01 070311 SEE Introducción v1.0 Rodilla

ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)

Sistemas de energa elctrica:

INSTITUTO DE INVESTIGACIN TECNOLGICA

Sistemas de energa elctrica:Introduccin

Pablo Rodilla

Maestra en Gestin de la EnergaMadrid, 7 de Marzo de 2011

Sistemas de energa elctricandice del tema Parte 1: Conceptos bsicos Qu es la electricidad? Caractersticas de la electricidad

Parte 2: Evolucin histrica Aspectos tcnicos Aspecto organizativos

2Sistemas de Energa Elctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo 2010

Aspecto organizativos

Parte 3: El impacto medioambiental

PARTE 1: Conceptos bsicos

Objetivos Qu es la electricidad?


Cules son las actividades fundamentales? Generacin, transporte, distribucin (y comercializacin)

Cules son las dos caractersticas bsicas de la electricidad? Implicaciones

Sistemas de energa elctrica: IntroduccinConceptos bsicos (i) Qu es la electricidad? La Energa Elctrica es una forma de energa

Transformada a partir de fuentes primarias de energa Combustibles fsiles Agua Viento


Radiacin solar, etc. La electricidad es verstil y limpia en el lugar de consumo

Presenta mltiples aplicaciones

Sistemas de energa elctrica: IntroduccinConceptos bsicos (ii)Ubicacin del consumo y de la generacin Ubicacin del consumo

El consumo de electricidad se concentra en grandesaglomeraciones de poblacin, zonas muyindustrializadas, etc...

La ubicacin de la generacin de electricidadTiene mltiples condicionantes:


Tiene mltiples condicionantes: Hidroelctrica: Caudal o salto de agua Trmica de combustibles fsiles:

Nacional: minas de carbn, yacimientos de gas... Importacin: cercana de puertos, gasoductos...

Trmica nuclear: Agua de refrigeracin Rechazo social

Sistemas de energa elctrica: IntroduccinConceptos bsicos (iii)Necesidad de transportar la energa elctrica desde lospuntos de produccin hasta los puntos de consumo Como veremos, el transporte se realiza en alta tensin

En Espaa, por ejemplo: La generacin se realiza de 6 a 20 kV. La red de transporte (400 o 230 kV)


La red de transporte (400 o 230 kV) Hay redes de reparto a tensiones menores (132, 66, 45kV). Las redes de distribucin (20 o 15 kV) Suministro pequeos consumidores a 400 o 230 V. Tambin hay

Grandes consumidores en AT Pequeos generadores en BT.

Sistemas de energa elctrica: IntroduccinConceptos bsicos (iv) Esquema Centrales de

generacin

Muy grandes

consumidores

Subestaciones

AT

Red de

Transporte

AT

Red de

Interconexiones


Generacin

distribuida

Grandes

consumidores

Consumidores

medios Pequeos

consumidores

Subestaciones

AT/MT

Red de

Reparto

AT

Red de

Distribucin

MT/BT

Sistemas de energa elctrica: IntroduccinConceptos bsicos Generacin Redes - Demanda


Sistemas de energa elctrica: Introduccin Clasificacin de las actividades Generacin

Tecnologas Ordinaria y especial

Actividades Inversin Planificacin Operacin (y tiempo real)

Red

Comercializacin Algunas actividades

Medida Facturacin

Coordinacin Operador del sistema

Programa de produccin factible Intercambios internacionales


Red Tipos de red Transmisin Distribucin

Actividades (ambas) Inversin y construccin Mantenimiento Operacin

Intercambios internacionales

En un contexto de mercado adems:

Diseo de mercado mayorista

Operador del mercado

Sistemas de energa elctrica: IntroduccinConceptos bsicos (v) La generacin en Espaa


Sistemas de energa elctrica: IntroduccinConceptos bsicos (vi) El transporte en Espaa


Tipologa de algunos sistemas

Sistemas de energa elctrica: IntroduccinUna perspectiva global (i)


Sistemas de energa elctrica: IntroduccinUna perspectiva global (ii) Tipologa de algunos sistemas


Sistemas de energa elctrica: IntroduccinUna perspectiva global (iii) Tipologa de algunos sistemas


EU-27 & IEM 4,3 Mkm2, 493 Mhab,11597 b GDP

741 GW installed capacity 3309 TWh/year

(Installed capacity, annual production) Germany (124 GW, 620 TWh)France (116 GW, 578 TWh)

