Operacion de Micro Operacion de Micro

Operacion de MicroMicro-redes
en forma aislada
Alexis Kwasinski, PhD
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© Alexis Kwasinski, 2012
Descripción General
» Introducción
» Características de micro-redes
» Fuentes de potencia de micro-redes
» Casos
» Desastres naturales
» Pueblos, aldeas y otras cargas aisladas
» Centro de datos distribuidos
» Conclusiones
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© Alexis Kwasinski, 2012
Introducción
• Que es una micro-red?
• Micro-redes son redes eléctricas que estan confinadas a una cierta area
local y que pueden ser controladas independientemente de una red
eléctrica (interconectada) principal. Estas micro-redes constan de una red
de distribución gracias a la cual se integran cargas, elementos de
almacenamiento de energía, y fuentes de potencia locales. De esta forma
las micro-redes pueden operar o no conectadas a una red principal de
energía eléctrica.
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Carácterísticas principales de una micromicro-red
• Pueden ser controladas independientemente
• Tienen sus propias cargas.
• Tienen su propia red de distribución de energía eléctrica.
• Tienen fuentes de potencia propia.
• Tienen elementos de almacenamiento de energía eléctrica.
• Usualmente incorporan circuitos de electrónica de potencia para integrar
todos estos componentes.
• Los elementos de almacenamiento de energía pueden ser colocados:
• Conectados directamente a la red de distribución de la micro-red y sin
estar asociados a ninguna fuente de potencia en particular.
• Asociados a una fuentes de potencia en particular.
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Características principales de una micromicro-red
• Comparadas con redes de energía convencionales, las microredes pueden ser:
• Mas confiables (si se usan fuentes de potencia diversas).
• Mas eficientes.
• Mas flexibles de operar.
• Menos vulnerables a desastres naturales o ataques
intencionales.
• Mas sencillas de controlar.
• Mas “amigables” con el medio hambiente
• Mas modulares con lo que se puede dividir en etapas la
inversión necesaria para su instalación.
• Las micro-redes pueden ser instaladas en sitios que estan
operativos sin afectar la carga.
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Desafíos en la operación de micromicro-redes
• Estabilidad: debido a que la carga es comparable a la capacidad de los
generadores y a que los generadores tienen poco o nada de energía
almacenada.
• Generadores con respuesta dinamica lenta (no pueden seguir los cambios
en la carga).
• Diseño (por ejemplo uso de corriente continua o corriente alterna).
• Coordinación de protecciones.
• Operación en paralelo con una red principal.
• Selección y control de las fuentes de potencia.
• Muchos de estos desafíos aplican tanto cuando las micro-redes estan
conectadas a una red como cuando no lo están. Pero el último punto
(fuentes) es especialmente relevante para para operación en forma aislada.
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Fuentes de potencia de una micromicro-red
• Las fuentes de potencia en micro-redes pueden depender o no de otras
infraestructuras para su operación (llamadas lineas vitales o “lifelines” en
inglés).
• La mayoria de las fuentes que no dependen de otras infraestructuras son
fuentes que dependen de energías renovables, como por ejemplo fuentes
eólicas o fuentes fotovoltaicas.
• Problemas de fuentes que dependen de energias renovables:
• Producción de potencia variable
• Requieren mucho espacio
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Fuentes de potencia de una micromicro-red
• Fuentes de potencia que dependen de otras infraestructuras:
• Generadores accionados por motores de combustión interna. Estos
dependen de:
• Red de transporte (rutas, barcos, aviones, etc.) cuando usan
diesel como combustible
• Red de gas natural
• Micro-turbinas. Estas dependen de:
• Red de transporte cuando usan bio-diesel.
• Red de gas natural (lo mas comun)
• Celdas de combustible. Estas dependen de:
• Red de transporte cuando se transporta combustible (Hidrogeno)
en cilindros.
