02_070311 SEE_Entorno tecnológico_Demanda y generacion v1.0_ Rodilla [Modo de compatibilidad]

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

Sistemas de energía eléctrica:

INSTITUTO DE INVESTIGACIÓN TECNOLÓGICA

Sistemas de energía eléctrica:Entorno tecnológico (i)

Pablo Rodilla

Maestría en Gestión de la EnergíaMadrid, 7 de Marzo de 2011

Sistemas de energía eléctricaÍndice• Introducción• La demanda• La generación• El transporte• La distribución• La comercialización

2Sistemas de Energía Eléctrica- Pablo RodillaMadrid, 7 de Marzo 2011

El entorno tecnológicoIntroducción• Las dos características fundamentales– No almacenabilidad– Sigue las leyes de Kirchoff

• Estructura de un sistema eléctrico


• Evolución tecnológica y organizativa– Regulación tradicional y liberalización

• Impacto medioambiental y externalidades

La demanda

• Objetivos– Tendencia histórica y evolución del consumo– Patrones y perfil de consumo


– Patrones y perfil de consumo– Evolución del perfil

– Factores que afectan a la demanda– La importancia de predecir correctamente la demanda

– En el corto plazo– En el largo plazo

– Calidad del servicio– Nuevas tendencias

El entorno tecnológicoLa demanda de electricidad: evolución del consumo• Estandarización (U, f ) � explosión consumo• Crecimiento pronunciado y sostenido

– Índices de consumo eléctrico ligado al crecimiento PIB– Crecimiento continuo a pesar de mejoras de eficiencia


Fuente: AIE

El entorno tecnológicoLa demanda de electricidad: evolución del consumo• Acceso desigual

Producción (2002)


Acceso (2000)

www.worldmapper.org

El entorno tecnológicoPerfil diario y semanal de la demanda en España

Invierno


Verano

www.ree.es

El entorno tecnológicoVariación de la demanda diaria en un año


El entorno tecnológico¿De qué depende la demanda?: la temperatura

• Laboralidad, actividad económica y temperatura


El entorno tecnológico¿De qué depende la demanda?: otros factores


El entorno tecnológicoEvolución del apuntamiento en España


El entorno tecnológicoLa demanda de electricidad• La monótona de demanda

– Curva de demanda con valores ordenado en orden creciente– Nos indica el número de horas que la demanda estuvo por encima

o por debajo de un cierto valor– Se suele utilizar en algunos análisis sencillos

• e.g. evolución del apuntamiento


El entorno tecnológicoLa calidad del servicio•El consumo de energía eléctrica puede ser muy sensible a las condiciones técnicas con las que se le alimenta eléctricamente.

•Muchos equipos funcionan mal o simplemente no funcionan si la onda de tensión eléctrica no es una sinusoidal perfecta, de frecuencia y magnitud constante y estable en el tiempo.

– Peligro de averías– Fusibles y otros sistemas de protección

Elementos caros


• Elementos caros• Elementos “vitales” (motores de las bombas de refrigeración de las centrales nucleares)

El entorno tecnológicoLa calidad del servicio•Fallos de calidad de servicio

– Cortes de suministro• interrupciones en el suministro

– pueden ser de muy corta duración —llamadas entonces microcortes—, muchas veces provocadas por reenganches de interruptores después de un cortocircuito transitorio, o de larga duración.

– Normalmente el perjuicio ocasionado aumenta de forma no lineal con la duración del corte de suministro.

– “Huecos” de tensión• Son bajadas transitorias de la tensión

– cortocircuitos y fallos en el sistema hasta que son despejados


– cortocircuitos y fallos en el sistema hasta que son despejados– maniobras: apertura y cierre de líneas, reenganches o arranque de motores

• Hay equipos particularmente sensibles a estas bajadas de tensión.– Armónicos.

• Distorsiones en la forma puramente sinusoidal de la onda de tensión– por saturación de núcleos o equipos electrónicos.

– Flicker

• Son oscilaciones de baja frecuencia en la amplitud de la tensión– Provocados por algunas cargas: hornos de arco, equipos electrónicos.

– Sobretensiones.• Debidas a maniobras o a la caída de rayos, son peligrosas para los equipos.

El entorno tecnológicoCalidad del servicio: calidad de la onda


El entorno tecnológicoNuevas tendencias•Gestión de la Demanda (DSM):

– Objetivos: racionalizar el consumo, reducir las puntas.– Medios: mediante tarifas• Tarifas tipo ToU (Doble o triple tarifa)• Real time pricing• Interrumpibilidad

•Demanda más elástica.