USA 9,8 Mkm2, 300 Mhab, 13195 b$ GDP

1076 GW installed capacity 4200 TWh/year

(Installed capacity, annual production) PJM (163 GW, 763 GWh)ERCOT (90 GW, 290 TWh)

Sistemas de energa elctrica: IntroduccinUna perspectiva global (iv)


France (116 GW, 578 TWh) UK (81 GW, 398 TWh) Italy (85 GW, 304 TWh) Spain (70 GW, 294 TWh)

ERCOT (90 GW, 290 TWh) California (53 GW, 240 TWh) NY-ISO (39 GW, 167 TWh) NE-ISO (33 GW, 134 TWh)

Sistemas de energa elctrica: IntroduccinCaractersticas bsicas de la electricidad (i) La primera caracterstica bsica:

Bombeo, pilas, etc, dan cierta flexibilidad, pero lejos de permitir que se considere que la electricidad es totalmente almacenable

La electricidad NO se puede ALMACENAR 1.-


almacenable

Todo lo que se consume debe generarse y transportarse en el mismo instante Problema de suministrar puntas de consumo (gen/red)

El sistema de energa elctrica es un sistema dinmicode enormes dimensiones que permanentemente debe mantener el equilibrio entre generacin y demanda.

Sistemas de energa elctrica: IntroduccinCaractersticas bsicas de la electricidad (ii) El fallo de un elemento puede provocar perturbacionesen todo el sistema. Pero el sistema elctrico est sujeto a indisponibilidades,fortuitas o programadas

Necesita disponer de reservas para superar lasindisponibilidades:


Reservas de equipamiento: En generacin: margen de reserva En red: sobredimensionamiento

Reservas de operacin: criterio n 1 servicios complementarios

Sistemas de energa elctrica: IntroduccinCaractersticas bsicas de la electricidad (iv) La segunda caracterstica bsica:

Leyes de Kirchoff

La energa se inyecta y se extrae de la redpero no se encamina

2.-


R

2RI

I/3

2I/3

Sistemas de energa elctrica: IntroduccinCaractersticas bsicas de la electricidad (v) La principal consecuencia de esta segunda caracterstica: En cuanto se satura una lnea, no toda la generacin puede llegar fsicamente a todos los consumos (*)

Surgen restricciones Veremos que esto tiene importantes implicaciones econmicas ms adelante


econmicas ms adelante

Sistemas de energa elctrica: IntroduccinNecesidad de sistemas de control La electricidad requiere complicados sistemas decontrol que monitorizan continuamente elcomportamiento del sistema

Buena parte de estas tareas de control residen enpotentes ordenadores situados en centros de gestin dela energa en los que corren mltiples aplicaciones:estiman la demanda


estiman la demanda otros modelos determinan la generacin que darcobertura a esta demanda.

Otros programas calculan el flujo por cada una de laslneas y transformadores y las tensiones en los nudos

Otros incluso examinan el comportamiento dinmico delsistema elctrico ante diferentes tipos de perturbaciones.

Sistemas de energa elctrica: IntroduccinNecesidad de sistemas de control (ii)Centro de control REE


Centro de control CECRE

PARTE 2: Un poco de historia

Objetivos Evolucin histrica de los aspectos tcnicos


Evolucin histrica de los aspectos organizativos

Evolucin tecnolgicaLos primeros sistemas Los primeros sistemas de luz elctrica en 1870 Generadores individuales, que alimentaban la instalacin elctrica lmparas de arco de una nica residencia.

Thomas Edison descubri la lmpara de incandescencia (1880) tuvo adems la idea de aumentar la escala del proceso, utilizando un nico generador para alimentar muchas ms lmparas.

En 1882 el primer generador de Edison consigui alimentar en corriente continua y a una tensin de 100 V una carga de 400


corriente continua y a una tensin de 100 V una carga de 400 lmparas de unos 80 W cada una (Wall Street)

Poco despus entra en funcionamiento la central de 60 kW de Holborn Viaduct en Londres, que tambin generaba una tensin de 100 V en corriente continua. Este esquema de generacin y distribucin local es adoptado, con fines de iluminacin, en numerosas comunidades urbanas

Evolucin tecnolgicaInvencin del transformador Invencin del transformador en Francia en los aos 1883-84, se puso de manifiesto aunque no sin polmicas la ventaja de la corriente alterna: la corriente alterna permite elevar cmodamente la tensin para reducir las prdidas y las cadas de tensin en el transporte a largas

La capacidad de transporte de las lneas en corriente alterna aumenta proporcionalmente con el cuadrado de la tensin, mientras que el coste por unidad de potencia transportada


mientras que el coste por unidad de potencia transportada decrece con la misma.

