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Tecnologías bajas en emisiones de carbono en redes de
distribución: Impactos y Soluciones
Alejandro Navarro Espinosa, PhD
Consultor Experto – Systep Ingeniería y Diseños
Investigador Senior – Centro de Energía de la Universidad de Chile
Tomorrow’s Electricity
Ciudad de Panamá, Panamá
Septiembre, 2016
A. Navarro Espinosa, Universidad de Chile – Systep, Sept. 2016
• Introducción
• Tecnologías bajas en emisiones de carbono (LCTs)
• Impactos en las redes de distribución
• Potenciales soluciones
• Consideraciones finales
Tabla de Contenidos
2
Los resultados de esta presentación han sido desarrollados en colaboración con el Dr. Nando Ochoa. Financiados por ENWL
A. Navarro Espinosa, Universidad de Chile – Systep, Sept. 2016 3
¿Por qué estamos acá?
• Movernos a una economía baja en carbono es fundamental para
enfrentar el cambio climático.
• La adopción residencial de tecnologías bajas en emisiones de carbono
(LCTs, i.e., paneles solares, vehículos eléctricos, etc.) puede ayudar a
alcanzar este objetivo.
• Estas LCTs pueden producir impactos técnicos en las redes de
distribución.
• Para facilitar la adopción de estas tecnologías en las redes de
distribución se requiere entender detalladamente sus impactos, de
manera que sea posible conocer sus límites y las posibles acciones de
mitigación.
A. Navarro Espinosa, Universidad de Chile – Systep, Sept. 2016 4
Contexto: Sistema Eléctrico Tradicional
Generación
Transmisión
Distribución
(*) Figura elaborada por el Profesor Rodrigo Moreno, Universidad de Chile.
Contexto: Sistema Eléctrico en evolución
5
Control
Control
SPS
SPS
(*) Figura elaborada por el Profesor Rodrigo Moreno, Universidad de Chile.
Foco de la presentación
Sistema de Distribución
• Impactos técnicos de las LCTs.
• Potenciales acciones para la minimización de sus impactos.
Control
Control
SPS
SPS
¿Por qué necesitamos más LCTs?
• Disminución de la intensidad de emisiones y aumento de la eficiencia
en el consumo energético.
• Ejemplos: – La incorporación de paneles solares disminuye las emisiones en la
generación de energía.
– La electrificación del calor a través de bombas calor aumenta la
eficiencia (disminuye el consumo de energía mientras suministrando el
mismo nivel de confort) y disminuye las intensidad de emisiones
(reemplazando calderas a gas por electricidad).
– µcogeneración aumenta la eficiencia al generar electricidad y calor en el
hogar.
– Los vehículos eléctricos permiten reducir la intensidad de emisiones al
reemplazar el uso de diésel con la electricidad de la red.
Sistemas de Distribución y LCT
0 100 200 300 400 500 6000
100
200
300
400
500
[m]
[m]
Feeder 3
Feeder 4
Feeder 5
Feeder 2 Feeder 6
Feeder 7
Feeder 1
Consumos Residenciales
Vehículos Eléctricos Paneles Solares
Bombas de Calor
Micro - cogeneración
Redes de Distribución
Elementos relevantes de las LCTs
• Estas tecnologías se conectan principalmente en baja tensión (consumos
residenciales), donde las distribuidoras a la fecha no tienen un conocimiento
detallado de las mismas.
• Estas tecnologías avanzan paulatinamente hacia la electrificación del vector
de energía (electricidad, calor, transporte).
• Podrían ser incorporadas por clientes residenciales sin conocimiento explícito
por parte de la distribuidora (localización aleatoria en la red de
distribución).
• Los tamaños de la tecnología serán diversos en función de las elecciones y
necesidades de los clientes (tamaños aleatorios de la tecnología).
Potenciales problemas en la red de distribución
• Las redes de distribución a las cuales se conectan las LCTs no fueron
diseñadas pensando en su incorporación.
