Sección Ingeniería Nuclear Rubén F. Flores García México, D.F. Octubre 31, 2012 Academia Mexicana de Ingeniería El impacto de la incorporación de Fuentes de Energía Variable en la Operación de Sistema Eléctricos

Desde el inicio de la civilización el hombre ha transformado la naturaleza e impactado las condiciones ecológicas. El uso de los energéticos se ha convertido en una parte fundamental de la actividad humana y es parte de muchos problemas ambientales.

El progreso económico de algunas naciones en el siglo XX, se logró en base a los energéticos baratos de origen fósil, lo que motivó un gran descuido en lo referente a eficiencia y conservación de la energía

Aspects of energy efficiency U.K. U.S.A. West Germany France Japan Developing countries

Se contamina La Tierra El agua El aire Por el área afectada la contaminación puede ser: Local (Rellenos sanitarios, basureros) Regional (Ríos, lluvia ácida) Global (Cambio climático)

Energía reflejada de la tierra Energía reflejada de la atmosfera Atmosfera Calor de retorno a la tierra Radiación de calor Energía solar entrante

Concentración actual Tasa de Incremento Importancia Carbón Dioxide (CO 2 ) 391 ppm 0.6%65% Metano (CH 4 ) 1.65 ppm 1%25% Nitrous oxide (N 2 O) 305ppb0.2% Clorofluoro carbono (CFC) ppt 5%10% Ozono (O 3 ) 35 ppb 1% Importancia de los Gases de Invernadero

Fuentes Antropogénicas de CO 2 Producción de electricidad Transporte Industria Doméstico Otros 41% 22% 20% 7% 10% China y EUA producen el 41% del total ( IEA Outlook 2010)

El cambio climático Los registros muestran un modelo cíclico de la temperatura de entre 10,000 y 20,000 años El efecto invernadero del vapor de agua y CO 2 mantiene una temperatura media de 33 ° C Una molécula típica de H 2 O permanece en la atmósfera una semana En el ciclo del carbón hay procesos en diferentes escalas de tiempo E i Con la atmósfera Con los océanos Con la tierra Sistemas biológicos Procesos geológicos

El cambio climático Se estima que se emiten 750 Gt por año por procesos naturales y 27 Gt al año por procesos antropogénicos. La concentración de CO 2 ha aumentado de 280 ppm (1750) a 390 ppm (2010) con un incremento de 2 ppm/año El protocolo de Kyoto expira a fines de 2012 Ahora solo hay consenso que se requiere disminuir los GEI y los gobiernos solo aceptan metas voluntarias

El objetivo es el de evitar gases que causan el efecto invernadero, al menor costo económico posible, no la promoción de las energías renovables per se. Puede haber casos en que no sean justificados ciertas formas de energías renovables

El panel intergubernamental para el cambio climático de la ONU, concluyó que se requiere de al menos una reducción del 50% de las emisiones de CO 2 para el 2050 tomando como referencia el año 2000 para poder limitar el incremento global de la temperatura entre 2.0 y 2.4 °C y con esto evitar desajustes climáticos catastróficos

Las expectativas de limitar el incremento global de la temperatura en 2 °C se vuelve imposible En el año 2010 las emisiones de CO2 se incrementaron en 5% con respecto al 2008 (30.6 Gt) a pesar del bache económico con lo que se tiene el 80% de lo programado para el 2020 Agencia Internacional de Energía (30 de mayo 2011)

Las reformas del 1 de junio de 2011 a la Ley para el aprovechamiento de Energías Renovables y el Financiamiento de la Transición Energética en sus transitorios establece: SENER fijará como metas Una participación máxima del 65% de los combustibles fósiles en la generación de energía eléctrica para el año 2024 Del 60% para el año 2035 Del 50% para el año 2050

Aspectos Técnicos

o Los generadores cambian su carga de acuerdo a las necesidades del sistema y las órdenes de un despacho centralizado o Las redes(alto grado de envejecimiento) o actúan en forma pasiva de acuerdo a las leyes eléctricas El usuario no tiene conocimiento del costo real de la energía que está consumiendo y recibir de la empresa eléctrica la totalidad de lo que demande en todo momento Generadores Controlables En todo momento debe existir un balance entre la generación y las cargas eléctricas de los usuarios más las pérdidas en la red (alta centralización) El Sistema Eléctrico Tradicional Redes de Transmisión De Distribución Usuarios Industriales y Comerciales Usuarios Domésticos Otros Usuarios

Años Semanas Días Horas Minutos Segundos Milisegundos Temporalidad de la Operación y Planificación de los Sistemas Eléctricos Protecciones Masa inicial del Sistema (hasta 30 segs) (Regulación de frecuencia primaria) Gobernadores de velocidad y control automático de generación (entre 30 seg y 10 mins) (Regulación de frecuencia secundaria) Despacho económico (entre 5 y 15 minutos) (Regulación terciaria) Reservas Operativas Margen de capacidad Predespacho (Unit Commitment) (Programación horaria de Generación, paros y arranques) (diaria y semanal) Planeación de la generación anual, mensual y semanal Expansión de la capacidad