Es por tanto claro el inters en superar las barreras tecnolgicas que limitan el uso de tensiones ms elevadas.

Evolucin tecnolgicaIncremento de las tensiones mximas En 1910 ya se haban alcanzado los 150 kV y en 1922 se puso en servicio la primera lnea a 245 kV. Desde entonces las tensiones mximas no han dejado de aumentar


Sin embargo la corriente continua nunca ha dejado de utilizarse, pues presenta ventajas sobre la alterna en determinadas aplicaciones

Evolucin tecnolgicaLa frecuencia La frecuencia de la tensin alterna en estos sistemas era otro de los parmetros bsicos de diseo que fue necesario elegir. La utilizacin de frecuencias ms elevadas permite que los equipos de generacin y consumo sean ms compactos

pero, por otro lado, aumenta las cadas de tensin en las lneas de transporte y distribucin.

Dos bloques de sistemas con respecto a la frecuencia de la tensin


tensin Algunos pases entre los que se encuentran EEUU, Canad, los pases de Amrica Central y los ms septentrionales de Amrica del Sur adoptaron la frecuencia de 60 Hz,

El resto de los pases de Amrica del Sur, en Europa y frica se adoptaron los 50 Hz.

En 1906 se cre la Comisin Electrotcnica Internacional, con el objetivo de normalizar en lo posible los equipos elctricos. no fueron capaces de unificar la frecuencia

Evolucin organizativaCmo organizar el sector? Cmo se organiza el sector encargado de planificar, operar y mantener los sistemas de energa elctrica? Quin toma en cada caso las decisiones y con qu criterios?

La respuesta a estas pregunta ha ido evolucionando con el tiempo, adaptndose: A los condicionantes impuestos por el desarrollo tecnolgico A las teoras econmicas predominantes en cada momento y lugar.


A las teoras econmicas predominantes en cada momento y lugar.

Como se ha visto, las primeras aplicaciones industriales de la electricidad fueron de carcter estrictamente local. Principalmente sistemas aislados,

primero dedicados a la iluminacin urbana posteriormente dedicados al funcionamiento de motores elctricos con muy diversas aplicaciones.

Evolucin organizativaLa empresa verticalmente integrada El concepto de empresa elctrica verticalmente integrada esto es, que produce, transporta, distribuye y comercializa la electricidad surgi de forma natural

Las fuertes economas de escala y las caractersticas especiales de la electricidad han motivado que su suministro se haya considerado como un servicio pblico

Todo esto ha propiciando la intervencin del Estado para


Todo esto ha propiciando la intervencin del Estado para garantizar una calidad y un precio razonables. En algunos casos se ha concretado en la nacionalizacin de la industria elctrica (mayor parte pases europeos hasta los noventa)

En los casos restantes, la intervencin ha consistido en imponer a las empresas la regulacin tpica de un monopolio

En ningn caso se cuestion la estructura de integracin vertical de las empresas elctricas.

Evolucin organizativaDesintegracin vertical y apertura a la competencia Desde el comienzo de los aos noventa comenz a ganar terreno una visin radicalmente distinta del negocio elctrico Se puso en tela de juicio la estructura de integracin vertical

La fuerte capacidad de interconexin de la red de transporte en la mayora de los pases, y tambin entre pases distintos, permite que generadores situados en cualquier nudo de la red puedan competir entre s por suministrar electricidad en cualquier otro nudo de la red


nudo de la red As pues es posible separar las actividades de red estrictamente monopolistas de la de generacin

Adems se plantea la apertura de la comercializacin a un rgimen de competencia.

Evolucin organizativaLas distintas actividades en el nuevo contexto Bajo esta nueva concepcin la operacin y la planificacin de los sistemas de energa elctrica cobran una dimensin diferente. Cada empresa de generacin decide individualmente

cundo y cunto producir, la gestin del agua en sus embalses y los programas de mantenimiento de sus plantas.