•Demanda más elástica.– Transmitir al consumidor el verdadero coste de cubrir su consumo

La generación

• Distintas tecnologías (características, esquema y ventajas e inc.)– Hidráulica

– Fluyente, de embalse y de bombeo


– Fluyente, de embalse y de bombeo– Térmica convencional

– Turbina de gas– Carbón– Nuclear

– Ciclo combinado– Alternativas

– Eólica• Servicios complementarios

El entorno tecnológicoLas tecnologías de generación• Centrales eléctricas: se encargan de transformar una fuente primaria de energía en energía eléctrica de características bien definidas. – En concreto se genera un sistema trifásico senoidal de tensiones, con una frecuencia y amplitud de onda estrictamente estandarizadas y controladas.

• ¿Por qué mezcla de tecnologías?– Por razones económicas

• El perfil de la curva de demanda da oportunidades a las distintas tecnologías.

– Existe disparidad entre los costes fijos y los costes variables.


– Existe disparidad entre los costes fijos y los costes variables.– Por razones políticas

• Estratégicamente, conviene diversificar los combustibles.– Crisis políticas o económicas, internacionales o no

– Por razones medioambientales• Impactos ambientales muy distintos

– Internalización de costes, sostenibilidad

El entorno tecnológicoLa generación: central hidráulica• La fuente primaria de energía es el agua• Turbina hidráulica:– transforma la energía hidráulica en mecánica, que se manifiesta por un par mecánico y una velocidad en un eje de acoplamiento del generador eléctrico. • De este modo, la energía hidráulica se convierte en energía eléctrica (se manifiesta en forma de tensión e intensidad en bornes del alternador)

– La potencia depende de su caudal y la altura del salto


– La potencia depende de su caudal y la altura del salto• P=9810 x Q x h

• Hay diversos tipos:– De alta presión: (h > 200 m) � turbinas Pelton o Francis lentas– De media presión: (20 m < h < 200 m) � turbinas Francis med./ráp.– De baja presión: (h < 20 m) � turbinas Kaplan o Francis extrarrápidas

El entorno tecnológicoLa generación: central hidráulica• Existen múltiples tipos de centrales hidráulicas, que se pueden reagrupar en tres grandes categorías con tratamiento muy distinto en la operación del sistema:– Las centrales de embalse, son las más comunes. Capacidad de acumulación de agua. El agua se puede utilizar para generar en el momento más conveniente.• Riesgo de vertidos

– Las centrales de agua fluyente (filo de agua o pasada) no tienen


– Las centrales de agua fluyente (filo de agua o pasada) no tienen capacidad de acumulación, por lo que no pueden utilizar el agua para generar en el momento más conveniente, por ello, no se emplean para regular;

– Las centrales de bombeo disponen de un embalse elevado al que pueden bombear agua cuando la energía eléctrica resulta más barata, para turbinarla más tarde y volver a producir electricidad cuando resulte rentable. • Rendimiento del bombeo

El entorno tecnológicoLa generación: central hidráulica• Central hidráulica de embalse

Fuente: www.unesa.es

Presa gravedad


• Tubería forzada (o de presión) necesaria si h > 15 m

Presa en arco

El entorno tecnológicoLa generación: central hidráulica• Central hidráulica de bombeo



El entorno tecnológicoLa generación: central hidráulica• Ventajas e inconvenientes:• ☺☺☺☺ Coste combustible• ☺☺☺☺ Casi nula contaminación en la producción• ☺☺☺☺ Gran flexibilidad conexión/desconexión– Centrales de regulación

• �� Fuerte inversión para la construcción


• �� Fuerte inversión para la construcción• �� Gran impacto ambiental en el proceso de construcción:– Inundación grandes superficies: impacto social, fauna, flora...

• �� Considerable componente aleatoria: hidraulicidad

El entorno tecnológicoLa generación: centrales térmicas•En las centrales térmicas la energía primaria es un combustible fósil (carbón, fuel-oil o gas), denominándose centrales de carbón de fuel o de gas, respectivamente.

•El principio de funcionamiento de este tipo de centrales es básicamente el siguiente:– el combustible se quema en la caldera – el calor se transfiere a unos tubos por donde circula agua donde se produce vapor de agua;


produce vapor de agua;– el vapor a alta presión y temperatura se transforma a través de la turbina de vapor en energía mecánica;

– la energía mecánica, como en el caso de una central hidráulica, se convierte en energía eléctrica gracias al generador

– Luego el vapor es enfriado • en un condensador donde circula por tubos agua fría de un caudal abierto de un río o por torre de refrigeración

El entorno tecnológicoLa generación: centrales térmicas•De este modo, en las centrales térmicas se producen las conversiones de energía térmica-mecánica-eléctrica y, por lo tanto, su eficiencia energética dependerá fundamentalmente del poder calorífico del combustible. – El rendimiento del ciclo no supera en cualquier caso el 45%

•Por la inercia térmica de la caldera, en torno a siete horas, estas centrales presentan cierta rigidez en su conexión y desconexión, que las hace poco flexibles en su utilización.


que las hace poco flexibles en su utilización. – Por ello, las centrales térmicas son objeto de estudios de arranque/parada para elaborar sus órdenes de funcionamiento y, en ocasiones, operan en caliente (standby) sin producir nada.

