Sistemas para Almacenamiento de Energía

Transcripción

1 Sistemas para Almacenamiento de Energía Cumpliendo con la Necesidad de Almacenamiento de Energía al Borde de la Red El Almacenamiento Comunitario de Energía Puede Ayudar a las Compañías Eléctricas a Cumplir con los Retos Impuestos por la Red Eléctrica En la próxima década, las compañías eléctricas se enfrentarán a retos nunca antes vistos desde responder a los cambiantes patrones de consumo eléctrico y reducir las emisiones de carbono, hasta administrar la intermitencia de las fuentes renovables y de las grandes cargas pico de los vehículos eléctricos enchufables (VEEs). Para permitir que la red eléctrica sea capaz de equilibrar una mayor cantidad e fuentes y cargas dinámicas, las compañías eléctricas necesitarán integrar las innovadoras tecnologías de almacenamiento de energía distribuida en su infraestructura de la red eléctrica inteligente. Uno de los avances más prometedores en cuanto al almacenamiento de energía distribuida es el almacenamiento comunitario de energía (CES por sus siglas en inglés), el cual es un sistema basado en baterías que posiciona cantidades discretas de almacenamiento controlado por la compañía eléctrica al borde de la red. El CES proporciona ventajas de gran alcance, incluyendo energía confiable de respaldo en las comunidades, la integración de la generación renovable, mejor calidad de la energía a través de la menor exposición a las fluctuaciones transitorias y operaciones repetitivas, y mayor eficiencia mediante la corrección del factor de potencia. Además, el CES hace posible que los equipos no se dañen tanto al neutralizar los picos, lo cual permite que las compañías eléctricas difieran las erogaciones de capital relacionadas con actualizaciones mayores a la subestación y al sistema de distribución. Al contar con el potencial de hacer que la red eléctrica sea más confiable, eficiente, inteligente y que responda a los cambios, el CES jugará un papel integral en la evolución de la red eléctrica inteligente. En la actualidad, las principales compañías eléctricas y los innovadores de soluciones de almacenamiento para la red eléctrica inteligente están trabajando en conjunto para hacer que los sistemas CES sean una realidad en las comunidades. Documento Oficial

2 Cada vez más, el gobierno de los Estados Unidos está reconociendo la importancia que las tecnologías para almacenamiento de energía tendrán en el futuro de la red eléctrica nacional. Esto ha dado como resultado el otorgamiento de más estímulos económicos federales y estatales y que se haya aprobado más legislación en este rubro. Financiamiento para el Almacenamiento de Energía en la Red Eléctrica Inteligente El almacenamiento de energía constituye US$185 millones de los US$778 millones que la Secretaría de Energía de los Estados Unidos (DOE por sus siglas en inglés) recién otorgó a las iniciativas referentes a la red eléctrica inteligente. Dicho estímulo económico está ayudando a financiar proyectos a nivel compañía eléctrica que han demostrado las ventajas que ofrece el almacenamiento de energía, incluyendo la mayor confiabilidad, eficiencia, y capacidad de la red eléctrica. Legislación Federal Referente al Almacenamiento de Energía La Ley de Tecnologías de Almacenamiento para la Energía Verde y Renovable promulgada en 2011 es una legislación bipartidista que acelera el desarrollo de las tecnologías para almacenamiento de energía de manera que las fuentes renovables tengan mayor capacidad para gestionar las demandas pico de energía. Al proporcionar un crédito fiscal sobre todos los activos correspondientes a equipos de almacenamiento de energía, dicha ley incrementa el potencial de ayudar a impulsar la confiabilidad, eficiencia, y capacidad de la red eléctrica. Leyes Estatales en Materia de Almacenamiento de Energía California y Texas alojan algunos de los proyectos más grandes del país en materia de almacenamiento de energía y cuentan con las leyes más progresistas en este rubro. La Ley de Almacenamiento de Energía promulgada por California en 2010 dicta el aumento en el uso de sistemas para almacenamiento de energía a gran escala y requiere que las compañías eléctricas implementen sistemas de almacenamiento conectados a la red eléctrica tan anticipadamente como el año Texas aprobó una ley sin precedentes en 2011, la cual define el almacenamiento de energía como la generación de la misma. El CES Permite que la Electricidad Siga Fluyendo de Manera Confiable Hacia los Consumidores El CES permite que las compañías eléctricas sean capaces de mantener un flujo perfecto e ininterrumpido de energía