Instituto Tecnológico de Canarias

Transcripción

1 Integración en red: Soluciones para altas penetraciones eólicas en sistemas insulares Las Palmas de Gran Canaria, 8 y 9 de Noviembre de 2010 Instituto Tecnológico de Canarias Microrredes con elevada penetración de Energías Renovables y Almacenamiento Energético Gonzalo Piernavieja Izquierdo Director División I+D

2 GENERACIÓN DISTRIBUIDA Directiva 96/92/CE (Cambio en el sector eléctrico) Separación de actividades (transporte, generación, distribución ) Este marco da lugar a un nuevo paradigma: LA GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD PASA DE CONCENTRARSE EN GRANDES INSTALACIONES CENTRALIZADAS A INTEGRARSE DE FORMA DISTRIBUIDA EN LA RED ELÉCTRICA RETO TECNOLOGICO, NECESIDAD de I+D

3 GENERACIÓN DISTRIBUIDA Desarrollo presente y futuro previsto de la penetración de la energía eólica comparado con la capacidad del sistema Power (MW) Eólica FV Power (MW) Eólica FV LA PALMA EL HIERRO 13,3 89,3 6,5% 2,6% 2,1 % 0,2 % Power (MW) Eólica FV LA GOMERA 23,1 1,5 % 0.03 % Power (MW) Eólica FV TENERIFE 970 3,8% 8,8% GRAN CANARIA Power (MW) Eólica FV 981 8,1% 2,5 % FUERTEVENTURA Power (MW) Eólica FV Power (MW) Eólica FV LANZAROTE 219,7 5,9 % 2,8 % 200,9 4,4 % 1,9 %

4 GENERACIÓN DISTRIBUIDA PROBLEMA: Efectos no deseados en la calidad de la energía, en la seguridad de los equipos y las personas y en la protección del sistema eléctrico. DIFICULTAD EN LA OPERACIÓN DE LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS, QUE SE INCREMENTA NOTABLEMENTE EN SISTEMAS AISLADOS (CANARIAS) SOLUCIÓN Gestión inteligente de la generación, almacenamiento y de la demanda Herramientas: Gestión de la demanda Modelos avanzados de predicción meteorológica Almacenamiento de la energía TIC Electrónica de Potencia

5 GENERACIÓN DISTRIBUIDA Hacia un nuevo concepto de Red: SMARTGRIDS Los elementos claves: Microrredes Redes inteligentes Interconexiones para crear una superred. En este escenario las microrredes distribuyen electricidad en función de la demanda local, a redes inteligentes equilibrando la demanda en una región, y superredes operando para transportar grandes cantidades de energía entre zonas. Los tres tipos de sistemas se complementan e interconectan entre sí.

6 CONCEPTO DE MICRORRED 1/2 Microrred eléctrica CERTS Agregación de cargas y microgeneradores que opera como un sistema único proveyendo energía eléctrica y térmica. Microrred eléctrica/térmica Sistema eléctrico de pequeño tamaño conectado a un sistema eléctrico mayor que funciona de forma independiente: Fuentes de Generación/almacenamiento eléctrico/térmico cercanos a las cargas. Control para la gestión de la energía que en ella se produce. Puede funcionar de forma aislada. «RED DE DISTRIBUCIÓN ACTIVA»

7 CONCEPTO DE MICRORRED 2/2 «RED DE DISTRIBUCIÓN ACTIVA» Porción de la Red de Distribución que integra fuentes de generación a la red adquiriendo un alto grado de control mediante: Los inversores y generadores aportan regulación primaria. Controlador principal de la microrred envía consignas a los generadores para recuperar la frecuencia y el reparto de la carga (regulación secundaria) No se especifica si la conexión es en BT o MT No se fijan límites de potencia RED DE TRANSPORTE G G AT GD Alm C Generador Distribuido Almacenamiento Carga Interruptor MICRORRED GD Alm C C Diferencias principales entre una Microrred y Planta Convencional: Las plantas generadoras son mucho más pequeñas. La energía generada a tensión de distribución puede ser inyectada directamente en la red de distribución de la compañía eléctrica. Los microgeneradores se instalan cerca de los puntos de consumo así que las cargas (eléctricas/térmicas) se alimentan eficientemente a tensión y frecuencia satisfactoria y mínimas pérdidas en las líneas. RED DE DISTRIBUCIÓN µred C BT GD µred BT µred µred GD C C GD µred C C BT MT

