1

Grupo de trabajo Incorporación de ERNC en los Sistemas Nacionales - CIGRE

Flexibilidad en los sistemas eléctricos de potencia Aporte y efectos de centrales convencionales y Centrales ERNC

en Chile

Congreso Bienal Internacional VIII versión – Octubre 2017Flexibilidad de los sistemas eléctricos a través de desarrollos tecnológicos,

económicos y regulatorios.

2

Propuesta de trabajo – (2017/2018)

Determinación de requerimientos de Cycling y Ramping

en unidades térmicas en el SIC y SING y limitaciones que eventualmente podría introducir la norma ambiental

Estudio 1

Investigación del estado del arte en la

determinación de los efectos del

Cycling y Ramping en unidades térmicas –

indicadores claves

Estudio 2

Aporte de las ERNC a la Flexibilidad de

sistemas eléctricos según desarrollo

tecnológico – aporte a la reserva en giro y

control de frecuencia

Estudio 3

Incorporar hydroPeaking/aspectos económicos

3

1. Motivación y objetivos

2. Antecedentes

3. Casos de estudio y metodología

4. Resultados

5. Conclusiones

Agenda

4

Motivación y objetivos

5

Nuevo escenario operativoMotivación

ERNC variable; Se requiere flexibilidad del parque convencional

Unidades ciclan según orden de mérito: • Las más caras bajan carga, hasta

hacer un ciclo encendido-apagado

• Las que siguen bajan carga, pero no son apagadas. Algunas horas operan a MT

• El grupo más eficiente opera en base

Ejemplo: operación abr 2030

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000Generación por tecnología

Pasada Biomasa Eolica SolarEmbalse+Serie Carbon GNL Diesel

MW

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

Generación termoeléctrica

Base operación a carga parcial o MTSwitching

MW

Costo Variable

6

Emisiones y mantenimiento en nuevo régimen operativoMotivación

Generadores termoeléctricos no han sido diseñados para este régimen operativo variable.

Emisiones; ¿Puede ser más contaminante en otros puntos de operación? ¿Cómo se relaciona esto con la norma ambiental?

Mantenimiento; ¿Hay algún desgaste adicional que eleve los costos o frecuencia?

0

20

40

60

80

100

120

140

160

1 4 7 10 13 16 19 22 1 4 7 10 13 16 19 22 1 4 7 10 13 16 19 22 1 4 7 10 13 16 19 22 1 4 7 10 13 16 19 22

17 18 19 20 21

Con

cent

raci

ónN

OX

-m

g/n

m3

Operación real U16 - 17 al 21 de Octubre 2015

0

50

100

150

200

250

300

350

1 4 7 10 13 16 19 22 1 4 7 10 13 16 19 22 1 4 7 10 13 16 19 22 1 4 7 10 13 16 19 22 1 4 7 10 13 16 19 22

17 18 19 20 21

MW

Operación real U16 - 17 al 21 de Octubre 2015

**datos obtenidos de la Superintendencia del medio ambiente

Ejemplo;U16 – Operación Octubre 2015; días 18 y 21

Durante horas de partida, se observan emisiones fuera de norma*

7

Objetivo principal y específicosObjetivos del estudio

Estudiar la regulación de

emisiones

Realizar simulaciones del

sistema SIC-SING,

dimensionando el ciclaje a futuro

Levantar información

sobre las emisiones de unidades en

distintos puntos de operación

Establecer posibles

limitaciones de la normativa al

ciclaje en base a lo anterior

Determinar requerimientos de ciclaje de unidades termoeléctricas y limitaciones posibles de la normativa ambiental

8

Antecedentes

9

Regulación en ChileRegulación de emisiones

En Chile el DS13, 2011 “Norma de emisiones para centrales termoeléctricas” establece los límites de NOx, SO2, MP y Hg (en concentración, mg/nm3)

Fuentes CombustibleMaterial

Particulado (MP)

Dióxido de Azufre

(SO2)

Óxidos de Nitrógeno

(NOx)

Existentes (en construcción hasta nov. 2010)

Sólido 50 400 500

Líquido 30 30 200

Gas No aplica No aplica 50

Nuevas

Sólido 30 200 200

Líquido 30 10 120

Gas No aplica No aplica 50

Los valores límites de emisión para MP y SO2 de ambas tablas se evaluarán sobre la base de

promedios horarios, las horas de inconformidad deben justificarse como horas de partida, detención o falla. Si no puede justificarse, se considerará un incumplimiento de la norma.