para los usuarios, lo cual sucede las 24 horas del día y supone una meta importante con respecto a la red eléctrica inteligente. Debido a que las unidades de CES están ubicadas en proximidad a los usuarios, es posible proporcionar energía confiable de respaldo en una fracción de segundo en caso de que haya un apagón. Este tipo de respuesta reduce dramáticamente los minutos de interrupción al usuario, lo cual mejora la duración promedio y los índices de frecuencia (SAIDI y SAIFI), los cuales son las medidas principales de confiabilidad en la red eléctrica. Las unidades CES también garantizan un nivel más elevado de confiabilidad que el almacenamiento basados en subestaciones debido a que éstas son capaces de proporcionar energía de respaldo durante la mayoría de las interrupciones que experimentan las compañías eléctricas, las cuales ocurren principalmente en el sistema de distribución entre la subestación y el cliente. Además, el CES puede reducir los costos de distribución de emergencia y los tiempos de respuesta de las cuadrillas de servicio, en particular en el caso de las unidades que están ubicadas a lo largo y ancho de las comunidades. Durante los cortes de energía, las unidades CES son capaces de distribuir, de manera automática, la energía de respaldo de su batería de ion de litio a los diversos clientes que estén conectados, esto mientras las reparaciones a la red eléctrica se llevan a cabo. Una unidad CES montada en pedestal y controlada por SCADA puede abastecer de 2 a 10 hogares, o inclusive puede abastecer pequeñas cargas comerciales. Esta tecnología de almacenamiento es una fuente de energía de respaldo más verde y mejor para los usuarios en comparación a los generadores convencionales impulsados por gas. Las unidades CES normalmente proporcionan 25 kw de energía de respaldo durante 1 a 3 horas, o inclusive más, dependiendo de cuánta energía sea consumida por los usuarios. También habrá disponibles unidades que puedan proporcionar capacidades más elevadas. Las unidades CES son fáciles de instalar, operar y es sencillo darles mantenimiento. Las unidades CES normalmente se colocan en esquinas o derechos de paso en patios traseros, son monofásicas y se conectan al lado de baja tensión de los transformadores de distribución, protegiendo así los circuitos de 240/120 voltios que abastecen a grupos de hogares. 2 Sistemas Comunitarios para Almacenamiento de Energía

3 Transformador M M M 240 / 120V Disp. de Com. conectado al Sistema Controlador DEM Disp. de Com. conectado a las cargas locales Terminación Atornillada Unidad CES CM CM Módulo Convertidor CA/CD Medidor de Facturación M Control y Módulo de Adquisición de Datos Barra CD Mediciones del Control CM CM Sistema Comunitario de Almacenamiento de Energía Batería Esta unidad CES abastece a varios hogares, a uno lo abastece con la carga de un VEE y a dos los abastece con fuentes de energía renovables. El CES no solamente proporciona energía confiable de respaldo durante los apagones, sino que también amortigua la generación solar y eólica de los usuarios y proporciona energía modificada por tiempo para cargar los VEEs. Debido a la alta velocidad de transferencia de la energía de la red eléctrica a la batería de la unidad CES, los apagones son apenas perceptibles para los usuarios. El sistema de detección de la unidad detecta la pérdida de energía automáticamente, y la energía de respaldo responde de inmediato. La unidad CES aísla a los usuarios de la red con el fin de proporcionarles niveles de confiabilidad de primera y protegerlos de las operaciones repetitivas y las fluctuaciones transitorias (lo cual supone una baja en el índice MAIFI). Cuando es activada, dicha función configurable de aislamiento automático entrará en operación hasta que la unidad detecte la presencia de energía confiable en la red eléctrica o hasta que la batería se haya agotado. Durante el restablecimiento, ocurrirá una transferencia ultrarrápida y perfecta de la batería hacia la red eléctrica. Las baterías CES se recargan cuando hay más electricidad disponible en la red eléctrica, lo cual normalmente ocurre durante la noche cuando las cargas se reducen. Las unidades CES pueden entonces re-distribuir dicha electricidad en cualquier momento como energía de respaldo o para cumplir con la demanda de las cargas pico. Debido a que el CES es de naturaleza distribuida y utiliza baterías subyacentes, utiliza poco espacio y dicha utilización de espacio no aumenta en la medida que se incrementa la capacidad de energía. Las baterías subyacentes también son menos vulnerables que las líneas de distribución aérea a los daños provocados por el clima. Las baterías de ión de litio CES tienen una vida útil prolongada y se pueden reemplazar fácil y rápidamente después de 10 años. Además, debido a que se utilizan en aplicaciones con vehículos eléctricos, los avances referentes a la densidad de la energía y a las técnicas de producción reducirán aún más los costos relacionados con dichas baterías. Sistemas Comunitarios para Almacenamiento de Energía 3

