Universidad Politécnica de CartagenaDepartamento de Ingeniería Eléctrica
Programa de doctorado de “Tecnologías Industriales”. Subprograma de “Neurotecnología, Control, Robótica y Gestión
Energética”
Cartagena, 2011
Análisis e Integración de Recursos Energéticos Distribuidos
Bloque
Lección 8: Aplicación de recursos DER en un usuario institucional de energía: Universidades
NOTA: es necesario recordar los ejemplos de la lección 4 de Eficiencia Energética
Bloque APLICACIÓN: SIMULACIÓN DEL POTENCIAL DE LA DEMANDA
1. Introducción (II)Clasificación de paquetes de demanda en función del mercado en que se participa
Largo plazo:Demanda identificable a más de un añoCambio de la demanda por reestructuración de actividades o inversiones en nuevas tecnologías
Medio plazo:Demanda restructurable a un día vistaAdopción de acciones de controlMercado diario (24h)
Corto plazo:Demanda identificable y controlable en 1 ó 2 horasAdopción de acciones de control
Tiempo real:Demanda controlable en tiempo realServicios auxiliares o complementarios: ISOControl externo al usuario
Consideración de generadores de apoyo del usuario:17% de variación de demanda en algunos sistemas
Bloque APLICACIÓN: SIMULACIÓN DEL POTENCIAL DE LA DEMANDA
2. Adecuación de las cargas (I)
Función de la capacidad que tenga el usuario para reducir la demanda manteniendo un umbral de servicio. Ejemplos:
Nivel de temperatura (climatización)Producción (capacidad de almacenamiento de producto)Nivel de ventilación (nº renovaciones/hora)
Parámetros de mantenimiento del servicio:Servicio final de la carga (uso)Capacidad de almacenamiento (energía, producto)Los ciclos de conexión de la carga: m(t)La facilidad de controlar la carga: u(t)
Bloque APLICACIÓN: SIMULACIÓN DEL POTENCIAL DE LA DEMANDA
2. Adecuación de las cargas (II)A) Servicio final de la carga:
Tipo de conversión de energíaEj. Cargas duales de climatización
Gas/electricidadFuel/electricidad
Bloque APLICACIÓN: SIMULACIÓN DEL POTENCIAL DE LA DEMANDA
2. Adecuación de las cargas (III)B) Capacidad de almacenamiento
Interno: los propios elementos de la carga o aparatoEspecífico: depósitos, tanques, baterías….Circunstancial: refrigerante usado por cargas HVAC
Externo: el medio físico (ambiente) que rodea a la cargaAire, muebles, paredes,…
Bloque APLICACIÓN: SIMULACIÓN DEL POTENCIAL DE LA DEMANDA
2. Adecuación de las cargas (IV)C) Ciclos naturales de la carga (m(t): estado operación)
Ciclos naturales: controladores internos (termostatos)Ciclos forzados: factor de uso de la cargaEjemplos: un aparato AC y un acumulador cerámico (TES)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 100 200 300 400 500 600 700 80021
22
23
24
25
26
27
28
Tiempo (minutos)
Ttermostato=26ºC Ttermostato =22ºC Ttermostato =26ºC
0 100 200 300 400 500 600 700 800Tiempo (minutos)
Tem
pera
tura
inte
rior
(ºC)
Pote
ncia
elé
ctric
a de
man
dada
(W)
0 5 10 15 20 250
200
400
600
800
1000
1200 DPA No DPA
600
300
450
DPA No DPA
Tiempo (horas)
Bloques cerámicos. Tem
peratura media (ºC
)
Pote
ncia
elé
ctric
a de
man
dada
(W)
AC
TES
Bloque APLICACIÓN: SIMULACIÓN DEL POTENCIAL DE LA DEMANDA
2. Adecuación de las cargas (V)
D) Facilidad de gestionar la cargaMecanismos de control para reducir o modificar el consumoFunción del usuario y tipo de mercado
Reestructuración Interna de la demandaReestructuración externa: agregador, servicios auxiliares
Con estos criterios se puede realizar una primera clasificación de cargas potencialmente utilizables
Bloque APLICACIÓN: SIMULACIÓN DEL POTENCIAL DE LA DEMANDA
Adecuación de cargas (VI)A: Alta; M: media; B: baja disponibilidad; PE: paqeuetes Eª
HorasMMACongeladores
Min.MMBFrigoríficos
HorasMAATermos de agua
HorasBMABombas de riego
HorasHorasHoras
AMM
AMA
MAA
Climatización:■ Directo■ Almac. Parcial■ Almac. Total
HorasAMAIluminaciónRegulable
Duración del bid
PE en tiempo real
PE a corto plazo
PE a medio plazo
Tipo de carga
Bloque APLICACIÓN: SIMULACIÓN DEL POTENCIAL DE LA DEMANDA
3. Análisis de la estructura de demanda (I)Análisis de los usos finales anteriores
En las curvas de demanda diaria y estacionalIdentificación de las cargas
Inspección de las curvas de consumo estacionales (ver figura)Sistema de monitorización invasivo/no invasiva del consumidorEnsayos en edificios: despachos y aulasDatos de otros estudios, bases de datos (INDEL, Eurostat)
0 2:30 5 7:30 10 12:30 15 17:30 20 22:301000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
Perfil de julio
Perfil de abril
Perfil de enero
Tiempo
HVAC?
