectrolisis
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AlmacenamientodeE.E.enelSEP
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ES ES
ESES
ES
10aplicacionesdeAESegmento Aplicación DescripciónGeneraciónysistema
1 Serviciosalmercadomayorista
AlmacenamientomasivodeenergíaparaofertasdecapacidadySSCC:CPF,CSF,seguridad
2 Integraciónderenovables
AlmacenamientomasivoparadesplazamientotemporalySSCC
Transmisiónydistribución
3 AlmacenamientoestacionarioenlareddeT&D
MejoramientodelautilizacióndeactivosdeT&D,postergacióndeinversionesenactivosdeT&D
4 AlmacenamientotransportableparaT&D
MejoramientodelautilizacióndeactivosdeT&D,postergacióndeinversionesenactivosdeT&Denmúltiplessitiossegúnserequiera
5 Almacenamientodistribuido(EDR)
Almacenamientocentralizado:conNiabilidad,calidaddeservicios,SSCC GabrielOlguín,Ph.D.—
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10aplicacionesdeAESegmento Aplicación DescripciónDistribución 6 Sistemasagregados
ESCOSistemasdeAEdistribuidosgestionadoscentralizadamenteparabeneNiciosendistribución
UsuariosNinales
7 CalidaddelapotenciayconNiabilidadenindustriaycomercio
SistemasparaproveercalidaddepotenciayconNiabilidadencomercioeindustria
8 Gestióndedemandaenindustriaycomercio
Sistemasparareducircargosporpotenciayenergíaenindustriaycomercio
9 Gestióndedemandaresidencial
Sistemasparatrasladodecargasahorafueradepunta
10 Respaldocomercialyresidencial
Sistemasderespaldoparapequeñosconsumosdegranvalor GabrielOlguín,Ph.D.—
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12ESCO: Energy Service Companies
Generación-MercadoMayorista• Arbitrajedeenergía
– Absorcióndeenergíaabajocosto(fueradepunta)ydespacho/ventaposteriordurantehorasdepuntacuandosuvaloresmayor.
– BeneNicios:• IngresosparaelSistemadeAlmacenamientodeEnergíapordiferencialdeprecio
– Comprayventaapreciospot• Mejorusodeunidadesdebasesubutilizadasdurantehoradevalle• Mejorusodeunidadespordisminucióndeciclosparaseguimientodelacargaysuavizaciónderampas
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Evaluacióneconómicadelarbitraje
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Supuestos: • 50MW/400MWh 80% Ef. • $ carga: 20USD/MWh • O&M: 1% CAPEX/año • Seguros: 1%CAPEX • Vida Útil: >15 años
Diferencial $ punta - $ fuera de punta en USD/MWh 40 50 60 70 80 90 100
1000
1400
1800
2200
2600
CAPEX USD/kW TIR @80% roundtrip
efficiency
<2%
2-4%
4-6%
8-10%
12-20%
Ref.: Value proposition for Utility-Scale Energy Storage, D.Manz; J. Keller; IEEE 2011
Generación-MercadoMayorista
• CapacidaddeReservaparacontingencias– Comorecursoadicionaleneleventodeunacontingenciadetransmisiónogeneración
– BeneNicios:• RecursodisponibleparaeloperadorindependienteCDECs(ISO)
• Recurso“despachable”paralasuministrarcargasimprevistas-reemplazandoreservaengiro/sincronizada,secundariaypronta
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ReservaenGiro• NTSyCS–Capitulo1Terminología• 77.ReservaenGiro:Margenentrelapotenciadedespachoylapotenciamáximaqueelconjuntodelasunidadesgeneradorassincrónicasenoperaciónpuedenaportarysosteneranteunaumentobruscodelademandaoreducciónbruscadelageneración.LaReservaenGirodelsistemaincluyeelaportequepuedenhacerlosEquiposdeCompensacióndeEnergíaActiva.
