Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico

Trabajo Fin de Máster Máster Universitario en Ingeniería Industrial Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico Autor: Antonio Hernández Romero Tutor: Manuel Burgos Payán Departamento de Ingeniería Eléctrica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Junio 2016 Trabajo Fin de Máster Máster Universitario en Ingeniería Industrial Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico Autor: Antonio Hernández Romero Tutor: Manuel Burgos Payán Departamento de Ingeniería Eléctrica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Junio 2016 Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero i Índice de Contenidos 1. Objeto del Proyecto 1 2. Introducción 2 2.1. Concepto de Energía Eólica 2 2.2. Evolución de la Energía Eólica en España 6 2.3. Cifras Actuales de Energía Eólica en España 8 2.4. Cifras Actuales de Energía Eólica Mundial 12 2.5. Marco Normativo y Regulatorio 15 3. El Mercado Eléctrico Español 17 3.1. El Mercado Diario 17 3.1.1. Compradores y Vendedores 18 3.1.2. Presentación de Ofertas 18 3.1.3. Proceso de Casación de Ofertas 19 3.2. El Mercado Intradiario 22 3.2.1. Ofertas de Venta 24 3.2.2. Ofertas de Compra 25 3.2.3. Proceso de Casación 26 4. Operación del Sistema Eléctrico Español 27 4.1. Solución de Restricciones Técnicas 28 4.2. Asignación de Servicios Complementarios 29 4.3. Gestión de Desvíos 30 5. Liquidación de los Desvíos 31 5.1. Desvíos 31 5.2. Necesidad Neta del Balance del Sistema 32 5.3. Liquidación del Desvíos Consolidado por Sujeto de Liquidación 32 5.4. Liquidación del Desvío por Unidad de Programación 34 Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero ii 5.5. Coste del Desvío 37 5.6. Exención del Coste del Desvío 38 6. Parque Eólico Experimental de Sotavento 39 6.1. Estrategia de Funcionamiento 41 6.2. Datos Monitorizados 42 6.3. Objetivos del Parque Eólico 44 7. Baterías para Almacenamiento de Energía 45 7.1. Batería de Ión-Litio 46 7.2. Batería de Plomo-Ácido 49 7.3. Batería de Sodio-Sulfuro 51 7.4. Batería Redox de Vanadio 53 7.5. Batería Redox Zn-Br 56 8. Estudio de Costes de los Desvíos de Energía 60 8.1. Procedimiento de Cálculo de Costes de los Desvíos de Energía 63 8.2. Obtención de los Datos y Cálculo de Costes de los Desvíos de Energía 65 9. Estudio del Uso de Baterías de Almacenamiento 73 9.1. Sistema de Almacenamiento de 4 MWh 80 9.2. Sistema de Almacenamiento de 3 MWh 86 9.3. Sistema de Almacenamiento de 2 MWh 92 9.4. Sistema de Almacenamiento de 1 MWh 98 9.5. Conclusiones del Estudio 104 10. Estudio del Año en que Hacer la Inversión 106 10.1. Tecnología Ión-Litio 110 10.2. Tecnología Plomo-Ácido 111 10.3. Tecnología Sodio-Sulfuro 112 10.4. Tecnología Redox Vanadio 113 Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero iii 10.5. Tecnología Redox Zn-Br 114 10.6. Conclusiones del Estudio 115 11. Estudio de Sensibilidad 117 11.1. Estudio Económico de Beneficios 117 11.2. Estudio del Año de la Inversión 121 12. Conclusiones 123 ANEXO I: Programas Desarrollados en Matlab 125 I.1. Programa para el Estudio Económico Detallado 127 I.2. Programa para Calcular el Beneficio Óptimo y la Capacidad Óptima en función del Año de Inversión 134 I.3. Función para Calcular el Beneficio Semanal 138 ANEXO II: Código Programa Estudio Económico Detallado 141 ANEXO III: Código Programa Estudio del Beneficio Semanal 155 ANEXO IV: Código Función “Beneficio Semanal Baterías” 159 ANEXO V: Tabla de Datos para el Cálculo del Coste de los Desvíos 169 Bibliografía de Referencia 211 Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero iv Índice de Figuras 2.1. Molinos para la extracción y bombeo de agua subterránea 3 2.2. Aerogeneradores para la producción de energía eléctrica 3 2.3. Elementos principales de un aerogenerador 4 2.4. Aerogeneradores de eje vertical 5 2.5. Aerogeneradores de eje horizontal 5 2.6. Potencia peninsular instalada y cobertura de la demanda anual de 2015 9 2.7. Evolución de la Generación Renovable y No Renovable en % 9 2.8. Evolución de la producción de energía renovable y no renovable (GWh) 10 2.9. Evolución anual y acumulada de la potencia eólica instalada (1998-2014) 10 2.10. Evolución anual de la potencia eólica instalada en España (1998-2015) 11 2.11. Reparto de la potencia instalada por Comunidades Autónomas en 2015 11 2.12. Evolución de generación eólica anual y tasa de variación (2004-2015) 12 2.13. Evolución de potencia eólica anual instalada en el mundo (2000-2015) 13 2.14. Potencia eólica instalada acumulada en el mundo (2000-2015) 14 2.15. Potencia instalada por países acumulada a finales de 2014 14 3.1. Curva de oferta de electricidad del mercado 20 3.2. Curva de demanda de electricidad del mercado 21 3.3. Ejemplo de determinación de precio en el mercado diario 21 3.4. Secuencia temporal de mercados 23 3.5. Sesiones del mercado intradiario 23 5.1. Desvíos consolidados favorables y contrarios al sistema 32 5.2. Precios de los desvíos consolidados 34 5.3. Precios del desvío total del sujeto de liquidación 36 5.4. Costes de los desvíos 38 6.1. Mapa de situación del parque eólico experimental Sotavento 39 6.2. Distribución de aerogeneradores del parque eólico de Sotavento 40 7.1. Funcionamiento de una batería de ión litio 47 Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero v 7.2. Batería de ión-litio empleada en el Proyecto Almacena de REE 48 7.3. Funcionamiento de una batería de plomo-ácido 49 7.4. Sistema de almacenamiento con baterías de plomo-ácido en Texas 51 7.5. Partes de una batería de sodio-sulfuro 51 7.6. Funcionamiento de una batería de sodio-sulfuro 52 7.7. Instalación de 12 MWh de baterías de sodio-sulfuro en Japón 53 7.8. Funcionamiento de una batería redox de vanadio 54 7.9. Aspecto de las baterías redox de vanadio utilizadas en India 55 7.10. Funcionamiento de una batería redox de zinc-bromo 56 7.11. Módulos de batería de flujo de zinc-bromo de Jofemar Energy 58 8.1. Energía producida en la semana de estudio en el parque eólico 61 8.2. Energía prevista y real producida en la semana de estudio 61 8.3. Producción de energía real y prevista en la semana de estudio 62 8.4. Diferencia entre energía real y prevista en la semana de estudio 62 8.5. Precio de Pago Desvíos a Bajar, Precio de Cobro Desvíos a Subir, Precio Mercado SPOT Diario España y Sentido de los Desvíos Contrarios al sistema en la semana de estudio 66 8.6 Precio de Pago Desvíos a Bajar, Precio de Cobro Desvíos a Subir y Precio Mercado SPOT Diario España en la semana de estudio 67 8.7. Desvíos a favor y en contra del sistema en la semana de estudio 68 8.8. Desvíos a en contra del sistema a subir y a bajar en la semana de estudio 69 8.9. Costes de los desvíos a en contra del sistema a subir y a bajar en la semana de estudio 69 8.10. Costes de los desvíos en contra del sistema en la semana de estudio 70 8.11. Detalle del cálculo de los costes de los desvíos de energía 70 8.12. Detalle del cálculo de los costes de los desvíos de energía para el día 23/03/2016 71 9.1. Diferencia entre energía real y prevista por hora en la semana de estudio 74 9.2. Porcentaje de carga del sistema de baterías en la semana de estudio 80 9.3. Ciclos completos de carga/descarga en la semana de estudio 81 Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 2 2. Introducción En este apartado se realiza una breve descripción de la tecnología eólica, su evolución en España y a nivel mundial. En la parte final se realiza un repaso del marco normativo y regulatorio que afecta a dicha tecnología y que debe tenerse presente en este proyecto. 2.1. Concepto de Energía Eólica La energía eólica proviene de la conversión de la energía cinética que poseen masas de aire en movimiento en energía mecánica y, posteriormente, en energía eléctrica a través de máquinas denominadas aerogeneradores. Estos equipos producen trabajo mecánico en un eje a través de una superficie aerodinámica expuesta al viento. Existen distintos diseños aerodinámicos para adaptarlos a las condiciones climáticas de cada zona. Como recurso energético el viento es abundante, aunque tiene el inconveniente de ser muy variable, lo que produce importantes fluctuaciones en la entrega de energía de los aerogeneradores. En la actualidad existen dos tipos de aplicaciones para este tipo de energía mecánica obtenida a partir del viento, que son las instalaciones para producción de electricidad y las instalaciones de bombeo de agua. Para realizar esta transformación de energía se usan distintos tipos de aerogeneradores, que generalmente no requieren grandes velocidades de viento para cumplir su función. En la mayoría de los casos los equipos están diseñados para comenzar a generar energía con velocidades del viento de unos 15 km/h y entregan su potencia máxima a una velocidad del orden de los 40 km/h a los 55 km/h. Este diseño responde a estadísticas climáticas imperantes en cada zona de instalación. En caso de temporales o de grandes ráfagas de viento, los aerogeneradores disponen de sistemas de protección que los sacan de servicio cuando la velocidad del viento supera los 90 km/h. Existen diferentes tipos de equipos dependiendo del fin de la utilización de la energía mecánica obtenida: - Molinos: Se usan para la extracción/bombeo de agua. El movimiento del rotor mueve un sistema mecánico que extrae agua del subsuelo en zonas rurales. En España está muy extendido el uso del molino “multipala”, que puede bombear agua con una simple brisa. La Figura 2.1 muestra un ejemplo de estos molinos [3] . - Aerogeneradores: E stán diseñados para producción de electricidad. A diferencia de los anteriores, se caracterizan por poseer pocas palas, así consiguen desarrollar una mayor eficiencia de transformación de la energía primaria contenida en el viento. Actualmente se fabrican máquinas de tamaños muy variados, desde muy bajas potencias (1 kW) hasta muy altas potencias (2-3 MW), aunque actualmente se está superando la etapa experimental modelos que llegan a una potencia de 6 MW. La Figura 2.2 representa el aspecto que presentan estos aerogeneradores [4] . Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 3 Figura 2.1. Molinos para la extracción y bombeo de agua subterránea. Figura 2.2. Aerogeneradores para la producción de energía eléctrica. Un aerogenerador está conformado por dos elementos principales: un rotor accionado por el viento, compuesto por un eje y una serie de palas, y un generador, que se mueve a través del giro de dicho rotor. En la Figura 2.3 se puede contemplar el esquema típico de un aerogenerador como el descrito [3] . Los rotores de los aerogeneradores de potencia media o grande (mayor de 50 kW) no llegan a desarrollar un gran número de revoluciones (60 a 70 revoluciones por minuto). Teniendo en cuenta que los generadores eléctricos trabajan a unas 1500 revoluciones por minuto de promedio es necesario intercalar una caja multiplicadora para adecuar las distintas velocidades de trabajo de estos dos elementos. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 4 Figura 2.3. Elementos principales de un aerogenerador. Según la posición del eje de rotación se puede diferenciar a los aerogeneradores en dos grandes grupos: - Eje Vertical: Tienen la ventaja de no necesitar orientarse respecto a la dirección del viento, cualquiera que sea ella acciona su rotor. Los equipos de generación y control se ubican al pié de la estructura simplificando de esta manera el acceso a los mismos y abaratando, por consiguiente, el coste de mantenimiento, como se puede contemplar en la Figura 2.4 [3] . También ofrecen una robustez y resistencia destacable para ser usados en zonas de vientos racheados y direcciones variables. El principal inconveniente es que la eficiencia de conversión energética es algo menor que la de los de eje horizontal. - Eje Horizontal: En aerogeneradores de eje horizontal el plano de rotación de las aspas debe situarse perpendicular a la dirección del viento para poder captar la máxima energía. Por ello, para poder adecuarse a las variaciones de la dirección del viento debe instalarse un mecanismo que oriente la posición del rotor. En equipos pequeños y medianos (hasta 10-15 kW), el sistema de orientación es sencillo y funciona por rotación mecánica inducida por un timón de cola que reacciona a la acción del viento. En equipos de mayor tamaño, la orientación del equipo es servo-asistida y se controla electrónicamente a través de un sistema computarizado que evalúa la dirección y la intensidad del viento y, según esto, regula la orientación y el ángulo de incidencia de las aspas. El generador y la caja de multiplicación se sitúan en el cuerpo del equipo, comúnmente llamado “góndola”, encontrándose en la parte superior de la torre. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 5 La principal desventaja de este tipo de modelo de eje horizontal radica en que toda la maquinaria y el control del aerogenerador deben ser dispuestos a gran altura y soportados por una estructura que resista el peso. Además, este sistema demanda, por un lado, la necesidad de un importante cableado para conducir la corriente generada y las señales enviadas al sistema de control y, por otro, el inconveniente de que, cuando se produce alguna avería o se efectúa un control de rutina, es necesario subir hasta arriba a la góndola. Una muestra de este tipo de equipos se puede observar en la Figura 2.5 [5] . Figura 2.4. Aerogeneradores de eje vertical. Figura 2.5. Aerogeneradores de eje horizontal. A pesar de todas las ventajas y desventajas que cada sistema presenta, es importante destacar que más del 80% de los fabricantes se inclinan por el sistema de eje horizontal. En la actualidad, debido a estudios sobre el impacto ambiental y contaminación auditiva que generan los parques eólicos emplazados sobre superficies habitables (on-shore), los países y las compañías desarrolladoras de esta tecnología están tendiendo a construir e instalar los nuevos parques eólicos dentro del mar y cerca de la costa (off-shore). Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 6 2.2. Evolución de la Energía Eólica en España El impulso definitivo para el aprovechamiento del viento como fuente energética tiene su origen en la crisis energética de 1973 y el encarecimiento del precio del petróleo en el período 1973- 1986. Este es el punto de inflexión para la aparición de una tecnología capaz de producir electricidad a un precio competitivo con las fuentes energéticas tradicionales, caracterizado por ser un medio natural, renovable y no contaminante. En 1979, como se recoge en el Manual de Energía Eólica, el Ministerio de Industria y Energía, a través del Centro de Estudios de la Energía, puso en marcha el primer programa de investigación y desarrollo para el aprovechamiento de energía eólica para la obtención de electricidad. Un año más tarde se promulgó la Ley sobre Conservación de la Energía, de gran repercusión en el sector, dando lugar, entre los años 1981 y 1986, al desarrollo e instalación de máquinas de pequeña y mediana potencia. El primer paso fue el diseño y fabricación de una máquina experimental de 100 kW de potencia con un doble objetivo: utilizar la experiencia para facilitar su proyección a máquinas de mayor potencial y, por otra parte, que sirviera como prueba para el ensayo de nuevos diseños de componentes. Este primer generador estaba constituido por una turbina tripala de eje horizontal, de veinte metros de diámetro, diseñado para girar a 48 revoluciones por min. y emplazado, dadas las óptimas condiciones eólicas de la zona, en el Cerro del Cabrito, en Tarifa, tras un estudio previo de las curvas de potencial eólico en España, realizado por el Instituto de Técnica Aerospacial (INTA). Esta región se eligió por presentar un mayor número de horas de viento al año con un régimen de gran uniformidad y una intensidad de más de 500 W/m 2 de media anual. La actividad de la Planta Experimental de Tarifa se inicia en 1985, funcionando de una forma satisfactoria conectada a la red eléctrica pese a las limitaciones tecnológicas correspondientes a ese primer desarrollo nacional. Fruto del interés de los estamentos públicos por el desarrollo de la energía eólica se puso en marcha en esos momentos el Programa Energético UNESA-INI que permitió el inicio del desarrollo tecnológico de los aerogeneradores españoles de baja potencia (5, 14 y 30 kW), pero también con otros de potencia mayor (150, 300 y 1250 kW); su consecuencia inmediata fue la fabricación de cinco máquinas de 20 kW que se ubicaron en Ampurdán, formando el primer parque eólico español, aunque duraría pocos años. Entre 1986 y 1988 la Administración inició un programa de promoción institucional de pequeños parques eólicos configurados con máquinas de 30 kW repartidos por toda la geografía española, máquinas que no contaban con ninguna novedad tecnológica. Iniciada la década de los 90 se desarrollaron aerogeneradores españoles de 150 kW y 180 kW, comenzando la competencia entre fabricantes españoles y la implantación de las primeras instalaciones españolas de gran potencia. La aprobación en 1991 del Plan Energético Nacional recoge el objetivo de incrementar la producción realizada con energías renovables y propone una potencia instalada en el sector eólico de 168 MW para el año 2000. Desde los 7 MW instalados a finales de 1990, la potencia instalada ha crecido sustancialmente y durante los últimos años hay un creciente interés en el sector Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 7 por parte de promotores, inversores e instituciones financieras en clara consonancia con el mayor conocimiento de los recursos disponibles, la disminución de los costes de las instalaciones, el avance de la tecnología y, sobretodo, gracias a una legislación eléctrica muy favorable. Los primeros parques