Los valores límites de emisión para fuentes emisoras existentes para NOx se evaluarán sobre la base de promedios horarios y se deberán cumplir durante el 70% de las horas de funcionamiento. El 30% de las horas restantes comprenden horas de partida, detención o probables fallas. (cambia a 95%-5% para fuentes nuevas)

10

Estudios realizadosCiclaje

Debido al creciente interés en las ERNC, es posible encontrar mayor cantidad de estudios asociados al ciclaje de unidades térmicas.

El ciclaje en unidades que utilizan combustibles fósiles repercute en la vida útil, rendimiento y necesidad de mantenimiento. Diversas instituciones (EPRI, Intertek y NREL) han puesto su foco en los impactos.

Hay algunos estudios que ligan el ciclaje con las emisiones

En Chile se han realizado diversos estudios; cambios en el CVNC (V. Bassi) y análisis del ciclaje presente y futuro (Systep)(CDEC’s)

Valentino L, Valenzuela V, Botterud A, Zhou Z, Conzelmann G. System-wide emissions

implications of increased wind power penetration. Environ. Sci. Technol. 2012;46:4200-4206.

11

Casos de estudio y metodología

12

Estudios realizadosCiclaje

Simulaciones de la operación: para distintos escenarios futuros, se simula la operación económica del SIC-SING a nivel horario, usando avanzados modelos y metodologías que representan adecuadamente la flexibilidad y necesidad de ciclaje

Eólico [MW]

Solar PV [MW]

2018 1350 3000

2021 4300 3500

En el estudio se llevan a cabo dos ejercicios principales

Plan de Obras: CNE, + proyectos adjudicados en los últimos procesos de licitación de suministro para clientes regulados.

Análisis de emisiones: con el objetivo de determinar el efecto del ciclaje en las emisiones, se solicitaron datos a la Superintendencia del Medio Ambiente (SMA) y se analizaron datos reales de algunas unidades termoeléctricas en operación durante 2015.

13

Resultados

14

Análisis de emisionesResultados

Se analizan datos de emisiones, donde el caso más interesante de analizar corresponde al NOx v/s volumen de combustible utilizado en algunos ciclos combinados

Nehuenco IU16 Nehuenco II

Op

erac

ión

no

rmal

Parti

das

*Los datos horarios reportados a la Superintendencia de Medio Ambiente (SMA) fueron filtrados tomando en cuenta fallas de las unidades y datos erróneos de medición.

15

Análisis de emisiones de CC durante partidasResultados

Existe una clara tendencia a sobrepasar el límite durante el proceso de partida; El DS13 contempla una relación permitida entre las horas que se debe cumplir con el límite en operación normal y horas de partida. Interesa establecer relación entre:

• Horas de partida sobre el límite . • Horas promedio de partida de las unidades

�=� �

� �

Parámetro Unidad 16 Nehuenco I Nehuenco II Promedio

k 0,39 0,82 0,58 -

(horas) 4,5 4,6 5,1 -

(horas) 1,8 3,7 3,0 2,8

Parámetro Unidad 16 Nehuenco I Nehuenco II Promedio

k 0,39 0,82 0,58 -

4,5 4,6 5,1 -

1,8 3,7 3,0 2,8

Emisiones durante eventos de partida - U16

Con esta información, se podrá aproximar el efecto del ciclaje en las emisiones para escenarios futuros

16

Carbon Hidro GNL Biomasa Diesel Solar Eolico0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

