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Casos de estudio: la industria chilena como

proveedora de flexibilidad para el sistema

eléctrico

Agenda

1. Respuesta de la demanda como

proveedor de flexibilidad para

generación en sitio 100% renovable

2. Generación de perfiles de

consumo para la evaluación de

potencial de respuesta de la

demanda las de industrias

3. Cogeneración y respuesta de la

demanda como llaves para la

integración de altos niveles de

energías renovables en el Sistema

eléctrico Chileno

1. Respuesta de la demanda como

proveedor de flexibilidad para

generación en sitio 100% renovable

Para mayor información:

Respuesta de la demanda como proveedor de flexibilidad para

generación en sitio 100% renovable

• Cual es la dimensión de sistemas híbridos (fotovoltaico, eólico yalmacenamiento) necesario para proveer una cantidad estable de energía(1 MWh) en todo momento a lo largo del territorio nacional?

• Que contribución puede hacer la respuesta de demanda para disminuir la capacidad instalada necesaria?

Respuesta de la demanda como proveedor de flexibilidad para

generación en sitio 100% renovable

El Modelo

Respuesta de la demanda como proveedor de flexibilidad para

generación en sitio 100% renovable

Los datos

• ERA5 tiene una resolución especial de 31 km * 31 km

• Y una resolución temporal de 1 hora

• Disponible desde 1950 (para el modelo usamos 2008-2017)

http://photos.prnewswire.com/prnh/20161102/435665

ERA5 Variables

Wind velocity in u direction at ten meters height (10u)

Wind velocity in v direction at ten meters height (10v)

Surface shortwave radiation downwards (ssrd)

Ambient temperature at two meters height (2t)

𝑝𝑣𝑂𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡𝑡,𝑎(𝑮) = 𝑮 ∗ 𝜼𝑷𝑽 ∗ [𝟏 + 𝜶𝑷𝑴𝑷𝑷((𝑻𝑡𝒂𝒎𝒃 + 𝒌𝑻𝑮/𝑨) − 𝑻𝟎)]

𝐺 = GHI from ERA5 data [W/m2]

𝜂𝑃𝑉 = photovoltaic panel efficiency

𝛼𝑃𝑀𝑃𝑃 = temperature correction factor

𝑇𝑡𝑎𝑚𝑏 = ambient air temperature from ERA5 data [°C]

𝑘𝑇 = reduction factor due to installation type

𝐴 = PV plant area [m2]

𝑇0 = nominal operating temperature

Respuesta de la demanda como proveedor de flexibilidad para

generación en sitio 100% renovable

Generación fotovoltaica

Respuesta de la demanda como proveedor de flexibilidad para

generación en sitio 100% renovable

Generación eólica

Manufacturer ModelHeight

[m]

Capacity

[kW]

Schachner SW 10 10 10

winDual A1 K 5,5 1

winDual A1 K 8,2 1

Windspot 7.5Kw 12 7,5

Windspot 7.5Kw 14 7,5

MAN Aeroman 11/11 10 11

ecotècnica ECO 12/30 14 30

Hummer H8.16-10KW 10 10

Synthetic Synthetic 10 10.5

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

ou

tpu

t [k

W]

wind speed [m/s]

Schachner SW10 winDual A1 K Windspot 7.5Kw

MAN Aeroman 11/11 ecoècnica ECO 12/30 Hummer H8.16-10KW

MW Hummer Schachner MANEspecificaciones de turbinas consideradas para el modelo de turbina sintético para la evaluación de recursos. La línea punteada en rojo oscuro es la curva definitiva.