El entorno tecnológicoLa generación: centrales térmica•Elementos de una central térmica:

– Caldera: con circulación natural, controlada, forzada– Circuito de aire-combustible:• Transporte de combustible, molino, hogar• Calentador de aire, colectores de escoria/cenizas, chimenea, ventiladores

– Circuito de agua-vapor:• Sobrecalentadores, recalentadores, economizadores


• Sobrecalentadores, recalentadores, economizadores• Condensador, bombas, torre de refrigeración, precalentadores de agua, tuberías

• Tratamiento del agua: descalcificador, desgasificador– Alternador: típ. turboalternador, de polos lisos

El entorno tecnológicoLa generación: central térmica de carbón• Esquema de la central térmica de carbón


El entorno tecnológicoLa generación: central térmica de carbón•Ventajas e inconvenientes

– ☺☺☺☺ Disponibilidad combustible (carbón)• Aunque esta disponibilidad es relativa (precio del combustible)

– �� Coste de inversión medio– �� Coste de operación medio


– �� Bajo rendimiento : η < 45%– �� Gran contaminación: SO2, Nox, CO2• Lluvia ácida, efecto invernadero,...

– �� Gran inercia térmica (~7h) � poca flexibilidad�Estudios de coste arranque/parada�� Operación en standby, sin producir

El entorno tecnológicoLa generación: central térmica de turbina de gas•Centrales térmicas de turbina de gas

–Combustión del gas con aire a presión, tipo reactor de avión•☺☺☺☺ Bajos costes de inversión•☺☺☺☺ Más flexibles que las centrales de carbón•�� Altos costes de operación: combustible caro


El entorno tecnológicoLa generación: ciclo combinado•Turbina de gas + turbina de vapor, producido por los gases de escape de la turbina de gas

– En una cámara de combustión se quema el gas natural y se inyecta aire para acelerar la velocidad de los gases

– Se usan los gases de la combustión del gas natural para mover una turbina de gas

– tras pasar por la turbina, esos gases todavía se encuentran a alta temperatura (unos 500 °C), se reutilizan para generar vapor que


temperatura (unos 500 °C), se reutilizan para generar vapor que mueve una turbina de vapor

– El vapor luego es enfriado por medio de un caudal de agua abierto o torre de refrigeración como en una central térmica común

El entorno tecnológicoLa generación: ciclo combinado•Turbina de gas + turbina de vapor, producido por los gases de escape de la turbina de gas



El entorno tecnológicoLa generación: ciclo combinado•☺☺☺☺ Pocas emisiones contaminantes

•☺☺☺☺ Alto rendimiento

•☺☺☺☺ Gran modularidad y corto plazo de ejecución– Reduce el problema de las economías de escala en generación

•☺☺☺☺ Tiempo de arranque corto– Menos inercia térmica que el carbón (tiene una turbina de gas)


– Menos inercia térmica que el carbón (tiene una turbina de gas)

•�� Costes de Inversión razonables

•�� Disponibilidad del combustible

El entorno tecnológicoLa generación: ciclo combinado•Comparación CCGT con CT

CTCC Carbón Nuclear

Inversión 450 €/kW 850 €/kW 1500 €/kW

Plazo de Ejecución

2 años 3,5 años 5 años


Ejecución

Emisiones CO2[kg/kWh]

NOx [mg/Nm3]

SO2[mg/Nm3]

Cenizas[mg/Nm3]

CTCC 0,45 75 0 0

Carbón 1 200 200 50

El entorno tecnológicoLa generación: central nuclear•La fuente primaria de energía es un material nuclear fisionable: uranio

•Esta tecnología se basa en la fisión (separación) de los núcleos de uranio. El calor obtenido de la misma se utiliza para producir vapor, el cual se turbina para producir electricidad.– Fisión en el reactor nuclear � calor a 1 fluido � intercambiador � vapor de agua � turbina de vapor � alternador

Las centrales nucleares no emiten ningún tipo de gas


•Las centrales nucleares no emiten ningún tipo de gas contaminante a la atmósfera

El entorno tecnológicoLa generación: central nuclear•Esquema de la central nuclear



El entorno tecnológicoLa generación: central nuclear•☺☺☺☺ Bajo precio del combustible•☺☺☺☺ Buen rendimiento del proceso

