Gerencia de Energías No Convencionales

Sistemas Fotovoltaicos Interconectados con la Red (SFVI)

Penetración de Sistemas Fotovoltaicos en la

Red Eléctrica

IIE-GENC-HB/2010

AGENDA

• Antecedentes

• Métricas y límites de penetración

• Proyecto PNUD-IIE y caso de estudio de análisis de

penetración

• Estudio de penetración de sistemas FV conectados a

red en Mexicali

Metodología de análisis

Generación fotovoltaica

Sistema eléctrico de Baja California

Demanda eléctrica y curvas de duración de carga en

Mexicali

Consideraciones de análisis

Resultados

• Conclusiones

Antecedentes

0

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

14,000

16,000

2003 2004 2005 2006 2007 2008

MW

Capacidad FV instalada acumulada mundial para sistemas FV autónomos e interconectados con la red - IEA www.iea-pvps.org

Sistemas FV autónomos Sistemas FV Interconectados con la red

Evolución internacional de los SFVI

Centrales FV (Ranking 1-5, 2010)

462008MouraPortugal

502008PuertollanoEspaña

532009Turnow-

PreilackAlemania

542009StraßkirchenAlemania

602008OlmedillaEspaña

Capacidad

(MW)

Fecha de

arranqueSitioPaís

462008MouraPortugal

502008PuertollanoEspaña

532009Turnow-

PreilackAlemania

542009StraßkirchenAlemania

602008OlmedillaEspaña

Capacidad

(MW)

Fecha de

arranqueSitioPaís

Fuente: http://www.pvresources.com/

0

200

400

600

800

1000

1200

1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

kW

p

Capacidad acumulada estimada puesta en operación de sistemas FV conectados a red en México

Instalaciones de prueba

Evolución nacional de los SFVI

Período Usuario Lugar Propósito Capacidad

(kW)

Situación

actual

1997-1999 IIE Cuernavaca Investigación y desarrollo tecnológico 1.7 Retirada

1999-2000 IIE-CFE Mexicali Prueba de concepto de

autoabastecimiento 1.5 Retirada

2000-2006 IIE-CFE Mexicali Evaluación del impacto a la red y

usuarios; prueba de la tecnología

4 sistemas:

1.5–2 c.u. Retirada

2001-2006 IIE-CFE Hermosillo Prueba de concepto de

autoabastecimiento 1.5 Retirada

2002 a la

fecha IIE-IP Nuevo León

Prueba de concepto de

autoabastecimiento 1 En operación

2005 a la

fecha IIE-LFC-IP

Ciudad de

México

Prueba de concepto de sistema piloto

comercial de autoabastecimiento 30 En operación

2006 a la

fecha IIE-CFE-IP La Paz, BCS

Prueba de sistema piloto de usuario

DAC 6.5 En operación

2006 a la

fecha

Gobierno

BC -CFE-IIE Mexicali

Suministro de energía a conjunto

habitacional

220 casas

1 c.u. En operación

2008

Usuario

residencial Tijuana

Primer proyecto comercial con

medición neta 1 En operación

2008 Wal-mart Aguascalientes Autoabastecimiento comercial 170 En operación

SFVI en México

8

Primeras aplicaciones de SFVI

en México

Arreglo FV instalado en un toldo, Mexicali

9

Arreglo FV inclinado, Mexicali

Primeras aplicaciones de SFVI

en México (cont.)

UPEMOR 6.5 kWp

2009

UAM-Iztapalapa 60 kWp,

2009

Aplicaciones recientes de SFVI

en México (cont.)

Parque Benito Juárez, Puebla, 24 kWp

2009

Aplicaciones recientes de SFVI

en México (cont.)

Centro Regional de Tecnología Eólica (CERTE), IIE,

Juchitán, Oaxaca 9 kWp, 2009

Aplicaciones recientes de SFVI

en México (cont.)

Métricas y límites de penetración

Métricas de penetración

• Penetración relativa a la carga pico

• Penetración relativa a la capacidad del sistema

• Penetración energética

• Penetración instantánea pico

Penetración energética

Tt

0t

Total

0

FV

dttP

dttP

nPenetració

Tt

t

Límites de penetración FV reportados en la literatura

Límite de penetración

Criterio

5% Rapidez de cambio de generación. Sistema FV en modo central.

10% Control de frecuencia contra costos.

