TECNOLOGÍAS INNOVADORAS EN REDES INTELIGENTES-SMART GRIDS” Parte 1

1. TECNOLOGÍAS INNOVADORAS EN REDES INTELIGENTES-SMART GRIDS” Parte 1 Renato Céspedes RCONSULTING GROUP rcespedes@ieee.org TALLER SMARTGRIDS XIII Jornadas de Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional. Quito Nov. 26, 2010

2. August 14, 2003 Blackout 0 Angulos de Fase Divergieron Antes del Apagón -10 -20 Normal Phase Angle is approx. -25º -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 Relative Phase Angle -100 -110 -120 -130 -140 Cleveland West Michigan -150 -160 -170 15:05:00 15:32:00 15:44:00 15:51:00 16:05:00 16:06:01 16:09:05 16:10:38 Time (EDT) El “blackout del 2003

3. Temario Parte 1 • Reflexiones Iniciales • Porque Volvernos “Smart”? • Tendencias • Microredes • Problemas del sistema eléctrico • Conceptos y Definiciones de Redes Inteligentes • Herramientas • Arquitectura • Componentes de las Smart Grids

4. REFLEXIONES INICIALES

5. Para crear algo debemos pensar en forma diferente: “Si yo hubiera escuchado a mis clientes hubiera inventado un caballo más rápido – Henry Ford”

6. Señales de cambio en el sector..

7. Porque Volvernos “Smart”?

8. Porque Necesitamos volvernos mas “inteligentes” • El sistema eléctrico tradicional tiene más de 100 años. • Nos ha dado buenos servicios con problemas esporádicos – blackouts. • El monto de energía que un pais utiliza es en solo en pequeña proporcion en forma de electricidad, esto cambiará rápidamente en el futuro. • La eficiencia del sistema eléctrico convirtiendo las formas tradicionales de energía (hidro, carbon, gas y en menor proporción eólica) es bajá -> CO2 • Uso de nuevas tecnologías para acometer los grandes retos del sistema eléctrico futuro

9. Uso de la Energía caso Colombiano

10. El sistema Eléctrico convencional como “conversor”de energía

11. Impacto de las empresas eléctricas en USA en las emisiones de carbono U.S. CO2 Emissions Source: KEMA research and analysis; U.S. Utilities: The Implications of Carbon Legislation, Bernstein Research, October 2007, Scoping Plan, California Air Resources Board, Insights from Modeling Analyses of the Lieberman-Warner Climate Security Act (S. 2191) Pew Center for Global Climate Change

12. El Portafolio de Generación Renovable (Renewable Portfolio Standards –RPS) tendrá un importante impacto sobre “Smart Grids” Estado del RPS (Agosto 2008) Mayor progreso en esta área se espera luego del problema del derrame de crudo en 2010 Meta RPS Menor a 10% De 10 a 20% Mayor a 20% Note: MO, ND, SD, UT, and VA are State Goals, rather than RPS Source: Database of State Incentives for Renewables & Efficiency, www.dsireusa.org

13. Impacto de Renovables • Europa tiene el plan 20-20-20 • 20%mas eficiencia • 20% reducción GHG (Green House Gas) • 20% renovables • Para el 2020 • Países como Alemania (20GW), España (15GW).. han invertido en renovables la mayoría eólica • El impacto de renovables esta siendo evaluado en cuanto a su impacto en control de frecuencia, soporte de potencia reactiva, despacho… • Se requiere de mejores herramientas de predicción • Herramientas tradicionales de análisis ya ofrecen módulos para el análisis de este tipo de generación

14. Eficiencia de la Energía • Energía sostenible: requiere cambios en la forma en que utilizamos la energía, reduciendo el monto de energía que necesitamos. • “Cualquier enfoque serio hacia una economía basada en energía sostenible requiere un compromiso hacia fuentes renovables y eficiencia”. • De acuerdo con el United Nations Environment Programme –UNEP- inversiones a nivel mundial en energía sostenible fueron: • US$148 billiones en 2007, incremento del 60% sobre lo invertido en el 2006.

