Smart grids Redes Inteligentes Integração de Renováveis e Armazenamento de Energia

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1 10th November 2010, Lisboa. Miguel Pernes Smart grids Redes Inteligentes Integração de Renováveis e Armazenamento de Energia November 15, 2010 Slide 1

2 Agenda Drivers e Desafios Redes do Futuro Smart grids e suas Aplicações Projectos em Curso Conclusões November 15, 2010 Slide 2

3 Desafio Energético Actual Crescimento do Consumo Energético China Europe and North America 105% 195% South America 56% 81% 11% 31% M. East and Africa 73% 131% India 126% 282% Growth in primary energy demand Growth in electricity demand IEA forecast November 15, 2010 Slide 3

4 Desafio: Melhoria da Fiabilidade # disturbance events in US November 15, 2010 Slide 4 Source: FERC 2008 Nos EUA o custo anual de perturbações na rede eléctrica é estimado em cerca de $ Millhões* Sectores Afectados: Comercial ($ Millhões), Industrial ($ Milhões) e residencial ($3.000 Milhões) Maioria dos custos ($ Milhões) são devidas a interrupções momentâneas (microcortes) * Berkley National Laboratory 2005 Baixa Fiabilidade tem um peso económico de grande significado

5 Duas forma de maior significado para redução de emissões: Eficiência Energética e Renováveis Annual emission of CO 2 in Gigatons * policy scenario Reference scenario 550 policy scenario 450 policy scenario 450* policy scenario * ppm concentration in the atmosphere Eficiência Energética e renováveis podem contribuir com cerca de 80% para atingirmos o target de redução de emissões no cenário 450 9% 14% 20% 57% Nuclear Carbon capture and sequestration Renewables Energy efficiency Source IEA 2008 November 15, 2010 Slide 5

6 Major challenge: environmental concerns Annual emission of CO 2 in Gigatons Source: IPCC Mitigation of Climate Change, Cambridge University Press, Electricity plants Industry (excl. cement) Road transport Residential and service sector Deforestation Others Refineries etc International transport CO 2 é responsável por 80% do aquecimento resultante dos gases nocivos Mais de 40% do CO 2 emitido é resulta da produção de energia eléctrica Produção de Energia Eléctrica é a maior fonte de emissão de CO 2 November 15, 2010 Slide 6

8 Proposta de Smart grids Enfâse em 4 Áreas Principais Capacidade para atender procura/oferta Bases para as redes eléctricas do futuro Fiabilidade no fornecimento de energia eléctrica Investimentos em upgrades e novas instalações para atender desafios futuros Eficiência ao longo da cadeia de valor energético Acções para mitigar impacto ambiental Sustentabilidade pela integração renovável Influência regulatoria influence e comportamentos dos consumidores é essencial November 15, 2010 Slide 8

9 Investimentos Capacidade Capacidade Fiabilidade Eficiência Sustentabilidade Investimentos em infrastruturas estimado em cerca de $6 trilliões até Redes actuais podem ser reforçadas para operar na sua capacidade máxima sem comprometer segurança Novas instalações devem promover optinização do fluxo energético em qualquer localização na rede Em 2020 a frota de carros eléctricos pode atingir 40 milhões de unidades em todo o mundo, representando cerca de 2% dos carros em trânsito 1 A infrastrutura para carga do carro eléctrico necessita ser construída Fast charging não pode ser atingido com infraestrutura actual O sistema eléctrico do futuro terá que ser usado na sua capacidade máxima e deverá estar preparado para novos desaafios 1 Source: IEA November 15, 2010 Slide 9

10 Energia Eléctrica a qualquer hora e em qualquer lugar Fiabilidade na rede de Transporte Capacidade Fiabilidade Eficiência Sustentabilidade Operação segura com mínimo de reservas é a forma mais económica de operar o sistema de potência Sistemas devem ser projectados para fiabilidade máxima e qualidade máxima Impacto de ocorrências inevitáveis (eg indisponibilidade por defeitos na rede) devem ficar limitados a pequenas áreas Resosição imediata de fornecimento de energia após defeitos é essencial. The European grid covers the whole continent O sistema eléctrico do futuro deverá providenciar o fornecimento de energiar eléctrica sem interrupções November 15, 2010 Slide 10

