Gerencia de Energías No Convencionales Sistemas Fotovoltaicos Interconectados con la Red (SFVI)

Transcripción

1 Gerencia de Energías No Convencionales Sistemas Fotovoltaicos Interconectados con la Red (SFVI) Penetración de Sistemas Fotovoltaicos en la Red Eléctrica IIE-GENC-HB/2010

2 AGENDA Antecedentes Métricas y límites de penetración Proyecto PNUD-IIE y caso de estudio de análisis de penetración Estudio de penetración de sistemas FV conectados a red en Mexicali Metodología de análisis Generación fotovoltaica Sistema eléctrico de Baja California Demanda eléctrica y curvas de duración de carga en Mexicali Consideraciones de análisis Resultados Conclusiones

3 Antecedentes

4 MW Evolución internacional de los SFVI Capacidad FV instalada acumulada mundial para sistemas FV autónomos e interconectados con la red - IEA 16,000 14,000 12,000 10,000 8,000 6,000 4,000 2, Sistemas FV autónomos Sistemas FV Interconectados con la red

5 Centrales FV (Ranking 1-5, 2010) País Sitio Fecha de arranque Capacidad (MW) España Olmedilla Alemania Straßkirchen Alemania Turnow- Preilack España Puertollano Portugal Moura Fuente:

6 Evolución nacional de los SFVI Capacidad acumulada estimada puesta en operación de sistemas FV conectados a red en México kw p Instalaciones de prueba

7 SFVI en México Período Usuario Lugar Propósito Capacidad (kw) Situación actual IIE Cuernavaca Investigación y desarrollo tecnológico 1.7 Retirada IIE-CFE Mexicali IIE-CFE Mexicali IIE-CFE Hermosillo 2002 a la fecha 2005 a la fecha 2006 a la fecha 2006 a la fecha IIE-IP IIE-LFC-IP IIE-CFE-IP Gobierno BC -CFE-IIE 2008 Usuario residencial Nuevo León Ciudad de México La Paz, BCS Mexicali Tijuana Prueba de concepto de autoabastecimiento Evaluación del impacto a la red y usuarios; prueba de la tecnología Prueba de concepto de autoabastecimiento Prueba de concepto de autoabastecimiento Prueba de concepto de sistema piloto comercial de autoabastecimiento Prueba de sistema piloto de usuario DAC Suministro de energía a conjunto habitacional Primer proyecto comercial con medición neta 1.5 Retirada 4 sistemas: c.u. Retirada 1.5 Retirada 1 En operación 30 En operación 6.5 En operación 220 casas 1 c.u. En operación 1 En operación 2008 Wal-mart Aguascalientes Autoabastecimiento comercial 170 En operación

8 Primeras aplicaciones de SFVI en México Arreglo FV instalado en un toldo, Mexicali 8

9 Primeras aplicaciones de SFVI en México (cont.) Arreglo FV inclinado, Mexicali 9

10 Aplicaciones recientes de SFVI en México (cont.) UPEMOR 6.5 kw p 2009 UAM-Iztapalapa 60 kw p, 2009

11 Aplicaciones recientes de SFVI en México (cont.) Parque Benito Juárez, Puebla, 24 kw p 2009

12 Aplicaciones recientes de SFVI en México (cont.) Centro Regional de Tecnología Eólica (CERTE), IIE, Juchitán, Oaxaca 9 kw p, 2009

13 Métricas y límites de penetración

14 Métricas de penetración Penetración relativa a la carga pico Penetración relativa a la capacidad del sistema Penetración energética Penetración instantánea pico Penetración energética Penetración t T t 0 t T t 0 P P FV Total t t dt dt

15 Límites de penetración FV reportados en la literatura Límite de penetración Criterio 5% Rapidez de cambio de generación. Sistema FV en modo central. 10% Control de frecuencia contra costos. 15% Oscilaciones en flujos eléctricos causados por nubosidad transitoria. Sistema FV en modo distribuido. Igual a la carga mínima del alimentador Aumento de voltaje. Supone bancos de transformadores de media a baja tensión sin conmutación de toma bajo carga. 33% o 50% Aumento de voltaje. >37% Hasta un nivel de penetración no se encontraron problemas causados por nubosidad, armónicas o transitorios rápidos. Sin límite Generación de armónicas. Fuente: Whitaker C, Newmiller J, Ropp M, Norris B. Renewable Systems Interconnection Study: Distributed Photovoltaic Systems Design and Technology Requirements. Sandia Report SAND , February 2008