𝑂𝑢𝑡𝑤,𝑡 =𝑝ℎ𝑖,𝑡 − 𝑝𝑙𝑜,𝑡 ∗ 𝑠𝑡 + 𝑠ℎ𝑖,𝑡 ∗ 𝑝𝑙𝑜,𝑡 − 𝑠𝑙𝑜,𝑡 ∗ 𝑝ℎ𝑖,𝑡

𝑠ℎ𝑖,𝑡 − 𝑠𝑙𝑜,𝑡

Respuesta de la demanda como proveedor de flexibilidad para

generación en sitio 100% renovable

El modelo de optimización para dimensionar el sistema

Respuesta de la demanda como proveedor de flexibilidad para

generación en sitio 100% renovable

Parámetros

Parámetro Valor asumido

PV total installation cost [𝒑𝒗𝑪𝒐𝒔𝒕] 1,200 [EUR/kWp]

PV panel efficiency [𝜂𝑃𝑉] 21%

Temperature correction factor [𝛼𝑃𝑀𝑃𝑃] -0.0045 [%/°C]

Reduction factor due to installation type [𝑘𝑇] 0.035 [°C /(W/m2)]

Nominal operating temperature [𝑇0 ] 25 [°C]

Wind turbine total installation cost [𝒘𝒊𝒏𝒅𝑪𝒐𝒔𝒕] 56,000 [EUR/10.5 kW]

Electric energy storage [𝒆𝒔𝑪𝒐𝒔𝒕] 1,000 [EUR/kWh]

Storage system (round trip) efficiency 75%

Hourly self-discharge ration of the storage

[𝒆𝑺𝒕𝒐𝒓𝑫𝒊𝒔𝒄𝒉𝒂𝒓𝒈𝒆]0.01%

Respuesta de la demanda como proveedor de flexibilidad para

generación en sitio 100% renovable

Resultados considerando la serie de tiempo 2008-2017

Respuesta de la demanda como proveedor de flexibilidad para

generación en sitio 100% renovable

Y que pasa si no se consideran los casos extremos?Y si se hace respuesta de la demanda?

El modelo de optimización se modifica para que haya 20% de respuestade la demanda en cada dirección pero la demanda diaria total semantenga igual. Además se hacen escenarios con un año con pocosextremos climáticos.

Respuesta de la demanda como proveedor de flexibilidad para

generación en sitio 100% renovable

Resultados con un solo año de datos y con respuesta de la demanda

Resultados mixtos, las combinaciones optimas de tecnología cambian dependiendo de la locación pero en general los costos totales son menores.

Respuesta de la demanda como proveedor de flexibilidad para

generación en sitio 100% renovable

Resultados con un solo año de datos y con respuesta de la demanda

Respuesta de la demanda como proveedor de flexibilidad para

generación en sitio 100% renovable

Resultados – modificaciones necesarias de los perfiles de demanda

2. Generación de perfiles de consumo

para la evaluación de potencial de

respuesta de la demanda de las

industrias

Generación de perfiles de consumo para la evaluación de

potencial de respuesta de la demanda de las industrias

La falta de conocimiento por parte de los clientes de su consumo de energía es una delas principales barreras para la gestión de la demanda en la pequeña y medianaindustria (Richard, 2017)

Objetivos:

• Desarrollo de un método para el cálculo de la capacidad de producción no utilizada en el pasado

• Generación de perfiles de carga del consumidor

• Cálculo de potencial de flexibilidad para responder a la demanda

Metodología

Detección y eliminación de

datos incorrectos

Análisis de ciclosFormación de grupos

Generación de Centroides

Selección de algoritmo de agrupamiento

Generación de perfiles

Cálculo del potencial horario

de flexibilidad

Cálculo de indicadores de validez interna

2

1

3

4

5

Colección y procesamiento de datos

Pre-agrupamiento

Agrupamiento

Validación

Cálculo de Potencial

Generación de perfiles de consumo para la evaluación de

potencial de respuesta de la demanda de las industrias

Industria Tamaño CHP Periodos Frecuencia

Papel Mediano Si 2016 - 2017 Horaria

Papel Pequeño Si 2016-2017 Bihoraria

Agroalimentaria Pequeño No 2017 Horaria

Datos recogidos en las diferentes industrias

Generación de perfiles de consumo para la evaluación de

potencial de respuesta de la demanda de las industrias

Datos de empresa del sector papelero (una empresa, un año) - normalizados

Generación de perfiles de consumo para la evaluación de

potencial de respuesta de la demanda de las industrias

Análisis de ciclos:

MensualSemanalDiarioHorario

Coeficiente de determinación:

