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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
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
Centro Regional de Tecnología Eólica (CERTE), IIE,
Juchitán, Oaxaca 9 kWp, 2009
Aplicaciones recientes de SFVI
en México (cont.)
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 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 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
• 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.
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
• 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.)
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