15. Eficiencia

16. Unidad de ahorro de energia: 1 Rosenfeld

17. Gestion de la Demanda (I) • Cambiar los hábitos de consumo de forma que se aplane la curva de carga • Requerimos el doble de capacidad para menos del 10% del tiempo • Beneficios de reducción de capacidad instalada, reducción de reserva de generación • Consumir con eficiencia, electrodomésticos eficientes, energy star

18. Gestion de la Demanda (III) • Cual es el beneficio de disminuir 1% de la curva de carga pico en Colombia??

19. Monitoreo del Consumo • Como va a ser el portal del usuario? • Que elementos tendrá para el manejo bidireccional de energía? • Que tan eficaz será en incentivar la participación del usuario final?

20. Eficiencia en el consumo = Cambio en el negocio • EJEMPLO KILL-A-WATT • Assess how efficient appliances are. • Count consumption by the KWh • Calculate electrical expenses by the day, week, month, year. • Checks quality of power monitoring Voltage, Line Frequency, and Power Factor. • VA 0.2% Accuracy • Advertisement: “Empowers you to save $100's on electric bills!” http://www.p3international.com/products/special

21. Una visión de futuro… • 4 billones de dólares aprobados en el 2009 Fuente: GE seminar on smartgrids

22. Una realidad Proyectos de inversión Smart Grids, apoyo ARRA (SGIG) Proyectos de demostración Smart Grids, apoyo ARRA (SGDP) Otros proyectos

23. TENDENCIAS

24. Energía Eólica:Una realidad! • Fuente GWEC.net • Además del valor total 160,000Mw en 2009 es importante su tasa de crecimiento de +40 GW en ultimo año

25. Energía Solar Source EPIA • Potencial no tan desarrollado pero con crecimiento acelerado

26. Ejemplo: Estación Lerther-Alemania • 1440 modulos • Área 3311 m2 • 274.000 KWh año

27. Ejemplo: Desierto de Mojave • En operación 9 Plantas con capacidad 354 MW • Proyecto adicional • 553 MW • 1.2 Millones de espejos • Fecha terminación 2011

28. Problemas asociados • Alta Variabilidad viento tanto en proporción como en tasa de cambio! • Mismo problema por la alta variabilidad de la energía solar. • Soluciones: Almacenamiento de energía + control de carga del consumo MW en Texas

29. MICROREDES

30. MICROREDES • El sistema tendrá miles de microislas • Las microredes tendrán su propia generación (AC-DC) • Las microredes se pueden desconectar basadas en condición de red o tarifa. Reconexión por decisión del consumidor • Transición de generación a carga en forma dinámica • Se requiere automatismos para gestionar este tipo de red • Necesidad de coordinación central

31. Impacto del Modelo • Flujos Bi-direccionales • Sistemas de distribución en USA y en la mayor parte de Latinoamérica se diseñan radiales • Una buena parte de los sistemas de distribución no son trifásicos • El flujo bi-direccional combinado con redes malladas va a impactar la planificación, protección y operación de la distribución • En Europa las redes de media tensión (20 – 25 kV) es subterránea y también mallada • Una mas alta confiabilidad se espera de estas mejoras pero quien pagará este desarrollo?

32. Almacenamiento de Energía: Dependencia de la variable tiempo • El análisis de los sistemas de potencia es fundamentalmente dedicado al estado estacionario: “fotografía instantánea” basada en potencia. • El almacenamiento de energía tiene implícita la dependencia del tiempo: un nodo puede inyectar o extractar energía dependiendo del tiempo y las condiciones operativas • Decisiones en un momento en particular dependen del tiempo: similar a un problema de despacho • El almacenamiento de energía puede tener respuesta variable (pocos segundos a varias horas tales como bombeo, baterías de PHEV, etc.)

33. Chevy Volt Toyota Prius Ford Escape El impacto potencial de los vehículos eléctricos (Plug-in Hybrid Electric Vehicles) es importante • Impacto de los PHEV • El impacto estimado en la red de U.S. es importante: • 1.5 kW (prom.) X 256M vehiculos = 384 GWs • Potencia actual en la red = 986 GWs • Los vehículos pueden proporcionar un almacenamiento de energía siempre y cuendo se tenga planes de tarifas adecuados: reserva rodante • Cargas “móviles” para cobrar al usuario final independientemente de donde se conecte • Empresas importantes tales como Google están invirtiendo en projects demostrativos de PHEV La participación del consumidor y los precios de combustibles determinarán en gran medida cuan rápido penetrarán los PHEVs las redes tipo smart grid Source: KEMA Research, Energy Information Administration, US Dept. of Transportation

34. Componentes de las micro-areas Fuente IEEE

35. Concepto de Micro-areas Fuente IEEE

36. Incorporacion de micro-areas Fuente IEEE

37. Transformación de sistemas de Potencia a sistemas de Energía

38. Problemas del Sistemas Eléctrico

39. El Problema Operativo a Gran Escala: Blackouts

40. Colombia Italia Dinamarca y Suecia El Problema Operativo a Gran Escala: Blackouts Brasil Irán Severidad (Sistema – minuto) Norteamérica Londres Población Afectada (%)

41. ¿De Dónde Provienen los Problemas?