Abril R² = 0.620

Mayo R² = 0.719

Junio R² = 0.497

Julio R² = 0.352

Agosto R² = 0.495

Septiembre R² = 0.396

Clusters generados a partir de técnicas de regresión lineal

Generación de perfiles de consumo para la evaluación de

potencial de respuesta de la demanda de las industrias

Clustering

Particionamiento

PAM

Euclidean

DTW

K-shape

DTW

DBA

DTW

Jerárquico

Single

Euclidean

DTW

Sbd

Average

Euclidean

DTW

Sbd

Complete

Euclidean

DTW

Sbd

Ward

Euclidean

DTW

Sbd

Centroid

Euclidean

DTW

Sbd

Median

Euclidean

DTW

Sbd

Métodos de agrupamiento (clustering) usados

Alexis Sarda-Espinosa (2019); Paparrizos and Gravano 2015; Petitjean, Ketterlin and Gancarski (2011)

Generación de perfiles de consumo para la evaluación de

potencial de respuesta de la demanda de las industrias

Disstancia Sil Dunn COP DB CH SF

Euclidean 8 4 15 3 15 15

Dtw 3 15 15 3 3 3

Dtw 3 11 15 3 3 3

Sbd 3 9 15 3 3 3

Distancia Sil Dunn COP DB CH SF

Euclidean 3 3 15 3 3 5

Dtw 3 5 15 3 3 5

Sbd 3 3 15 4 3 7

Resultados de k-medoids con distancia euclidiana Resultado de agrupamiento basado en particionamiento

Resultados de agrupamiento basado en jerarquía

Generación de perfiles de consumo para la evaluación de

potencial de respuesta de la demanda de las industrias

Resultados del clustering

Perfil de demanda: industria agroalimentariaResultado para k-medoids con distancia euclidiana

Cálculo de potencial diario

Distribución anual

Generación de perfiles de consumo para la evaluación de

potencial de respuesta de la demanda de las industrias

Perfil de demanda: industria papelDistribución anualCálculo de potencial diario – Industria papel tamaño pequeño

Cálculo de potencial diario – Industria papel tamaño mediano

Generación de perfiles de consumo para la evaluación de

potencial de respuesta de la demanda de las industrias

3. Cogeneración y respuesta de la

demanda como llaves para la

integración de altos niveles de

energías renovables en el Sistema

eléctrico Chileno

Cogeneración y respuesta de la demanda como llaves para la integración de

altos niveles de energías renovables en el Sistema eléctrico Chileno

• Empresa con perfil sintético normalizado y con requerimiento de potencia máximo de 10 MW

• La empresa está conectada a la red y paga 125 EUR por MWh• tiene un CHP de 5MWe • El CHP se usa para cubrir la demanda de vapor y es flexible para producir

electricidad con un costo adicional de 124 EUR por MWh• El resto del sistema tiene las propiedades explicadas en la primera parte de la

presentación-> Posibilidad de integrar energía fotovoltaica, eólica, sistemas de almacenamiento y respuesta de la demanda.

• La respuesta de la demanda está limitada a -20% por hora y una demanda máxima de 10 MW. La demanda diaria total es igual es la misma que en el perfil sintético.

• Horizonte de planeación de 20 años y los costos de financiamiento no están considerados

Definición de caso y supuestos

Cogeneración y respuesta de la demanda como llaves para la integración de

altos niveles de energías renovables en el Sistema eléctrico Chileno

Electricidad únicamente de la red

Cogeneración y respuesta de la demanda como llaves para la integración de

altos niveles de energías renovables en el Sistema eléctrico Chileno

Electricidad de la red y del CHP en el verano

Cogeneración y respuesta de la demanda como llaves para la integración de

altos niveles de energías renovables en el Sistema eléctrico Chileno

Electricidad de la red y del CHP en el invierno

Cogeneración y respuesta de la demanda como llaves para la integración de

altos niveles de energías renovables en el Sistema eléctrico Chileno

Electricidad de la red y del CHP en el verano

Cogeneración y respuesta de la demanda como llaves para la integración de

altos niveles de energías renovables en el Sistema eléctrico Chileno

Electricidad de la red y del CHP en el invierno

Cogeneración y respuesta de la demanda como llaves para la integración de

altos niveles de energías renovables en el Sistema eléctrico Chileno

Casos de estudio

• Para la integración de renovables la ubicación es una variable clave

• Se llevaron a cabo casos de estudio en el norte y la región de biobio

Cogeneración y respuesta de la demanda como llaves para la integración de

altos niveles de energías renovables en el Sistema eléctrico Chileno

Electricidad de la red, del CHP y renovables (Norte)