16 Límites de penetración recomendados a nivel distribución

17 Límites de penetración de generación distribuida establecidos en Estados Unidos (casos seleccionados) Programa California Florida Georgia Kansas Nueva Jersey Límite de tamaño del sistema 1 MW (10 MW para hasta tres digestores de biomasa) 2 MW / comercial, industrial y residencial 10 kw para sistemas residenciales; 100 kw para sistemas comerciales Residencial: 25 kw 2 MW / comercial y residencial Límite sobre capacidad agregada 5% de la demanda pico de la empresa (límite estatal de 50 MW para digestores de biomasa; MW para celdas de combustible) Ninguno 0.2% de la demanda pico anual de la empresa 1% de la demanda pico de la empresa durante el año previo No hay límite establecido, pero el departamento de servicios públicos tiene autoridad para limitar la capacidad a 2.5% de la demanda pico Fuente: Interstate Renewable Energy Council, USA

18 Proyecto PNUD-IIE y caso de estudio de análisis de penetración

19 Proyecto PNUD-IIE de SFVI 2007 GEF/UNDP Grid-connected Photovoltaic Project Objetivo Demostrar la factibilidad técnica, operacional y finalmente económica de los sistemas fotovoltaicos conectados a red, como medios para reducir y suavizar los picos de demanda eléctrica durante el verano en el norte de México

20 Estudio de Penetración de Sistemas FV a la Red (P3.R1) Análisis de diferentes escenarios de penetración de los sistemas fotovoltaicos conectados a red, posibles y viables, tomando en consideración las condiciones actuales y futuras de la infraestructura eléctrica en líneas de sub-transmisión, subestaciones y plantas de generación. Estudio de penetración de sistemas FV conectados a red en Mexicali,

21 Estudio de penetración de sistemas FV conectados a red en Mexicali

22 Municipio de Mexicali Playas de Rosarito Tijuana Tecate Ensenada Mexicali

23 Posibles criterios de análisis Restricciones a nivel generación Flexibilidad de generación Seleccionado Rapidez de cambio de generación (ramp rate) Restricciones a nivel transmisión Desempeño de voltaje Regulación de frecuencia Restricciones a nivel distribución Inversión de flujos de energía Perfiles y regulación de voltaje en alimentadores Transitorios Generación de armónicas

24 Metodología de análisis: criterio de carga mínima SFVI y despacho de carga Los sistemas FV interconectados con la red no despachan carga en un sentido tradicional, lo cual significa que su potencia de salida no puede ser controlada y programada para responder a cargas variables. Sin embargo, los sistemas FV tienen la ventaja de que su perfil de generación es coincidente en buena parte con la demanda eléctrica diurna que se presenta naturalmente, en particular, durante el verano, cuando una gran cantidad de electricidad es utilizada para el acondicionamiento de aire.

25 Metodología de análisis: criterio de La flexibilidad de un sistema de generación eléctrica es la fracción de su capacidad nominal total que puede ser variada para una operación confiable y sin incurrir en costos excesivos. Flexibilidad nominal del carga mínima (cont.) Flexibilidad de generación sistema Capacidad nominal total - carga mínima nominal total Capacidad nominal total Flexibilidad operativadel sistema f carga despachable Carga pico anual - carga mínima Carga pico anual

26 Metodología de análisis: criterio de carga mínima (cont.) Carga mínima y penetración Un sistema eléctrico regional posee una carga mínima determinada por el valor agregado de las cargas mínimas de las plantas de generación base que lo conforman. Si la generación necesita ser reducida a niveles inferiores a la carga mínima, la operación de la planta o plantas en cuestión deberá ser interrumpida y posteriormente reanudada incrementando significativamente el costo de generación.

27 Metodología de análisis: criterio de carga mínima (cont.) Carga mínima y penetración (cont.) Para evitar interferencia con operaciones de carga base, la potencia de los generadores fotovoltaicos conectados a red debe ser limitada por la carga mínima que se determine para el total del sistema de plantas. En caso contrario, el suministro FV tendría que ser interrumpido durante períodos de baja demanda, el flujo de energía excedente tendría que ser exportado, algunas unidades de generación preexistentes (convencionales o no convencionales) necesitarían ser puestas fuera de servicio, o bien, la concepción misma del sistema y su régimen de operación requerirían ser modificados.