•�� Peligro en caso de fallo:– Bajo riesgo pero efectos catastróficos

•�� Dificultad de eliminación de residuosRechazo social, Moratoria nuclear


– Rechazo social, Moratoria nuclear

•�� Altísimos costes de inversión •�� Muy poca flexibilidad

– Peligro al cambiar las cond. de refrigeración del reactor– Operación en base, casi no regulan

El entorno tecnológicoLa generación renovable: eólica• Ventajas– Coste del fuel– Impacto ambiental reducido– Sostenibilidad– Independencia energética– Generación distribuida (cerca demanda)

• Menores pérdidas


• Menor inversión en red

• Desventajas– Costes de inversión– Producción intermitente

• Variable• Difícil de predecir

– No regulación “a subir”

Probability function of wind production

02468

1012141618

00 -5

5 -10

10 -15

15 -20

20 -25

25 -30

30 -35

35 -40

40 -45

45 -50

50 -55

55 -60

60 -65

65 -70

70 -75

75 -80

80 -85

85 -90

90 -95

95 -10

0

Output (% installed capacity)

Frequency (%

time)

Source: REE

• Volatilidad: ejemplo en el sistema español– 27 de enero de 2005. Pico histórico de demanda

Fuente: REEEl entorno tecnológicoLa generación renovable: eólica


Fuente: REEEl entorno tecnológicoLa generación renovable: eólica• Volatilidad: ejemplo en el sistema español

– 1 de marzo de 2005. Escasez de generación y cortes de demanda


Fuente: REEEl entorno tecnológicoLa generación renovable: eólica

1%

• Volatilidad: ejemplo en el sistema español


4 PM

El entorno tecnológicoLa generación renovable: eólica



• Producción por tecnología en el caso anterior


Fuente: REE

El entorno tecnológicoLa generación renovable: eólica• Cambio de los mapas de generación

Source: Energinet.dk


www.ree.es

El entorno tecnológicoLa generación•Tabla resumen

Tecnología Inversión C. var. Flexibil. Seg. sum Emisiones

Nuclear �� ☺☺☺☺ �� ☺☺☺☺ ☺☺☺☺

Hidraúlica �� ☺☺☺☺ ☺☺☺☺ �� ☺☺☺☺

Carbón �� (*) �� [altos de CO2,SO2,NOx]


CC �� (*) �� [moder. CO2, bajos de SO2,NOx]

Fuel �� ☺☺☺☺ �� [altos de CO2,SO2,NOx]

Turbina gas ☺☺☺☺ �� ☺☺☺☺ �� [moder. CO2, bajos de SO2,NOx]

Eólica �� ☺☺☺☺ �� / ☺☺☺☺ ☺☺☺☺

(*) C02

La generación

• Distintas tecnologías (características, esquema y ventajas e inc.)– Hidráulica

– Fluyente, de embalse y de bombeo


– Fluyente, de embalse y de bombeo– Térmica convencional

– Turbina de gas– Carbón– Nuclear

– Ciclo combinado– Alternativas

– Eólica• Servicios complementarios

Entorno tecnológicoServicios complementarios• Servicios asociados fundamentalmente a la generación necesarios para garantizar la seguridad, calidad y eficiencia del suministro.

• Los fundamentales son:– Control frecuencia-potencia:

• Regulación primaria• Reserva secundaria• Reserva terciaria


• Deslastre de cargas– Control de tensiones y reactiva.– Reposición del servicio:

• Capacidad de arranque autónomo

• Tradicionalmente integrados del todo en la actividad básica de generación de energía

Entorno tecnológicoControl frecuencia-potencia• Reserva primaria (automática)

– Regulación automática local, proporcionada por los reguladores de velocidad de las turbinas• Mantiene frecuencia• Respuestas en segundos

– Deslastre de cargas

• Reserva secundaria (automática)


– Regulación de carácter zonal proporcionada por los Automatic Generation Control (AGC)

– Tiempo de respuesta 5-15 minutos

• Reserva terciaria (manual)– Regulación manual llevada a cabo por el operador del sistema

• Objetivo: restablecer reservas secundarias– Tiempo de respuesta: superior a 15 minutos

• Frequency and power after a sudden loss in generation

Generation sudden loss

900 s300 s30 s Inertia

Primaryreserve

Entorno tecnológicoControl frecuencia-potencia


sudden loss

Frequency

time

Secondaryreserve

Tertiaryreserve

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

02_070311 SEE_Entorno tecnológico_Demanda y generacion v1.0_ Rodilla [Modo de compatibilidad]

Documents

Transcript of 02_070311 SEE_Entorno tecnológico_Demanda y generacion v1.0_ Rodilla [Modo de compatibilidad]