4 La Instalación a Gran Escala del CES Brinda un Control Sin Precedentes a las Compañías Eléctricas La instalación a gran escala del CES da a las compañías eléctricas un mayor control de las fuentes del sistema de distribución. Las compañías eléctricas pueden agregar con facilidad grandes cantidades de unidades CES distribuidas en grupos, mismos que pueden tener un impacto significativo en el nivel de confiabilidad y eficiencia de la red eléctrica. Cuando un grupo CES se hace funcionar mediante un sistema controlador para Gestión de Energía Distribuida (DEM por sus siglas en inglés), éste se puede distribuir y controlar como una fuente sencilla para un alimentador o subestación... mientras que al mismo tiempo monitorea y controla la subestación individual, el sistema, y los niveles del circuito. En los sistemas tradicionales de las compañías eléctricas, la comunicación con SCADA se ha limitado a las aplicaciones de automatización de la distribución más allá de la subestación... y las instalaciones de control central cuentan con una capacidad muy limitada para monitorear los dispositivos más allá de dicho punto. Las instalaciones de la red eléctrica inteligente que incluyen sistemas CES hacen posible deshacerse de esa limitación, permitiendo que la comunicación se extienda hasta llegar a los sistemas de distribución. La comunicación de los grupos CES se puede implementar de varias formas, aunque la más común implica las redes de área ancha (WANs) controladas por radios. Al estar instalado en una oficina o subestación central, el controlador DEM permite el control total de las fuentes distribuidas y cuenta con dispositivos de primera para distribución de la energía. La concientización situacional mejorada se logra gracias al respaldo total de SCADA y a la integración perfecta con los demás sistemas de la oficina central. Por ejemplo, el operador de SCADA se adaptará a las condiciones del grupo CES y a la disponibilidad de un grupo en particular para neutralizar picos y realizar otras aplicaciones. La comunicación del sistema CES normalmente utiliza un protocolo de red distribuida (DNP por sus siglas en inglés) e implementa medidas de seguridad adicionales para que el sistema tenga la mayor protección posible. Cuando se agregan muchas unidades CES mediante un controlador DEM, la compañía eléctrica podrá operarlas como una planta eléctrica virtual distribuida (de almacenamiento de energía). Por ejemplo, un grupo de 80 CES de 25-kW en un alimentador de tipo domiciliar proporciona la capacidad equivalente a la de una planta de 2-MW. Sin embargo, un grupo CES es capaz de brindar una solución más adaptable. No sólo puede aligerar las sobrecargas en los alimentadores ramales, sino que también brinda mayor protección contra apagones. Además, debido a que las capacidades de gestión y comunicación de los dispositivos CES se extiendan hasta los circuitos de los clientes particulares, las compañías eléctricas cuentan con un control sin precedentes. Comunicación por radio (típicamente) Unidad CES Transformador Montado en Pedestal Controlador DEM de la Subestación Al utilizar un controlador DEM en una subestación u oficina central para hacer funcionar el grupo CES, las compañías eléctricas cuentan con capacidades de monitoreo y gestión nunca antes vistas... hasta llegar al nivel de los circuitos individuales. 4 Sistemas Comunitarios para Almacenamiento de Energía

5 El CES Integra y Amortigua las Fuentes de Energía Renovables Como resultado de la intermitencia y a otros factores, puede resultar todo un reto integrar las fuentes de energía renovable, tales como la energía solar y la eólica, a la red eléctrica. Debido a que las unidades CES están ubicadas en proximidad a los hogares de los usuarios, éstas son capaces de amortiguar las fuentes renovables de los usuarios de una manera más eficiente y económica. Dichas fuentes incluyen los pequeños aerogeneradores y los paneles fotovoltaicos (PF). El grupo CES no sólo es capaz de lograr una integración perfecta de las fuentes renovables comunitarias en la red eléctrica, sino que puede distribuir la energía almacenada según sea necesario, reduciendo así la demanda de las cargas picos de la