28 Metodología de análisis: diagrama de flujo INFORMACIÓN DE CARGA Y GENERACIÓN INFORMACIÓN DE RADIACIÓN SOLAR ÁREA DE CAPTACIÓN SOLAR A=0 PERFILES DE CARGA GENERACIÓN FOTOVOLTAICA (GFV) CURVA DE DURACIÓN DE CARGA GENERACIÓN NO FOTOVOLTAICA (GNFV) CARGA MÍNIMA (CMIN) GNFV = CMIN? No A = A + A Si FLEXIBILIDAD DEL SISTEMA GENERACIÓN NO FOTOVOLTAICA MÍNIMA GNFVMIN = CMIN DEMANDA ANUAL DE ENERGÍA GENERACIÓN FV MÁXIMA ANUAL PENETRACIÓN FV MÁXIMA

29 Generación fotovoltaica: suposiciones Una disposición uniforme para toda la zona Valle de Mexicali de arreglos inclinados a un ángulo igual a L- 15 y orientación hacia el sur. Con esta disposición se maximiza la producción de energía durante el verano. No se establece restricción para el área de captación debido a que el objetivo es determinar un límite de penetración a la red y no el potencial de penetración de mercado. Una estimación de la penetración de mercado requeriría, por ejemplo, información sobre espacios disponibles, características de vivienda y edificios, curvas de adopción de la tecnología, así como escenarios económicos y de política energética.

30 Generación fotovoltaica: radiación solar en Mexicali

31 kwh/m 2 /día Generación fotovoltaica: radiación solar en Mexicali Promedio la radiación solar total medida sobre el plano del arreglo en Mexicali Promedio

32 Sistema eléctrico de Baja California (2010) Hasta 800 MW Miguel Imperial Valley 6 Zona Costa Hasta 520 MW 5 Zona Valle 2 1. Central Ciclo Combinado Mexicali (InterGen, La Rosita) PIE: 489 MW (autorizados 597 MW) Exportación: hasta 636 MW 2. Central geotérmica Cerro Prieto (CFE) 720 MW 3. Central turbogás Mexicali (CFE) 62 MW 4. Termoeléctrica de Mexicali (SEMPRA) Exportación: 625 MW, autorizados 680 MW 5. Centra eólica La Rumorosa 10 MW (autoabastecimiento, CEE de BC, 2010) 6. Central Presidente Juárez (TC/CC/TG, CFE) 1026 MW 7. Turbogás Ciprés (CFE) 28 MW

33 Centrales generadoras en Mexicali (al 2007) Clave Descripción Unidad Despachabilidad Tipo Capacidad nominal (MW) Carga mínima (MW) CCMP1 C.C.C. Mexicali Central Despachable Ciclo combinado CCMP2 C.C.C. Mexicali Cogenerador No despachable Cogeneración GCPP1 C.G. Cerro Prieto I 1 No despachable Geotérmica No despachable Geotérmica No despachable Geotérmica No despachable Geotérmica En rehabilitación Geotérmica GCPP2 C.G. Cerro Prieto II 6 No despachable Geotérmica No despachable Geotérmica GCPP3 C.G. Cerro Prieto III 8 No despachable Geotérmica No despachable Geotérmica GCPP4 C.G. Cerro Prieto IV 10 No despachable Geotérmica No despachable Geotérmica No despachable Geotérmica No despachable Geotérmica MXIP1 C.T.G. Mexicali 1 Despachable-pico Turbogás Despachable-pico Turbogás Despachable-pico Turbogás Total

34 MW MW Generación bruta en la Central Ciclo Combinado Mexicali, Año calendario Generación bruta Carga mínima Máxima capacidad contratada para Zona Valle 800 Generación bruta Cerro Prieto Mexicali, Año calendario Generación bruta Carga mínima

35 Demanda horaria promedio, MW Demanda eléctrica en Zona Valle, Hora

36 Curvas de duración de carga del sistema Mexicali

37 Curva de duración de carga del sistema Mexicali, 2007 Carga base

38 Consideraciones de análisis La carga del sistema se divide en carga base (8760 h), carga intermedia ( h) y carga pico (2000 h). En el caso particular del sistema eléctrico de Mexicali, donde la carga base es menor a la carga mínima nominal, se requiere exportar la electricidad excedente, disminuir la generación base dentro de algún margen residual de despacho, o bien, desconectar unidades generadoras. La operación del sistema eléctrico de Mexicali bajo estas circunstancias inevitablemente reduce el potencial de penetración de los SFVI (si no se considera excedencia en la generación FV), o bien, eleva su costo de generación (en caso contrario).

