Desafíos tecnológicos de las energías sustentables

11 de noviembre de 2015

Hugh Rudnick Van De Wyngard

Pontificia Universidad Católica de ChileFacultad de Ingeniería

2

Take aways

Identificar desafíos tecnológicos:

Integración masiva de energías sustentables

Retos multisectoriales y comunes a países de Latinoamérica para iniciar discusión sobre oportunidades de desarrollo de negocios en energías renovables.

3

A cleaner energy system: renewable energy and electricity market designWilliam W. Hogan

An Era of Many Options Future energy planning must take into accountunprecedented numbers of options.Randell Johnson

The Green Impact How Renewable Sources Are Changing EU ElectricityPricesJosé Pablo Chaves-Ávila, Klaas Würzburg, Tomás Gómez, and Pedro Linares

Halfway There Can California Achieve a 50% Renewable Grid?Arne Olson, Amber Mahone, Elaine Hart, Jeremy Hargreaves, Ryan Jones, NicolaiSchlag, Gabriel Kwok, Nancy Ryan, Ren Orans, and Rod Frowd

Solar, Solar Everywhere Opportunities and Challenges for Australia’sRooftop PV SystemsBruce Mountain and Paul Szuster

It’s All About Grids The Importance of Transmission Pricing and InvestmentCoordination in Integrating RenewablesGoran Strbac, Christos Vasilakos Konstantinidis, Rodrigo Moreno, IoannisKonstantelos, and Dimitrios Papadaskalopoulos

Distribution Pricing Are We Ready for the Smart Grid?Furong Li, Jose Wanderley Marangon-Lima, Hugh Rudnick, Luana MedeirosMarangon-Lima, Narayana Prasad Padhy, Gert Brunekreeft, Javier Reneses, and Chongqing Kang

Experiencias internacionales

IEEE Power & Energy Magazine, Vol. 13, N°4, July/August 2015

Penetracióncrecienterenovables

Redesinteligentes

flexibilizan lossistemas

Desarrollo detecnologías de

almacenamiento

Oportunidades de respuesta de

demandaCompetencia derecursos

distribuidos

InteraccionesGas-Electricidad

Nuevos enfoquesregulatorios y

políticas

Grandes centralesmás eficientes

& menos emisiones

Prosumidor elige económicamenteentre abastecimiento de la red,

autoabastecimiento, o mixto

Desafíos futuros del sector eléctrico

4

5

Amenaza de destrucción del modelo de negociostradicional de la empresa eléctrica

Desafío de adaptar el modelo de negocios y las estructuras de los mercados mayoristas

Necesidad nuevosfinanciamiento

renovables

Riesgoingresos centrales

generadorastradicionales

Renovables bajancostos marginales(sin combustibles)

Nuevosproductos y

precios

Menornecesidad transporte

por alambresde empresas

Subsidios, créditos impuestos,

in-feed tariffs

Desafíos futuros del sector eléctrico

6

Desafíos futuros del sector eléctrico- renovables

Acciones comprometidas para frenar el cambio climáticoAdopción masiva y global de generación renovable

La Directiva de Renovables de la Unión Europea compromete que al menos un 20% de la energía consumida provenga de fuentes renovables al 2020.  

Al 2030, Alemania planea generar 50% de su energía eléctrica de fuentes renovables, incluyendo hidroelecricidad. 

Gobernador de California Governor Jerry Brown define objetivo de 50% de electricidad desde

renovables al 2030 para reducir gases efecto invernadero

7

Solar Hidráulica

Geotérmica Eólica

Biomasa Mareomotriz

La energía sustentable (o renovable o sostenible) es aquella que se puede obtener de fuentes naturales prácticamente ilimitadas como el sol, el aire, la lluvia y el agua.

El desarrollo sustentable permite satisfacer las necesidades actuales sin comprometer las posibilidades de las generaciones futuras.

Energías sustentables - renovables

8

Creciente aporte de energías renovables ERNC- Chile

9

HOJA DE RUTA

Al menos 70% de energías renovables en la matriz eléctrica al 2050

23%

19%

29%

Creciente aporte de energías renovables visión 2050- Chile

10

California Renewable Energy Mix, CPUC Renewable Portfolio Standard 2014Q3 Report

Creciente aporte de energías renovables -California

11

Creciente aporte de energías renovables -matrices

12

Importante aporte energías renovables en América Latina

Capacidad y generación por tecnología, 1990-2012

Matrices generación en América Latina al 2012 (Luiz Barroso, IRENA, 2015)

13

Desafíos futuros del sector eléctrico- solar/eólica

Adopción global de energía eólica y solar

Requiriendo significativas expansiones de transmisión – ejemplos Reino Unido, Texas, Brasil

Ventajas: sin costoCombustible. 

