10th November 2010, Lisboa. Miguel Pernes
Smart grids
Redes Inteligentes
Integração de Renováveis e
Armazenamento de Energia
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Agenda
Drivers e Desafios
Redes do Futuro
Smart grids e suas Aplicações
Projectos em Curso
Conclusões
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Desafio Energético Actual – Crescimento do
Consumo Energético
China
Europe and
North America
105%
195%
11% 31%
South
America
India
M. East and
Africa
126% 282%
56%
81%
73% 131%
Growth in primary
energy demand
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Growth in electricity
demand
IEA forecast
2006-30
# disturbance
events in US
Desafio: Melhoria da Fiabilidade
Source: FERC 2008
Nos EUA o custo anual de perturbações na rede eléctrica é estimado em
cerca de $80.0000 Millhões*
Sectores Afectados: Comercial ($57.000 Millhões), Industrial ($20.000
Milhões) e residencial ($3.000 Milhões)
Maioria dos custos ($52.000 Milhões) são devidas a interrupções
momentâneas (microcortes)
* Berkley National Laboratory 2005
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Baixa Fiabilidade tem um peso económico de grande
significado
Annual emission of CO2 in Gigatons
Duas forma de maior significado para redução de
emissões: Eficiência Energética e Renováveis
450*
550*
policy
policy
scenario scenario
45
40
9%
14%
35
20%
Nuclear
Carbon capture
and sequestration
Renewables
Energy efficiency
30
57%
25
20
2005
* ppm concentration in the atmosphere
2010
Reference scenario
2015
2020
550 policy scenario
2025
2030
Source
IEA 2008
450 policy scenario
Eficiência Energética e renováveis podem contribuir com cerca de 80%
para atingirmos o target de redução de emissões no cenário 450
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Major challenge: environmental concerns
Annual emission of CO2 in Gigatons
10
9
8
Electricity plants
Source: IPCC “Mitigation
of Climate Change”,
Cambridge University
Press, 2007
7
6
2
Industry (excl. cement)
Road transport
Residential and service sector
Deforestation
Others
Refineries etc
1
International transport
5
4
3
0
1970
1980
1990
2000
CO2 é responsável por 80% do aquecimento resultante dos gases nocivos
Mais de 40% do CO2 emitido é resulta da produção de energia eléctrica
Produção de Energia Eléctrica é a maior fonte de emissão de CO2
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Agenda
Drivers e Desafios
Redes do Futuro
Smart grids e suas Aplicações
Projectos em Curso
Conclusões
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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
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Investimentos
Capacidade
Capacidade
Fiabilidade
Eficiência
Sustentabilidade
Investimentos em infrastruturas estimado em cerca de $6 trilliões até 20301
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 trânsito1
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
1Source:
IEA
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Energia Eléctrica a qualquer hora e em qualquer lugar
Fiabilidade na rede de Transporte
Operação segura com mínimo de
reservas é a forma mais económica de
operar o sistema de potência
Capacidade
Fiabilidade
Eficiência
Sustentabilidade
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
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Energia Eléctrica a qualquer hora e em qualquer lugar
Fiabilidade na rede de Distribuição
Capacidade
Redes de Distribuição Inteligentes para:
Fiabilidade
Eficiência
Sustentabilidade
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
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Produção de Energia e Interligações
Eficiência
Conversão eficiente de energia primária em
electricidade continua a aumentar
Capacidade
Conversion efficiency
Fiabilidade
Eficiência
Process de controlo avançados adicionam valor
para a eficiência global do processo
Sustentabilidade
traditional
power plants
Equipamentos e sistemas para interligaçã oestão
a tornar-se cada vez mais eficientes
Transformers
solar plants
AC-DC
converters
Uma melhoria de 1% na eficiência permite poupar
100 milhões tons de CO2 (emissão de 50 M
carros1)
Substations
Estimativas apontam para potencial de poupança
energética de 2 digitos na produção de energia2
wind farms
Process improvement
1
at 200g/km of CO2 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
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Potencial de Poupança no transporte e distribuição
Eficiência
Capacidade
Perdas podem atingir valores de 6-8 %
Fiabilidade
Eficiência
Sustentabilidade
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 habitações1
1Source: European
Commission
Nos sistemas eléctricos do futuro as perdas deverão ser
substancialmente reduzidas
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Potencial de Poupança no lado do Consumo Industrial
Eficiência
Capacidade
Fiabilidade
Eficiência
The large industrial electrical energy consumers’
annual consumption 2006 in TWh
Sustentabilidade
310
960
490
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
500
585
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
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Potencial de Poupança no lado do consumo comercial e
residencial
Eficiência
Capacidade
Fiabilidade
Eficiência
Sustentabilidade
Cidades contabilizam mais de 70% das emissões de CO21
Edificios comerciais e residenciais são os segmentos de maior consumo
de energia com maior taxa de crescimento nos EUA e Europa1
Mais de 50% da energia é utilizada para aquecimento, ar condicionado, e
iluminação
Poupanças de 30 – 60 % são possíveis em certas aplicações2
1
EIA, DOE, Buildings energy data book, 2008
2
IEA Annual energy reports, European Commission reports
O sistema eléctrico do futuro deverá providenciar formas
eficientes de redução do consumo
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Adaptando o consumo à produção
Ajustanto o mix de energia (Eficiência)
Capacidade
8
Consumo varia durante o ano, variando entre
dia e noite
Demand
Fiabilidade
Eficiência
Sustentabilidade
Reservas devem ser minimas.