39 Consideraciones de análisis (cont.) Lo anterior deriva en la necesidad de utilizar un valor de carga mínima endógena para Zona Valle, Mexicali, considerando una carga de despacho residual definida por: a) la posibilidad de exportar la generación excedente a otras zonas regiones de distribución, localizadas dentro o fuera del territorio nacional, o b) la posibilidad de reducir o interrumpir generación base. Como en este análisis no se considera excedencia de generación FV, esto es, no se prescribe almacenamiento, exportación o interrupción del suministro de electricidad FV, se opta por establecer como límite para la carga mínima la reducción residual o remanente en la generación base derivado de perfiles de operación.

40 Consideraciones de análisis (cont.) Carga mínima endógena carga base endógenamargen dedespacho carga despachable residual Carga despachable residual carga diurna total promedio coincidente con 500 horas de menor carga endógena- carga mínima nominal total

41 Resultados Generación por central durante las 500 horas de menor despacho de carga en Mexicali, 2007

42 MW Resultados (cont.) Carga diurna promedio (7 19 hrs.) coincidente con las 500 horas de menor despacho de carga en Zona Valle Exportación Demanda Zona Valle Carga mínima

43 MW Resultados (cont.) Carga mínima endógena (carga mínima permisible para generación convencional-geotérmica) en Mexicali, ,200 1, Carga pico Carga intermedia hora Carga base Carga mínima nominal Carga mínima endógena

44 Resultados (cont.) Generación FV máxima permisible en Mexicali para condiciones de carga del 2007

45 MW Coincidencia semanal de carga normal, generación eléctrica convencional y generación FV Zona Valle Carga de referencia: 20-oct-07 a 26-oct Horas Carga normal Generación convencional Generación FV Carga mínima

46 Resultados (cont.) Generación eléctrica convencional-geotérmica y generación FV sin excedencia en Mexicali en día crítico

47 Resultados (cont.) Proyección de crecimiento de la carga diurna promedio coincidente con las 500 horas de menor demanda en Mexicali (de acuerdo a TMCA, POISE )

48 Año Carga mínima funcional y flexibilidad del sistema Mexicali Carga base, MW Resultados (cont.) Carga pico anual, MW Carga despachable residual, MW Margen de despacho residual Carga mínima, MW Flexibilidad operativa del sistema a a Flexibilidad del sistema = (carga pico anual - carga mínima) / carga pico anual Penetración máxima permisible de SFVI en Mexicali Máximos permisibles Escenario bajo Escenario medio Escenario alto Capacidad FV interconectada máxima permisible, MW Métricas de penetración Penetración instantánea pico 14.0% 43.8% 16.7% 50.2% 19.6% 55.0% Penetración relativa a la carga pico 5.1% 16.1% 6.1% 18.5% 7.1% 20.3% Penetración relativa a la capacidad total 6.2% 24.6% 7.5% 30.4% 9.0% 35.7% Penetración energética 2.3% 7.1% 2.7% 8.1% 3.2% 8.9%

49 Conclusiones La baja flexibilidad operativa de un sistema eléctrico (como el de Mexicali), reduce el potencial de penetración de los sistemas FV conectados a red. Sin embargo, la capacidad agregada por sistemas FV de pequeña o mediana escala podría ser absorbida sin impactos significativos en la operación del sistema de plantas de generación. Por el contrario, la instalación de plantas de gran capacidad bajo esta circunstancia anticipa mayores requerimientos de despacho de carga a través de exportaciones o mediante la administración de la generación base.

50 Conclusiones En el caso de Mexicali, a mediano y largo plazo, la factibilidad de agregar capacidades mayores de sistemas FV con conexión a red se incrementa sustancialmente, debido a que se proyecta una razón de crecimiento de carga de la región mayor a la razón de crecimiento de la carga mínima de su sistema de plantas. En el ámbito de un objetivo nacional de crecimiento intensivo de las fuentes renovables de energía para generación eléctrica, en general, y de los sistemas FV interconectados en México, en particular, se deben disponer de sistemas eléctricos con una flexibilidad acorde. No obstante, se puede recurrir a mecanismos alternos como almacenamiento de energía o cargas despachables.