8 COMPONENTES DE LA MICRORRED 1. GENERACIÓN Renovables ó No-renovables en función del recurso energético Controlables o Intermitentes (modo de operación) Recurso Energético Primario Interfaz basado en electrónica de potencia 2. ALMACENAMIENTO Eléctrico Térmico 3. CARGAS Eléctricas Térmicas Calidad de suministro (cargas críticas, procesos industriales) Controlables o no 4.INTERRUPTOR Punto de Interconexión con la red eléctrica 5.PROTECCIONES Transiciones Conectado-Aislado-Conectado (detección de condición de isla) Potencias de cortocircuito para detección de faltas 6.SISTEMA DE CONTROL Sistema de Control Central de la microrred Controladores locales (generadores controlados, cargas) Comunicaciones (Operador de Distribución, locales) Distribución de la lógica de control (control primario, regulación secundaria, servicios auxiliares)

9 SERVICIOS AUXILIARES Control de Tensión (Q) Control de Frecuencia (P) / Estabilidad de red (almacenamiento) Seguimiento de carga (load following) Alisamiento de picos de consumo Suministro de back-up Compensación de armónicos Transiciones suaves modo conectado-modo aislado Reserva rodante (spinning reserve) Reserva suplementaria

10 BENEFICIOS DE LAS MICRORREDES Eficiencia Energética (elementos de generación y almacenamiento eléctrico y térmico). Favorecida por la legislación (CHPs, Régimen especial) ->85% en cogeneración y 90% en tri-generación. Reducción de Gases de Efecto Invernadero. Incremento de la utilización de energías renovables (se controla las agregaciones de diferentes fuentes y sistemas de almacenamiento) Reducción del coste energético (participación en una planta de generación virtual VPP) Incremento de la seguridad de suministro y participación en los servicios auxiliares (diferentes grados de calidad de suministro, control de frecuencia, control de tensión) Minimización de las pérdidas eléctricas (cercanía de los puntos de consumo)

11 EJEMPLO DE CONFIGURACIÓN DE UNA MICRORRED Red Eléctrica Principal Microrred Controlador Local Interruptor Protección Islanding Reconexión Monitorización EP CL EP CL EP CL 20 kv 0,4 kv CL Interruptor estático CC Bus Comunicaciones CL EP CL Controlador Local Generador Cumplimiento normativa interconexión Regulación de Tensión Estabilidad (frecuencia) Consigna de Generación Característica P-f y Q-V Monitorización Controlador Central Optimización de costes de operación, de emisiones CO2, de generación Regulación secundaria/terciaria Servicios Auxiliares Interfaz con operador red de distribución y operador de mercado. Monitorización EP CL CL Controlador Cargas

12 V2G EN MICRORREDES ELÉCTRICAS Fuente: Tecnalia

13 NORMATIVA APLICABLE IEEE 1547 Series Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems Afecta a: MICRORREDES Interconexión eléctrica de recursos de GD Interconexión eléctrica de microrredes Monitorización y control de recursos de GD etc IEC Communications systems for Distributed Energy Resources Afecta a: Monitorización y control de recursos de GD IEC for power system monitoring, control & associated communications for telecontrol, teleprotection IEC /TASE.2 Inter-Control Center Communications Protocol

14 NORMATIVA APLICABLE INTERCONEXIÓN ELÉCTRICA En España a partir de la Ley 54/1997 del Sector Eléctrico se han desarrollado una serie de RDs define el Régimen Especial. Posteriormente sustituida por la Ley 17/2007 RD 1663/2000 sobre conexión de instalaciones PV a la red de BT VDE Automatic disconnection device between a generator and the public lowvoltage grid (Norma alemana de interconexión de inversores PV a red) RD 436/2004 (régimen jurídico y económico de la actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial) RD 661/2007 (regula la actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial) -> Cogeneración EN (Requirements for the connection of micro-generators in parallel with public low-voltage distribution networks) -> Cogeneración Borrador de Real Decreto de Acceso y Conexión a la red eléctrica de instalaciones de producción de energía eléctrica de régimen especial (2009)

15 EJEMPLOS DE MICRORREDES Microrred de Hachinohe, Japón (NEDO, Mitsubishi) Conectada a la red eléctrica Puede funcionar en aislado El suministro de energía eléctrica y calor se produce solamente con energía renovable. Optimización de la gestión de la energía controlando la producción de la generación y almacenamiento. El objetivo del control es minimizar los costos de operación y las emisiones de CO2, manteniendo constante el flujo de potencia en el punto común de conexión PCC