red eléctrica. Debido a que la instalación de PFs es cada vez más común, cada vez hay más energía solar disponible para ser utilizada. El CES puede resolver los problemas de control de la distribución que de lo contrario supondrían un límite con respecto a la capacidad de las compañías eléctricas para utilizar dicha energía. Cuando la energía generada por los clientes supera la demanda, dicha energía solar se puede regresar a los sistemas CES para luego ser distribuida y así cumplir con las demandas pico. Por ejemplo, debido a que las cargas pico de los clientes suelen tener un retraso de varias horas con respecto a los picos de producción solar, el CES puede almacenar dicha energía para que se utilice en las noches cuando la demanda aumenta. El CES Mejora la Calidad de la Energía para Mejorar la Confiabilidad y Estabilidad de la Red Eléctrica Los sistemas de distribución son más susceptibles a los problemas en la calidad de la energía, como por ejemplo, las fluctuaciones en el nivel de tensión y los cortes de energía prolongados. Los problemas en la calidad de la energía no sólo afectan el servicio a los clientes y dañan los equipos electrónicos sensibles, sino que también degradan los equipos de distribución y disminuyen el grado de estabilidad de la red eléctrica. Con el fin de mejorar la calidad de la energía, las compañías eléctricas requieren sistemas que proporcionen control de respuesta rápida para la energía real y la tensión/ energía reactiva (VAR). La necesidad de administrar las cargas que cambian rápidamente y la intermitencia de las fuentes renovables hace que dichos elementos sean aún más críticos. Las unidades CES pueden lograr que la red eléctrica sea más confiable y eficiente al habilitar el control de tensión distribuida en el punto de las cargas de los clientes. Proporcionan un control de tensión local eficaz en puntos múltiples a lo largo del alimentador, reduciendo las pérdidas de electricidad al aumentar la eficiencia de las líneas una más de las metas de la red eléctrica inteligente. Las unidades CES amortiguan las fluctuaciones, disminuciones, y aumentos de tensión al igual que otras perturbaciones que se presentan en el sistema de distribución y en la generación de energía renovable. Por ejemplo, en la medida que más clientes instalan más paneles FV en sus azoteas, las nubes que pasen tendrán un mayor impacto en los niveles de tensión local, provocando disminuciones repentinas en la producción de energía y tensión. Para contrarrestar este problema, el CES es capaz de absorber o liberar rápidamente la energía para amortiguar la producción de energía y ayudar a mantener niveles de tensión adecuados. Debido a que las unidades CES responden con rapidez a las perturbaciones locales al igual que a las que se presentan en puntos distantes del sistema, la implementación de CES a gran escala puede mejorar la estabilidad de la red eléctrica. Por ejemplo, cuando la frecuencia de potencia de la red disminuye, las compañías eléctricas pueden administrar la demanda sin interrumpir el suministro al conectar una cantidad considerable de la carga regional a dichas unidades de almacenamiento distribuido. Cuando las unidades CES son controladas por un sistema DEM, éstas son capaces de proporcionar control de VAR perfectamente ajustado al actuar como dispositivo de corrección del factor de potencia próximo a las cargas de los clientes. Una sola unidad Ces puede producir o consumir hasta 25 kvars, mismos que las compañías eléctricas pueden utilizar para controlar el factor de potencia en la medida que las condiciones cambian en un alimentador. Los capacitores de línea no permiten realizar ajustes incrementales de compensación de VAR; un banco de 600-kVAR se enciende o se apaga. Con el CES, las compañías eléctricas pueden ajustar la compensación de VAR según sea necesario, haciendo Sistemas Comunitarios para Almacenamiento de Energía 5

6 correcciones continuas e incrementales en el flujo de la energía reactiva. Durante los periodos de carga ligera, los sistemas de cables pueden llevar a provocar altas tensiones debido a la reactancia capacitiva de los cables. En las zonas con grandes cantidades de cables subterráneos, las unidades CES pueden reducir las altas tensiones al agotar los VARs. El CES Proporciona un Remedio para los Equipos Mediante la Neutralización de Picos Un grupo CES de grandes dimensiones controlado por DEM puede funcionar como una planta de almacenamiento de energía distribuida, proporcionando un remedio para los equipos al distribuir la energía almacenada para cumplir con las demandas de carga pico. La capacidad de