Desafíos tecnológicos de las energías sustentables

Transcripción

1 Pontificia Universidad Católica de Chile Facultad de Ingeniería Desafíos tecnológicos de las energías sustentables Hugh Rudnick Van De Wyngard 11 de noviembre de 2015

2 Take aways Identificar desafíos tecnológicos: Integración masiva de energías sustentables Retos multisectoriales y comunes a países de Latinoamérica para iniciar discusión sobre oportunidades de desarrollo de negocios en energías renovables. 2

3 IEEE Power & Energy Magazine, Vol. 13, N 4, July/August 2015 Experiencias internacionales A cleaner energy system: renewable energy and electricity market design William W. Hogan An Era of Many Options Future energy planning must take into account unprecedented numbers of options. Randell Johnson The Green Impact How Renewable Sources Are Changing EU Electricity Prices José Pablo Chaves-Ávila, Klaas Würzburg, Tomás Gómez, and Pedro Linares Halfway There Can California Achieve a 50% Renewable Grid? Arne Olson, Amber Mahone, Elaine Hart, Jeremy Hargreaves, Ryan Jones, Nicolai Schlag, Gabriel Kwok, Nancy Ryan, Ren Orans, and Rod Frowd Solar, Solar Everywhere Opportunities and Challenges for Australia s Rooftop PV Systems Bruce Mountain and Paul Szuster It s All About Grids The Importance of Transmission Pricing and Investment Coordination in Integrating Renewables Goran Strbac, Christos Vasilakos Konstantinidis, Rodrigo Moreno, Ioannis Konstantelos, and Dimitrios Papadaskalopoulos Distribution Pricing Are We Ready for the Smart Grid? Furong Li, Jose Wanderley Marangon-Lima, Hugh Rudnick, Luana Medeiros Marangon-Lima, Narayana Prasad Padhy, Gert Brunekreeft, Javier Reneses, and Chongqing Kang 3

4 Desafíos futuros del sector eléctrico Desarrollo de tecnologías de almacenamiento Interacciones Gas-Electricidad Redes inteligentes Prosumidor elige económicamente flexibilizan los entre abastecimiento de la red, sistemas autoabastecimiento, o mixto Penetración creciente renovables Grandes centrales más eficientes & menos emisiones Competencia de recursos distribuidos Nuevos enfoques regulatorios y políticas Oportunidades de respuesta de demanda 4

5 Desafíos futuros del sector eléctrico Amenaza de destrucción del modelo de negocios tradicional de la empresa eléctrica Menor Riesgo necesidad transporte ingresos centrales por alambres generadoras de empresas tradicionales Renovables bajan Nuevos costos marginales productos y (sin combustibles) precios Necesidad nuevos financiamiento renovables Subsidios, créditos impuestos, in-feed tariffs Desafío de adaptar el modelo de negocios y las estructuras de los mercados mayoristas 5

6 Desafíos futuros del sector eléctrico- renovables Acciones comprometidas para frenar el cambio climático Adopción masiva y global de generación renovable La Directiva de Renovables de la Unión Europea compromete que al menos un 20% de la energía consumida provenga de fuentes renovables al Al 2030, Alemania planea generar 50% de su energía eléctrica de fuentes renovables, incluyendo hidroelecricidad. Gobernador de California Governor Jerry Brown define objetivo de 50% de electricidad desde renovables al 2030 para reducir gases efecto invernadero 6

7 Energías sustentables - renovables La energía sustentable (o renovable o sostenible) es aquella que se puede obtener de fuentes naturales prácticamente ilimitadas como el sol, el aire, la lluvia y el agua. Solar Geotérmica Biomasa Hidráulica Eólica Mareomotriz El desarrollo sustentable permite satisfacer las necesidades actuales sin comprometer las posibilidades de las generaciones futuras. 7

8 Creciente aporte de energías renovables ERNC- Chile 8

9 Creciente aporte de energías renovables visión Chile HOJA DE RUTA 23% 19% 29% Al menos 70% de energías renovables en la matriz eléctrica al

10 Creciente aporte de energías renovables -California California Renewable Energy Mix, CPUC Renewable Portfolio Standard 2014Q3 Report 10

11 Creciente aporte de energías renovables -matrices 11

12 Importante aporte energías renovables en América Latina Capacidad y generación por tecnología, Matrices generación en América Latina al 2012 (Luiz Barroso, IRENA, 2015) 12