Bloque
Estructura de la demanda (II): monitorización no invasiva
Concepto: encontrar una “huella” característica de cada tipo de cargaPrimeros intentos (Schweppe, MIT): en viviendas
Escalones de potencia activaEspacio P vs. Q
Problemas:Solapamientos de cargasMedida a un nivel muy bajo de agregación (coste)
10 20 30 40 50
1
2
3
4
5
kW
minutos
Frigorífico
Horno
Horno
Frigorífico
Horno
Bloque
Estructura de la demanda (III): monitorización no invasiva (II)Huella armónica de la demanda
La forma de onda de la intensidad absorbida por cada carga es típica (armónicos, orden y fase)
Se aplica un algoritmo similar a Fourier o Wavelets. Las funciones de base son las formas de ondaLa forma de onda de la intensidad en un punto de la red será
Se minimiza el valor RMS de las diferencias de intensidad (real-propuesta)
Ii(t) ' jN
k'0aki cos(kwt) % bki sen(kwt)
L(t,w) ' jM
i'1wi Ii(t)
J(t,w) '1Tm
T
0
I(t) & L(t,w) 2dt
Bloque APLICACIÓN: SIMULACIÓN DEL POTENCIAL DE LA DEMANDA
3. Análisis de la estructura de la demanda (IV): ►asignación de % a usos finales
No se considera en el ejemplo
4MWGen. Distribuida
Expendedoras, cámaras, alumbrado emergencia
Aprox. 8-10%Otros consumos
No regulable¿máx <10%?Eq. Laboratorio
No regulable10-15%Equipos electrónicos
300kW externo150kW regulables
25-30%Iluminación
Individuales, split y centralizados trifásicos
35%Aire acondicionado
Bombas de calor5% convencional
18-20%Calefacción eléctrica
NotasPorcentaje de la demanda
Usos finales
Bloque
Generación de ofertas a largo plazo (I)¿Dónde? Mercados de Capacidad: hasta tres años vsita
Forward Capacity Market (ISO-NE, USA: 4,5$/kW-month en la primera puja, 2008)Reliability Pricing Model (PJM, USA)Installed Capacity (ISO-NY, USA)
¿Cómo? Medidas de eficienciaEjemplo: Eficiencia energética (Greenlight, ETSII o evaluación del potencial CFL, ver lección 4)
Consumo inicial iluminación: 70kWConsumo final iluminación: 40kWPaquete ofertado: 30kW de capacidadCoste: 16 lámparas de inducción de 165WBeneficio: pago por capacidad, ahorro Eª, ¿Eficiente económicamente? Realizamos la inversión
Bloque APLICACIÓN: SIMULACIÓN DEL POTENCIAL DE LA DEMANDA
4. Generación de ofertas a medio plazo: bids (I)
Definir los paquetes de demanda:Paquetes L1: demanda fácilmente controlable compuesta por la carga de climatización
Paquetes L1a, L1b, L1c en función de la disminución del servicioque se origina (recordamos un ejemplo de cargas HVAC de 2kW)
Ejemplo: vídeo PBLM
u(t) (%)
DR Period
Payback time
Peak Clipping (%)
Energy Savings
Comfort Temp (ºC)
25 i to i+4 i+5,i+6 65 19% 15 33 i to i+4 i+5,i+6 54 15% 15.9 50 i to i+4 i+5,i+6 22 8% 18 66 i to i+4 I+5 7.8 2.5% 18.8
Bloque APLICACIÓN: SIMULACIÓN DEL POTENCIAL DE LA DEMANDA
4. Generación de ofertas a medio plazo: bids (II)
Definir los paquetes de demanda:Paquetes L2: iluminación externa
Paquete L2a: circuito fijo no controlablePaquete L2b: circuito de conmutación nocturno
Paquetes L3: iluminación internaPaquete L3a: iluminación no regulablePaquete L3b: balastos regulables
Paquetes L4: resto de cargas no controlablesCámaras frigoríficas (a estudiar en un futuro)Equipos informáticosLaboratorios
Las modificaciones de los paquetes pueden solucionarse con otros paquetes o con compra en el mercado a corto plazo
Bloque APLICACIÓN: SIMULACIÓN DEL POTENCIAL DE LA DEMANDA
4. Generación de ofertas a medio plazo: bids (III)