• Red de gas natural cuando se puede reformar localmente en
hidrogeno u otro combustible
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Fuentes de potencia de una micromicro-red
• Limitaciones de fuentes basadas en energías renovables:
• Potencia variable
• Espacio ocupado
• Limitaciones de fuentes dependientes de otras infraestructuras:
• Estas infraestructuras pueden o no estar disponibles en zonas
aisladas o pueden fallar durante emergencias (por ejemplo,
redes de gas natural).
• A su vez, dichas infraestructuras pueden depender de otras
infrastructuras para su operación (por ejemplo, estaciones de
servicio necesitan electricidad)
• La solución a estas limitaciones es común a ambos casos:
• Almacenamiento de recursos en forma local
• Diversificar las fuentes de potencia (systemas híbridos).
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Integración de fuentes diversificadas
• La forma mas común de
integrar fuentes diversificadas
es con convertidores con un
solo puerto alimentador.
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Integración de fuentes diversificadas
• Una forma alternativa bajo estudio en la universidad de Texas en
Austin es la de usar convertidores con puertos alimentadores
múltiples. De esta forma no se afecta la confiabilidad del sistema
pero se ahorran componentes (menos costoso).
Microturbines
with bio fuel
Dual-input
converters
Load
Fuel cells
with locally
reformed
natural gas
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Load following
energy storage
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Integración de fuentes diversificadas
• El uso de convertidores con alimentadores múltiples es
especialmente adecuado para micro-redes híbridas.
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Integración de fuentes diversificadas
• Otra ventaja de este tipo de convertidores es que permite, de una
forma muy efectiva, controlar paneles individuales para así
maximizar la generación de potencia eléctrica. También permite
conectar paneles diferentes de una forma sencilla.
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Micro--redes híbridas con fuentes renovables
Micro
• El principal problema de las fuentes renovables es que la generación de
potencia es parte aleatoria y parte determinística.
• Formas de resolver o mitigar este problema:
• Usar fuentes renovables diversas (combinar fotovoltaicos y eólica)
• En donde se pueda, distribuir espacialmente los paneles solares para mejorar
su rendimiento en dias parcialemente nublados.
• Agregar almacenamiento de energía (baterías u otras alternativas)
• Cálculos convencionales de la capacidad de baterías tienden a dar
resultados conservadores. Un mejor resultados se obtiene con cadenas de
Markov.
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Selección de sistemas de almacenamiento de energía
• Baterías son adecuadas para descargas largas y relativamente infrecuentes.
• Para compensar variaciones que ocurren frecuentemente y que requieren
descargas y cargas cortas resulta mas conveniente usar ultra-capacitores o
“flywheels.” Se pueden usar baterías en este tipo de aplicaciones pero es
necesario sobredimensionarlas para no reducir su vida útil.
Pred. Using UTAUSTIN_NREL.dat, Lat. 30.29, Long. Shift -7.74
Meth. 1 = 5.00 kWH/m2,
Meth. 2 = 5.58 kWH/m2.
Licor_PA = 5.72 kWH/m2.
1200
1000
W/m2
800
600
400
200
0
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Year 2009, Day 32, Feb. 01, Tilt 30.29, Azim uth 180
Ultracapacitores para
compensar nubes
pasajeras
Batterías para alimentar la
carga por la noche
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Dependencia de otras infraestructuras
• Las fuentes de potencia no renovables dependen de otras infraestructuras
como ser:
• Redes o medios de transporte
• Redes de gas natural.
• Formas de reducir la dependencia:
• Diversificar fuentes de potencia de modo tal que cada una de las
tecnologías seleccionadas dependan de una infraestructura distinta.
• Usar almacenamiento de energía local (ya sea baterías, o diesel o gas
natural en tanques de almacenamiento).