13 Desafíos futuros del sector eléctrico- solar/eólica Adopción global de energía eólica y solar Ventajas: sin costo Combustible. Tanto tamaño empresa como distribuido (solar) Futuros costos comparables a tecnologías convencionales Crean significantes desafíos operacionales Dramatica reducción de inversión por kw (tasa aprendizaje) Aunque hoy requiriendo subsidios o cuotas o créditos Generación distribuida alterando modelos de negocios Requiriendo significativas expansiones de transmisión ejemplos Reino Unido, Texas, Brasil 13

14 Reducciones dramáticas de costos -solar/eólica Costo Medio por Tecnología. Escenario de costos ERNC Medio, sin considerar pago por Potencia de Suficiencia. Valores [US$/MWh] Caracterización de costos inversión ERNC medio Diesel CA GNL CC GNL CSP Carbón Fotovoltaico 1A Eólico Hidráulico Biomasa Geotermia HidroAysen En línea punteada tecnologías con limitación de potencial de expansión. En línea gruesa tecnologías convencionales. Con marcador, tecnologías renovables Mesa ERNC Energía 2050, Chile 14

15 Reducciones dramáticas de costos -solar/eólica CA GNL CSP CC GNL Carbón Geotermia Hidráulico FV Eólico Biomasa Hidroaysén Mesa ERNC Energía 2050, Chile 15

16 Desafíos de la integración renovable solar/eólica 1 Variabilidad: necesidad de respaldo 2 Incertidumbre de abastecimiento 3 Producción en pocas y limitadas horas Desafíos por salida intempestiva de generación, regulación de frecuencia, reserva en giro, respaldo de energías de base, mayores costos Otros desafíos técnicos eléctricos: regulación de tensión, balances de reactivos, respuesta a contingencias, estabilidad, confiabilidad 16

17 Intermitencia-variablidad Décadas Anual Estacional Días Horas Minutos Solar Eólica Mareomotriz Hidraúlica Biomasa Geotérmica Escalas de tiempo de los ciclos naturales de las energías renovables 17

18 Relación entre la energía generada en un periodo y la máxima energía generable en dicho periodo F. planta Bajos factores de planta Energia Cap. Inst Factor de planta para localidades eólicas Chile Costa Capacity Factor [%] 50% 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 44,8% 34,7% 36,0% 31,8% 30,5% 28,6% 19,4% 17,2% 15,0% Fuente: David Watts, PUC 18

19 Energías solar y eólica no despachable-california Carga, carga neta, generación solar y eólica (días ejemplo 2014) 19

20 Energía eólica no despachable Reino Unido Punta de invierno en el National Grid y necesidad de respaldo el 11 de Diciembre de

21 Desafíos de la integración renovable 1 Variabilidad: necesidad de respaldo 2 Incertidumbre de abastecimiento 3 Producción en pocas y limitadas horas Desafíos en California 2020 demanda neta se reduce en varios miles de MW durante las horas de producción solar Significativa rampa de subida de demanda entre las 17 y 20 hrs: la curva pato 21

22 Desafíos de la integración renovable-curva pato 22

23 Desafíos de la integración renovable-curva pato Strategy to Minimize Downward Violations Strategy to Minimize Upward Violations Unserved Energy Limited Ramping Capability Limited Ramping Capability Renewable Curtailment Botar carga: Valor económico de carga no servida entre US$5.000 y $50.000/MWh Botar generación renovable: Debe reemplazarse por otra renovable para cumplir con objetivo. Valor de US$50-$250/MWh, dependiendo de reemplazo. 23

24 Balance económico en uso de renovables-chile 9,500 9,000 Costo Anual Nominal de Inversión y Operación año 2029 [MMUS] Despacho horario con Restricciones Param. Nacionales (1) 8,500 8,000 Despacho horario con Restricciones Param. Internacionales (2) 7,500 Despacho horario sin Restricciones 7,000 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% Participación Eólica Fotovoltaica [%] Incrementar renovables mientras no surjan costos adicionales significativos Participación en matriz de Generación [%] Año Renovable ERNC ERNC var (EF)

25 Tecnologías para integración renovable Flexibilidad, flexibilidad, flexibilidad 1 Portfolio diverso de renovables 2 Almacenamiento de energía 3 Respuesta avanzada de demanda 4 Coordinación nacional e internacional 25

26 Portfolios de energías renovables - Chile Generación de un parque, un grupo de parques y total nacional Power (MW) Wind Farm Region Days One Week Fuente: David Watts Hours Factor de planta para el país cercano a un 30% (entre un 27% y un 29%). 26 Total

27 Complementariedad de generación eólica-europa 27

28 Complementariedad de generación eólica-europa 28

29 Alternativas tecnologías almacenamiento eléctrico Junio MW 440 MW 304 MW 27 MW 100 MW 70 MW 25 MW 29

30 Reducción costos almacenamiento eléctrico Costo fotovoltaico domiciliario y costo baterías litio Costo baterías entre 300 y 400 US$/kWh 30