11 Energia Eléctrica a qualquer hora e em qualquer lugar Fiabilidade na rede de Distribuição Capacidade Fiabilidade Eficiência Sustentabilidade Redes de Distribuição Inteligentes para: Controlo e Monitorização remota Automatismos Localização de Defeitos Adaptabilidade Como impacto em: Redução de indisponibilidades Melhoria na qualidade de fornecimento Melhoria de processos de manutenção A fiabilidade das redes de distrubuição assume um papel fundamental para as redes do futuro November 15, 2010 Slide 11

12 Produção de Energia e Interligações Eficiência Capacidade Fiabilidade Eficiência Sustentabilidade traditional power plants solar plants Conversion efficiency Transformers AC-DC converters Conversão eficiente de energia primária em electricidade continua a aumentar Process de controlo avançados adicionam valor para a eficiência global do processo Equipamentos e sistemas para interligaçã oestão a tornar-se cada vez mais eficientes Uma melhoria de 1% na eficiência permite poupar 100 milhões tons de CO 2 (emissão de 50 M carros 1 ) Substations Estimativas apontam para potencial de poupança energética de 2 digitos na produção de energia 2 wind farms Process improvement 1 at 200g/km of CO 2 emission and 10,000 km/year 2 Graus: Energy policy 2007; Gielen: IEA 2007 distributed generation No futuro será mandatório a produção de energia com sistemas altamente eficientes November 15, 2010 Slide 12

13 Potencial de Poupança no transporte e distribuição Eficiência Capacidade Fiabilidade Eficiência Sustentabilidade Perdas podem atingir valores de 6-8 % Equipamento envelhecido de baixa eficiência e perdas por efeito de Joule são as razões principais Transformadores de distribuição ineficientes representam cerca de 30% das perdas no sistema. Perdas na rede da EU encontram-se estimadas em cerca de 50 TWh, o equivamente ao consumo anual de 13 milhões de habitações 1 1 Source: European Commission Nos sistemas eléctricos do futuro as perdas deverão ser substancialmente reduzidas November 15, 2010 Slide 13

14 Potencial de Poupança no lado do Consumo Industrial Eficiência Capacidade Fiabilidade Eficiência Sustentabilidade The large industrial electrical energy consumers annual consumption 2006 in TWh Chemical Iron&steel non ferrous Pulp&paper minerals 50% do Consumo Eléctrico é atribuido à Industria Mais de 60% deste valor é utilizado no desenvolvimento industrial dos países Asiáticos. Este valr será de 70% em 2030 Electricidade representa cerca de 40% nos custos energéticos da Indústria em geral 60% da energia eléctrica utilizada na industria é consumida por motores eléctricos Sources: IEA 2009, MGI,McKinsey, estimates Os sistemas eléctricos do futuro devem levar em consideração a poupança energética na indústria November 15, 2010 Slide 14

15 Potencial de Poupança no lado do consumo comercial e residencial Eficiência Capacidade Fiabilidade Eficiência Sustentabilidade Cidades contabilizam mais de 70% das emissões de CO 2 1 Edificios comerciais e residenciais são os segmentos de maior consumo de energia com maior taxa de crescimento nos EUA e Europa 1 Mais de 50% da energia é utilizada para aquecimento, ar condicionado, e iluminação Poupanças de % são possíveis em certas aplicações 2 1 EIA, DOE, Buildings energy data book, IEA Annual energy reports, European Commission reports O sistema eléctrico do futuro deverá providenciar formas eficientes de redução do consumo November 15, 2010 Slide 15

16 Adaptando o consumo à produção Ajustanto o mix de energia (Eficiência) Capacidade Fiabilidade Eficiência Sustentabilidade 8 GW Demand Consumo varia durante o ano, variando entre dia e noite Reservas devem ser minimas. 6 Desafio da fiabilidade aumenta com introdução de fontes intermitentes (renováveis). Armazenamento Eléctrico Inteligente será chave para mitigar o problema. 4 Resposta dinâmica da procura 2 Mix of different energy sources for base load and peak load Planeamento da produção com maiores variáveis em sistema mais complexo Troca de informação (dados) em tempo real, e altos níveis de automação, podem mitigar problema, adequando o consumo à produção disponível 00 h 12 h 00 h 12 h 00 h Para os EUA, um potencial de redução de 20% do pico do diagrama de carga é esperado após introdução de processo de resposta dinâmica das cargas November 15, 2010 Slide 16 O sistema eléctrico do futuro deverá providenciar soluções de controlo optimizado