Tanto tamaño empresacomo distribuido (solar)

Dramatica reducciónde inversión por kW (tasa aprendizaje)

Futuroscostos comparables a

tecnologíasconvencionales

Aunque hoyrequiriendo subsidioso cuotas o créditos

Crean significantesdesafíos

operacionales

Generacióndistribuida

alterando modelosde negocios

Caracterización de costos inversión –ERNC medio

En línea punteada tecnologías con limitación de potencial de expansión. En línea gruesa tecnologías convencionales. Con marcador, tecnologías renovables

Costo Medio por Tecnología. Escenario de costos ERNC Medio, sin considerar pago por Potencia de Suficiencia. Valores [US$/MWh]

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

90.0

100.0

110.0

120.0

130.0

140.0

2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 2031

Diesel

CA GNL

CC GNL

CSP

Carbón

Fotovoltaico 1A

Eólico

Hidráulico

Biomasa

Geotermia

HidroAysen

www.minenergia.cl

Mesa ERNC Energía 2050, Chile

Reducciones dramáticas de costos -solar/eólica

14

Mesa ERNC Energía 2050, Chile

CA GNL

CSP

CC GNL

Carbón

Geotermia

Hidráulico

FVEólico

Biomasa

Hidroaysén

Reducciones dramáticas de costos -solar/eólica

15

16

Incertidumbre de abastecimiento

2Producción

en pocas y limitadashoras

3Variabilidad: necesidad de 

respaldo

1

Desafíos de la integración renovable solar/eólica

Desafíos por salida intempestiva de generación, regulación de frecuencia, reserva en giro, respaldo de energías de base, mayores costos

Otros desafíos técnicos eléctricos: regulación de tensión, balances de reactivos, respuesta a contingencias, estabilidad, confiabilidad

17

Intermitencia-variablidad

Escalas de tiempo de los ciclos naturales de las energías renovables

Décadas            Anual        Estacional          Días               Horas           Minutos

Solar

Eólica

Mareomotriz

Hidraúlica

Biomasa

Geotérmica

18

Relación entre la energía generada en un periodo y la máxima energía generable en dicho periodo

8760...

InstCapEnergiaplantaF

17,2%

34,7%

28,6%31,8%

36,0%

30,5%

44,8%

15,0%19,4%

0%5%

10%15%20%25%30%35%40%45%50%

Cap

acity

Fac

tor [

%]

Factor de planta para localidades eólicas Chile Costa

Fuente: David Watts, PUC

Bajos factores de planta

19

Energías solar y eólica no despachable-California

Carga, carga neta, generación solar y eólica (días ejemplo 2014)

20

Punta de invierno en el National Grid y necesidad de respaldo el 11 de Diciembre de 2012

Energía eólica no despachable Reino Unido

21

Desafíos en California   2020 – demanda neta se reduce en varios miles de MW durante las horas de 

producción solar  Significativa rampa de subida de demanda entre las 17 y 20 hrs: la curva pato

Incertidumbre de abastecimiento

2Producción

en pocas y limitadashoras

3Variabilidad: necesidad de 

respaldo

1

Desafíos de la integración renovable

22

Desafíos de la integración renovable-curva pato

23

Desafíos de la integración renovable-curva pato

Limited Ramping Capability

Unserved Energy

Limited Ramping Capability

Renewable Curtailment

Strategy to Minimize Downward Violations Strategy to Minimize Upward Violations

Botar carga: Valor económico de carga no servida entre US$5.000 y $50.000/MWh

Botar generación renovable: Debe reemplazarse por otra renovable para cumplircon objetivo. Valor de US$50-$250/MWh, dependiendo de reemplazo.

24

Balance económico en uso de renovables-Chile

7,000

7,500

8,000

8,500

9,000

9,500

0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45%Participación Eólica‐Fotovoltaica [%]

Costo Anual Nominal de Inversión y Operación año 2029 [MMUS]

Despacho horario conRestricciones Param.Nacionales (1)

Despacho horario conRestricciones Param.Internacionales (2)

Despacho horario sinRestricciones

Incrementar renovables mientras no surjancostos adicionales significativos

Año  Renovable ERNC ERNC var (EF)2020 54 ‐ 57 17 ‐19 12 ‐ 122025 49 ‐ 62 18 ‐ 30 10 ‐ 242030 56 ‐ 71 21 ‐ 49 11 ‐ 30

Participación en matriz de Generación [%]

25

Tecnologías para integración renovable

Portfolio diverso de renovables

1

Almacenamientode energía

2

Respuestaavanzada de

demanda

3

Coordinaciónnacional e

internacional

4

Flexibilidad, flexibilidad, flexibilidad…

Generación de un parque, un grupo de parques y total nacional

0

10

20

30

0

500

1000

1500

Pow

er (M

W)

0 100 200 300 400 500 600 7000

500

1000

1500

Hours

Total

Region

Wind Farm

1 2 3 4 5 6 7One Week

Days

Factor de planta para el país cercano a un 30% (entre un 27% y un 29%).Fuente: David Watts