31 Almacenamiento hidroeléctrico Lago Laja alimenta Central El Toro 31

32 Balance energías renovables visión Chile HOJA DE RUTA 23% 19% 29% Al menos 70% de energías renovables en la matriz eléctrica al

33 Almacenamiento hidroeléctrico vía bombeo Central de bombeo de 300 MW en el norte de Chile - Valhalla 33

34 Respuesta de la demanda Respuesta a variación de generación Adopción creciente herramientas respuesta demanda Beneficios a consumidores, mercado, seguridad Dificulta procesos expansión redes Respuesta a precios Impacta costos marginales Necesidad de señales de precios horarios a consumidores (real time pricing, critical peak pricing y time of use tariffs) y esquemas de respuesta a incentivos Necesidad de sofisticadas tecnologías de comunicación en telemetría y control remoto (medidores inteligentes) Importantes inversiones 34

35 Respuesta de la demanda U. S. Department of Energy 35

36 Necesidades transmisión eléctrica con holguras Escenario mayor participación ERNC al año 2035 Alta congestión en la interconexión SIC-SING en escenarios de alta participación ERNC variable Mesa ERNC Energía 2050, Chile 36

37 Necesidades transmisión eléctrica con tecnología Transmisión flexible Esquemas FACTS Automatización Phasor measurement Control líneas Control flujos Detección fallas Internet/redes 37

38 Gran potencial complementariedad internacional Matrices generación en América Latina al 2012 (Luiz Barroso, IRENA, 2015) 38

39 Flexibilidad frente a variabilidad Flexibilidad hidroeléctrica balancea variabilidad de corto plazo de ERNCs Plantas hidroeléctricas con embalses son flexibles y los costos de responder a variaciones de corto plazo son menores que otras tecnologías flexibles de generación (ciclos combinados a gas, diesel) Que beneficios implica? Hidros Capturan mayores precios de energía cuando generación ERNC es más baja; aumenta valor de inversiones ERNC Existencia de generación flexible apoya desarrollo de ERNC. Menores costos de compensar la variablidad resultan en menores aumentos de costos de corto plazo, por lo que reducen riesgos de compras en el spot para ERNC Consumidores Menor volatilidad de precios de corto plazo Mayor seguridad de suministro Complementariedad hidroeléctrica y renovables (Luiz Barroso, IRENA, 2015) 39

40 Otros beneficios asociados a hidroelectricidd Diversificación de cartera de plantas no despachables de energía renovable, incluidas centrales hidroeléctricas de pasada, es menos volátil en el corto plazo que el de cada una las plantas individuales Aprovechar complementariedades climáticas, tanto estacionales como los relacionadas con la ocurrencia de El Niño, entre hidroeléctricas y ERNCs Oportunidad de balancear grandes retrasos de construcción de plantas hidroeléctricas con ENRCs modulares, superando desequilibrios coyunturales entre oferta y demanda Necesidad implementar reglas del mercado que valoren las complementariedades y que se internalizan en las señales de precios (incluyendo la contratación de servicios auxiliares) Necesidad de un enfoque sistemático para el diseño de políticas públicas (y acuerdos internacionales) para explorar las complementariedades Complementariedad hidroeléctrica y renovables (Luiz Barroso, IRENA, 2015) 40

41 Desafíos tecnológicos futuros del sector eléctrico Desarrollo de tecnologías de almacenamiento Prosumidor elige económicamente entre abastecimiento de la red, autoabastecimiento, o mixto Redes inteligentes flexibilizan los sistemas Penetración creciente renovables Competencia de recursos distribuidos Oportunidades de respuesta de demanda 41

42 Otros desafíos tecnológicos Energía del mar Oleaje Wave Dragon Pelamis Ocean Water Column PowerBuoy Corrientes de Marea SeaGen Lunar Energy OpenHydro Verdant Power 42

43 Otros desafíos tecnológicos Energía de corrientes del mar Proyecto FONDEF Evaluación de potencial de energía de las corrientes de marea en el Canal del Chacao (Prof. Rodrigo Cienfuegos, PUC) 43

44 Desafíos aceptación social No a Curacautín (minihidro, 3 MW) Junio 2015 No al Tatio (geotérmica, 40 MW) Julio 2010 No a Pichidegua (biomasa, 35 MW) Octubre 2010 No a Chiloé (eólica, 112 MW) Julio

45 Pontificia Universidad Católica de Chile Facultad de Ingeniería Desafíos tecnológicos de las energías sustentables Hugh Rudnick Van De Wyngard 11 de noviembre de 2015