15% Oscilaciones en flujos eléctricos causados por nubosidad transitoria. Sistema FV en modo distribuido.

Igual a la carga mínima del alimentador

Aumento de voltaje. Supone bancos de transformadores de media a baja tensión sin conmutación de toma bajo carga.

33% o ≥50% Aumento de voltaje.

>37% Hasta un nivel de penetración no se encontraron problemas causados por nubosidad, armónicas o transitorios rápidos.

Sin límite Generación de armónicas. Fuente: Whitaker C, Newmiller J, Ropp M, Norris B. Renewable Systems Interconnection Study: Distributed Photovoltaic Systems Design and

Technology Requirements. Sandia Report SAND2008-0946, February 2008

Límites de penetración recomendados a nivel distribución

Límites de penetración de generación distribuida

establecidos en Estados Unidos (casos seleccionados)

Fuente: Interstate Renewable Energy Council, USA

No hay límite establecido, pero el departamento de servicios públicos tiene autoridad para limitar la capacidad a 2.5% de la demanda pico

2 MW / comercial y residencialNueva Jersey

1% de la demanda pico de la empresa durante el año previo

Residencial: 25 kWKansas

0.2% de la demanda pico anual de la empresa

10 kW para sistemas residenciales; 100 kW para sistemas comerciales

Georgia

Ninguno2 MW / comercial, industrial y residencial

Florida

5% de la demanda pico de la empresa (límite estatal de 50 MW para digestores de biomasa; 112.5 MW para celdas de combustible)

1 MW (10 MW para hasta tres digestores de biomasa)

California

Límite sobre capacidad agregada

Límite de tamaño del sistema

Programa

No hay límite establecido, pero el departamento de servicios públicos tiene autoridad para limitar la capacidad a 2.5% de la demanda pico

2 MW / comercial y residencialNueva Jersey

1% de la demanda pico de la empresa durante el año previo

Residencial: 25 kWKansas

0.2% de la demanda pico anual de la empresa

10 kW para sistemas residenciales; 100 kW para sistemas comerciales

Georgia

Ninguno2 MW / comercial, industrial y residencial

Florida

5% de la demanda pico de la empresa (límite estatal de 50 MW para digestores de biomasa; 112.5 MW para celdas de combustible)

1 MW (10 MW para hasta tres digestores de biomasa)

California

Límite sobre capacidad agregada

Límite de tamaño del sistema

Programa

Fuente: Interstate Renewable Energy Council, USA

No hay límite establecido, pero el departamento de servicios públicos tiene autoridad para limitar la capacidad a 2.5% de la demanda pico

2 MW / comercial y residencialNueva Jersey

1% de la demanda pico de la empresa durante el año previo

Residencial: 25 kWKansas

0.2% de la demanda pico anual de la empresa

10 kW para sistemas residenciales; 100 kW para sistemas comerciales

Georgia

Ninguno2 MW / comercial, industrial y residencial

Florida

5% de la demanda pico de la empresa (límite estatal de 50 MW para digestores de biomasa; 112.5 MW para celdas de combustible)

1 MW (10 MW para hasta tres digestores de biomasa)

California

Límite sobre capacidad agregada

Límite de tamaño del sistema

Programa

No hay límite establecido, pero el departamento de servicios públicos tiene autoridad para limitar la capacidad a 2.5% de la demanda pico

2 MW / comercial y residencialNueva Jersey

1% de la demanda pico de la empresa durante el año previo

Residencial: 25 kWKansas

0.2% de la demanda pico anual de la empresa

10 kW para sistemas residenciales; 100 kW para sistemas comerciales

Georgia

Ninguno2 MW / comercial, industrial y residencial

Florida

5% de la demanda pico de la empresa (límite estatal de 50 MW para digestores de biomasa; 112.5 MW para celdas de combustible)

1 MW (10 MW para hasta tres digestores de biomasa)

California

Límite sobre capacidad agregada

Límite de tamaño del sistema

Programa

Proyecto PNUD-IIE y caso de

estudio de análisis de penetración

Proyecto PNUD-IIE de SFVI

2007

GEF/UNDP Grid-connected Photovoltaic Project

Objetivo

Demostrar la factibilidad técnica, operacional y

finalmente económica de los sistemas fotovoltaicos

conectados a red, como medios para reducir y suavizar

los picos de demanda eléctrica durante el verano en el

norte de México

Estudio de Penetración de Sistemas FV a la Red (P3.R1)

Análisis de diferentes escenarios de penetración de los sistemas fotovoltaicos conectados a red, posibles y viables, tomando en consideración las condiciones actuales y futuras de la infraestructura eléctrica en líneas de sub-transmisión, subestaciones y plantas de generación.