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Notarespectodelareservaengiro• Elnombre“reservaengiro”hacereferenciaaciertacapacidaddegeneracióndisponibleyderápidore-despachoenmáquinassincronizadasconelobjetolograrbalanceofertademandaycontrolarlafrecuenciadelsistema
• Unnombremásapropiadoaladisponibilidadtecnológicaactualesreservasincronizadaderespuestarápidapuesexistetecnologíascapazdeofrecerelmismoserviciosinestarengiro
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Reservasincronizada/engiro
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G G G
La frecuencia es 50 Hz sólo si Generación es igual a la Demanda Perdidas
Reservasincronizada/engiro
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G G G
La frecuencia es <50 Hz si G<D+Perd, por ejemplo por pérdida de generación.
Reservasincronizada/engiro
G G G
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La reserva sincronizada recupera la frecuencia aportando potencia. También se recurre a los EDAC para recuperar la frecuencia en caso de pérdidas importantes de generación.
Reservasincronizada/engiro
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G G G
La frecuencia es >50 Hz si G>D+Perd, ejemplo pérdida de una carga importante.
Reservasincronizada/engiro
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G G G
La frecuencia se recupera reduciendo generación ERAG
Reservasincronizada/engiro
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El AE puede participar en la recuperación de la frecuencia aportando o absorviendo potencia activa
SAEE
SAEE
G G G
SAEE
G
NTSyCSCap1.-44EDAC• EsquemadeDesconexiónAutomáticadeCarga:Esquemadecontrolque,
aldetectarcondicionesanormalesenelSIqueponenenriesgosuestabilidad,emiteórdenesdedesenganchesobredistintosinterruptoresquealimentanconsumos.
• SedistinguenEDACdeltipo:• porsubfrecuencia:enlosqueeldesengancheeshabilitadoporla
operaciónpreviadeunreledesubfrecuencialocal;• porsubtensión:enlosqueeldesengancheeshabilitadoporlaoperación
previadeunreledesubtensiónlocal;• porDesengancheDirecto:enlosqueelprocesamientodeladecisiónde
desengancheserealizaenunaubicaciónremota,sobrelabasedeladeteccióndeuncambiodeestadoodevariableseléctricasanormales,quepuedenafectarlaSyCSdeunáreadelSI.
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Variacionesrápidasdefrecuencia
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Aportes del sistema de almacenamiento
MercadoMayorista
• Partidaautónoma/BlackStart– ComorecursodeapoyoalPlandeRecuperacióndeServicio(PRS)
– BeneNicios:• EstratégicamentedispuestoelSAEpuedeproveerserviciodepartidaautónomaaunaomáscentrales(siemprequeexistalalíneadetransmisiónentreelSAEylacentral)
• Permitiracelerarlarestauracióndelservicio• Respaldoacargascríticasantecatástrofesnaturales
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Partidaautónoma-aportedelA.E.
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Energización de La línea de transmisión
Rampa de alivio de carga coordinada con la toma de carga del generador
Energía necesaria para la central
Controldefrecuencia
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Inerciaysuefectoenlaestabilidaddefrecuencia
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La razón de cambio inicial Hz/MW de la frecuencia es solo función de la inercia del Sistema
Respuesta inercial sistema ERCOT USA pérdida de 2750 MW (60Hz)
ConceptodeInerciacritica
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La inercia sistémica para la cual la frecuencia desciende activando el EDAC antes que los recursos rápidos respondan y superen la contingencia. 0.4 Hz
0.5 s
Másreserva“inercial”esnecesariaconbajainercia
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0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
50 100 150 200 250 300 350 400
PrimaryFrequencyResponse(MW)
Inertia(GW∙s)
PrimaryFrequencyResponse(MW)
Estudios han mostrado que la reserve necesaria crece a medida que la inercia del Sistema se acerca a la inercia critica
PostergacióndeInversionesenTxAliviodecongestiónenTx
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SAECapacidad de transformación
MW
Dda Max anual
Capacidad de transformación
Cap. Transmisión
PostergacióndeInversionesenDx
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Capacidad de transformación MW
Dda Max anual
SAE
Calidaddelapotencia:Hundimientosdetensión
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Hundimiento de tensión V PC SAE
Otras prestaciones: • Op. en isla • Gestión energética
• Recortar la punta • Tarifa de verano
NTSyCS–RecursosdeControldeContingencias:• RecursosGeneralesdeControldeContingencias:Correspondena:
• a)lainerciapropiadelasmáquinasrotatorias,incluyendovolantes.