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Micro--redes aisladas
Micro
• La operación de micro-redes aisladas de una red principal
interconectada puede deberse a:
• una causa obligada (por ej. despues de un desastre
natural)
• una necesidad (por ej. en islas o aldeas alejadas de
lineas de redes eléctricas)
• una elección (por ej. en centros de datos distribuídos)
• Estos casos serán descriptos a continuacion con ciertos
ejemplos concretos.
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Micro--redes luego de desastres naturales
Micro
• Luego de desastres naturales, micro-redes pueden prevenir el sufrir
cortes de energia electrica que pueden durar u ocurrir hasta varios
meses luego del desastre en cuestión, como sucede ahora en Japon.
• Las redes eléctricas convencionales son muy frágiles debido a:
• Arquitectura centralizada
• Control centralizado
• Falta de líneas redundantes al nivel de media tensión
• Falta de elementos activos a nivel de ditribución.
• Otras infrastructuras críticas pueden verse
afectadas
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Micro--redes luego de desastres naturales
Micro
• Pueden verse las micro-redes afectadas como lo es una red de energía
(interconectada) convencional? Un factor clave para responder a esta
pregunta implica entender que el daño causado por desastres naturales
tiene una distribución inhomogenea.
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Micro--redes luego de desastres naturales
Micro
• El daño que los huracanes causan en la red eléctrica es inhomogeneo.
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Micro--redes luego de desastres naturales
Micro
• La misma distribución inhomogenea se observa tambien en terremotos
y tsunamis donde el daño intenso solo se ve en una franja estrecha de la
costa, pero, en el resto del area, aunque los cortes de energía eléctrica
son importantes, el daño es mínimo.
USGS
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Micro--redes luego de desastres naturales
Micro
• Con terremotos y tsunamis, daño extremo se observa en la costa
debido al tsunami.
• Pero en el interior el daño es leve.
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Micro--redes luego de desastres naturales
Micro
• Un ejemplo de una micro-red que se mantuvo operativa luego del
terremoto y tsunami de marzo del 2011 en Japon, es la micro-red de
NEDO/NTT-Facilities en Sendai.
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Micro--redes luego de desastres naturales
Micro
• Como las micro-redes, si son bien ubicadas, pueden sobrevivir
desastres sin mayor daño, entonces pueden servir para alimentar
cargas críticas que no operarían de estar
alimentadas por redes convencionales.
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Micro--redes luego de desastres naturales
Micro
• Pero las micro-redes operando en forma aislada pueden ver que las
infraestructuras necesarias para alimentar sus fuentes son tambien
afectadas por el desastre.
• Hay que evaluar que cada desastre afectará distintas infraestructuras
de forma diferente.
Red de transporte para
distribuir diesel
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Red electrica
Gas natural
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Micro--redes aisladas por necesidad
Micro
• Este es el caso mas común, observandose en muchas aldeas e islas
del mundo.
• Los mismos principios y limitaciones observados con anterioridad se
mantienen aquí. Esto es, la importancia de tener fuentes diversificadas
y almacenamiento de energía.
• Ejemplo: combinación de generadores eólicos y diesel en Alaska
• Toksook Bay
•Current Population: 590
•# of Consumers: 175
•Incorporation Type: 2nd Class City
•Total Generating Capacity (kw): 2,018
•1,618 kW diesel
• 400 kW wind
•(tieline to Tununak and
Nightmute)
Informacion de “Alaska Village Electric
Cooperative”
http://avec.securesites.net/images/communities/Toksook%20Wind%20Tower%20Bulk%20Fuel%20and%20Power%20Plant.JPG
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Micro--redes aisladas por necesidad
Micro
• Otros ejemplos en Alaska
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Micro--redes aisladas por necesidad
Micro
• Alaska aprovecha el contar con buenos recursos eólicos
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Micro--redes aisladas por necesidad
Micro
• Transportar combustible en Alaska es muy costoso y difícil. Estas
aldeas no tienen rutas de acceso por lo que el combustible debe ser
llevado por mar o por rutas transitorias construidas cada invierno
sobre el hielo y la tundra helada.