Las decisiones de inversin en nuevas centrales de produccin se toman por inversores privados

La inversin debe de resultar rentable. Las empresas no son ya


La inversin debe de resultar rentable. Las empresas no son ya responsables de la garanta de suministro global.

La actividad de distribucin no se ve modificada significativamente por este cambio regulatorio

debe segregarse de la actividad de comercializacin (competencia) Por el contrario, la actividad de transporte est siendo sujeta a una importante revisin, por su importancia crtica en determinar las condiciones de competencia en el mercado mayorista

Evolucin organizativaMercados regionales Mercados regionales En un entorno de libre competencia, el peso de los aspectos regulatorios se hace comparativamente mayor cuando aumenta el mbito geogrfico y poltico de los sistemas elctricos

ste es el caso de los sistemas elctricos regionales o supranacionales, ya que hay que sentar las bases de mercados internacionales que antes apenas existan.

Un caso paradigmtico es el del Mercado Interior de la


Un caso paradigmtico es el del Mercado Interior de la Electricidad de la Unin Europea, que adems de los propios pases de la Unin Europea, incluye Noruega y Suiza.

Otros mercados regionales, en diferentes estados de implantacin, son el Mercado Nacional Australianoque incluye varios estados de este pas, Mercosurque integra a Argentina, Brasil, Paraguay y Uruguay, el Mercado Elctrico Centroamericanoan en proyecto, o las Regional Transmission Organizations norteamericanas, que engloban diversas compaas elctricas aunque son gestionadas centralizadamente.

PARTE 3: El impacto medioambiental

Objetivos Analizar el impacto medioambiental


Sistemas de energa elctrica: IntroduccinRetos medioambientales El impacto ambiental es un factor cada vez ms relevante Condiciona la operacin y la evolucin de estos

El mayor impacto ambiental es el asociado a la generacin Las centrales trmicas rivalizan con el sector transporte para llevarse la primera plaza en emisiones en

dixido de carbono (CO2) asociadas al cambio climtico por causa del efecto invernadero.


El CO2 es inevitable en la combustin de material orgnico xidos nitrosos (NOx) y de dixido de azufre (SO2)

Los NOx se deben al nitrgeno del aire SO2 a la presencia de azufre en el carbn y el petrleo

Otros impactos producidos por las centrales trmicas son la emisin de partculas y metales pesados, la generacin de residuos slidos como las cenizas y escorias, el calentamiento del agua de ros

Sistemas de energa elctrica: IntroduccinLas tecnologas limpias Tecnologas renovables son ms amigables con el MA Pero estas tecnologas de generacin ms amigables con el medio ambiente como son las que utilizan fuentes de energa renovable tambin tienen su impacto negativo.

Hidrulicas: alteracin de la hidrologa, perturbacin de hbitats e incluso transformacin del microclima, sin contar con el riesgo de accidentes que pueden provocar verdaderas catstrofes ecolgicas y humanas.


y humanas. Elica: la perturbacin de hbitats y el ruido La solar, la ocupacin del territorio, adems de la contaminacin inherente a la fabricacin de sus componentes concretamente, los metales pesados en los residuos

La utilizacin de biomasa tiene los mismos efectos que las centrales trmicas, aunque en menor medida y sin emisin de SO2.

Tambin las grandes lneas areas que cruzan mesetas

Sistemas de energa elctrica: IntroduccinAmenazas en un entorno de mercado: externalidades Entorno de mercado gira en torno al precio El precio de la energa no recoge todos los impactos citados.

Esto es lo que se conoce como un fallo del mercado o externalidad impactos en otros agentes econmicos y sin embargo estos impactos no aparezcan recogidos en forma de costes

La existencia de estas externalidades tambin llamadas costes


La existencia de estas externalidades tambin llamadas costes externos causa por tanto una asignacin incorrecta de los recursos en la economa

Al no tener en cuenta estos costes externos, el precio de la energa es menor y por tanto su consumo y el impacto ambiental que causa mayor.

Para corregir este fallo del mercado y lograr la asignacin ptima, es necesario internalizar estos costes, incorporndolos en el precio

Alberto Aguilera 23, E-28015 Madrid - Tel.: +34 91 542 2800 - Fax: +34 91 542 3176 - http://www.iit.upcomillas.es

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