16 EJEMPLOS DE MICRORREDES Microrred de SENDAI, Japón (NTT) DVR (restauradores dinámicos de tensión) para compensación de huecos de tensión a ciertas cargas 50 kwp FV, 2 turbinas de Gas (700 kw) y una pila MCFC (250 kw), UPS

17 EJEMPLOS DE MICRORREDES Microrred de Bronsbergen, Holanda 210 viviendas (108 con FV en cubierta, 315 kwp) Conectada a la red de Media Tensión Prototipo donde el control garantiza la calidad de la energía y asegura el suministro Puede funcionar en aislado

18 ACTIVIDAD DEL ITC EN MICRORREDES Microrred de Pozo Izquierdo

19 ACTIVIDAD DEL ITC EN MICRORREDES Laboratorio GD Fotovoltaica: 27 kwp Eólica: 7,5 kw Cargas resistivas y reactivas programables Sistemas de Almacenamiento (300 kwh) Electrolizador 70 kw Pilas de combustible 6 x 5 kw Simulador de red 125 kva Equipos de medida

20 ACTIVIDAD DEL ITC EN MICRORREDES Diseño de algoritmos de control distribuido en microrredes eléctricas conectadas a la red convencional. Desarrollo de interfaces de Electrónica de Potencia utilizando nuevas topologías que permitan optimizar la gestión de la generación, las cargas y los sistemas de almacenamiento. Desarrollo de interruptores estáticos basados en EP para interconexión de microrredes. Históricos Datos RT Predicciones Precio Energía Órdenes Op.Dist Disponibilidad Equipos Señales mercado eléctrico Estado al operador distrib Consignas operación

21 LINEAS DEL ITC EN MICRORREDES PREDICCIÓN DE GENERACIÓN NO GESTIONABLE (Meteorología energética) NWP (Numerical Weather Prediction): Modelos MM5/WRF y post procesado con técnicas Inteligencia Artificial. Proyecto desarrollado con REE para la predicción de la producción energética de las plantas fotovoltaicas conectadas a los sistemas eléctricos canarios PREDICCION DE ENERGIA HORARIA ENERGIA HORARIA MEDIDA 2500 EAC (kwh) HORAS

22 LINEAS DEL ITC EN MICRORREDES PREDICCIÓN DE GENERACIÓN NO GESTIONABLE (Meteorología energética) Procesado de imágenes MSG Resolución temporal : 5 min Resolución espacial: 1,2 km Se predice el movimiento de las nubes combinando con las salidas de NWP. Se estima la radiación solar que llega a la superficie terrestre (hasta 6 horas)

23 CENTRAL HIDROEÓLICA DE EL HIERRO

24 CENTRAL HIDROEÓLICA DE EL HIERRO Parque Eólico Subestación Hidroeléctrica Estación de bombeo Depósito superior Depósito inferior 11,5 MW 11,3 MW 6 MW m m 3 Nuevos grupos Diesel 0 Penetración de EERR 80%

25 CENTRAL HIDROEÓLICA DE EL HIERRO

26 PROPUESTA DE PROYECTO: MICRORRED LA GRACIOSA En colaboración con ENDESA y Cabildo de Lanzarote 650 habitantes Punta: 0.7 MW Demanda: 2 GWh/año Microrred con elevada penetración de EERR, almacenamiento energético, desalación y flota de vehículos eléctricos.

27 CONCLUSION Teniendo en cuenta las restricciones técnicas impuestas por la creciente necesidad de la generación distribuida y una mayor exigencia en la calidad del suministro, el concepto de microrred se presenta como una solución potencial al problema de la alta penetración de renovables en las redes convencionales. Hay todavía un importante trabajo en I+D por delante: estudios teóricos, simulaciones, pruebas en laboratorio y proyectos piloto. Se están realizando grandes esfuerzos para desarrollar normativa y legislación específica para la operación de las microrredes.

28 Integración en red: Soluciones para altas penetraciones eólicas en sistemas insulares Las Palmas de Gran Canaria, 8 y 9 de Noviembre de 2010 MUCHAS GRACIAS! Gonzalo Piernavieja gpiernavieja@itccanarias.org