Estudos de estabilidade dinâmica de redes eléctricas para determinar os efeitos das energias renováveis nos sistemas eléctricos insulares.

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1 Estudos de estabilidade dinâmica de redes eléctricas para determinar os efeitos das energias renováveis nos sistemas eléctricos insulares. Redes Isoladas com Elevada Penetração de Energia Eólica utilizando Volantes de Inércia Eng.º Miguel Aires Martins 27 e 28 de Março de 2011

2 Empresas de Produção eléctrica no Grupo EDA

3 Produção de Energia Eléctrica nos Açores Nove ilhas Nove sistemas electro produtores

4 Produção de Energia Eléctrica nos Açores

5 Centrais Hidroeléctricas e Parques Eólicos Centrais Hídricas: S. Miguel Terceira Faial Flores Parque Eólicos: S. Maria S. Jorge Graciosa Faial Flores Pico Terceira S. Miguel (em fase de construção)

6 Centrais Hidroeléctricas ILHA CENTRAL HIDRICA ANO DE INSTALAÇÃO POTÊNCIA kw % PRODUÇÃO DA ILHA NO 2010 S. Miguel Tambores ,0 S. Miguel Canário ,4 S. Miguel Túneis ,2 S. Miguel Foz da Ribeira ,2 S. Miguel Salto do Cabrito ,8 S. Miguel Nova ,0 S. Miguel Ribeira da Praia ,9 S. Miguel Total :5,6 % Terceira Nasce d Água ,3 Terceira S. João de Deus ,2 Terceira Cidade ,2 Terceira Total : 0,6 % Faial Varadouro ,7 % Flores Além Fazenda ,3 %

7 Parques Eólicos ILHA PARQUE ANO DE INSTALAÇÃO POTÊNCIA kw % PRODUÇÃO DA ILHA NO 2010 S. Maria Figueiral x ,6 % Graciosa Serra Branca 1992 e x 100 e 2x300 8,0 % S. Jorge Pico da Urze 1991 e x 150 e 2x300 5,4% Faial Lomba dos Frades x 300 5,5 % Pico Terras do Canto x ,6 % Flores Boca da Vereda x ,3 % Terceira Serra do Cume x 900 8,5 %

8 Parques Eólicos e a seu dimensão na ilha ILHA PARQUE POTÊNCIA DO PARQUE (kw) POTÊNCIA DE VAZIO DA ILHA EM 2010 (kw) PONTA DE PRODUÇÃO DA ILHA EM 2010 (kw) S. Maria Figueiral Graciosa Serra Branca S. Jorge Pico da Urze Faial Lomba dos Frades Pico Terras do Canto Flores Boca da Vereda Terceira Serra do Cume

9 Enquadramento Produção de electricidade nos Açores depende de combustíveis fósseis importados: - Produção total dos Açores 2010: 71,9% térmica(fuel 63,6 % e Diesel 8,3 %) e 20,5 % renovável (Geotérmica 20,4 % ; Hídrica 3,7 % ; Eólica 4,0 %). - Produção total da Ilha Graciosa em 2010: 92,00% (Diesel) ; 8,00% (Eólica). - Maior Produção eólica diária Ilha Graciosa : 46,70% (Diesel) ; 53,30% (Eólica). - Produção total da Ilha das Flores em 2010: 51,40% (Diesel); 33,30 % (Hídrica) ; 15,30% (Eólica). - Produção 100 % renovável em 10 noites durante o ano de 2009 na ilha das Flores.

10 Enquadramento Os Açores possuem dois sistemas de Volante de inércia em exploração industrial desde 2006 instalados na: Ilha das Flores. Ilha Graciosa. Pretendia-se tirar o maior proveito da potência eólica instalada na ilha Graciosa que era fortemente desaproveitada e integrar o sistema de comando do Volante de Inércia com o sistema de controlo de potência do parque; Conciliar a produção eólica da ilha das Flores com a lenta reacção a variações de carga dos grupos hídricos existentes; Aumentar por via da Instalação dos Volantes de Inércia a produção renovável nas ilhas das Flores e Graciosa.