Estudio de penetración de sistemas FV conectados a red en Mexicali, 2007-2008

Estudio de penetración de sistemas

FV conectados a red en Mexicali

Mexicali

Ensenada

Tecate

Playas de

Rosarito

Tijuana

Municipio de Mexicali

• Restricciones a nivel generación Flexibilidad de generaciónRapidez de cambio de generación (ramp rate)

• Restricciones a nivel transmisiónDesempeño de voltajeRegulación de frecuencia

• Restricciones a nivel distribución Inversión de flujos de energíaPerfiles y regulación de voltaje en alimentadoresTransitoriosGeneración de armónicas

Posibles criterios de análisis

Seleccionado

Metodología de análisis: criterio de carga mínima

Los sistemas FV interconectados con la red no despachan carga en un sentido tradicional, lo cual significa que su potencia de salida no puede ser controlada y programada para responder a cargas variables. Sin embargo, los sistemas FV tienen la ventaja de que su perfil de generación es coincidente en buena parte con la demanda eléctrica diurna que se presenta naturalmente, en particular, durante el verano, cuando una gran cantidad de electricidad es utilizada para el acondicionamiento de aire.

SFVI y despacho de carga

La flexibilidad de un sistema de generación eléctrica es la fracción de su capacidad nominal total que puede ser variada para una operación confiable y sin incurrir en costos excesivos.

anual pico Carga

mínima carga - anual pico Carga

edespachabl carga f sistemadel operativa adFlexibilid

total nominal Capacidad

total nominal mínima carga - total nominal Capacidad

sistemadel nominal adFlexibilid

Flexibilidad de generación

Metodología de análisis: criterio de carga mínima (cont.)

• Un sistema eléctrico regional posee una carga mínima determinada por el valor agregado de las cargas mínimas de las plantas de generación base que lo conforman.

• Si la generación necesita ser reducida a niveles inferiores a la carga mínima, la operación de la planta o plantas en cuestión deberá ser interrumpida y posteriormente reanudada incrementando significativamente el costo de generación.

Carga mínima y penetración

Metodología de análisis: criterio de carga mínima (cont.)

• Para evitar interferencia con operaciones de carga base, la potencia de los generadores fotovoltaicos conectados a red debe ser limitada por la carga mínima que se determine para el total del sistema de plantas.

• En caso contrario, el suministro FV tendría que ser interrumpido durante períodos de baja demanda, el flujo de energía excedente tendría que ser exportado, algunas unidades de generación preexistentes (convencionales o no convencionales) necesitarían ser puestas fuera de servicio, o bien, la concepción misma del sistema y su régimen de operación requerirían ser modificados.

Metodología de análisis: criterio de carga mínima (cont.)

Carga mínima y penetración (cont.)

Metodología de análisis:

diagrama de flujo

INFORMACIÓN DE CARGA Y

GENERACIÓN

CURVA DE DURACIÓN DE

CARGA

PERFILES DE CARGA

CARGA MÍNIMA (CMIN)

FLEXIBILIDAD DEL SISTEMA

ÁREA DE CAPTACIÓN SOLAR

A=0

DEMANDA ANUAL DE

ENERGÍA

INFORMACIÓN DE RADIACIÓN

SOLAR

GENERACIÓN FOTOVOLTAICA (GFV)

GENERACIÓN NO FOTOVOLTAICA (GNFV)

¿GNFV = CMIN?

A = A + A

GENERACIÓN NO FOTOVOLTAICA

MÍNIMA GNFVMIN = CMIN

GENERACIÓN FV MÁXIMA ANUAL

PENETRACIÓN FV MÁXIMA

Si

No

Generación fotovoltaica: suposiciones

• Una disposición uniforme para toda la zona Valle de Mexicali de arreglos inclinados a un ángulo igual a L-15° y orientación hacia el sur. Con esta disposición se maximiza la producción de energía durante el verano.

• No se establece restricción para el área de captación debido a que el objetivo es determinar un límite de penetración a la red y no el potencial de penetración de mercado. Una estimación de la penetración de mercado requeriría, por ejemplo, información sobre espacios disponibles, características de vivienda y edificios, curvas de adopción de la tecnología, así como escenarios económicos y de política energética.