comerciales de España fueron promovidos en Andalucía por las sociedades “Plantas Eólicas del Sur” y “Energía Eólica del Estrecho”. En este clima de desarrollo, en 1993 se instalaron las primeras unidades de 250 kW y 300 kW, de carácter nacional, que al año siguiente motivaron la creación de parques eólicos de mayor tamaño. Las iniciativas de apoyo de la Administración, en forma de legislación y tarifas adecuadas, unido al empuje tanto de la empresa privada española como de la extranjera, permitió disponer de tecnologías desarrolladas al nivel de la industria internacional y también de precios más bajos. El punto de inflexión definitivo para el sector tuvo lugar en este momento cuando, tras años de estudios tecnológicos y tímidas incursiones en el desarrollo de proyectos, la andadura eólica persigue claros objetivos de rentabilidad. Esto se ve motivado por la elevada presencia de promotores, inversores y financiadores, y la casi total desaparición de subvenciones a fondo perdido. El avance tecnológico a partir de este momento fue extraordinario, así como la iniciativa inversora y el acondicionamiento y puesta en marcha de instalaciones eficientes. La colaboración entre empresas españolas, europeas y americanas permitió el desarrollo de una potente industria de aerogeneradores tanto con tecnologías foráneas como nacionales y su posterior implantación en los parques eólicos de todo el mundo. Como resultado de este proceso, España se ha colocado a la vanguardia internacional tanto en tecnología como en potencia instalada, pese a algunos fracasos iniciales en las primeras tecnologías desarrolladas. Una de las carencias del área eólica en esos momentos era su concentración. Si bien la industria eólica comenzaba su desarrollo, éste se localizaba en apenas cuatro regiones y, por el momento, el resto aún no mostraba indicios de introducirse con garantías en el sector pese a su potencial disponible para esta actividad. La contribución de las Comunidades Autónomas a la producción de energía eólica mostraba datos importantes en la zona norte (Navarra, Galicia, Aragón), mientras que Andalucía perdía la hegemonía de los primeros años. A partir de 1998 se producen dos novedades en la regulación de gran significación para el futuro del sector eólico. En primer lugar, la entrada en vigor del Real Decreto sobre producción de energía eléctrica con recursos renovables, en un momento en el que la energía eólica representaba el 2 por ciento de la producción de energías renovables. En segundo lugar, la aprobación a finales de 1999 del Plan de Fomento de la Energías Renovables para el período 2000-2010. El Plan constituye una planificación de carácter indicativo que recoge los principales elementos y orientaciones para la articulación de una estrategia que logre que el crecimiento de todas las áreas de energías renovables y pueda cubrir, en su conjunto, al menos el 12 por ciento del consumo de energía primaria en España en el año 2010, objetivo ya recogido por la Ley 54/1997 del Sector Eléctrico. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 8 En 2004 España se convierte en el segundo país del mundo con más potencia eólica instalada (8155 MW). Además, por primera vez, la potencia eólica acumulada superaba a la nuclear en nuestro país con casi 400 parques eólicos y 11500 aerogeneradores. Uno de cada cuatro megavatios nuevos se instaló en suelo español ese año. Este gran crecimiento fue debido al apoyo de los gobiernos mediante la aprobación de una legislación estatal favorable (como la Ley 82/80 de Conservación de la Energía o la Ley 54/97 del Sector Eléctrico), el ascenso de la industria nacional de aerogeneradores y la inversión realizada. En 2005, el gobierno aprobaba el Plan de Energías Renovables (PER) 2005-2010, en sustitución al aprobado en 1999, fijando como objetivo para el año 2010 que el 12% de la energía consumida en el territorio nacional procediese de fuentes renovables, tal y como establecía la Unión Europea. Se obtuvieron datos de media del 11% en 2008 y un 13.8% en 2009 cumpliendo los objetivos. También se aprobó un nuevo objetivo fijando la meta para el periodo 2005-2010 en 20.16 GW de potencia (IDAE 2006). Durante la vigencia del PER 2005-2010 fue cuando la energía eólica experimentó un mayor crecimiento, pasando a jugar un papel sustancial en el balance energético en una decena de años. En 2011 la energía eólica acumulaba en España una potencia cercana a los 20.744 MW, con una producción superior a los 43.70 TWh y una contribución en torno al 16% a la cobertura total de demanda eléctrica nacional. El sector eólico instaló en España 1.112 MW en 2012, lo que supuso un aumento del 5.13% ese año. Ese crecimiento porcentual fue similar también en 2011 y constituyó el crecimiento más débil de la eólica en España hasta la fecha, pero no peor que el dato de 2013. A finales de 2012 la potencia eólica instalada ascendía a 22.79 GW. En 2013 la eólica fue la primera fuente de generación eléctrica en España, con una producción de 54.48 TWh, lo que ocurrió por primera vez en la historia, y fue el cuarto país del mundo por potencia eólica instalada tras China, Estados Unidos y Alemania. 2.3. Cifras Actuales de Energía Eólica en España En primer lugar se realiza un estudio de la potencia instalada en el sistema peninsular, para lo cual se toma la información más reciente publicada por Red Eléctrica de España en el “Avance del Informe del Sistema Eléctrico 2015” [6] . Según éste, la potencia instalada peninsular mantiene una estructura similar a la de 2014, con las únicas variaciones de la hidráulica (que ha representado el 20,2% del total peninsular frente al 19,5 % en 2014), y del fuel-gas que desaparece de la estructura de potencia, como puede apreciarse en la Figura 2.6 [6] . En cuanto a cobertura de demanda, lo más destacado ha sido el ascenso del carbón que, con una aportación del 20,3 % de la demanda (un 16,5 % en 2014), se sitúa en segundo lugar desplazando a la energía eólica a un tercer puesto. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 9 Figura 2.6. Potencia peninsular instalada y cobertura de la demanda anual de 2015. Se comprueba que la energía eólica es una de las principales tecnologías productoras del sistema eléctrico español, con una potencia instalada de unos 22.88 GW y con una cobertura de la demanda del 19,1%, lo que supone 47.40 TWh (ya que la demanda de energía eléctrica peninsular finalizo el año 2015 en 248.18 TWh). Las energías renovables mantienen un papel destacado en el conjunto de la generación eléctrica, pero descienden respecto al año anterior condicionadas por la variabilidad de las producciones hidráulica y eólica, que este año han registrado descensos del 28,2 % y del 5,3 % respectivamente. Figura 2.7. Evolución de la Generación Renovable y No Renovable en %. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 10 Figura 2.8. Evolución de la producción de energía renovable y no renovable (GWh). En la Figura 2.8 [6] y 2.9 [6] se representa la evolución de la producción de las energías de tipo renovable y de la de tipo no renovable, la primera de ellas muestra el reparto en % del total de la energía producida y la segunda de ellas muestra el reparto dentro de cada grupo de tipos de energías. Una vez realizado este estudio de las cifras de energía, se realizará otro estudio acerca de la evolución de la energía eólica en los últimos años en España. Para ello, tomaremos como base el Anuario 2015 publicado por la Asociación Empresarial Eólica [7] . Aunque la energía eólica es una de las principales fuentes de generación de energía, en los últimos años se ha producido un descenso del aumento de la potencia instalada hasta tal punto que en los últimos años es prácticamente constante. La potencia instalada eólica aumentó en España solo 27.48 MW en 2014, el menor crecimiento en los últimos veinte años, tal y como se representa en la Figura 2.9 [7] . Figura 2.9. Evolución anual y acumulada de la potencia eólica instalada (1998-2014). Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 11 En la Figura 2.10 [7] se puede comprobar la evolución de la potencia eólica instalada en los últimos años. Se puede apreciar cómo desde el año 2001 se han instalado más de 1000 MW anuales, con un máximo en el año 2007 con 3500 MW, pero que desde el año 2013 la potencia instalada ha descendido significativamente debido a la nueva política energética vigente en España. Figura 2.10. Evolución anual de la potencia eólica instalada en España (1998-2015). La Figura 2.11 [7] muestra el reparto de la potencia eólica instalada en cada una de las comunidades autónomas de España en el año 2015. COMUNIDAD AUTÓNOMA Potencia acumulada a cierre de 2015 (MW) Nº de Parques Castilla y León 5561 241 Castilla-La Mancha 3807 139 Andalucía 3338 153 Galicia 3328 161 Aragón 1893 87 Cataluña 1269 47 Valencia 1189 38 Navarra 1004 49 Asturias 518 21 La Rioja 447 14 Murcia 262 14 Canarias 177 56 País Vasco 153 7 Cantabria 38 4 Baleares 4 46 TOTAL 22988 1077 Figura 2.11. Reparto de la potencia instalada por Comunidades Autónomas en 2015. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 18 3.1.1. Compradores y Vendedores Los vendedores en el mercado de producción de energía eléctrica están obligados a adherirse a las denominadas Reglas de Funcionamiento del Mercado de Producción de Energía Eléctrica suscribiendo el correspondiente Contrato de Adhesión. Las ofertas de los vendedores se presentan al operador del mercado y se incluyen en un procedimiento de casación teniendo efectos para el horizonte diario de programación, correspondiente al día siguiente del día de cierre de la recepción de ofertas para la sesión, y comprensivo de veinticuatro periodos horarios de programación consecutivos (que serán de veintitrés o veinticinco periodos en los días en los que se produzca cambio de hora). Todas las unidades de producción disponibles que no estén afectadas a un contrato bilateral físico tienen la obligación de presentar ofertas para el mercado diario. También podrán presentar ofertas para venta de energía aquellos agentes comercializadores no residentes autorizados a ello. Los compradores en el mercado de producción de energía eléctrica pueden ser de tres tipos: comercializadores (acuden al mercado para adquirir la energía para su venta a los consumidores directos), consumidores directos (pueden adquirir energía directamente en el mercado, hacerlo a través de un comercializador o suscribiendo un contrato bilateral físico con un productor) y los comercializadores de referencia (acuden al mercado para adquirir la energía que precisen para suministrar a los consumidores). Los compradores pueden presentar ofertas de adquisición de energía eléctrica en el mercado diario, con la condición necesaria de que se adhieran a las Reglas de Funcionamiento del Mercado [13] . Se entiende por unidad de adquisición el conjunto de nudos de conexión a la red por el que el comprador presenta ofertas de adquisición de energía eléctrica. Los agentes compradores y vendedores pueden acudir al mercado con independencia de que se encuentren en España o en Portugal. Sus ofertas de compra y de venta son aceptadas atendiendo a su orden de mérito económico hasta que la interconexión entre España y Portugal queda ocupa totalmente. Si a una cierta hora del día la capacidad de la interconexión es suficiente para permitir el flujo de electricidad negociado por los agentes, el precio de la electricidad en esa hora será el mismo para España y Portugal. Si, por el contrario, en esa hora la interconexión se ocupa totalmente, en ese momento el algoritmo para la fijación del precio (EUPHEMIA) se ejecuta de manera separada, de tal forma que aparece una diferencia de precios entre ambos países. 3.1.2. Presentación de Ofertas Las ofertas de venta y de compra podrán realizarse considerando de 1 a 25 tramos por cada hora, en cada uno de los cuales se oferta la energía y el precio de la misma. El precio, en el caso de las ventas, será creciente en cada tramo y, en caso de las compras, será decreciente en cada tramo. Los agentes de mercado tienen hasta las 12:00 horas del mediodía para presentar sus ofertas de compra y venta para el día siguiente al OMIE. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 19 Las ofertas de venta de energía eléctrica que los vendedores presenten al operador del mercado pueden ser simples o incorporar condiciones complejas según su contenido. Las ofertas simples son ofertas de venta de energía que los vendedores presentan para cada periodo horario y unidad de producción de la que sean titulares indicando un precio y una cantidad de energía. Las ofertas que incorporan condiciones complejas son aquellas que, cumpliendo los requisitos exigidos para las ofertas simples, incorporan además algunas de las condiciones técnicas o económicas siguientes: gradiente de carga, condición de indivisibilidad, ingresos mínimos o parada programada. - Gradiente de Carga: Permite establecer la diferencia máxima entre la energía de una hora y la energía de hora siguiente de la unidad de producción, lo que limita la energía máxima a casar en función de la casación de la hora anterior y la siguiente para evitar cambios bruscos en las unidades de producción que no pueden seguir las mismas por razones técnicas. - Condición de Indivisibilidad: Permite fijar en el primer tramo de cada hora un valor mínimo de funcionamiento que solo puede ser dividido por aplicación de reglas de reparto en caso de ser el precio distinto de cero. - Condición de Ingresos Mínimos: Permite realizar ofertas en todas las horas, pero se respeta que la unidad de producción no participe en el resultado de la casación del día si no se obtiene para el conjunto de su producción en el día un ingreso que sea superior a una cantidad fija más una remuneración variable por cada MWh que haya sido casado. - Condición de Parada Programada: Permite que, si la unidad de producción ha sido retirada de la casación por no cumplir la condición de ingresos mínimos solicitada, realice una parada programada en un tiempo máximo de tres horas, evitando parar desde su programa en la última hora del día anterior a cero en la primera hora del día siguiente. Para ello, se acepta el primer tramo de las tres primeras horas de su oferta como ofertas simples, con la condición de que la energía ofertada en cada hora sea decreciente. 3.1.3. Proceso de Casación de Ofertas El algoritmo de casación EUPHEMIA busca optimizar la suma, para el conjunto de todos los periodos horarios del horizonte de programación, del beneficio de las ofertas de compra, el beneficio de las ofertas de venta y la renta de congestión. Se entiende por beneficio de las ofertas de compra la diferencia entre el precio de la oferta de compra casada y el precio marginal recibido, mientras que por beneficio de las ofertas de venta se entiende la diferencia entre el precio marginal recibido y el precio de oferta de venta casado. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 20 Una vez que los vendedores han presentado sus ofertas al mercado para cada una de las horas del día siguiente, el OMIE las agrega todas y ordena por precio ascendente, resultando así la curva de oferta del mercado para cada hora como se puede observar en la Figura 3.1 [14] . Figura 3.1. Curva de oferta de electricidad del mercado. Los consumidores finales suelen clasificarse en función de la magnitud de su consumo y del fin para el que usan la energía eléctrica. Distinguimos entre grandes consumidores industriales, consumidores de tamaño medios en sector industrial o sector servicios y los pequeños consumidores conectados a las redes de baja tensión. La participación de los distintos tipos de consumidor en el mercado depende de la modalidad de suministro a la que estén acogidos (suministro de referencia o mercado liberalizado). De igual forma que en el caso de la curva de oferta, la curva de demanda también tiene tramos en los que indirectamente se agrupan determinados tipos de consumidores. Los comercializadores de referencia y muchos comercializadores suelen ofertar al máximo precio permitido (180 €/MWh) para asegurar que los consumidores tendrán la energía que demandan; lógicamente, esto no significa que pagarán dicho precio sino que pagarán el que resulte de la casación en el mercado. Por otro lado, una parte limitada de los consumidores sólo están dispuestos a comprar energía si su precio es menor o igual a un cierto valor (el cual lo reflejan en sus ofertas al mercado), con lo que pueden adaptar su consumo a los precios del mercado. En la curva de demanda, estos consumidores (directamente o a través de su comercializador) representan la parte de la curva con pendiente como se puede ver en la Figura 3.2 [14] . Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 21 Figura 3.2. Curva de demanda de electricidad del mercado. El precio del mercado para la hora h del día siguiente se determina por la intersección de la curva de oferta y demanda de electricidad del mercado para esa hora, lo cual es la casación simple, que se emplea como punto de partida. Tras ello se usa EUPHEMIA, el algoritmo de optimización del bienestar global (wellfare), que incorpora las restricciones complejas de venta, tras lo que se determina el punto de casación del mercado (energía y precio). Este precio determina las ofertas de compra y de venta que resultan casadas (es decir, la energía que se intercambiará finalmente al precio del mercado; la energía ofertada a precio superior no será adquirida). Para cada hora, todas las ofertas de venta (compra) que resulten casadas reciben (pagan) el precio del mercado. La Figura 3.3 [14] muestra un ejemplo de las casaciones de oferta y demanda que realiza diariamente el OMIE para cada hora del día siguiente. Figura 3.3. Ejemplo de determinación de precio en el mercado diario. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 22 Los resultados del mercado diario, a partir de la libre contratación entre agentes compradores y vendedores, representan la solución más eficiente desde el punto de vista económico, pero se necesita que sea también viable desde el punto de vista físico. Por ello, una vez obtenidos estos resultados, se remiten al Operador del Sistema para su validación desde el punto de vista de la viabilidad técnica. Este proceso se denomina “gestión de las restricciones técnicas del sistema” y asegura que los resultados del mercado sean técnicamente factibles en la red de transporte. Por tanto, los resultados del mercado diario sufren pequeñas variaciones, del orden del 4 ó 5% de la energía, como consecuencia del análisis de restricciones técnicas que realiza el Operador del Sistema para poder dar lugar a un programa diario viable. En el caso existir una saturación de la interconexión España-Portugal en cualquiera de los sentidos se ejecuta la “separación de mercados”, que consiste básicamente en hacer dos casaciones separadas, una para los agentes portugueses y otra para los españoles, teniendo en cuenta la cantidad máxima de energía eléctrica que puede intercambiarse entre ambos sistemas y resultando en un precio distinto para cada uno de los dos países. 3.2. El Mercado Intradiario Tras el Mercado Diario, los agentes pueden volver a comprar y vender electricidad en el Mercado Intradiario, que consiste en distintas sesiones de contratación unas horas antes del tiempo real. Los mercados intradiarios permiten a los agentes compradores y vendedores reajustar sus compromisos de compra y de venta respectivamente hasta cuatro horas antes del tiempo real. Tras ello, existen otros mercados gestionados por el operador del sistema en el que se asegura el equilibrio de la producción y el consumo. El mercado intradiario se estructura actualmente en seis sesiones basadas en subastas como las descritas para el mercado diario, donde el volumen de energía y el precio para cada hora se determinan por la intersección entre la curva de oferta y de demanda. Tabla 1. Horarios de las sesiones del mercado intradiario. SESIÓN 1 SESIÓN 2 SESIÓN 3 SESIÓN 4 SESIÓN 5 SESIÓN 6 Apertura de Sesión 17:00 21:00 01:00 04:00 08:00 12:00 Cierre de Sesión 18:45 21:45 01:45 04:45 08:45 12:45 Casación 19:30 22:30 02:30 05:30 09:30 13:30 Recepción desagregaciones de programa 19:50 22:50 02:50 05:50 09:50 13:50 Publicación PHF 20:45 23:45 03:45 06:45 10:45 14:45 Horizonte de Programación (Periodos Horarios) 28 horas (21-24) 24 horas (1-24) 20 horas (5-24) 17 horas (8-24) 13 horas (12-24) 9 horas (16-24) Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 23 La Figura 3.4 [15] muestra cómo es la secuencia temporal de los mercados. Por otro lado, la Figura 3.5 [15] muestra las diversas sesiones del mercado intradiario que tienen lugar. Figura 3.4. Secuencia temporal de mercados. Figura 3.5. Sesiones del mercado intradiario. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 24 3.2.1. Ofertas de Venta Podrán presentar ofertas de venta de energía eléctrica todos los agentes habilitados para presentar ofertas de venta de energía eléctrica en el mercado diario y que hubieran participado en la sesión del mercado diario correspondiente o ejecutado un contrato bilateral, que no hubieran participado por estar indisponibles y quedaran posteriormente disponible y aquellos agentes que hubieran participado en la sesión del mercado diario correspondiente sobre la que se abra sesión de mercado intradiario o hubieran ejecutado un contrato bilateral físico. Dichos agentes sólo pueden participar en los mercados intradiarios en los periodos horarios que se correspondan con los incluidos en la sesión de mercado diario en la que participaron o no lo hicieron por estar indisponibles. Las ofertas de venta presentadas al operador del mercado pueden ser simples o incluir condiciones complejas según su contenido. Las ofertas simples son ofertas de venta de energía, que los vendedores presentan para cada periodo horario y unidad de venta o de adquisición de la que sean titulares; estas ofertas simples expresan un precio y cantidad de energía, con un precio creciente en cada tramo. Las ofertas de venta que incluyen condiciones complejas son aquellas que, cumpliendo los requisitos exigidos para las ofertas simples, incorporan algunas de las condiciones complejas siguientes: - Gradiente de Carga: Similar a lo descrito en el apartado 3.1.2. - Ingresos Mínimos: Similar a lo descrito en el apartado 3.1.2. - Condición de Aceptación Completa en la Casación del Tramo Primero de la Oferta de Venta: Permite a las ofertas de venta fijar un perfil para el conjunto de todas las horas del mercado intradiario que solo puede resultar casado en el caso de serlo en el primer tramo de todas las horas. Esto permite ajustar los programas de dichas unidades de producción o adquisición a un nuevo perfil o, en caso de no ser posible en una parte, dejar el programa previo sin modificación de algunas de las horas de forma individual. Se usa esta opción cuando la programación de unas horas solo es posible si lo son también en otras, como puede ser para adelantar el proceso de arranque o parada, evitar embotellamiento de caldera, entre otros. - Condición de Aceptación Completa en Cada Hora en la Casación del Tramo Primero de la Oferta de Venta: Implica que solo será programado, en una hora determinada, el primer tramo en caso de ser casado en su totalidad, siendo retirados todos los tramos de dicha hora y no siendo retirada la oferta realizada para el resto de las horas. Esta opción es útil para la programación de grupos que producen (mínimo técnico) o consumen (consumo de bombeo) un valor mínimo o nada. También puede ser igualmente útil para que los consumidores expresen una situación similar. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 25 - Condición de Número Mínimo de Horas Consecutivas con Aceptación Completa del Primer Tramo de la Oferta de Venta: Se podría aplicar cuando la unidad de producción o adquisición debe producir o dejar de consumir de forma consecutiva al menos un número de horas. También sería aplicable a un consumidor que, por ejemplo, no puede poner en funcionamiento una fábrica por un número de horas inferior al especificado en la oferta. - Condición de Energía Máxima: Permite a unidades de oferta, con limitación en la disponibilidad de energía, ofertar en todas las horas pero limitando el valor casado a un máximo global de energía. Esta condición es necesaria debido a la volatilidad de los precios del mercado intradiario entre horas, que no permiten conocer las horas en las que pueden casar las unidades de producción o adquisición y, sin embargo, tiene un límite en la energía que pueden vender, como puede ser el caso de las unidades de generación de bombeo. Las ofertas de venta para cada sesión de mercado intradiario deben ser tales que el programa final resultante de la aceptación completa de la oferta más el programa previo de la unidad de venta o adquisición respete las limitaciones realizadas por los operadores del sistema para el horizonte de programación o, si no las cumple previamente a la realización de las ofertas, se aproxime al cumplimiento de éstas. 3.2.2. Ofertas de Compra Podrán presentar ofertas de compra o de adquisición de energía eléctrica en el mercado intradiario aquellos agentes habilitados para presentar ofertas de venta en el mercado diario y que hubieran participado en la sesión del mercado diario correspondiente o que hubieran ejecutado un contrato bilateral, aquellos que no hubieran participado por estar indisponibles y quedaran posteriormente disponible y aquellos agentes de entre los habilitados para presentar ofertas de adquisición en el mercado diario que hubieran participado en la sesión del mercado diario correspondiente sobre la que se abra sesión de mercado intradiario o que hayan ejecutado un contrato bilateral físico. Los agentes sólo podrán participar en los mercados intradiarios en aquellos periodos horarios que se correspondan con los incluidos en la sesión de mercado diario en la que participaron o no lo hicieron por estar indisponibles. Las ofertas de adquisición presentadas al operador del mercado pueden ser simples o incluir condiciones complejas. Las ofertas simples son ofertas de compra de energía que los compradores presentan para cada periodo horario y unidad de producción o de adquisición de la que sean titulares; estas ofertas simples expresan un precio y una cantidad de energía, con precio decreciente en cada tramo. Las ofertas de compra que incluyen condiciones complejas son aquellas que, cumpliendo los requisitos exigidos para las ofertas simples, incorporan algunas de las condiciones complejas siguientes: gradiente de carga, aceptación completa en casación del tramo primero de la oferta de Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 26 compra, aceptación completa en cada hora en la casación del tramo primero de la oferta de compra, condición de mínimo número de horas consecutivas de aceptación parcial o completa del tramo primero de oferta de compra, pagos máximos y energía máxima. Estas condiciones son las mismas que pueden utilizar las ofertas de venta excepto en el caso de la condición de pago máximo, que equivale a la de ingreso mínimo aplicado a las compras de energía, de forma que no serán casadas en caso de ser el coste superior a una valor fijo más uno variable por kWh casado. Las ofertas de adquisición para cada sesión de mercado intradiario deben ser tales que el programa final resultante de la aceptación completa de la oferta más el programa previo de la unidad de producción respete las limitaciones declaradas por el operador del sistema para el horizonte de programación, o si no las cumple previamente, se aproxime al cumplimiento de éstas. 