42. Causas de Fallas “Iceberg de Calidad del Servicio” Fallas Fallas Momentaneas Sags, Swells, Spikes, Harmonicos

43. Confiabilidad y Calidad del ServicioEjemplo Fallas por Frecuencia

44. Fallas por duración

45. Las redes eléctricas en USA no han seguido los avances tecnológicos • Una mejora de la confiabilidad es una preocupación importante, en vista del impacto de “blackouts” recientes • Los sistemas de control son antiguos, con capacidad limitada de automatización y de visualizar “toda la red” • Poca información sobre las condiciones de los equipos de potencia limitando la inteligencia aplicable a la gestión de activos Source: KEMA research, Roger N. Anderson – Columbia University

46. La infraestructura eléctrica en USA envejece rápidamente y requiere de remplazos y más mantenimiento Varios estudios indican que la tasa de falla asociadas con nuevos transformadores incremento de 1 a 3%; esta tasa es mayor para equipo antiguo. • Promedio edad transformadores 30+ años • Promedio edad disyuntores 35+ años • La mayor construcción viene de los años 70 Source: KEMA research and analysis; “Implementing New Technology in an Aged Infrastructure: Case Study of Incremental Automation”, Willard, S., Transmission & Distribution Construction, Operation and Live-Line Maintenance, 2006. ESMO 2006. IEEE 11th International Conference

47. Conceptos y Definiciones de Redes Inteligentes

48. El departamento de Energía de USA, propuso una de las primeras definiciones relacionadas con “Smart Grids” • Una smart grid aplica tecnologías, herramientas y técnicas disponibles para llevar conocimientos a los sistemas eléctricos de forma que las redes eléctricas funcionen de una manera más eficiente… • Llevar la confiabilidad a niveles nunca antes alcanzados • Manteniendo su balance económico • Incorporando plenamente fuentes renovables y tradicionales de energía. • Potencialmente reduciendo las emisiones de carbono • Introduciendo avances tecnológicos que aún estamos por materializar http://www.oe.energy.gov/smartgrid.htm 48

49. “Una red inteligente genera y distribuye electricidad de una forma mas efectiva, económica, segura y en forma sostenible Una entidad considera la Smart Grid un medio para un futuro más sostenible incorporando tecnologías, productos y servicios, de generación, transmisión y distribución hasta los equipos del consumidor final utilizando tecnologías avanzadas de sensores, comunicaciones y tecnologías de control.” • Caracterizada por: • Flujos bidireccionales • Participación activa del consumidor • basada en información • Similar a ‘Internet-like’ • Utiliza: • Fuentes renovables de generación • Micro-generación y CHP • Sistemas avanzados de IT • Almacenamiento de energía • Integración de transporte híbrido 49 Source: The Energy Policy Initiatives Center, University of San Diego School of Law

50. Un motivador clave para el desarrollo de Smart Grids es el U.S. Energy Information and Security Act de 2007 EISA 2007: Title XIII - Smart Grid • Mayor uso de tecnología digital para aumentar la confiabilidad, seguridad y eficiencia • Optimización dinámica de las operaciones de la red y de sus recursos • Uso de recursos y generación distribuida (incluyendo renovables) • Uso de la gestión de la demanda y de energía - eficiencia • Diseminación de tecnologías tipo ‘‘smart’’para: • Medición • Comunicaciones y condiciones de la red • Automatización de la Distribución • Uso de almacenamiento avanzado de electricidad y tecnología para aplanar la curva de carga, incluyendo: • Vehículos eléctricos híbridos • Almacenamiento térmico para aire acondicionado • Reporte oportuno y opciones de control al consumidor • Definición de estándares de comunicación e interoperabilidad de equipos a ser conectados a la red • Reducir o eliminar barreras relacionadas con tecnologías, prácticas y servicios de las Smart Grids