11 Problema Redes eléctricas isoladas com forte produção eólica Oscilações de potência entre o grupos diesel/hídricos e a eólica - Deslastre de cargas/cortes energia - Desgaste dos equipamentos mecânicos - Maiores consumos específicos (l/kwh) - Grande quantidade de energia rejeitada do Parque Eólico (kwh) Dificuldade no controlo de frequência da rede eléctrica Sub e Sobre cargas para os geradores diesel

12 Efectuado estudo Avaliar o impacto de sistemas de armazenamento de energia do tipo volante de inércia na maximização de produção eólica em redes eléctricas isoladas, Ilha Graciosa : Analisar condicionantes relativas à integração de energia eólica na Ilha Graciosa. Pesquisa de sistemas baseados em volantes de inércia existentes no mercado. Pesquisa de históricos de operação e exploração do sistema existente na Ilha Graciosa com e sem volante de inércia. Análise do comportamento dinâmico da rede local recorrendo a um modelo desenvolvido sobre MATLAB SIMULINK.

13 Ilha Graciosa Sistemas Electroprodutores e Rede Eléctrica da Ilha Graciosa: Central Térmica da Graciosa ( 6 grupos diesel ) com o total de 4,23 MW. Parque Eólico da Serra Branca (2 aerogeradores Nordtank e 2 aerogeradores ENERCON) com o total de 800 kw. Rede de distribuição em média tensão a 15kV única a todo o sistema (4 saídas). Volante de Inércia POWERSTORE ± 350 kw

14 Ilha Graciosa Sistema Electroprodutor da Ilha Graciosa:

15 Volante de inércia Tecnologia: Designados por flywheel na literatura anglo-saxónica. Constituídos na generalidade por um cilindro de elevada massa que armazena energia, através da sua energia cinética, acoplado a um motor/gerador e com o auxilio de electrónica de potência possam acumular e ou fornecer energia eléctrica aproveitando a conversão, em, ou, de rotação.

16 Volante de inércia Características: Elevada densidade de potência/energia. Manutenção reduzida. Elevada capacidade de carga/descarga. Utilização de materiais com baixo impacto ambiental. Duração do tempo de vida do equipamento independente dos ciclos de descarga e carga.

17 Fabricantes: Beaconpower Volante de inércia O fabricante apresenta o seu produto com a denominação de Smart Energy 25 Flywheel 200KW. Enercon O fabricante apresenta o seu produto com a denominação de Enercon Flywheel 200kW. PowerCorp O fabricante apresenta o seu produto com a denominação de PowerStore 350kW.

18 Condições de Operação Análise dos históricos da exploração do Parque Eólico da Serra Branca e da Central Térmica da Graciosa com e sem volante de inércia em funcionamento, seleccionando-se os dias de grande variação de velocidade de vento e penetração de energia eólica. Central Térmica da Graciosa Parque Eólico S.B. Volante de Inércia Ano Produção (MWh) Litros Consumo diesel CE(L/kWh) Produção (MWh) Auxiliares (MWh) Produção (MWh) Consumo (MWh) Auxiliares (MWh) , ,00 0, ,68 6,29 0,00 0,00 0, , ,00 0, ,79 4,53 1,84 90,12 40, , ,00 0, ,72 3,50 1,32 95,97 47, , ,00 0, ,24 3,96 0,93 99,28 49, , ,10 0, ,33 2,68 1,17 98,45 47,42 Nota: Só é efectuada limitação nos aerogeradores ENERCON

19 Condições de Operação Sem volante de inércia em funcionamento ano de 2005 Aerogeradores ENERCON E-30 (AG3 e AG4) kwh Quantificação Produção total do dia (kwh) 9.994,00 68,73% Produção expectável do dia (kwh) ,67 100,00% Produção Eólica Total Perdida (kwh) 4.546,67 31,27%