la planta CES se puede aumentar en incrementos de 25-kW, lo cual supone una ventaja significativa para las compañías eléctricas. Por ejemplo, en vez de comprometerse a agregar una planta de energía de 50-MW, una compañía eléctrica puede agregar y agrandar los grupos de unidades CES según sea necesario para cumplir con las crecientes demandas pico locales. Además, los grupos CES responden a las limitaciones de capacidad de una manera altamente flexible, enfrentando las necesidades a nivel de alimentador, transformador y sistema. Al distribuir estratégicamente la energía almacenada, los sistemas CES reducen la necesidad de generar electricidad a partir de fuentes emisoras de carbono, reduciendo así los costos y emisiones de gases de efecto invernadero. Los grupos CES nivelan las cargas al neutralizar los picos (distribuyendo la energía almacenada de regreso a la red eléctrica para cumplir con la alta demanda) e implementar la gestión de carga (almacenando la energía de la red cuando la demanda es baja) en respuesta a las condiciones cambiantes de la subestación y de la red eléctrica. Gracias a sus capacidades de neutralización de picos, los grupos CES son capaces de proporcionar una gestión eficaz de la demanda. Los grupos CES también pueden ayudar a reducir la tensión que las sobrecargas ejercen en los equipos de la red de distribución durante los periodos de demanda pico. En la medida que las cargas de los VEE aumentan con el tiempo, los patrones de demanda serán más impredecibles y difíciles de controlar, inclusive si la mayor parte de la carga ocurre en la noche. Cuando un número inusualmente alto de cargas de VEE se presenta simultáneamente en la misma zona, los transformadores de distribución se puede llegar a sobrecargar. En dicho caso, los grupos CES pueden intervenir con rapidez para proporcionar servicios de gestión de demanda. la red eléctrica según se necesite. El CES también responderá más rápidamente a las fluctuaciones del suministro y demanda, garantizado un mayor grado de estabilidad en la red eléctrica. Las Compañías Eléctricas Pueden Diferir los Gastos Importantes de Capital Gracias al CES Al implementar grupos CES, las compañías eléctricas pueden posponer las costosas y tardadas actualizaciones a la subestación y al sistema de distribución. En muchos de los casos, los problemas de capacidad son tratados con actualizaciones incrementales... hasta que llega a ser necesario implementar mejoras considerables a las instalaciones, lo cual implica grandes erogaciones de capital. Debido a que se pueden instalar unas cuantas unidades CES a la vez, éstas son ideales para proyectos montados que miden el crecimiento de la carga, logrando así diferir los gastos en periodos de varios años. Las compañías eléctricas también pueden incluir los sistemas CES en sus programas normales de actualización principal. Se están fijando precios competitivos rápidamente para las unidades CES en comparación a los equipos de generación complementarios. Las cuadrillas de trabajadores de las compañías eléctricas pueden instalar y echar a andar las unidades CES con rapidez casi en cualquier parte, esto sin implicar requisitos de mantenimiento significativos ni declaraciones de impacto ambiental. Además, obtener permisos para generadores pico y unidades de almacenamiento masivo puede llegar a ser un proceso más largo y tedioso que en el caso de las unidades CES. Almacenamiento Comunitario de Energía en el Trabajo El potencial del CES está siendo reconocido en gran medida. Las principales compañías eléctricas y proveedores de almacenamiento de energía están acelerando la implementación del CES con el objetivo de crear una red eléctrica más inteligente y dinámica. Los proyectos de demostración de CES a gran escala y a pequeña escala están siendo financiados parcialmente por la DOE. El CES Puede Proporcionar Servicios Auxiliares para la Red Eléctrica Las compañías eléctricas que implementen grupos CES podrán utilizarlos eventualmente como reserva rodante, regulación de frecuencia y otros servicios auxiliares. Los sistemas CES serán capaces de ayudar a cumplir con los requisitos de generación... sin tener que agregar elementos nuevos de generación central. Por ejemplo, la reserva rodante es crítica para la operación segura del sistema eléctrico. En vez de recurrir a la costosa generación central, el CES regresará la energía almacenada proveniente de fuentes renovables y fuentes de otros tipos a 6 Sistemas Comunitarios para Almacenamiento de Energía

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8 S&C Electric Company Enero 16, 2012 sandc.com USA: UK: T97S