17 Harmonização de Mercados Energéticos Eficiência Capacidade Fiabilidade Eficiência Sustentabilidade Tarifas de tempo real são instrumentos de harmonização da oferta e procura. Tarifas são definidas por: Consumo (Demand) Condições de Produlão (Supply) Intervenção do Regulador Concorrência entre produtores independentes Concorrência entre operadores de rede. Desenvolvimento de Software para gestão de mercado de energia é necessário. O sistema eléctrico do futuro deverá providenciar plataformas seguras para a comercalização da energia November 15, 2010 Slide 17

18 Integrando energias renováveis Sustentabilidade Capacidade Fiabilidade Eficiência Sustentabilidade Grandes Hidricas serão a maior contribuição de energias renováveis para os próximos 20 anos Vários gigawatts terão que ser transportados por milhares de Kms para os centros de consumo Tecnologias para transporte economico e fiável são essenciais November 15, 2010 Slide 18 O sistema eléctrico do futuro terá que providenciar soluções viáveis

19 Integrando energias renováveis Produção Intermitente (Sustentabilidade) Capacidade Fiabilidade Eficiência Sustentabilidade Electricidade produzida por aerogeradores or paineis solares é intermitente por natureza É necessário manter uma reserva giorante entre 5 e 18% da potência instalada por questões de segurança 1 Interligações e armazenamento inteligente poderá reduzir necessidade de reservas 1 Wind impact on power system, Bremen 2009 O sistema eléctrico do futuro deverá ser projectado levando em conta um maior número de imponderabilidades November 15, 2010 Slide 19

21 Electricidade Inteligente Energia eficiente para um mundo sustentável A smart grid is the evolved system that manages the electricity demand in a sustainable, reliable and economic manner built on advanced infrastructure and tuned to facilitate the integration of behavior of all involved November 15, 2010 Slide 23

22 A visão smart grid Principais Requisitos Capacidade Fiabilidade Eficiência Sustentabilidade Reforçar capacidade de redes actuais Infrastrutura adicional (e-cars) Estabilizar o sistema para evitar apagões Fornecer energiar de qualidade a qualquer hora Melhorar eficiência na produção Reduzir perdas no transporte e distribuição Ligação de renováveis na rede Gerir produção intermitente November 15, 2010 Slide 24

23 Smart grids Focus of activities Focus area Distribution grid automation e-mobility Demand response Commercial and Domestic Distributed generation integration Distributed storage (<1MW) Bulk storage (>1MW) Activities Network Management for distribution grids Intelligent equipment Distribution communication EV charging infrastructure Grid intelligence On board and manufacturing segment Storage services Home / building automation Demand response applications Connectivity to grid Residential / community renewables Networked CHP and other generation Micro and Personal grids MV / LV DC grids Building / community level storage. Micro and Personal grids V2G Integration of large scale battery storage Mitigation of renewable intermittency November 15, 2010 Slide 25

24 Cidades Inteligentes Integração nas Smart Grid Charging scheduling for residential areas Storage of peak supply power in car batteries (future) Local distribution grid extensions Battery switch stations: Storage Power quality services Ultra-fast charging stations: Storage Power quality services Used car batteries as central storage capacity November 15, 2010 Slide 27

25 Automação na Distribuição Integração de Energia e Informação Distribution Control Center Network management SCADA/DMS OMS with AMR/AMI connection Models sub-transmission and distribution (including medium- and low voltage) networks Workforce management Primary Substation Automation Protection Monitoring and control Automatic functions Information refinement MV/LV Network Automation (FA) Protection Monitoring and control Automatic functions Information refinement Home/Building Automation Smart metering (AMR/AMI) Smart home integration (demand response) November 15, 2010 Slide 28 November 15, 2010 Slide 28

26 Resposta Dinâmica da Procura O novo consumidor November 15, 2010 Slide 29

27 Resposta Dinâmica Redução de Picos Load Time Utilização de unidades de produção mais eficientes Utlização de fontes mais rentáveis Utilização de unidades de produção menos emissoras CO2 Melhoria de utilização da capacidade da rede De uma forma geral utilities exploram 10-20% da sua capacidade em menos de 1-3% do tempo Necessidade de reservas girantes November 15, 2010 Slide 30 Equilibrio de potência entre 1-24 hours por efeitos de consumidores activos

