Tendencias en Almacenamiento de Energía en Sistemas Eléctricos Camilo A. Cortés, Ph.D. Universidad Nacional de Colombia [email protected]

¿Por qué usar sistemas Almacenamiento de Energía en Sistemas eléctricos de potencia? • Esta tendencia se está acentuando, sostenida por la implementación de: • Nuevos conceptos de futuras redes eléctricas inteligentes • Mejoras en tecnologías de almacenamiento de energía • Desarrollo de nuevas tecnologías de electrónica de potencia, topologías de circuitos y estrategias de control novedosas • Necesidad de reducir efectos generación con fuentes renovables no convencionales

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telecommunications and information technology infrastructure to enhance the reliability and efficiency of the electric delivery system. The smart grid will meet the growing electricity needs of our digital economy more effectively.”2 Figure 1.Traditional “One-Way” Power Flows in the Grid Sistemas eléctricos convencionales

Fuente: Cambell, R. The Smart Grid: Status and Outlook, 2018

Source: DOE, Quadrennial Energy Review Report: An Integrated Study of the U.S. Electricity System, January 2017.

Smart Grid technologies are seen as necessary to handle the more complex power flows on the modern grid. The grid was originally Punto designed débil: by electric utilities to serve customers within the same state, and as shown in Figure 1, electricity flowed in one direction from power plants to Eficiencia customers. Over time, the grid expanded as utilities formed power pools to interconnect their Energía debe ser transportada hacia la 1 DOE, Transforming the Nation’s Electricity System: The Second Installment of the Quadrennial Energy Review, demanda mediante January 2017, p. S-4, https://energy.gov/sites/prod/files/2017/01/f34/ grandes redes Transforming%20the%20Nation%27s%20Electricity%20SystemThe%20Second%20Installment%20of%20the%20Quadrennial%20Energy%20Review—%20Full%20Report.pdf. Camilo A. Cortés, Ph.D. | Bogotá, 23.08.2019 2 EEI, What Is the Smart Grid?, 2017, http://smartgrid.eei.org/Pages/FAQs.aspx#grid.

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transmission systems to share power generation resources. In the closing decades of the last century, with the advent of competition in the electricity industry and power marketing and the development of regional transmission organizations serving multi-state areas, large regional power flows began to dominate transmission systems. Figure 2. Emerging “Two-Way” Grid Infrastructure Transformación de los sistemas eléctricos

Fuente: Cambell, R. The Smart Grid: Status and Outlook, 2018

Source: DOE, Quadrennial Energy Review Report: An Integrated Study of the U.S. Electricity System, January 2017. Note: Distributed energy resources are small, modular, energy generation and storage technologies that

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Fuentes de Energías Renovables: Reducción de costos

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Fuente: IRENA, Renewable Power GeneraTon Costs in 2018

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Fuentes de Energías Renovables: Reducción de costos

Fuente: IRENA, Renewable Power Generation Costs in 2018 Camilo A. Cortés, Ph.D. | Bogotá, 23.08.2019

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Instalaciones Solares y Eólicas (acumulado a junio 30 de 2018) Energy)Storage)Resurgence)

Fuente: Bloonberg NEF. Camilo A. Cortés, Ph.D. | Bogotá, 23.08.2019

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Risk Example – System Impact – duck 5 curve Unaccounted system costs leads to future problems and risks Nuevas condiciones de losfor SEP California “duck curve”

• California “duck curve”

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Fuente: Department of Energy. Quadrennial technology Review. Ch. 3 Enabling ModernizaTon of the Electrical Power System, 2015

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transmission systems to share power generation resources. In the closing decades of the last century, with the advent of competition in the electricity industry and power marketing and the development of regional transmission organizations serving multi-state areas, large regional power flows began to dominate transmission systems. Figure 2. Emerging “Two-Way” Grid Infrastructure Transformación de los sistemas

Source: DOE, Quadrennial Energy Review Report: An Integrated Study of the U.S. Electricity System, January 2017. Note: Distributed energy resources are small, modular, energy generation and storage technologies that

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Resurgimiento del Almacenamiento de energía eléctrica Falta de generación Retos infraestructura

Expansión de Generación

Congestión en transmisión

Expansión de Transmisión

Distribución restringida

Expansión de distribución

Variabilidad en la demanda Retos convencionales de flexibilidad

Salida de generadores

Reservas Transacciones de energía

ConTngencias en la red

Retos NO convencionales de flexibilidad

Deslastre

Exceso de generación "verde" Variabilidad extrema de generación "verde"

Almacenamiento de Energía

Fuente: Energy Storage Tutorial. IEEE PES General Meeting, 2019 Camilo A. Cortés, Ph.D. | Bogotá, 23.08.2019

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Tecnologías de Almacenamiento de Energía