20 Condições de Operação Com volante de inércia em funcionamento - ano de 2007 Aerogeradores ENERCON (AG3 e AG4) kwh Quantificação Produção total do dia (kwh) 13728,17 93,77% Produção expectável do dia (kwh) 14640,00 100,00% Produção Eólica Total Perdida (kwh) 911,83 6,23%

21 Condições de Operação Com volante de inércia em funcionamento ano de 2008 Aerogeradores ENERCON (AG3 e AG4) kwh Quantificação Produção total (kwh) 13105,83 88,44% Produção expectável (kwh) 14819,33 100,00% Produção Eólica Total Perdida (kwh) 1713,50 11,56%

22 Conclusões Ilha Graciosa Redes eléctricas isoladas com grande volume de produção de energia eólica: Graves problemas de controlo de frequência da rede eléctrica. Dificuldade de gestão dos limites técnicos mínimos de potência dos grupos diesel. Existência uma grande quantidade de energia eólica não utilizada, devido à limitação em potência dos aerogeradores (operadores e autómato do V.I.). Com integração de sistemas de armazenamento de energia do tipo volante de inércia (V.I.) consegue-se melhorar a performance do sistema, sendo possível uma ainda maior penetração de energia eólica na rede. Com o V.I. diminui-se a energia não aproveitada. Com V.I. existe um maior controlo da frequência da rede eléctrica, limitando o seu desvio a valores muito interessantes.

23 Conclusões Ilha Graciosa Recomendações : Instalação de grupos diesel com diferentes potências, para um melhor encaixe no diagrama de cargas. Continuação no investimento em energias renováveis na Ilha Graciosa bem como o aumento da capacidade instalada no Parque Eólico da Serra Branca com aerogeradores que permitam o controlo de potência. Utilização somente de sistemas automáticos e eficientes de controlo da rede eléctrica, ficando o operador de despacho somente com a tarefa de supervisão do sistema.

24 Ilha das Flores Sistemas Electroprodutores e Rede Eléctrica da Ilha das Flores: Central Térmica de Além Fazenda ( 4 grupos diesel ) - total de 2,31 MW. Central Hídrica de Além Fazenda ( 4 turbinas Francis) - total de 1,40 MW. Parque Eólico da Boca da Vereda (2 aerogeradores ENERCON) - total de 600 kw Volante de Inércia POWERSTORE ± 350 kw

25 Ilha das Flores Sistema Electroprodutor da Ilha das Flores:

26 Conclusões Ilha das Flores Redes eléctricas isoladas com grande volume de produção de energia eólica: Graves problemas de controlo de frequência da rede eléctrica. Dificuldade de resposta dos grupos hídricos ás instabilidades da eólica. Existência uma grande quantidade de energia eólica não utilizada, devido à limitação em potência dos aerogeradores (operadores). Com integração de sistemas de armazenamento de energia do tipo volante de inércia (V.I.) consegue-se melhorar a performance do sistema, sendo possível uma ainda maior penetração de energia eólica na rede. Com o V.I. diminui-se a energia não aproveitada. Com V.I. existe um maior controlo da frequência da rede eléctrica, limitando o seu desvio a valores muito interessantes.

27 Conclusões finais Introdução de Volantes de Inércia em Redes eléctricas isoladas com grande volume de produção de energia eólica: Os Volantes de Inércia resolvem os problemas de controlo de frequência na rede. Dificuldade de gestão dos limites técnicos mínimos de potência dos grupos diesel aconselham a diversificação da sua potências. O elevado consumo associado a manter no sistema um Volante de Inércia aconselha a que exista uma elevada potência eólica instalada e portanto a uma alta quantidade de energia eólica não utilizada (devido à limitação em potência dos aerogeradores). É aconselhável uma integração de sistemas de armazenamento de energia do tipo volante de inércia com os sistema de controlo do parque conseguindo-se melhorar a performance do sistema e uma maior penetração de energia eólica na rede. Para muito altas taxas de penetração de energia eólica outros tipos de armazenamento de energia terão de ser necessários.

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