40%

33%

16%

3% 3% 2% 3%

38%36%

6%

4%

0%

11%

5%

36%38%

1%3%

0%

10%12%

36%

33%

8%

3%

0%

8%11%

2015 2018 2021 2025

Los resultados de generación por tecnología de la figura anterior están en directa relación con el tipo de ciclaje que experimentan las centrales termoeléctricas

Simulaciones de la operación – Composición de la matrizResultados

Configuración general de la matriz eléctrica nacional y su evolución a futuro

Nuevos proyectos en construcción (~1000 MW)

GNL cubre crecimiento de demanda

Nuevos proyectos asociados a licitaciones

17

Número de partidas CC: Valor medio supera en algunos casos 1 partida por semana, pudiendo llegar a 3 por semana en hidrologías secas

Simulaciones de la operación - PartidasResultados

U16_TG_TV_GNL

CC1_GNL

CC2_GNL

CTM3_TG

_TV_GNL_SIC

KELAR_2TG

_TV_GNL

Nehuenco_01_GNL

Nehuenco_02_GNL

San_Isi

dro_GNL

San_Isi

dro_02_GNL

Nueva_Renca

_GNL0

20

40

60

80

100

120

2018 2021 2025

Num

ero

de p

arti

das

anu

ale

s va

lor

espe

rado

18

Número de partidas Vapor-Carbón: no son significativos, dado los tiempos mínimos de operación y sus altos costos de encendido

Simulaciones de la operación - PartidasResultados

CTM

1

CTM

2

U12

U13

U14

U15

NTO

1

NTO

2

CTT

AR

CTA

CTH

AN

G_I

AN

G_I

I

CO

CH

RA

NE_

1

COC

HR

AN

E_2

IEM

Gua

cold

a_01

Gua

cold

a_0

2

Gua

cold

a_03

Gua

cold

a_04

Gua

cold

a_05

Ven

tana

s_01

Vent

anas

_02

Cam

pich

e

Nue

va_V

enta

nas

Sant

a_M

aria

Boc

amin

a_01

Bo

cam

ina

_020

1

2

3

4

5

6

7

8

9

2018 2021 2025

Num

ero

de

parti

das

anu

ale

s va

lor

espe

rad

o

19

Horas a mínimo técnico CC: Valor es variable de acuerdo a la sustitución por partidas y paradas: Transición de matriz Carbón - GNL

Simulaciones de la operación – horas a MTResultados

U16_TG_TV_GNL

CC1_GNL

CC2_GNL

CTM3_TG

_TV_GNL_SIC

KELAR_2TG

_TV_GNL

Nehuenco_01_GNL

Nehuenco_02_GNL

San_Isi

dro_GNL

San_Isi

dro_02_GNL

Nueva_Renca

_GNL0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

2018 2021 2025

Frac

ción

hor

as a

mín

imo

técn

icov

alor

esp

erad

o

20

Horas a mínimo técnico: Valor es variable de acuerdo a la sustitución por partidas y paradas. Transición de matriz Carbón - GNL