Generación fotovoltaica:radiación solar en Mexicali

5.7

5.8

5.9

6.0

6.1

6.2

6.3

6.4

2001 2002 2003 2004 Promedio

kW

h/m

2/d

íaPromedio la radiación solar total medida sobre el plano

del arreglo en Mexicali

Generación fotovoltaica:radiación solar en Mexicali

Sistema eléctrico de Baja California (2010)

Miguel

Zona Costa

Zona Valle

4

3

1

6

7

2

5

Hasta 800 MW

Imperial Valley

Hasta 520 MW

1. Central Ciclo Combinado Mexicali (InterGen, La Rosita) PIE: 489 MW (autorizados 597 MW) Exportación: hasta 636 MW

2. Central geotérmica Cerro Prieto (CFE) 720 MW

3. Central turbogás Mexicali (CFE) 62 MW

4. Termoeléctrica de Mexicali (SEMPRA) Exportación: 625 MW, autorizados 680 MW

5. Centra eólica La Rumorosa 10 MW (autoabastecimiento, CEE de BC, 2010)

6. Central Presidente Juárez (TC/CC/TG, CFE) 1026 MW

7. Turbogás Ciprés (CFE) 28 MW

Centrales generadoras en Mexicali (al 2007)

Clave Descripción Unidad Despachabilidad Tipo Capacidad nominal

(MW)

Carga mínima (MW)

CCMP1 C.C.C. Mexicali Central Despachable Ciclo combinado 489.0 162.0 CCMP2 C.C.C. Mexicali Cogenerador No despachable Cogeneración GCPP1 C.G. Cerro Prieto I 1 No despachable Geotérmica 37.5 30.0 2 No despachable Geotérmica 37.5 30.0 3 No despachable Geotérmica 37.5 30.0 4 No despachable Geotérmica 37.5 30.0 5 En rehabilitación Geotérmica 30.0 10.0 GCPP2 C.G. Cerro Prieto II 6 No despachable Geotérmica 110.0 110.0 7 No despachable Geotérmica 110.0 110.0 GCPP3 C.G. Cerro Prieto III 8 No despachable Geotérmica 110.0 110.0 9 No despachable Geotérmica 110.0 110.0 GCPP4 C.G. Cerro Prieto IV 10 No despachable Geotérmica 25.0 25.0 11 No despachable Geotérmica 25.0 25.0 12 No despachable Geotérmica 25.0 25.0 13 No despachable Geotérmica 25.0 25.0 MXIP1 C.T.G. Mexicali 1 Despachable-pico Turbogás 26.0 13.0 2 Despachable-pico Turbogás 18.0 9.0 3 Despachable-pico Turbogás 18.0 9.0

Total 1241.0 822.0

0

200

400

600

800

MW

Año calendario

Generación bruta

Carga mínima

Máxima capacidad contratada para Zona Valle

0

200

400

600

800

MW

Año calendario

Generación bruta Carga mínima

Generación bruta en la Central

Ciclo Combinado Mexicali, 2007

Generación bruta Cerro Prieto

Mexicali, 2007

Demanda eléctrica en Zona Valle, 2007

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1 8760

Dem

and

a h

ora

ria

pro

med

io, M

W

Hora

Curvas de duración de carga del sistema Mexicali

2004 2005

2006 2007

Curva de duración de carga del sistema Mexicali, 2007

Carga base

• La carga del sistema se divide en carga base (8760 h), carga intermedia (2000 - 8760 h) y carga pico (2000 h).

• En el caso particular del sistema eléctrico de Mexicali, donde la carga base es menor a la carga mínima nominal, se requiere exportar la electricidad excedente, disminuir la generación base dentro de algún margen residual de despacho, o bien, desconectar unidades generadoras.

• La operación del sistema eléctrico de Mexicali bajo estas circunstancias inevitablemente reduce el potencial de penetración de los SFVI (si no se considera excedencia en la generación FV), o bien, eleva su costo de generación (en caso contrario).

Consideraciones de análisis

• Lo anterior deriva en la necesidad de utilizar un valor de carga mínima endógena para Zona Valle, Mexicali, considerando una carga de despacho residual definida por:a) la posibilidad de exportar la generación excedente a otras zonas

regiones de distribución, localizadas dentro o fuera del territorio nacional, o

b) la posibilidad de reducir o interrumpir generación base.