Clasificación de los paquetes de demandaModelar a 24 horas los paquetes L1 a L4 (ARIMA + Modelos físicos)Agrupar hora a hora los paquetes de demanda que se consideran críticos para el desarrollo de la actividad del usuario
L4 + L2a + L3aAgrupar hora a hora los paquetes que admiten reducción del servicio y de la demanda
L1 + L2b + L3bAsignar el valor económico horario del servicio (uso) que proporciona la carga
Bloque APLICACIÓN: SIMULACIÓN DEL POTENCIAL DE LA DEMANDA
4. Generación de ofertas a medio plazo: bids (IV)
4.1. Asignación de un valor a los paquetesPaquetes L4+L2a+L3b: básicos para la actividad
Costes salariales medios: 20-25 k€Consumo anual de energía: 30GWhRedistribución/aplazamiento de tareas
Paquetes L2b + L3b: no afectan sustancialmenteL2b: coste de seguridad adicional, accidentalidadL3b: coste del equipo de control y regulación (%)
Paquetes L1: pueden obligar a reestructurar la actividadEquipos duales frío/calor: 130-150€/kW (instalado)Adición de tanques de almacenamiento: 20-30€/kWh
Bloque APLICACIÓN: SIMULACIÓN DEL POTENCIAL DE LA DEMANDA
4. Generación de ofertas a medio plazo (V)Ejemplo de asignación de valor al paquetes L3b (I)
Daylight and electronic ballast impacts
0,00%
5,00%
10,00%
15,00%
20,00%
25,00%
30,00%
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Bloque APLICACIÓN: SIMULACIÓN DEL POTENCIAL DE LA DEMANDA
4. Generación de ofertas a medio plazo (VI):4.1. Asignación de valor a L3b (II):
Duración de balastos: 30-40.000h (15 años)Servicio: 10h/día*22días/mes*10meses/año=2200h
Aula tipo (PB5): aprox. 1kW potencia 1/3 luminarias con balasto electrónico
25% reg. P2/3 luminarias con balasto regulable
Costes:Balasto regulable: 450€Mano de obra (circuito): 150€ coste >0,08€/kWhEquipo de control: 100€
Factor de disponibilidad de la regulaciónInvierno: 0,5; Primavera/Otoño:1; Verano: 2
Bloque Niveles de iluminación natural en el aula PB5
¿Y si no se acepta el PE? Consecuencias
Mañana: buen nivel de Tarde: Baja iluminancia Iluminancia
Bloque APLICACIÓN: SIMULACIÓN DEL POTENCIAL DE LA DEMANDA
4. Generación de ofertas a medio plazo (VII):4.2. Curva de compra de energía
Pico de invierno (29 de enero de 2002)
Prec
io (€
/kW
h) L4+L3a+L2a
L2bL1
7.3
0.5
Demanda eléctrica (MW)
3
L3b
5.45.255.15
0.8
1
Bloque
Curva de venta de energía (OMEL)Se compra toda la energía
30
40
Bloque APLICACIÓN: SIMULACIÓN DEL POTENCIAL DE LA DEMANDA
5. Ofertas a corto plazo: “Demand Offers (I)”5.1. Estimación de las posibilidades de participación (tamaño P.E. vs. Tiempo)
>25010 días/año30min50kWWabashValley (*)
>100020v/año1-2h-Nueva Zelanda
RTP6 días/año-100kW1MW (agr)
NY-ISO (EEUU)
500 a 1000--100kWISO NewEngland
400 a 1250--50kWWisconsin El. (*)
?30h/mes-1MWCA-ISO (EEUU)
>50010 v/ciclo2h/día100kWPJM (EEUU)
Precio ($/MWh)
FrecuenciaDuración “offer”
Nivel mínimo
Empresa
Bloque APLICACIÓN: SIMULACIÓN DEL POTENCIAL DE LA DEMANDA
5. Ofertas a corto plazo: “Demand Offers”(III)
5.2. Asignación de PE a corto plazoDeterminar la carga prevista a 24h Hipótesis: suponemos paquetes 50kW a 100kWParticipación: 20-30 horas de concurso en el mercado por estación (puntas de verano e invierno)Flexibilidad de la demanda:
Mediante modelos físicos se calcula las reducciones de la demanda y del servicioSe asignan paquetes cada 2˚ C de pérdida de servicio en HVAC (L1a, L1b y L1c)
Precio del paquete:Paquetes L1: 10% de aumento de precio por cada ˚CPaquete L3b: ayuda a amortización del equipo de control y de medidas de eficiencia (50% del coste diario)