Power Power
A. Navarro Espinosa, Universidad de Chile – Systep, Sept. 2016
Paneles solares que de acuerdo al nivel de adopción (% de las casas con
instalaciones solares) y del tamaño (i.e., 0.5 – 4 kW) puede revertir flujos de
potencia, provocar alza en voltajes y sobrecarga en las instalaciones.
0 50 100 150 200 250 3000
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
24 Hours - 5 min resolution
[kW
]
Profile 1
Profile 2
Profile 3
0 50 100 150 200 250 3000
200
400
600
800
1000
1200
24 hours - 5 minutes resolution
[W/m
2]
Ejemplo radiación solar Perfiles de generación solar
Producción de residencial de electricidad
A. Navarro Espinosa, Universidad de Chile – Systep, Sept. 2016
• Vehículos eléctricos, cargas al sistema de
distribución, la energía para su
movimiento es almacenada en baterías
que son suministradas a través de la red
eléctrica (i.e., 24 kWh, 3.5 kW).
• Su consumo depende del patrón de uso y
de carga que realicen sus dueños.
0 50 100 150 200 250 3000
0.5
1
1.5
2
2.5
3
24 Hours - 5 min resolution
[kW
]
Profile 1
Profile 2
Profile 3
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
1
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7
24 hours - 15 minutes resolution
Pro
babili
ty [
%]
0 5 10 15 20 250
2
4
6
8
10
12
14
Energy Demanded [kWh]
Pro
babili
ty [
%]
Electrificación del transporte Pe
rfile
s d
e v
ehíc
ulo
s el
éctr
ico
s
A. Navarro Espinosa, Universidad de Chile – Systep, Sept. 2016
• Bombas de calor, nuevas cargas eléctricas, que mueven calor desde fuera
del hogar al interior del mismo, para lo cual requieren consumir
electricidad desde la red (alta eficiencia), con tamaños de entre 2 a 7 kW.
• El patrón de consumo dependerá de los requerimientos de calor del hogar
(temperatura ambiental, temperatura del hogar, aislación de la casa,
mecanismos de transferencia).
0 50 100 150 200 250 300-5
0
5
10
ºC
24 Hours - 5 min resolution
0 50 100 150 200 250 3000
5
10
15
kW
Temperature
Auxiliary Heater
EHP Consumption
EHP Production
0 50 100 150 200 250 300-5
0
5
10
ºC
24 Hours - 5 min resolution
0 50 100 150 200 250 3000
5
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15
kW
Temperature
Auxiliary Heater
EHP Consumption
EHP Production
Electrificación del calor
Perfiles Bombas de Calor
A. Navarro Espinosa, Universidad de Chile – Systep, Sept. 2016
• Importancia de la dimensión temporal
Demanda Residencial
24:00 00:00 06:00 12:00 18:00
P [kW]
LCTs también varían a lo largo del día y por tanto sus impactos dependen de su coincidencia con la carga
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• Es clave: modelar la temporalidad de las nuevas tecnologías y de la
carga, la aleatoriedad de su ubicación y tamaño, y la característica
desbalanceada de las redes de distribución.
Random allocation of loads
Random allocation of LCT
Three phase four wire simulation
Metric Determination: Voltage Issues and Congestion
For
eac
h p
en
etr
atio
n le
vel
For
eac
h s
imu
lati
on
For
eac
h f
ee
de
r
Storing Simulation Results
Storing Feeder Results
For
eac
h L
CT
Creation of LV feeders Creation of profiles
Características principales
Monte Carlo Simulations Times Series Analysis
3φ unbalance power flow
Evaluando los impactos
A. Navarro-Espinosa and L.F. Ochoa, “Probabilistic Impact Assessment of Low Carbon Technologies in LV Distribution Systems”, IEEE Transactions on Power Systems, In Press, Accepted in Jun 2015. DOI Link: http://dx.doi.org/10.1109/TPWRS.2015.2448663
A. Navarro Espinosa, Universidad de Chile – Systep, Sept. 2016
• De cada simulación se obtiene los voltajes y corrientes para cada uno de
los periodos del día para cada uno de los nodos de la red.
