“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
11 de Novembro de 2011
Empresas de Produção eléctrica no Grupo EDA
Produção de Energia Eléctrica nos Açores
Nove ilhas – Nove sistemas electro produtores
GRUPO EDA ‐ REDES ISOLADAS COM ELEVADA PENETRAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA UTILIZANDO VOLANTES DE INÉRCIA
Produção de Energia Eléctrica nos Açores
GRUPO EDA ‐ REDES ISOLADAS COM ELEVADA PENETRAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA UTILIZANDO VOLANTES DE INÉRCIA
Centrais Hidroeléctricas e Parques Eólicos
Parque Eólicos:
S. Maria
S. Jorge
Graciosa
Faial
Flores
Pico
Centrais Hídricas:
S. Miguel
Terceira
Faial
Terceira (em fase de
ampliação)
S. Miguel (em fase de
construção)
Flores
GRUPO EDA ‐ REDES ISOLADAS COM ELEVADA PENETRAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA UTILIZANDO VOLANTES DE INÉRCIA
Centrais Hidroeléctricas
ILHA
CENTRAL HIDRICA
ANO DE INSTALAÇÃO
POTÊNCIA
kW
% PRODUÇÃO DA
ILHA NO 2010
S. Miguel
Tambores
1909
94
0,0
S. Miguel
Canário
1990
400
0,4
S. Miguel
Túneis
2000
1613
2,2
S. Miguel
Foz da Ribeira
1990
824
1,2
S. Miguel
Salto do Cabrito
2005
670
0,8
S. Miguel
Nova
1927
600
0,0
S. Miguel
Ribeira da Praia
1991
800
0,9
S. Miguel
Total :5,6 %
Terceira
Nasce d’Água
1954
720
0,3
Terceira
S. João de Deus
1954
448
0,2
Terceira
Cidade
1954
264
0,2
Terceira
Total : 0,6 %
Faial
Varadouro
1961
320
0,7 %
Flores
Além Fazenda
1966
1400
33,3 %
GRUPO EDA ‐ REDES ISOLADAS COM ELEVADA PENETRAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA UTILIZANDO VOLANTES DE INÉRCIA
Parques Eólicos
ILHA
PARQUE
ANO DE INSTALAÇÃO
POTÊNCIA
kW
% PRODUÇÃO DA ILHA NO 2010
S. Maria
Figueiral
2002
3 x 300
10,6 %
Graciosa
Serra Branca
1992 e 2002
2 x 100 e 2x300
8,0 %
S. Jorge
Pico da Urze
1991 e 2002
5 x 150 e 2x300
5 ,4%
Faial
Lomba dos
Frades
2002
6 x 300
5,5 %
Pico
Terras do Canto
2005
6 x 300
11,6 %
Flores
Boca da Vereda
2002
2 x 300
15 ,3 %
Terceira
Serra do Cume
2008
2011
5 x 900
5 x 900
8,5 %
N.A
S. Miguel
Graminhais
2011
10 x 900
N.A
GRUPO EDA ‐ REDES ISOLADAS COM ELEVADA PENETRAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA UTILIZANDO VOLANTES DE INÉRCIA
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
900
1750
3620
Graciosa
Serra Branca
800
1156
2450
S. Jorge
Pico da Urze
1150
2539
5140
Faial
Lomba dos Frades
1800
4471
9308
Pico
Terras do Canto
1800
3873
8388
Flores
Boca da Vereda
600
1025
2013
Terceira
Serra do Cume
4500
15165
40321
GRUPO EDA ‐ REDES ISOLADAS COM ELEVADA PENETRAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA UTILIZANDO VOLANTES DE INÉRCIA
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.
GRUPO EDA ‐ REDES ISOLADAS COM ELEVADA PENETRAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA UTILIZANDO VOLANTES DE INÉRCIA
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.
GRUPO EDA ‐ REDES ISOLADAS COM ELEVADA PENETRAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA UTILIZANDO VOLANTES DE INÉRCIA
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
GRUPO EDA ‐ REDES ISOLADAS COM ELEVADA PENETRAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA UTILIZANDO VOLANTES DE INÉRCIA
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 ©.