Estimar recuperaciones de energía (coste en el mercado a tiempo real o el control de paquetes)
Bloque
Algo obvio, pero necesarioHaremos ofertas cuando los precios, previsibles, del mercado de la energía a corto plazo sean altos.… seleccionando las cargas más adecuadas (uso y posibilidades de reducción)
HVAC, DF
0 5 10 15 2040
60
80
100
120
140
160
Time (hr)
Pric
e ($
/MW
h)
High price forecastAverageWH, HS WH, HS
Bloque APLICACIÓN: SIMULACIÓN DEL POTENCIAL DE LA DEMANDA
5. Ofertas a corto plazo: “Demand Offers (IV)”
5.3. Simulación de la curva oferta-coste Pico de verano: 9 de Julio de 2002 de 13 a 14h
L1a
Prec
io (€
/kW
h)
2 .15
0.25
Demanda eléctrica (MW)
0.4
0.7
0.5 0.7 0.75
L1bL3b
L1c
0.15
Bloque APLICACIÓN: SIMULACIÓN DEL POTENCIAL DE LA DEMANDA
6. Simulación de la aceptación de la oferta (I)6.1. Modelado de la carga
Modelos físicos HVAC: L1Modelos regresión: L2, L3 y L4
6.2 Determinación de paquetes de energíaPrecio del mercado (0,15€/kWh): precio habitual mercado a tiempo real en Julio 2002 en EspañaSe acepta el paquete L1a (5x100kW)Datos climatológicos (radiación, temperatura)Control predictivo
Nivel de referencia: de 8,2MW a 7,65MW ( -550kW)Energía/grupo en el control no debe diferir más de un 10%Payback acumulado < 20%* energía sin control4-5 horas de control + recuperación
Bloque APLICACIÓN: SIMULACIÓN DEL POTENCIAL DE LA DEMANDA
5. Asignación de valor a los paquetes4.1. Asignación de valor a L1a (I):
A) Coste de un sistema alamacen.: 20-30€/kW (20 años)B) Conexión DG: motores diesel 1MWServicio: 5h/día*30días/estación =150h/año
Costes A (500kW, compartidos con otras opciones):
Sistema TES: 10-15k€Mano de obra 1k€ > 1€/kWhEquipo de control: 500€
Costes B (500 kW, exclusivos)CombustibleAmortización equipo >0,12€/kWhControl de equipos
Bloque APLICACIÓN: SIMULACIÓN DEL POTENCIAL DE LA DEMANDA
6. Simulación de la aceptación de la oferta (II)Curva de carga real y simulada
Bloque APLICACIÓN: SIMULACIÓN DEL POTENCIAL DE LA DEMANDA
6. Simulación de la aceptación de la oferta (III)Consideraciones:
Se ha supuesto la aceptación de ofertas previas (200kW-400kW en periodos horarios anteriores)Demanda es mayor que la referencia (cargas que salen del control voluntaria o involuntariamente)
En caso de un fallo mayor en la predicción:Comprar 50kW a tiempo realAceptar penalizaciones del operadorOrdenar la entrada de otros paquetes
19.5 20 20.5 21 21.5 22 22.5 23 23.5 24 24.50
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
Temperatura interior (ºC)
Comportamiento cargas controladas
Comportamiento natural cargas
Bloque CONCLUSIONES
Es imposible el funcionamiento del mercado sin la participación de la demandaBeneficios de la participación:
Disminuye la volatilidad de precios, y problemas en T y D.Se incrementa la eficiencia y fiabilidad del sistemaEl usuario controla sus costes energéticos
La participación “tradicional” o DSM no funcionaNo es aceptada por usuarios (confort)
Nuevas posibilidades para la demandaEs posible flexibilizar la demanda (existe elasticidad en la demanda)Servicios Auxiliares, Restricciones de redesMercados de capacidad
Demanda ≠ GeneraciónVentajas e inconvenientes (son más las primeras)
Necesidad de herramientas de softwareModelos de cargaIdentificación de usos finalesAsignación de valor al servicio suministrado
Superar los obstáculos actuales: demostración de políticas de DR