• Como en este análisis no se considera excedencia de generación FV, esto es, no se prescribe almacenamiento, exportación o interrupción del suministro de electricidad FV, se opta por establecer como límite para la carga mínima la reducción residual o remanente en la generación base derivado de perfiles de operación.

Consideraciones de análisis (cont.)

Consideraciones de análisis (cont.)

total nominal mínima argac-endógena cargamenor de

horas 500 con ecoincident promedio total diurna carga

residual edespachabl Carga

residual edespachabl carga despacho de margen

-endógena base carga

endógena mínima Carga

Generación por central durante las 500 horas de

menor despacho de carga en Mexicali, 2007

Resultados

Carga diurna promedio (7 – 19 hrs.) coincidente con las

500 horas de menor despacho de carga en Zona Valle

387 394

371476

822

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

2006 2007

MW Exportación

Demanda Zona Valle

Carga mínima

Resultados (cont.)

Carga mínima endógena (carga mínima permisible para

generación convencional-geotérmica) en Mexicali, 2007

0

200

400

600

800

1,000

1,200

1 8760

MW

hora

Carga pico

Carga intermedia

Carga base

Carga mínima nominal

Carga mínima endógena

Resultados (cont.)

Generación FV máxima permisible en Mexicali para

condiciones de carga del 2007

Resultados (cont.)

0

100

200

300

400

500

600

700

0 24 48 72 96 120 144 168

MW

Horas

Coincidencia semanal de carga normal, generación eléctricaconvencional y generación FV

Carga normal Generación convencional Generación FV Carga mínima

a 26-oct-07Carga de referencia: 20-oct-07

Zona Valle

Generación eléctrica convencional-geotérmica y

generación FV sin excedencia en Mexicali en día crítico

Resultados (cont.)

Proyección de crecimiento de la carga diurna promedio

coincidente con las 500 horas de menor demanda en

Mexicali (de acuerdo a TMCA, POISE 2008-2017)

Resultados (cont.)

Carga mínima funcional y flexibilidad del sistema Mexicali

Año

Carga base, MW

Carga pico anual, MW

Carga despachable

residual, MW

Margen de despacho residual

Carga mínima,

MW

Flexibilidad operativa del

sistemaa

2006 327 1243 15 0.5 320 0.74 2007 275 1298 48 0.5 251 0.81

a Flexibilidad del sistema = (carga pico anual - carga mínima) / carga pico anual

Máximos permisibles Escenario bajo Escenario medio Escenario alto

2010 2017 2010 2017 2010 2017

Capacidad FV interconectada máxima permisible, MW

81 323 98 399 118 469

Métricas de penetración

Penetración instantánea pico 14.0% 43.8% 16.7% 50.2% 19.6% 55.0%

Penetración relativa a la carga pico 5.1% 16.1% 6.1% 18.5% 7.1% 20.3%

Penetración relativa a la capacidad total 6.2% 24.6% 7.5% 30.4% 9.0% 35.7%

Penetración energética 2.3% 7.1% 2.7% 8.1% 3.2% 8.9%

Penetración máxima permisible de SFVI en Mexicali

Resultados (cont.)

• La baja flexibilidad operativa de un sistema eléctrico (como el de Mexicali), reduce el potencial de penetración de los sistemas FV conectados a red. Sin embargo, la capacidad agregada por sistemas FV de pequeña o mediana escala podría ser absorbida sin impactos significativos en la operación del sistema de plantas de generación. Por el contrario, la instalación de plantas de gran capacidad bajo esta circunstancia anticipa mayores requerimientos de despacho de carga a través de exportaciones o mediante la administración de la generación base.

Conclusiones

• En el caso de Mexicali, a mediano y largo plazo, la factibilidad de agregar capacidades mayores de sistemas FV con conexión a red se incrementa sustancialmente, debido a que se proyecta una razón de crecimiento de carga de la región mayor a la razón de crecimiento de la carga mínima de su sistema de plantas.

• En el ámbito de un objetivo nacional de crecimiento intensivo de las fuentes renovables de energía para generación eléctrica, en general, y de los sistemas FV interconectados en México, en particular, se deben disponer de sistemas eléctricos con una flexibilidad acorde. No obstante, se puede recurrir a mecanismos alternos como almacenamiento de energía o cargas despachables.

Conclusiones