• Los generadores eólicos complementan a los generadores diesel,
pero existen desafíos en cuanto a mantenimiento y operación ante
temperaturas heladas.
Selawik
Kasigluk
http://www.akenergyauthority.org/programwindsystem.html
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http://www.alaskapublic.org/2012/01/18/wind-power-in-alaska/
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Micro--redes aisladas por elección
Micro
• Configuración típica de un centro de datos:
•Consumo total: > 5 MW
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Micro--redes aisladas por elección
Micro
• Aplicación para centro de datos distribuidos:
• Problemas con centros de datos convencionales:
• Representan una carga que es apreciable y que se está
incrementando mas rapidamente que otras cargas
• Los costos de energía se estan incrementado, y posiblemente
podrán exceder el costo de los equipos de datos en un mediano
plazo.
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Micro--redes aisladas por elección
Micro
• El uso de energias renovables no es práctico por el espacio que
ocupan y su variabilidad.
• El uso de micro-redes con otras fuentes es mas efectivo que en la
configuración convencional, pero es mucho mas costoso y aún
presenta problemas de eficiencia.
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Micro--redes aisladas por elección
Micro
• Concepto:
• Usar centro de datos pequeños, localizados en gabinetes de
intemperie o contenedores.
• Estos centros de datos se alimentan de fuentes locales,
preferentemente de energia renovables.
• (Si) Cuando la potencia generada en un sitio no es suficiente,
otro de estos centros de datos distribuidos (CDD) que es parte
de la misma “nube” toma el control de las tareas realizadas en
el sitio con insuficiente capacidad generadora.
• De esta forma el sistema usa fotones transmitidos por redes
de fibra optica entre CDDs como representantes de electrones
que de esta forma no circulan por una red eléctrica.
• La carga es colocada donde estan los recursos de generación
• De esta forma “datos” y “electricidad” quedan combinados.
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Micro--redes aisladas por elección
Micro
• Representación gráfica del concepto:
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Micro--redes aisladas por elección
Micro
• De este modo la energía es usada de forma mas efectiva.
• Notar que en la forma tradicional la potencia perdida se debe a
ineficiencias. En el concepto relacionado con los CDDs, la potencia
que se pierde es mucho menor, y en las fuentes basadas en
energías renovables la potencia no se pierde, si no que no se
recolecta.
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Micro--redes aisladas por elección
Micro
• Ventajas del nuevo concepto
• Requiere menos inversión en infraestructura porque el costo de una
fibra óptica nueva es 100 veces menos que el de una nueva línea de
transmisión.
• Facilita el uso de corriente continua
• Mucho menos requerimentos y complejidades para enfriar los
servidores de datos.
• Permite mayor uso de energías renovables
• Es un sistema mucho mas resistente a ataques externos o
desastres naturales.
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Conclusiones
• Esta presentación ha discutido el uso de micro-redes en forma aislada de
una red principal.
• Las micro-redes pueden proveer energía eléctrica en forma muy confiable.
• La selección de las fuentes de potencia es un punto muy crítico en la
planificación de micro-redes, particularmente cuando operan aisladas.
• Dos tipos de fuentes fueron identificadas: las que dependen de otras
infraestructuras y las que no lo son (usualmente renovables).
• Limitaciones en ambos tipos de fuentes implican la necesidad de contar
con elementos de almacenamiento de energia locales y de usar fuentes de
potencia diversas.
• A pesar de que usualmente se identifica el uso de micro-redes con
situaciones forzadas (por ejemplo despues de desastres naturales) o por
necesidad (por ejemplo para aldeas donde no hay conexion a una red de
energia eléctrica), el uso de micro-redes en forma aislada puede deberse a
una opción; por ejemplo en centro de datos distribuidos.
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Muchas gracias
Hay alguna pregunta?
Alexis Kwasinski
([email protected])
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