GRUPO EDA ‐ REDES ISOLADAS COM ELEVADA PENETRAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA UTILIZANDO VOLANTES DE INÉRCIA
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
GRUPO EDA ‐ REDES ISOLADAS COM ELEVADA PENETRAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA UTILIZANDO VOLANTES DE INÉRCIA
Ilha Graciosa
Sistema Electroprodutor da Ilha Graciosa:
GRUPO EDA ‐ REDES ISOLADAS COM ELEVADA PENETRAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA UTILIZANDO VOLANTES DE INÉRCIA
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.
GRUPO EDA ‐ REDES ISOLADAS COM ELEVADA PENETRAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA UTILIZANDO VOLANTES DE INÉRCIA
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.
GRUPO EDA ‐ REDES ISOLADAS COM ELEVADA PENETRAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA UTILIZANDO VOLANTES DE INÉRCIA
Volante de inércia
Fabricantes:
Beaconpower
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.
GRUPO EDA ‐ REDES ISOLADAS COM ELEVADA PENETRAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA UTILIZANDO VOLANTES DE INÉRCIA
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
Ano
Produção
(MWh)
Parque Eólico S.B.
Consumo diesel
Litros
Produção
CE(L/kWh)
(MWh)
Volante de Inércia
Auxiliares (MWh)
Produção
Consumo
Auxiliares
(MWh)
(MWh)
(MWh)
2005
9.911,67
2.580.956,00
0,26040
1.675,68
6,29
0,00
0,00
0,00
2006
10.468,44
2.776.536,00
0,26523
1.886,79
4,53
1,84
90,12
40,15
2007
11.238,00
2.941.999,00
0,26179
1.851,72
3,50
1,32
95,97
47,67
2008
12.434,16
3.148.230,00
0,25319
1.422,24
3,96
0,93
99,28
49,51
2009
12.205,56
3.168.391,10
0,25959
1.560,33
2,68
1,17
98,45
47,42
Nota: Só é efectuada limitação nos aerogeradores ENERCON
Condições de Operação
Sem volante de inércia em funcionamento – ano de 2005
Aerogeradores ENERCON E‐30 (AG3 e AG4)
kWh
Produção total do dia (kWh)
Produção expectável do dia (kWh)
Produção Eólica Total Perdida (kWh)
Quantificação
9.994,00
68,73%
14.540,67
100,00%
4.546,67
31,27%
GRUPO EDA ‐ REDES ISOLADAS COM ELEVADA PENETRAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA UTILIZANDO VOLANTES DE INÉRCIA
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%
911,83
6,23%
Produção Eólica Total Perdida (kWh)
GRUPO EDA ‐ REDES ISOLADAS COM ELEVADA PENETRAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA UTILIZANDO VOLANTES DE INÉRCIA
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%
1713,50
11,56%
Produção Eólica Total Perdida (kWh)
GRUPO EDA ‐ REDES ISOLADAS COM ELEVADA PENETRAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA UTILIZANDO VOLANTES DE INÉRCIA
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.
GRUPO EDA ‐ REDES ISOLADAS COM ELEVADA PENETRAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA UTILIZANDO VOLANTES DE INÉRCIA
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.
GRUPO EDA ‐ REDES ISOLADAS COM ELEVADA PENETRAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA UTILIZANDO VOLANTES DE INÉRCIA
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
GRUPO EDA ‐ REDES ISOLADAS COM ELEVADA PENETRAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA UTILIZANDO VOLANTES DE INÉRCIA
Ilha das Flores
Sistema Electroprodutor da Ilha das Flores:
GRUPO EDA ‐ REDES ISOLADAS COM ELEVADA PENETRAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA UTILIZANDO VOLANTES DE INÉRCIA
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.
GRUPO EDA ‐ REDES ISOLADAS COM ELEVADA PENETRAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA UTILIZANDO VOLANTES DE INÉRCIA
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.
GRUPO EDA ‐ REDES ISOLADAS COM ELEVADA PENETRAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA UTILIZANDO VOLANTES DE INÉRCIA
GRUPO EDA ‐ REDES ISOLADAS COM ELEVADA PENETRAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA UTILIZANDO VOLANTES DE INÉRCIA