28 Aplicações de Rede para Armazenamento de Energia SVC Light com Baterias Integração de Renováveis Backup power Continuous reactive power support Eventual reactive power support Gestão de Cargas Intermitentes Emergency and short-time power Integração do carro eléctrico Peak-load shaving Serviços Auxiliares November 15, 2010 Slide 31

29 Grid applications for energy storage Discharge times Capacitors Flywheels Batteries Pump storage Fractions of seconds Minute Minute(s) to hour(s) Hours to days Discharge time DynaPeaQ core range: 5 to 60 minutes 5 to 50 MW November 15, 2010 Slide 32

30 DynaPeaQ Battery Solution The Battery Technology selected for DynaPeaQ is the Li-ion Battery. Cell Module Room # 1 # 2 # 2 # n String Storage November 15, 2010 Slide 33

31 DynaPeaQ Configuração Típica Typical layout for 20 MW during 15 min +/- 30 Mvar continuously 50 m 65 m November 15, 2010 Slide 34

32 Armazenamento de Energia Eléctrica Aplicação Residencial apartment Como parte vital em edificios inteligentes, o armazenamento permite: Fornecimento de energia durante algumas horas do dia. DC AC 25 EV s Armazenamento de excesso de energia produzida (eg Solar). appliances automation slow charging control Controlo dinâmico da tensão. Aumento da qualidade da energia por efeitos de supressão de harminicas e redução de microcortes. Filter AC DC Battery Control LV November 15, 2010 Slide 35

33 O sistema por trás do carregamento November 15, 2010 Slide 36

34 Evolução da Rede Do tradicional ao futuro traditional grids Produção Centralizada Fluxo de Energia Unidireccional Produção segue a Procura (Carga) Operação baseada em histórico Acesso limitado a novos produtores Produção Centralizada e Descentralizada future grids Produção Intermitente não despachavel Consumidores - Produtores Fluxo de Energia Multi-direccional Carga adaptada à Produção Operatição baseada em tempo real ABB SmartGrid_Overview_rev12a.ppt 39

36 Progress Update CEU Smart Grid em Malta. 1ª First Smart Grid Parceiros: IBM, Enemalta Corporation, Water Services Corporation Malta Objectivo: Desenvolvimento de Sistema Inteligente de gestão de Águas e Energia Challenges: Integrate Utilities Business systems conduct remote monitoring, meter reading and real-time management of the network based on IT Results: Active demand: Real-time monitoring and smart meters can deliver pricing based on time of day, enabling the utility to better manage energy consumption and customers to cut their electrical bills. Malta residents will also be able to track their energy use online and see how to curb consumption habits. November 15, 2010 Slide 41

37 Progress Update NEU Stockholm City (Stockholm Royal Seaport) Customers Stockholm Municipality and the utility FORTUM Showcase Urban Smart Grid will be part of and supporting a larger showcase for a Sustainable City concept Demonstrate climate positive strategies, setting a compelling environmental and economic example for cities to follow. Selected as one of 18 global projects supported by Clinton Climate Initiative Program for sustainable urban growth Scope and ABB deliverables Integration of Electrical Vehicles, Demand Response, Active House, integration of Local Decentralized Renewable Production, Energy Storage, Substation Automation,Ship to Shore and an Innovation Center. November 15, 2010 Slide 42

39 Smart grids contribuirão para futuro sustentável Hoje Com Redes do Futuro <13% penetração de Renováveis 5% sistemas de resposta dinâmica >1% consumidores-produtores 47% utilização de infraestruturas 50% utilização de infraestruturas de transporte 30% % utilização de infraestruturas de distribuição >30% % penetração de Renováveis 15% sistemas de resposta dinâmica 10 % consumidores-produtores 90% utilização de infraestruturas 80 utilização de infraestruturas de transporte 80% % utilização de infraestruturas de distribuição Source: DOE and NETL November 15, 2010 Slide 51

40 Depende de todos nós Cada um de nós deverá reconsiderar o seu consumo de energia Politicos deverão estabelecer metas e incentivos para eficiência energética e subescrever compromissos de reduções de CO2 Mercados de Energia e todos os stakeholders deverão de uma forma activa participar nos esforços de redução de consumo e optimização de eficiencia November 15, 2010 Slide 52

41 November 15, 2010 Slide 53