Simulaciones de la operación – horas a MTResultados

CTM

1

CTM

2

U12

U13

U14

U15

NTO

1

NTO

2

CTT

AR

CTA

CTH

AN

G_I

AN

G_I

I

COC

HR

AN

E_1

COC

HR

AN

E_2

IEM

Gua

cold

a_01

Gua

cold

a_02

Gua

cold

a_03

Gua

cold

a_04

Gua

cold

a_05

Ven

tana

s_01

Vent

anas

_02

Cam

pich

e

Nue

va_V

ent

anas

Sant

a_M

aria

Boc

amin

a_01

Boc

amin

a_02

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

2018 2021 2025

Frac

ció

n ho

ras

a m

ínim

o té

cnic

oval

or e

sper

ado

21

Análisis de limitacionesResultados

Para el año 2025 –donde las unidades a GNL ciclan– se puede calcular la fracción

CentralHidrología húmeda Hidrología seca Hidrología media

Np Hop Fracción Np Hop Fracción Np Hop Fracción

CC1 19 66 35% 9 35 31% 59 806 16%

CC2 17 55 30% 10 33 41% 68 1283 13%

CTM3 97 538 31% 89 481 31% 134 4408 8%

KELAR 108 1154 19% 75 1849 10% 69 6829 3%

Nehuenco_01 45 1756 7% 70 2950 6% 18 8002 1%

Nueva_Renca 60 2412 6% 69 4177 4% 8 7310 0%

San_Isidro_02 128 3455 9% 65 5998 3% 3 8158 0%

San_Isidro 1 4 37% 1 51 5% 39 5692 2%

U16 41 4502 2% 25 7444 1% 10 8099 0%

������ó�=�� ∙��

�� ∙��+���

Si se utilizara esta fracción como indicador de cumplimiento futuro del DS13-2011, varias unidades existentes estarían superando el límite el 30% y 5 % respectivamente. (En el caso de kelar 5%, sus datos no fueron analizados en detalle, por lo que el % podría ser menor).

22

El régimen operativo de Ciclaje identificado podría no ser realista.

Eventual incentivo para establecer restricciones a la flexibilidad de los CC. a efectos de evitar eventos de incumplimiento de la norma ambiental.

⁻ Tiempos mínimos de operación que aseguren que por cada partida se logra la relación de cumplimiento.

⁻ Considerando el valor promedio estimado de Te =2.8 hrs, esto significaría un tiempo mínimo de operación de 9 horas aproximadamente.

⁻ Tiempo superaría el estándar a nivel mundial y nacional de los C.C., el cual está en torno a las 2-3 horas, reduciendo la flexibilidad del parque de generación termoeléctrico de forma significativa.

Análisis de limitacionesResultados

23

Conclusiones

24

• En los próximos años, se requerirá en mayor medida un ciclaje de unidades termoeléctricas como complemento a las ERNC variables

• El ciclaje depende de la tecnología; El grupo termoeléctrico a carbón experimenta grandes periodos donde tiene que bajar carga y operar a mínimo técnico, mientras los CC, por utilizar un combustible de mayor costo y poseer mayor flexibilidad operacional, aumentan sus ciclos de partida.

• Del análisis de emisiones obtenidas de la operación real, se concluyó que el caso de emisiones de NOx durante la partida de los CC es el más relevante a estudiar. En promedio, durante 2.8 hrs se sobrepasa el límite impuesto por la norma.

• Se ha concluido que para los ciclos combinados que experimentan altos números de partidas, la operación fuera de norma representa una fracción superior al 30% permitido, respecto del total de horas de operación.

• Bajo estos supuestos se concluye que este hecho podría motivar el aumento de los tiempos mínimos de operación de los ciclos combinados, de modo tal que no se produzcan incumplimientos, en desmedro de la flexibilidad de estas centrales.

Respecto al análisis realizadoConclusiones

25

• Actualizar el análisis de emisiones, integrando más unidades e información más reciente. En 2016 se han tenido importantes eventos de ciclaje que serían de interés para robustecer las conclusiones.

• Integrar visión de la autoridad y empresas sobre la interpretación de la norma, en particular del Servicio de Evaluación Ambiental.

• Llevar a cabo simulaciones en 2025 que aumenten la cantidad de ERNC que se espera en el sistema, a modo de evaluar un caso de ciclaje más extremo. Evaluar necesidades de flexibilidad y eventuales restricciones en centrales hidroeléctricas.

• Considerar escenarios con parámetros más inflexibles para los ciclos combinados, y cuantificar los efectos en la operación del sistema.

• Basados en el Estudio 2, desarrollar trabajo conjunto con empresas generadoras, para estimar efectos que el ciclaje podría introducir sobre las máquinas, en su vida útil, costos de mantenimiento y tasas de falla, considerando nuevas prácticas de gestión de activos.

• Desarrollar estudio 3, relativo al aporte a la flexibilidad por parte de las ERNC.

Trabajos futuros posiblesConclusiones