Se conoce como crédito de capacidad a la medida de capacidad firme de una fuente variable que puede ser contabilizada como una contribución confiable a la suma de la capacidad de generación del sistema eléctrico. Es una fracción de su capacidad instalada de (FEV) El crédito de capacidad para las FEV es una función no lineal que depende de: * El nivel de penetración de las FEV * Disponibilidad de la generación convencional * Carga eléctrica * Restricciones de transmisión Consideraciones de Capacidad de las Fuentes de Energía Variable

En el cálculo de los créditos de capacidad mediante modelos estocásticos/probabilísticos se calculan los siguientes índices de CONFIABILIDAD DEL SISTEMA * Loss of load probability (LOLP). La probabilidad anual/estacional de que la demanda pico no pueda ser cubierta con la capacidad de generación disponible no puede cubrirse la demanda. Ejemplo 10% del pico anual o una vez cada 10 años. * Loss of Load Expectation (LOLE) El número de horas por año que con la capacidad de generación disponible. Ej. LOUE menor de 6 hr/año o LOLE igual a 0.11%

Capacidad Firme equivalente (EFC) Es la capacidad de una central con 100% de disponibilidad que tendría el mismo efecto en el índice de confiabilidad seleccionado (LOLP/LOLE) que se obtendría al agregar al sistema una central de disponibilidad limitada Capacidad Efectiva para soportar carga (ELCC) Es la cantidad de carga que se puede agregar al sistema sin cambiar la relación LOLP/LOLE considerando la generación adicional variable Indices para la evaluación del Crédito de la Capacidad de la FEV

Average Load Average Wind Average Solar ) W ( M d a o Hour ) W ( M d a o L Hour L Load (MW)L Load (MW) Hour13Hour Win d & S o l a r ( M W ) Average Load Average Wind Average Solar All Systemwide Daily Load, Wind, and Solar Profiles for July 2003.

La mayoría de los desbalances en condiciones normales se dan por la entrada y salida de cargas los que pueden ser mayores si coinciden con menor o mayor generación de las FEV por lo que se tienen rampas mas frecuentes Dado que la generación de las FEV es most take a las centrales generadoras convencionales se les exige operar bajo condiciones fuera de diseño lo que provoca: Mayores heat rate menor eficiencia Menores ingresos Violación de sus mínimos operativos Problemas adicionales con FEV

Ni la generación fotovoltaica ni la de viento agregan inercia al sistema dado que no tienen masa rodante en el fV y es muy pequeña en la generación eólica lo que implica necesidad de cortes de carga para proteger al sistema en casos de pérdida súbita de generación Simulaciones y estudios indican que solo es posible incorporar hasta un 15% de fuentes de energía variable (FEV) sin cambiar las condiciones de confiabilidad y operación actual, con cantidades mayores se requiere mayor cantidad de reserva firme

Cambio del Paradigma de Servicio Respuesta de la Demanda(Tarifas dinámicas) Reducción de demanda (conservación y ahorro de energía) Cambio de paradigma de transporte Cambio de paradigma de construcción (Normatividad) Mejoras de diseños (generación, distribución super conductores, redes inteligentes)

Requerimientos para una red inteligente Expansión de la infraestructura eléctrica Remplazo de la red envejecida y red adicional (renovables) Consideración de cargas móviles (vehículos eléctricos) Chips en enseres domésticos Medidores inteligentes (AMI) con conexión y desconexión remota Inclusión de tecnología de informática, infraestructura de comunicaciones, uso intensivo de sensores modernos tanto para monitoreo como control en línea y fuera de línea, facilitando tanto la gestión operativa como la administrativa de los procesos Detección automática de fallas Incorporación de nuevas aplicaciones de monitoreo, control y protección que estén armónicamente integrados Un nuevo entorno regulatorio que de señales económicas correctas a todos los participantes Tarifas dinámicas

Visión de Red Inteligente en Estados Unidos Optimiza la utilización de activos y la eficiencia de operación Opera con elasticidad durante disturbios, ataques o desastres naturales Permite que los clientes o consumidores participen estando informados Se aprovechan todas las opciones de generación y almacenamiento Se dan las oportunidades para nuevos servicios, productos y mercados Da un servicio de calidad en el rango de las necesidades Características de una red inteligente Incrementar la seguridad cibernética Mantener una fuerza laboral calificada Avance funcional con nuevas tecnologías Hacer un plan de negocios sólido para las inversiones en una red inteligente Permitir la interacción con otras redes a través del cumplimiento de normas Incrementar la participación de los consumidores en la administración de la demanda Retos para una red inteligente Capacitación del personal Compromiso y participación de los interesados Despliegue y demostraciones de una red inteligente Investigación y desarrollo Normas o estándares Planeación y análisis de interconexiones Actividades clave Seguimiento de avances en la implementación Una red inteligente utiliza tecnología digital para mejorar la confiabilidad, seguridad y eficiencia (tanto económica como energética) del sistema eléctrico desde la gran generación a través de los sistemas de entrega de electricidad a los consumidores con la participación de un número creciente de generación distribuida e instalaciones de almacenamiento

Smart Grid Components Comisión Reguladora de Energía October 2012 Mexico Smart Grid Regulatory Framework Confidential and Proprietary