Portfolios de energías renovables - Chile

26

Complementariedad de generación eólica-Europa

27

http://euanmearns.com/wind-blowing-nowhere/

28

Complementariedad de generación eólica-Europa

http://euanmearns.com/wind-blowing-nowhere/

Alternativas tecnologías almacenamiento eléctrico

29

http://www.sciencemag.org/

140.000 MW

440 MW

304 MW

100 MW70 MW

27 MW

25 MW

Junio 2015

30

https://ilsr.org/report-renewable-hawaii/

Reducción costos almacenamiento eléctrico

Costo fotovoltaico domiciliario y costo baterías litio

Costo baterías entre 300 y 400 US$/kWh

31

Almacenamiento hidroeléctrico

http://www.panoramio.com/photo/19075773

Lago Laja – alimenta Central El Toro

32

HOJA DE RUTA

Al menos 70% de energías renovables en la matriz eléctrica al 2050

23%

19%

29%

Balance energías renovables visión 2050- Chile

33

Central de bombeo de 300 MW en el norte de Chile - Valhalla

Almacenamiento hidroeléctrico vía bombeo

34

Respuesta de la demanda

Adopción crecienteherramientas

respuesta demanda

Respuesta aprecios

Impacta costosmarginales

Dificultaprocesos

expansión redes

Beneficios a consumidores,

mercado,seguridad

Respuesta a variación de generación

Necesidad de señales de precios horarios a consumidores (real time pricing, critical‐peak pricing y time‐of‐use tariffs) y esquemas de respuesta a incentivos

Necesidad de sofisticadas tecnologías de comunicación en telemetría y control remoto (medidores inteligentes)

Importantes inversiones

35

Respuesta de la demanda

U. S. Department of Energy

36

Necesidades transmisión eléctrica con holguras

Escenario mayor participación ERNC al año 2035Alta congestión en la interconexión SIC-SING en escenarios de alta participación ERNC variable

Mesa ERNC Energía 2050, Chile

37

Necesidades transmisión eléctrica con tecnología

Transmisión flexibleEsquemas FACTSAutomatizaciónPhasor measurement

Control líneasControl flujosDetección fallasInternet/redes

38

Gran potencial complementariedad internacional

Matrices generación en América Latina al 2012 (Luiz Barroso, IRENA, 2015)

39

Flexibilidad frente a variabilidad

Hidros ERNCConsumidores

Capturan mayoresprecios de energíacuando generaciónERNC es más baja; aumenta valor de inversiones

Existencia de generación flexible apoya desarrollo de ERNC. Menorescostos de compensar la variablidadresultan en menores aumentos de costos de corto plazo, por lo que reducen riesgos de compras en el spot para ERNC

Menor volatilidad de precios de cortoplazoMayor seguridad de suministro

Flexibilidad hidroeléctrica balancea variabilidad de corto plazo de ERNCs Plantas hidroeléctricas con embalses son flexibles y los costos de responder a

variaciones de corto plazo son menores que otras tecnologías flexibles de generación (ciclos combinados a gas, diesel)

¿Que beneficios implica?

Complementariedad hidroeléctrica y renovables (Luiz Barroso, IRENA, 2015)

40

Otros beneficios asociados a hidroelectricidd

Complementariedad hidroeléctrica y renovables (Luiz Barroso, IRENA, 2015)

• Diversificación de cartera de plantas no despachables de energía renovable, incluidas centrales hidroeléctricas de pasada, es menos volátil en el corto plazo que el de cada una las plantas individuales

• Aprovechar complementariedades climáticas, tanto estacionales como los relacionadas con la ocurrencia de El Niño, entre hidroeléctricas y ERNCs

• Oportunidad de balancear grandes retrasos de construcción de plantas hidroeléctricas con ENRCs modulares, superando desequilibrios coyunturales entre oferta y demanda

• Necesidad implementar reglas del mercado que valoren las complementariedades y que se internalizan en las señales de precios (incluyendo la contratación de servicios auxiliares)

• Necesidad de un enfoque sistemático para el diseño de políticas públicas (y acuerdos internacionales) para explorar las complementariedades

Penetracióncrecienterenovables

Redesinteligentes

flexibilizan lossistemas

Desarrollo detecnologías de

almacenamiento

Oportunidades de respuesta de

demandaCompetencia derecursos

distribuidos

Prosumidor elige económicamenteentre abastecimiento de la red,

autoabastecimiento, o mixto

Desafíos tecnológicos futuros del sector eléctrico

41

42

Otros desafíos tecnológicos

SeaGen Verdant PowerLunar Energy OpenHydro

Ocean Water Column

Wave Dragon

Pelamis

PowerBuoy

Oleaje

Corrientes de Marea

Energía del mar

43

Otros desafíos tecnológicos

Energía de corrientes del mar

Proyecto FONDEF Evaluación de potencial de energía de las corrientes de marea en el Canal del Chacao(Prof. Rodrigo Cienfuegos,PUC)

44

Desafíos aceptación social

No a Chiloé (eólica, 112 MW)Julio 2011

No al Tatio (geotérmica, 40 MW)Julio 2010

No a Curacautín (minihidro, 3 MW) Junio 2015

No a Pichidegua(biomasa, 35 MW)

Octubre 2010

Desafíos tecnológicos de las energías sustentables

11 de noviembre de 2015

Hugh Rudnick Van De Wyngard

Pontificia Universidad Católica de ChileFacultad de Ingeniería