0
20
40
60
80 050
100150
200250
300
228
230
232
234
236
238
24 hours - 5 minutes Resolution
Voltage Profile in each load
Loads
V
3.9055 3.906 3.9065 3.907 3.9075 3.908 3.9085 3.909 3.9095
x 105
3.9285
3.929
3.9295
3.93
3.9305
3.931
3.9315
3.932
x 105
[m]
[m]
Evaluando los impactos – flujos diarios de potencia
A. Navarro Espinosa, Universidad de Chile – Systep, Sept. 2016
• Para condensar las simulaciones se
pueden utilizar los siguientes índices:
• Porcentaje de los clientes con
problemas de voltaje.
• Nivel de utilización en la cabecera
del alimentador.
0 100 200 300 400 500 600
0
100
200
300
400
500
[m]
[m]
Network 15
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
PV Penetration [%]
Custo
mers
[%
]
Feeder 1
Feeder 2
Feeder 3
Feeder 4
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
20
40
60
80
100
120
140
PV Penetration [%]
Utiliz
ation L
evel [%
]
Feeder 1
Feeder 2
Feeder 3
Feeder 4
Feeder 5
Feeder 6
Feeder 7
Voltaje
Congestión
Evaluando los impactos Paneles Solares
A. Navarro Espinosa, Universidad de Chile – Systep, Sept. 2016
Evaluando los impactos - LCTs
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
10
20
30
40
50
60
70
EHP Penetration [%]
Custo
mers
[%
]
Feeder 2
Feeder 3
Feeder 4
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
50
100
150
200
250
300
EHP Penetration [%]
Utiliz
ation L
evel [%
]
Feeder 1
Feeder 2
Feeder 3
Feeder 4
Feeder 5
Feeder 6
Feeder 7
Voltaje Congestión
Bombas de Calor
A. Navarro Espinosa, Universidad de Chile – Systep, Sept. 2016
Evaluando los impactos - LCTs
Voltaje Congestión
Vehículos eléctricos
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
5
10
15
20
25
30
35
40
EV Penetration [%]
Custo
mers
[%
]
Feeder 3
Feeder 4
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
50
100
150
200
250
300
EV Penetration [%]
Utiliz
ation L
evel [%
]
Feeder 1
Feeder 2
Feeder 3
Feeder 4
Feeder 5
Feeder 6
Feeder 7
A. Navarro Espinosa, Universidad de Chile – Systep, Sept. 2016
• En la red utilizada de ejemplo los problemas comienzan entre 20-40% de
adopción (% de las casas con una determinada tecnología)
Evaluando los impactos - LCTs
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
50
100
150
200
250
300
350
400
450
[m]
[m]
Network 1
0 100 200 300 400 500 600 700 8000
100
200
300
400
500
600
[m]
[m]
Network 2
0 100 200 300 400 5000
50
100
150
200
250
300
350
400
450
[m]
[m]
Network 3
50 100 150 200 250 300 350 400
0
50
100
150
200
250
300
[m]
[m]
Network 21
-100 0 100 200 300 400 5000
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
[m]
[m] Network 22
0 50 100 150 200
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
[m]
[m]
Network 25
¿Podemos tratar de extender estos resultados?
…
A. Navarro Espinosa, Universidad de Chile – Systep, Sept. 2016
• El análisis de impacto es implementado para 125 alimentadores de
distribución, obteniendo los siguientes resultados:
Evaluando los impactos - LCTs
PV EHP EV0
10
20
30
40
50
60
[%]
% of Feeders with Voltage Problems
% of Feeders with Thermal Problems
PV EHP EV0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
[%]
Voltage Problems before than Thermal Problems
Thermal Problems before Voltage Problems
% de alimentadores con problemas Primeros problemas en aparecer
¿Cómo aumentar la adopción de LCTs en aquellas
redes que presentan problemas técnicos?