• b)elcontrolprimarioysecundariodefrecuencia.• c)lareservadepotenciareactivayelcontroldetensión.• d)losestabilizadoresdesistemasdepotencia.• e)EDAC,elEDAG,elERAG,enlostérminosdeNinidosenelArtículo5-7.
• f)yengeneral,lossistemasqueenfuncióndelaevolucióndevariablesdecontroldelsistemaactúansobrelageneración,lacargaolatopologíadelsistema.
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NTSyCSCap.5:ExigenciasEstándaresdeSyC.S.
• Art.5-15EnlasInstalacionesdeClientesseimplementaráelaportealEDACporsub-frecuenciaatravésde:
• a)…• b)…elClientepodrautilizaroacreditarelusodeEquiposdeCompensacióndeEnergíaActivaquepermitanaportarconuntiempoderespuestaequivalente,ysostenerduranteeltiempoquerequieralaDO,unapotenciaalmenosequivalentealadesconexióndeconsumoqueleasignaelEstudiodeEDACenelrespectivoescalóndesubfrecuencia.
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NTSyCSCap.5:ExigenciasEstándaresdeSyC.S.• Artículo5-16• TantolosClientesReguladoscomolosLibresseránresponsablesdeinstalar,administraryoperarlosequipamientosnecesariosparacumplirconlosporcentajesdeparticipaciónenelEDACporsubtensiónquedeNinalaDOsegúnelArticulo5-12.
• Noobstante,losCoordinadospodránconvenircontercerosquedesconectenunacargaequivalenteparadarcumplimientoaestaobligación,siemprequesedemuestrealaDOquelosefectosdeestadesconexiónresultanequivalentes.
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ServiciosComplementariosD.S.130Art33• Artículo31.-Losusuarios,seanéstosdistribuidorasoclientesnosometidosa
regulacióndeprecios,queprestenserviciosdedesprendimientoautomáticodecargaporsubfrecuencia,subtensiónoporcontingenciaespecíHica,asıcomoserviciosdedesprendimientomanualdecarga,recibiránunaremuneraciónporlaprestacióndedichosservicioscomplementariossólounavezsuperadoelnúmerodedesconexionesy/otiempodeduraciónacumuladoquelaNTSyCSdeHina,norecibiendoremuneraciónalgunaporlaprestacióndetalesserviciosmientrasnosesuperenlosrequerimientosestablecidosenlareferidanorma.Enelcasoquelaprestacióndedichosserviciossearealizadapordistribuidoras,éstasdeberántraspasaríntegramenteelvalordelaremuneraciónalosclientesNinalesqueresultarondesconectadosporlaaplicacióndelosreferidosservicios.ElvalordelaremuneraciónindicadaenelincisoanteriorequivaldraalcostodefalladecortaduracióndeNinidoenlaNTSyCS,porcadakilowattdesconectadoqueestuvierenconsumiendoalmomentodeladesconexión,segúnlodetermineelCDECatravésdelaDOenbasealamediciónquerealice,porladuracióndelevento,expresadaenhoras.
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ServiciosComplementariosD.S.130Art33
• Articulo33.-Losclientesnosometidosaregulacióndepreciospodránacordarlasustitucióndesusaportesdedesprendimientosautomáticosdecargaporsub-frecuenciaosub-tensión,establecidasporelCDECatravésdelaDO,conlosotrosclientesnosometidosaregulacióndeprecios.CorresponderáalaDOaprobarorechazarlasustitucióndelosaportes,enatenciónalafactibilidadtécnicaycumplimientodelasexigenciasdecalidadestablecidasenlaNTSyCS.
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BeneHicio T.