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Almacenamiento Térmico

Concentrated Solar Power: Aplicación

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Almacenamiento Mecánico

Centrales Reversibles, de Acumulación o de Bombeo (Pumped Hydro) Ej: Complejo Hidroeléctrico Río Grande − Córdoba (ArgenTna) de 750MW/100GW h (Año 1986)

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Principales Tecnologías de Almacenamiento de Energía

Almacenamiento Mecánico

Centrales Reversibles, de Acumulación o de Bombeo (Pumped Hydro): Aplicación

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Almacenamiento Mecánico

Aire Comprimido (Compressed Air Energy Storage − CAES)

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Almacenamiento Químico • Baterías Convencionales: Plomo-Ácido

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Fuente: Molina, G. High power electric energy storage applicaTons. 8ava Cátedra Internacional de Ingeniería 2014 .

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Almacenamiento Químico Baterías Avanzadas o Innovadoras: Tipos • Alcalinas (o Alcalinas-Manganeso recargables) • Química de Níquel (Níquel-Cadmio − NiCd y Níquel-Hidruro Metálico − NiMH) • Química de Litio (Iones de Litio, Polímeros de Litio) • Química de Sodio (Sodio-Sulfuro, Sodio-Sal)

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Almacenamiento Químico

Baterías Avanzadas: Química de LiKo, Iones de LiKo o Li-Ion

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Fuente: Molina, G. High power electric energy storage applications. 8ava Cátedra Internacional de Ingeniería 2014 .

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Almacenamiento Químico

• Baterías Avanzadas: Química de Sodio, Sodio-Sulfuro o NaS

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Fuente: Molina, G. High power electric energy storage applicaTons. 8ava Cátedra Internacional de Ingeniería 2014 .

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Almacenamiento Químico

• Baterías Avanzadas: Química de Sodio, Sodio-Sulfuro o NaS

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Resurgimiento del Almacenamiento de Energy)Storage)Resurgence) energía eléctrica •

Other)factors:

– Technological) improvements)and) innovations)on) batteries,)driven) mainly)by)mobile) applications)(auto,) • Bloomberg consumer) estima que el electronics,)etc.). – costo The)price)of)battery) se reducirá aenergy)storage)has) la mitad (aprox. been)declining)and) is)expected)to) 90 USD/kWh) en further)decline)in) una década coming)years. – Regional)factors, – Strong)industry) advocacy Fuente: Bloonberg NEF.

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Resurgimiento del Almacenamiento de energía eléctrica (till)2016)data) BESS)Cost)Projections)

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• Utility$scale$ BESS$project$ was$deployed$in$ 2016$@$

$550/kWh • In$2017,$we$have$ seen$examples$ of$projects$being$ bid$@

$350/kWh

Fuente: Tutorial: Energy Storage: An introducTon to Technologies, ApplicaTons and Best PracTces. IEEE PES General MeeTng, 2017 Camilo A. Cortés, Ph.D. | Bogotá, 23.08.2019

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Almacenamiento Mecánico Flywheels o Volantes de Inercia (FES)

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EFES

1 2 2 = J c (ω mi − ω mf ) 2

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Almacenamiento Eléctrico SMES (SuperconducKng MagneKc Energy Storage)

ESMES Camilo A. Cortés, Ph.D. | Bogotá, 23.08.2019

1 2 = L ⋅ iLm 2

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Almacenamiento Eléctrico SMES (SuperconducKng MagneKc Energy Storage): Aplicación

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Almacenamiento Eléctrico Súpercapacitores (Ultracapacitores o EDLC)

EUC Camilo A. Cortés, Ph.D. | Bogotá, 23.08.2019

1 2 2 = CUC ⋅ ( vUCi − vUCf ) 2

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Almacenamiento Eléctrico Súpercapacitores (Ultracapacitores o EDLC):Aplicaciones

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Curva de madurez de las tecnologías

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T-T Nguyen et al.: Renew. Energy Environ. Sustain. 2, 36 (2017)

Fuente: Nguyen et al. A review on technology maturity of small scale energy storage technologies, Fig. 1. Technology maturity curve of energy storage technologies for small scale energy systems. Data extracted and analysed from [2– 2017 4,6,10,12,20,24,26,31]. 29 Camilo A. Cortés, Ph.D. | Bogotá, 23.08.2019

Aplicaciones en Sistemas Eléctricos

Fuente: Tutorial: Energy Storage: An introduction to Technologies, Applications and Best Practices. IEEE PES General Meeting, 2017 Camilo A. Cortés, Ph.D. | Bogotá, 23.08.2019

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Energy)Storage)Resurgence • Observation)#2: ! high)growth)over)the)years) Evolución esperada to)come

Fuente: Bloomberg NEF Camilo A. Cortés, Ph.D. | Bogotá, 23.08.2019

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Evolución esperada

Fuente: Bloomberg NEF Camilo A. Cortés, Ph.D. | Bogotá, 23.08.2019

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