GW
Desafio da fiabilidade aumenta com introdução
de fontes intermitentes (renováveis).
6
Armazenamento Eléctrico Inteligente
será chave para mitigar o problema.
Resposta dinâmica da procura
4
Planeamento da produção com maiores
variáveis em sistema mais complexo
Mix of different energy sources
for base load and peak load
2
00 h
12 h
00 h
12 h
Troca de informação (dados) em tempo real, e
altos níveis de automação, podem mitigar
problema, adequando o consumo à produção
disponível
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
O sistema eléctrico do futuro deverá providenciar soluções
de controlo optimizado
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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
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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
O sistema eléctrico do futuro terá que providenciar soluções
viáveis
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Integrando energias renováveis
Produção Intermitente (Sustentabilidade)
Electricidade produzida por
aerogeradores or paineis
solares é intermitente por
natureza
Capacidade
Fiabilidade
Eficiência
Sustentabilidade
É necessário manter uma
reserva giorante entre 5 e 18%
da potência instalada por
questões de segurança1
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
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Agenda
Drivers e Desafios
Redes do Futuro
Smart grids e suas Aplicações
Projectos em Curso
Conclusões
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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
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A visão smart grid
Principais Requisitos
Capacidade
Reforçar capacidade de redes actuais
Infrastrutura adicional (e-cars)
Fiabilidade
Estabilizar o sistema para evitar apagões
Fornecer energiar de qualidade a qualquer hora
Eficiência
Melhorar eficiência na produção
Reduzir perdas no transporte e distribuição
Sustentabilidade
Ligação de renováveis na rede
Gerir produção intermitente
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November 15, 2010 | Slide 24
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)
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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
Cidades Inteligentes
Integração nas Smart Grid
Storage of
peak supply
power in car
batteries
(future)
Local distribution
grid extensions
Charging
scheduling for
residential areas
Ultra-fast charging stations:
•Storage
•Power quality services
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November 15, 2010 | Slide 27
Battery switch stations:
•Storage
•Power quality services
Used car batteries
as central storage
capacity
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)
© ABB Group
© ABB
Group
November
15, 2010 |
November 15, 2010 | Slide 28
Slide 28
Resposta Dinâmica da Procura
O novo consumidor
© ABB Group
November 15, 2010 | Slide 29
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
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Equilibrio de potência entre 1-24 hours por efeitos de consumidores
activos
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
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November 15, 2010 | Slide 31
Grid applications for energy storage
Discharge times
Capacitors
Fractions of
seconds
Flywheels
Minute
Batteries
Minute(s) to hour(s)
DynaPeaQ core range:
5 to 60 minutes
5 to 50 MW
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November 15, 2010 | Slide 32
Pump storage
Hours to days
Discharge time
DynaPeaQ – Battery Solution
The Battery Technology selected for DynaPeaQ is the Li-ion Battery.
Cell
Module
Room
#1
String
© ABB Group
November 15, 2010 | Slide 33
#2
#2
#n
Storage
DynaPeaQ
Configuração Típica
Typical layout for 20
MW during 15 min +/30 Mvar continuously
65 m
50 m
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November 15, 2010 | Slide 34
Armazenamento de Energia Eléctrica
Aplicação Residencial
Como parte vital em edificios inteligentes, o
armazenamento permite:
40-50 apartment
Fornecimento de energia durante
algumas horas do dia.
DC
25 EV’s
appliances
AC
Controlo dinâmico da tensão.
slow
charging
control
Aumento da qualidade da energia por
efeitos de supressão de harminicas e
redução de microcortes.
automation
Filter
AC
Battery
DC
Control
LV
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November 15, 2010 | Slide 35
Armazenamento de excesso de
energia produzida (eg Solar).
O sistema por trás do carregamento
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November 15, 2010 | Slide 36
traditional grids
Evolução da Rede
Do tradicional ao futuro
Produção Centralizada
Fluxo de Energia Unidireccional
Produção segue a Procura (Carga)
Operação baseada em histórico
Acesso limitado a novos produtores
future grids
Produção Centralizada e Descentralizada
Produção Intermitente não despachavel
Consumidores - Produtores
Fluxo de Energia Multi-direccional
Carga adaptada à Produção
Operatição baseada em tempo real
© ABB
2009-05-19 SmartGrid_Overview_rev12a.ppt | 39
Agenda
Drivers e Desafios
Redes do Futuro
Smart grids e suas Aplicações
Projectos em Curso
Conclusões
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November 15, 2010 | Slide 40
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.
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November 15, 2010 | Slide 41
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.
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November 15, 2010 | Slide 42
Agenda
Drivers e Desafios
Redes do Futuro
Smart grids e suas Aplicações
Projectos em Curso
Conclusões
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November 15, 2010 | Slide 50
Smart grids contribuirão para futuro sustentável
Hoje
<13% penetração de
Renováveis
>30% % penetração de
Renováveis
5% sistemas de resposta
dinâmica
15% sistemas de resposta
dinâmica
>1% consumidores-produtores
10 % consumidores-produtores
47% utilização de
infraestruturas
90% utilização de
infraestruturas
50% utilização de
infraestruturas de transporte
80 utilização de infraestruturas
de transporte
30% % utilização de
infraestruturas de distribuição
80% % utilização de
infraestruturas de distribuição
Source: DOE and NETL
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November 15, 2010 | Slide 51
Com Redes do Futuro
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
© ABB Group
November 15, 2010 | Slide 52
© ABB Group
November 15, 2010 | Slide 53