ConsumoHinal10sdekW
DistribuciónyTransmisión
100skWa10sMW
GeneneracióneISOs100sdeMW
Altovalordela
energíaalmacenada
$/kW
h
Energía$/Kwh
Horas
Potencia$/Kw
Minutos
Altovalordelapotencia
$/kW
Fiabilidad$/kW
Segundos
Operación$/KVAr&$/Kw
Calidaddelproducto
Recursosenergéticosdistribuidos Servicios
Complementarios
Capacidad,potenciaNirme
Arbitrajedeenergía
Gestiónenergética
Postergacióndeinversionesen
activosdeTxyDx
Fiabilidad
integraciónde
ERNC
SuavizacióndeERNC
SoportealSistemadetransmisión
BeneNiciosdelAlmacenamientodeEnergíaEléctrica
OfertatecnológicayaplicacionesUPSyCalidaddelapotencia
SoporteydesplazamientodecargaenT&D
Gestiónenergéticamayorista(masiva)
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Centraldebombeo
BateríasdeIon-Li
AirecomprimidoCAES
BateríasdeNlujo:Zn-Cl;Zn-Air;Zn-Br;
Súper-capacitores
Bateríasdeplomoácido
VolantesdeinerciaFES
Segu
ndos
M
inut
os
Hor
as
BateríasdeNaS
1kW 10kW 100kW 1MW 10MW 100MW 1GW
DesempeñodeunSAEE• Energíaypotencia:MW&MWh• Densidad:Kwh/m3• Ciclosdecargadecarga• Profundidaddedescarga• Velocidaddecargaydescarga(rampas)• ENicienciadeciclocompleto• Manejoambiental
– InNlamabilidad– Manejodesustanciaspeligrosas– Aceptaciónsocial
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SAEE
Requerimientodedesempeño
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Segmento Descripción Tamaño Duración Ciclos Vida-años
Mercadomayorista
Arbitraje 10-300MW 2-10hr 300-400/años 15-20
SSCC varios varios varios varios
Reg.frecuencia 1-100MW 15min >8000/año 15
R.sincronizada 10-100 1-5hr 20
Integracióndeenergíasvariables:solarfvyeólica
Eólica:soportedevoltajeycontrolderampasdevariación
1-10Dx100-400central
15min 5000/año10000
20
Eólica:AEfueradepunta
100–400MW 5–10hr 300-500/año 20
PV:desplazamientotemporal,sags,soporterápido
1-2MW 15min–4hr >4000 15
RequerimientodedesempeñoSegmento Descripción Tamaño Duración Ciclos/año Vida-
años
ApoyoestacionarioT&D
PostergacióndeactivosdeT&Durbanayrural.GestióndecongestiónISO
10-100MW
2-6hr 300-500/año
15-20
SoporteT&Dmóvil
Ídem 1–10MW 2-6hr ídem ídem
DESS-AEdistribuido
EnelladodelaDx,mejoradelaeNicienciadelaDx
25–75kW 2-4hr 100-150 10-15
CalidaddelapotenciaenCeInd.
SoluciónaSagseinterrupcionesdecortaduración
25–1000kW
<15min <50 10
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RequerimientodedesempeñoSegmento Descripción Tamaño Duración Ciclos Vida
años
ConNiabilidaddecargasIndyC.
Respaldorápidoacargassensibles
50–1000kW 4–10hr <50año 10
GestiónenergéticaenCeInd.
Reduccióndecostosporenergíaypotencia
50-1000kW 3-4hr 400-1500año 15
1MW
GestiónEdomiciliaria
ENicienciaymenorescostos
2-5kW 2-4hr 150-400año 10-15años
Respaldoresidencial
Niabilidad 2-5kW 2-4hr 150-400año 10-15años
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Aplicacionesfuturas• Mayorvolatilidadenpreciosspot:
– Lasenergíasvariablesaumentaranlavolatilidaddelospreciosspots(preciosnulosonegativosenciertashorasdeabundanciadelrecurso)
• Integraciónderenovables– Variosestudiosmuestranlanecesidaddeaumentarreservascuandoelniveldeintegraciónsuperael20%
• Penetracióndefotovoltaicaendistribución:– SeanticipandesaNíosdeoperaciónparagestionarlageneracióndistribuida.SAEpuedenproveersoportedevoltaje,gestionarintermitencia,etc.
• GestióndelaDemanda:– LaintroduccióndepagosporcargasgestionablespuedeabrirnuevosmercadosparalosSAE.Consumidorespodránvendercargadesprendibleyrespaldarlalocalmente.
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Referencias• Laprincipalreferenciadeestemóduloeseldocumento:• Whitepaper“ElectricityEnergyStorageTechnologyOptions:Awhitepaperprimeronaplication,costsandbeneNits”EPRI1020676;December2010
• DOE/EPRI2013ElectricityStorageHandbookinCollaborationwithNRECA(SAND2013-5131)
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