- generación renovable óptima

Cogeneración y respuesta de la demanda como llaves para la integración de

altos niveles de energías renovables en el Sistema eléctrico Chileno

Electricidad de la red, del CHP y renovables (Norte) - invierno

Cogeneración y respuesta de la demanda como llaves para la integración de

altos niveles de energías renovables en el Sistema eléctrico Chileno

Electricidad de la red, del CHP y renovables (Norte) - verano

Cogeneración y respuesta de la demanda como llaves para la integración de

altos niveles de energías renovables en el Sistema eléctrico Chileno

Electricidad de la red, del CHP y renovables (Norte) - invierno

Requerimientos de potencia contratada se reducen de 10 MW a menos de 4 MW

Cogeneración y respuesta de la demanda como llaves para la integración de

altos niveles de energías renovables en el Sistema eléctrico Chileno

Electricidad de la red, del CHP y renovables (Norte) - verano

Cogeneración y respuesta de la demanda como llaves para la integración de

altos niveles de energías renovables en el Sistema eléctrico Chileno

Electricidad de la red, del CHP, renovables y RD (Norte)

- generación renovable óptima

Cogeneración y respuesta de la demanda como llaves para la integración de

altos niveles de energías renovables en el Sistema eléctrico Chileno

Electricidad de la red, del CHP, renovables y RD (Norte) - Invierno

Cogeneración y respuesta de la demanda como llaves para la integración de

altos niveles de energías renovables en el Sistema eléctrico Chileno

Electricidad de la red, del CHP, renovables y RD (Norte) - Verano

Cogeneración y respuesta de la demanda como llaves para la integración de

altos niveles de energías renovables en el Sistema eléctrico Chileno

Electricidad de la red, del CHP, renovables y RD (Norte) - Invierno

Cogeneración y respuesta de la demanda como llaves para la integración de

altos niveles de energías renovables en el Sistema eléctrico Chileno

Electricidad de la red, del CHP, renovables y RD (Norte) - Verano

Cogeneración y respuesta de la demanda como llaves para la integración de

altos niveles de energías renovables en el Sistema eléctrico Chileno

Electricidad de la red, del CHP, renovables y RD (Norte) - Verano

Norte Region de BioBio

RES con DSM RES sin DSMRES con DSM RES sin DSM

PV (MWp) 16,90 14 14,2 10,5

Eólica (MW) 5,2 5 6,7 7,5

Total PV para uso directo 27275 21273 21240 14578 MWh

Total PV sobreproducción 3583 4417 1331 2204 MWh

Total eólico para uso directo 14367 13712 25063 27920 MWh

Total eólico sobreproducción 3478 3585 5790 6829 MWh

Demanda total 63248 63248 63248 63248 MWh

Electricidad CHP 20299 23560 15961 17641 MWh

Costo por kWh 0,065 0,078 0,063 0,074 EUR

Porcentaje renovable 65,8 55,3 73,20 67,1 %

Cogeneración y respuesta de la demanda como llaves para la integración de

altos niveles de energías renovables en el Sistema eléctrico Chileno

Conclusiones

• Perfiles de demanda de las empresas (papeleras, procesamiento dealimentos) se prestan para una alta integración de renovables bien sea ensitio o de la red.

• La provisión de respuesta de la demanda permitiría incrementar laintegración de renovables a menor costo, mayor utilización directa ymenor sobreproducción (curtailment)

• Los impactos de adopción de CHP, respuesta de la demanda y renovablesson interdependientes y varían no solo dependiendo del tipo de procesoproductivo sino también de la posición geográfica.

• Factores adicionales todos con impacto positivo: menor potenciacontratada, menos CO2, venta de energía de excedente, mitigación deriesgos a largo plazo (choques de precios, apagones, cambios de política)