Casi el 50% de los alimentadores de baja tensión analizados permiten
100% de incorporación de LCTs (todos los hogares con una
determinada tecnología). ¿Qué hacer en el resto de los casos?
A. Navarro Espinosa, Universidad de Chile – Systep, Sept. 2016
• Incorporación de control, telecomunicaciones y nuevas inversiones
para el manejo activo e inteligente de las redes de distribución.
• Ejemplos:
• Incorporación de almacenamiento de energía (residencial o a
nivel de la distribuidora).
• Uso de cambiadores de TAP en trasformadores de distribución.
• Conexión de redes radiales de distribución (enmallamiento).
Incorporando LCTs con Redes inteligentes
A. Navarro Espinosa, Universidad de Chile – Systep, Sept. 2016
• Pasando de redes normalmente radiales a redes enmalladas o con la posibilidad de conexión dinámica (estado cambiando a lo largo del día soft-open points)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100
10
20
30
40
50
60
PV Penetration [%]
Custo
mers
[%
]
Subte1 - Feeder
4
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100
5
10
15
20
25
PV Penetration [%]
Custo
mers
[%
]
Subte1 - Feeder
4
Caso radial Caso enmallado
Operación enmallada de la red
A. Navarro-Espinosa, L.F. Ochoa, and D. Randles, “Assessing the Benefits of Meshed Operation of LV Feeders with Low Carbon Technologies”, in Proc. of IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Conference (ISGT America), Feb. 2014.
DOI Link: http://dx.doi.org/10.1109/ISGT.2014.6816494
A. Navarro Espinosa, Universidad de Chile – Systep, Sept. 2016
• Ejemplo: a nivel de
distribuidora (una por red
BT, o por alimentador
MT)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100
10
20
30
40
50
60
70
80
PV Penetration [%]
Cu
sto
me
rs [
%]
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100
2
4
6
8
10
PV Penetration [%]
Custo
mers
[%
]
Con batería Sin batería
Almacenamiento de Energía
Main Grid
FeederPart A
Feeder Part B
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• Modificación del voltaje de referencia en el trasformador de
distribución (11kV/400V) para disminuir los problemas de voltaje
con la adopción de nuevas tecnologías.
Cambiadores de TAP (OLTC) en distribución
A. Navarro Espinosa, Universidad de Chile – Systep, Sept. 2016
• La posibilidad de control y comunicación permite eliminar casi la
totalidad de los problemas de voltaje en la red analizada.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100
10
20
30
40
50
60
PV Penetration [%]
Voltage P
roble
ms [%
]
Feeder 1
Feeder 2
Feeder 3
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
PV Penetration [%]
Voltage P
roble
ms [%
]
Feeder 1
Feeder 2
Feeder 3
OLTC comunicado con el último nodo
Cambiadores de TAP (OLTC) en distribución
A. Navarro-Espinosa and L. Ochoa, “Increasing the PV Hosting Capacity of LV Networks: OLTC-Fitted Transformers vs. Reinforcements”, in Proc. of IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Conference (ISGT-America), Feb. 2015.
DOI Link: http://dx.doi.org/10.1109/ISGT.2015.7131856
A. Navarro Espinosa, Universidad de Chile – Systep, Sept. 2016
• Los problemas técnicos debidos a la incorporación de LCTs
dependerán de las características de cada red. Sin embargo se
observa que para niveles de 20-30% de penetración no hay
problemas significativos.
• Casi el 50% de los alimentadores de baja tensión analizados
permiten 100% de incorporación de LCTs (todos los hogares con
una determinada tecnología).
• Para los alimentadores con problemas técnicos existen las
tecnologías inteligentes para minimizar sus impactos, eliminando
y/o retardando su ocurrencia.
• El siguiente paso es analizar sistemas de distribución de gran
tamaño (miles de redes) para analizar en más detalles los efectos de
la incorporación de LCTs.
Consideraciones Finales