3.2.3. Proceso de Casación El operador del mercado realizará la casación de las ofertas de compra y de venta de energía eléctrica por medio del método de casación simple o compleja, según concurran ofertas simples o incorporen condiciones complejas. - Método de Casación Simple: Obtiene de forma independiente el precio marginal y el volumen de la energía eléctrica que se acepta para cada oferta de compra y de venta para cada periodo horario de programación. - Método de Casación Compleja: Obtiene el resultado de la casación partiendo del método de casación simple al añadirle la condición de gradiente de carga para así obtener una Casación Simple Condicionada. Mediante un proceso de tipo iterativo se ejecutan varias casaciones simples condicionadas hasta que todas las unidades de venta y de adquisición casadas cumplan las condiciones complejas declaradas, siendo ésta solución la primera solución final provisional. Mediante otro proceso iterativo se obtendrá la primera solución final definitiva, que respetará la capacidad máxima de interconexión internacional con los sistemas eléctricos externos al Mercado Ibérico. En el caso de congestión en la interconexión entre España y Portugal, se repetirá el proceso descrito previamente, realizándose una separación de mercados, de manera que se obtenga un precio para cada zona del Mercado Ibérico, sin que exista congestión interna entre ambos sistemas eléctricos. En ambos métodos se asegurará que no sea casada ninguna oferta que implique el no cumplimiento de las limitaciones impuestas por los operadores del sistema o, en el caso de que no se puedan cumplir, se asegurará que las ofertas casadas permitan acercarse a su cumplimiento. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 27 4. Operación del Sistema Eléctrico Español El operador del sistema eléctrico español es Red Eléctrica España (REE), tanto en la Península Ibérica como en Canarias, Baleares, Ceuta y Melilla. La operación del sistema eléctrico comprende aquellas actividades necesarias para garantizar en todo momento la seguridad y la continuidad del suministro eléctrico, así como la correcta coordinación entre el sistema de producción y la red de transporte de electricidad, asegurando que la energía producida por los generadores sea transportada hasta las redes de distribución con las condiciones de calidad exigibles en aplicación de la normativa vigente. Una de los aspectos que caracteriza la energía eléctrica es que no puede almacenarse en grandes cantidades. Esto supone que, para el correcto funcionamiento del sistema, la producción de las centrales de generación debe igualarse al consumo de forma precisa e instantánea, debiendo existir un equilibrio entre la generación y la demanda en tiempo real para evitar desequilibrios, que se traducen en desvíos de frecuencia respecto al valor nominal de 50 Hz. La función del operador del sistema consiste en garantizar ese equilibrio en el sistema eléctrico español. Para ello, realiza las previsiones de la demanda de energía eléctrica y gestiona en tiempo real las instalaciones de generación y transporte, logrando así que la producción programada en las centrales coincida en cada instante con la demanda de los consumidores. En el caso de que difiera, envía las órdenes oportunas a las centrales para que ajusten sus producciones aumentando o disminuyendo la generación de energía, de forma que se mantengan márgenes de generación suficientes para hacer frente a posibles pérdidas sobrevenidas de generación o cambios en el consumo previsto. Por otro lado, REE gestiona en el sistema eléctrico peninsular los mercados de servicios de ajuste, que son mercados mediante los que se adecúan los programas de producción (establecidos libremente por los agentes en el mercado diario o con contrato bilateral y, posteriormente, en el mercado intradiario), a los requisitos de calidad, de fiabilidad y de seguridad del sistema eléctrico. Los servicios de ajuste o mercados de ajuste se dividen en tres tipos de actuaciones: - Solución de Restricciones Técnicas: Permite resolver congestiones ocasionadas por las limitaciones de la red de transporte sobre la programación prevista para el día siguiente y las que surjan en tiempo real. En el procedimiento de operación para desvíos de REE (P.O. 3.2. Resolución de Restricciones Técnicas) [17] se desarrolla todo el procedimiento a seguir regular estos servicios. - Asignación de los Servicios Complementarios: Sistema de control de frecuencia, de potencia y de tensión para garantizar la calidad y seguridad del suministro. - Gestión de Desvíos: Resuelve desajustes entre oferta/demanda casi en tiempo real. En los sistemas no peninsulares de Canarias, Baleares, Ceuta y Melilla, para garantizar el equilibrio constante entre generación y demanda en tiempo real, REE lleva a cabo un despacho económico de las unidades de generación. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 34 0> h NNBS ⇒ ( ) ( )          ⋅ = ∑ ∑ h t subirht t subirhtsubirht h PMD EB PREBEB PGDSVB ,max ,, ,,,, (5.10) 0< h NNBS ⇒ hh PMDPGDSVB = (5.11) PREB t,h,subir = Precio marginal energía de balance a subir de tipo “t” a la hora “h”. PMD h = Precio del mercado diario en la hora “h” (€/MWh). Este cálculo del precio de los desvíos consolidados se expresa esquemáticamente de la misma forma que los tipos de desvíos consolidados (favorables o contrarios al sistema), lo cual se puede observar en la Figura 5.2 [18] . NECESIDAD DEL SISTEMA < 0 > 0 Sentido del Desvío Menor Producción Mayor Producción A SUBIR PGDSVS PMD Mayor Producción Menor Consumo A BAJAR PMD PGDSVB Menor Producción Mayor Consumo Figura 5.2. Precios de los desvíos consolidados. 5.4. Liquidación del Desvío por Unidad Programación Para determinar el importe económico de la liquidación del desvío de cada unidad de programación, se asigna el importe del desvío consolidado por sujeto de liquidación a cada una de sus unidades de programación siguiendo los siguientes criterios: 1.- Si el desvío de la unidad es favorable: ( ) ∑ −= up uphuphslh PHOMEDDSV ,,, (5.12) Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 35 2.- Si el desvío de la unidad es contrario y el desvío consolidado es favorable o cero: huphuph PMDDSVIMP ⋅= ,, (5.13) 3.- Si el desvío de la unidad es contrario y el desvío consolidado es contrario: sslhuphuph PACDSVIMP ,,,, ⋅= (5.14) IMP h,up = Valor € del desvío de la unidad de programación “up” en la hora “h”. PMD h = Precio del mercado diario en la hora “h” (€/MWh). PAC h,sl,s = Precio apantallado de los desvíos contrarios en el sentido “s” de aquellas unidades de programación del sujeto de liquidación “sl” en la hora “h”. El precio apantallado de desvíos contrarios de unidades del sujeto de liquidación puede calcularse sumando los desvíos de las unidades del sujeto a subir y a bajar de una forma separada: ∑ = up uphslh DSVDSVS ,, en caso de 0 , > uph DSV (5.15) ∑ = up uphslh DSVDSVB ,, en caso de 0 , < uph DSV (5.16) slhslhuph DSVBDSVSDSV ,,, −= (5.17) · Si el desvío consolidado del sujeto a es subir (DSVS h,sl ≥ DSVB h,sl ) y además es en contra, el precio apantallado a subir se calcula del siguiente modo: ( ) slh slh hhhslhsubirslh DSVS DSVB PGDSVSPMDPGDSVSPASPAC , , ,,, ⋅−+== (5.18) · Si el desvío consolidado del sujeto a es bajar (DSVS h,sl ≤ DSVB h,sl ) y además es en contra, el precio apantallado a subir se calcula del siguiente modo: ( ) slh slh hhhslhsubirslh DSVB DSVS PGDSVBPMDPGDSVBPABPAC , , ,,, ⋅−+== (5.19) Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 36 Dado que los cálculos anteriores pueden presentar alguna dificultad de comprensión, se realiza un cuadro esquemático que muestra los precios dependiendo del sentido de la necesidad neta del sistema y de los desvíos totales del sujeto de liquidación, el cual se muestra en la Figura 5.3 [18] . NECESIDAD DEL SISTEMA Desvío Total del Sujeto de Liquidación ↑ PMD ↑ PMD ↓ PAB ↓ PMD ↑ PMD ↑ PAS ↓ PMD ↓ PMD Figura 5.3. Precios del desvío total del sujeto de liquidación. Se puede comprobar que el beneficio del apantallamiento para los desvíos contrarios de las unidades de programación de un sujeto de liquidación, independientemente del sentido, depende del ratio entre la suma de los desvíos a favor (DSVF h,up ) y la suma de los desvíos en contra (DSVC h,up ) de sus unidades: uph uph slh DSVC DSVF IBA , , , = (5.20) · Si el valor de IBA h,sl es mayor o igual a la unidad (apantallamiento total), el precio apantallado de los desvíos contrarios será igual al precio del mercado diario. · Si el valor de IBA h,sl es menor que la unidad (apantallamiento medio), el precio apantallado será mejor que el precio general de los desvíos contrarios. · Si el valor de IBA h,sl es igual a cero (apantallamiento nulo), el precio apantallado de los desvíos contrarios será igual al precio general de los desvíos contrarios. La reducción del coste de los desvíos puede ser posible si se agrupan los productores en la cartera de un sujeto de liquidación como un representante en nombre propio o un comercializador. Esta reducción es posible gracias a que, al incluirse una instalación en la cartera de un sujeto de liquidación, la normativa considera como unidad básica de liquidación de desvíos la cartera de instalaciones del sujeto, con lo que se reduce siempre el importe del desvío y, por tanto, el coste. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 37 Esto es así puesto que se suman los desvíos de todas las instalaciones representadas, lo que permite sumar, por lo tanto, los desvíos positivos con los desvíos negativos y compensarse o “apantallarse” entre ellos, produciendo un desvío total de la cartera inferior a la suma de los desvíos absolutos individuales de cada instalación. El repartir “aguas abajo” el desvío de la cartera entre las unidades que provocaron dicho desvío genera un ahorro en costes entre un 45% y 85%, que es variable según la precisión de la previsión del desvío consolidado del sujeto. La consolidación, apantallamiento o “neteo” de los desvíos, como comúnmente se le designa, debido a la inclusión en una cartera de un representante, ha hecho posible que los generadores en régimen especial puedan disponer de las mismas ventajas derivadas de la economía de escala que poseen las grandes empresas eléctricas, facilitando así la inversión en energías renovables. 5.5. Coste del Desvío El coste del desvío a bajar es la pérdida de ingresos por haber cobrado en el mercado una energía finalmente no producida que ha generado un pago al operador del sistema como desvío a un precio de desvío superior o igual al precio del mercado. Por otro lado, el coste del desvío a subir es la pérdida de ingresos por haber cobrado a precio de desvío una energía que podría haberse vendido en el mercado a un precio superior. Tomando como referencia el precio del mercado diario, el coste general de desvíos a subir (CGDSVS h ) y a bajar (CGDSVB h ) se calcula de la siguiente forma: hhh PGDSVSPMDCGDSVS −= (5.21) hhh PMDPGDSVBCGDSVB −= (5.22) a) Desvíos en Contra: El coste depende de si se trata de un desvío a subir o a bajar. Si el desvío es en contra a subir y es mayor que cero, el coste es el Precio del Mercado Diario (PMD) menos el Precio del Desvío a Subir (PDSVS); siendo su precio el Precio del Desvío a Subir (PDSVS). Si el es desvío en contra a bajar y es menor que cero, su coste es el Precio del Desvío a Bajar (PDSVB) menos el Precio Medio Diario (PMD); siendo su precio el Precio del Desvío a Bajar (PDSVB). Para una unidad de programación, el coste del desvío depende del precio de desvío apantallado liquidado. b) Desvíos a Favor: Tanto si el desvío es a subir como a bajar, el coste del desvío será nulo, siendo su precio el Precio del Mercado Diario (PMD). Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 38 En la Figura 5.4 [18] se muestra el esquema de coste de los desvíos para ambos sentidos, donde se puede observar cómo cuando el desvío producido es a favor del sistema no se asocia coste alguno. NECESIDAD DEL SISTEMA < 0 > 0 Menor Producción Mayor Producción A SUBIR PMD - PDSVS 0 Mayor Producción Menor Consumo A BAJAR 0 PDSVB - PMD Menor Producción Mayor Consumo Figura 5.4. Costes de los desvíos. 5.6. Exención del Coste del Desvío Según el Artículo 34.2 del Real Decreto 661/2007, de 25 de mayo [19] , “estarán exentas del pago del coste de los desvíos aquellas instalaciones que, habiendo elegido la opción a) del artículo 24.1, no tengan la obligación de disponer de equipo de medida horaria de acuerdo con el Reglamento de puntos de medida de los consumos y tránsitos de energía eléctrica aprobado por el Real Decreto 2018/1997, de 26 de diciembre.” Según el Reglamento de puntos de medida, RD 1110/2007 [20] , las instalaciones que no tienen obligación de disponer de equipo de medida horaria y que, por tanto, están exentas del coste del desvío, son las que poseen una potencia nominal que sea menor o igual a las 15 kVA. El precio del desvío de aquellas unidades de programación donde se agrupan este tipo de instalaciones es siempre el precio del mercado diario (PMD) con independencia de su sentido. Así, el coste del desvío será siempre nulo. El coste del desvío de las instalaciones exentas lo asume la demanda nacional como menor cobro del excedente de la liquidación de los desvíos. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 39 6. Parque Eólico Experimental de Sotavento Para realizar el presente proyecto se va a emplear como planta modelo en el estudio que se va a realizar el Parque Eólico Experimental Sotavento, el cual se encuentra emplazado en la comunidad autónoma de Galicia, más concretamente en “A Serra da Loba”, entre los términos municipales de Xermade (Lugo) y de Monfero (A Coruña), como se puede comprobar en la Figura 6.1 [21] . Dicho parque eólico se encuentra a una altitud de 600- 700 metros sobre el nivel del mar. Figura 6.1. Mapa de situación del parque eólico experimental Sotavento. Los datos técnicos más relevantes del parque eólico son los siguientes: - Número de Aerogeneradores: 24 - Tecnologías Presentes: 5 - Modelos de Aerogenerador Empleados: 9 - Potencia Nominal del Parque: 17,56 MW - Generación Anual Media: 33.364 MWh - Velocidad Media del Viento: 6,41 m/s - Dirección del Viento Predominante: Eje Este-Oeste Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 40 La Figura 6.2 [21] muestra la distribución existente de los distintos aerogeneradores en el parque eólico. Cada aerogenerador está identificado por un número, de manera que a través de la Tabla 2 se puede conocer las características de cada uno de ellos. Figura 6.2. Distribución de aerogeneradores del parque eólico de Sotavento. Tabla 2. Características de los aerogeneradores del parque eólico Sotavento. Tipo Aerogenerador Potencia Unitaria (kW) Diámetro Rotor (m) Altura Torre (m) Paso Palas Velocidad Generador Generación Nº Neg Micon NM-48 750 750 48 45 Fijo Fija Asíncrona 2,8,13,20 Gamesa G-47 660 47 45 Variable Variable Asíncrona 3,7,14,19 Made AE-46 660 46 45 Fijo Fija Asíncrona 6,10,17,23 Izar-Bonus MK-IV 600 44 40 Fijo Fija Asíncrona 5,9,18,22 Ecotecnia 44/640 640 (2 x 320) 44 46 Fijo Fija Asíncrona 4,11,15,21 Neg Micon NM-52 900 900 48 45 Fijo Fija Asíncrona 12 Made AE-52 800 52 50 Variable Variable Síncrona 16 Made AE-61 1.320 61 60 Fijo Fija Asíncrona 24 Izar-Bonus 1,3 MW 1.300 62 49 Variable Fija Asíncrona 1 Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 41 6.1. Estrategia de Funcionamiento La estrategia de funcionamiento está divida en tres aspectos: proceso de arranque del aerogenerador, funcionamiento normal y el proceso de parada. El proceso de arranque del aerogenerador se inicia cuando la turbina detecta viento en cualquier dirección por los sensores de velocidad de viento (anemómetros de turbina). A través de los motores correspondientes, el controlador realiza las siguientes órdenes al aerogenerador: - Si el viento tiene una velocidad de 2-3 m/s envía la orden de posicionarse frente al viento, lo que se denomina orientación de la turbina. - Si el viento supera los 3 m/s envía la orden de desactivar los frenos para permitir el giro de la turbina por el efecto únicamente del empuje del viento. Además, se envía la consigna de posición de las palas progresivamente de 90º - 0º (paso variable). - Cuando la velocidad de giro del molino llega a la de sincronismo del generador solicitado (1500 rpm) se conecta dicho generador a la red de forma suave, contando para ello con electrónica de potencia consistente en bancos de tiristores. Al realizar la conexión (que dura entre 3 y 4 segundos), se conecta directamente el generador a la red mediante un interruptor. - Una vez el generador se conecta a la red, éste envía energía al sistema nacional. La velocidad entonces es constante y limitada únicamente por la frecuencia de la red. · Paso Fijo: Cuando el viento es demasiado elevado, el diseño aerodinámico de las palas de paso fijo incrementa las turbulencias del flujo de aire, limitando con ello la potencia. · Paso Variable: El control del aerogenerador se realiza mediante la actuación en el ángulo de paso, capturando o limitando la potencia extraída del viento. La velocidad de generación puede ser variable. · Turbinas de Doble Devanado: La finalidad es optimizar la energía generada para diferentes rangos de velocidad de viento, seleccionándose un generador u otro en función del mismo. El proceso de parada del aerogenerador se produce cuando ocurre uno de los siguientes motivos: - Vientos Altos: Cuando el viento supera un límite (25 m/s) o cuando se detecta un error en la lectura de los sensores de viento. - Vientos Bajos: Se inicia la secuencia de parada si se detecta poca generación o si se detectan vientos muy bajos. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 42 - Error de Funcionamiento: Se detecta un error de funcionamiento por la información que indican los sensores. - Parada Manual: Se realiza siempre bajo la supervisión del personal de operación y del personal de mantenimiento. Cuando se produce la parada de la turbina se distinguen los siguientes procedimientos a llevar a cabo: - Parada Suave: En aerogeneradores de paso fijo el controlador envía una orden al sistema de captación para desplegar los aerofrenos; simultáneamente desconecta el generador, revisa la disminución de las rpm y emplea los frenos de manera suave. Al transcurrir varios segundos, aplica una presión de frenada cada vez mayor hasta conseguir la detención total del aerogenerador. En aerogeneradores de paso variable se envía la orden a los actuadores del calaje de palas (pitch) aumentando los grados hasta los 90º; simultáneamente se desconecta el generador y realiza de igual forma un incremento paulatino de presión en el circuito secundario de frenada. - Parada de Emergencia: Se produce ante errores importantes, ante peligro para las personas o para la integridad de la turbina. Se aplican los frenos con la máxima presión desde el primer momento. - Cambio en el Devanado del Generador: No se llega a realizar una parada, sólo una disminución de la velocidad de giro para el caso de pasar del generador grande al pequeño; en caso contrario, la turbina se desacopla y permite el embalamiento con el viento hasta alcanzar la nueva velocidad de sincronismo. 6.2. Datos Monitorizados En las instalaciones destinadas al análisis del Parque Eólico Sotavento se monitorizan los principales parámetros que permiten el estudio y análisis de sistemas reales. Todos estos datos conforman una extensa base de datos que convierten al Parque Eólico Experimental de Sotavento en un centro de referencia y dinamizador de numerosos estudios tecnológicos, previo acuerdo y convenios de colaboración con las universidades, empresas y fundaciones. El listado de variables monitorizadas es el siguiente: 1) Torres Anemométricas: - Velocidad y dirección del viento a dos alturas. - Presión y temperatura del aire a nivel inferior. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 43 - Densidad del aire. - Radiación solar. 2) Aerogeneradores Datos SCADA Nativo: - Potencia eléctrica generada (diez-minutal). - Velocidad de viento (diez-minutal). - Energía generada acumulada (diez-minutal). 3) Analizador de Redes en cada Aerogenerador: - Tensión por fase y trifásica. - Intensidad por fase y trifásica. - Potencia eléctrica por fase y trifásica. - Energía Exportada. - Energía Importada. - Frecuencia de red. 4) Regulador de Reactiva Aerogenerador: - Capacidad real de las baterías de condensadores. - Estado de las baterías de condensadores. - Operaciones realizadas en condensadores. - Tiempo de conexión de cada condensador. 5) Analizador de Redes en Subestación: - Tensión por fase y trifásica. - Intensidad por fase y trifásica. - Potencia eléctrica por fase y trifásica. - Energía Exportada - Energía Importada. - Frecuencia de red. 6) Regulador de Reactiva en Subestación: - Capacidad real de las baterías de condensadores. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 50 Las reacciones que tienen lugar son las que se muestran a continuación. De izquierda a derecha se muestra las reacciones que tienen lugar en el acumulador durante la carga y de derecha a izquierda se muestra las reacciones que tienen lugar en la descarga. ACUMULADOR DESCARGADO ACUMULADOR CARGADO 422244 2SOHPbPbOOHPbSOPbSO ++↔++ (placa +) (placa -) (placa +) (placa -) Las baterías de plomo-ácido son las más maduras comercialmente a nivel mundial. En consecuencia, presentan un mayor desarrollo tecnológico y un menor coste de inversión. Sin embargo, esta tecnología presenta algunos inconvenientes como la necesidad de unos complejos requisitos de mantenimiento, así como que la energía que pueden descargar no es fija, sino que depende del mínimo estado de carga admisible por cada batería. Las baterías avanzadas de plomo-ácido están consiguiendo paliar estos inconvenientes con el objetivo de aplicarlas en sistemas para la integración de energías renovables en el sistema eléctrico. Alcanzan un rendimiento del 90%, con un estado mínimo de carga del 20%. Su costes de adquisición ascienden a unos 360 €/kWh, mientras que sus costes de operación y mantenimiento están en torno a 2 €/kWh. Se encuentran todavía en fase de desarrollo. Entre los principales fabricantes de esta tecnología destacamos a “Yuasa Battery”, el cual se centra en la fabricación de baterías para uso industrial, telecomunicaciones, UPS y otras aplicaciones de gran potencia. Otro de los principales fabricantes a destacar es “Exide Technologies”, el cual fabrica una gran variedad de baterías para aplicaciones de potencia con capacidades de entre 50 y 5000 Ah y una vida útil de 25 años. Tabla 4. Características de una batería de plomo-ácido [22] [23] . Densidad de Energía 60 – 180 MJ/m 3 Rango de Energía 144·10 3 MJ Rango de Potencia 0,1 – 10 MW Tiempo de Carga y Descarga Horas – Minutos Ciclos de Carga/Descarga 2500 ciclos Rendimiento 90 % Mínimo Estado de Carga 20 % Coste de Instalación 360 €/kWh Coste de Mantenimiento al Año 2 €/kWh Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 51 Uno de los proyectos más actuales que incluyen la utilización de este tipo de tecnología es el llevado a cabo por la empresa “Duke energy Reneables”, en el que instaló 36 MW de almacenamiento de energía y su correspondiente sistema de control en la planta eólica Notrees en el oeste de Texas (EEUU) como se puede apreciar en la Figura 7.4 [30] . Dicho sistema estuvo operativo por completo en el mes de diciembre de 2012. Figura 7.4. Sistema de almacenamiento con baterías de plomo-ácido en Texas. 7.3. Batería de Sodio-Sulfuro Los materiales activos en este tipo de baterías son el azufre fundido como cátodo y el sodio fundido como ánodo. Dichos electrodos se encuentran separados por un material cerámico en estado sólido que sirve de electrolito, a través de éste pasan únicamente los iones de sodio con carga positiva. La Figura 7.5 muestra las partes de una batería como la descrita [31] . Figura 7.5. Partes de una batería de sodio-sulfuro. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 52 Durante la descarga los electrones salen del sodio metal, dando lugar a la formación de iones de sodio con carga positiva que pasan a través del cerámico al electrodo positivo. Los electrones que salen del sodio metal se mueven a través del circuito y vuelven de nuevo a la batería a través del electrodo positivo, donde son absorbidos por el azufre fundido para formar polisulfuro. Los iones de sodio con carga positiva desplazados al electrodo positivo equilibran el flujo de carga de los electrones. Durante la carga, el proceso es el inverso del descrito. Este funcionamiento se muestra en la Figura 7.6 [32] . Figura 7.6. Funcionamiento de una batería de sodio-sulfuro. Estas baterías necesitan un aporte de calor para mantenerse a temperaturas superiores a 300ºC, lo cual supone que los sistemas encargados de aportar este calor se consideran parte integrante de la propia batería. Tienen un estado mínimo de carga del 10%, con un rendimiento del 80 %, y con un total de 4500 ciclos equivalentes como vida útil. Sus costes de adquisición están en los 285 €/kWh y los costes de operación y mantenimiento están en torno a los 3 €/kWh. Cabe destacar que esta tecnología aún se encuentra en una fase de desarrollo. Empresas japonesas como TEPCO y NGK Insulators llevan 25 años desarrollando esta tecnología. Actualmente el único fabricante de este tipo de baterías es la empresa “NSK Insulators”, de manera que no existen muchas instalaciones que utilicen esta tecnología por ahora. La mayor instalación de baterías de sodio sulfura se encuentra actualmente en un parque eólico de 51 MW en Japón, la cual tiene una capacidad de 12 MWh (2MW en 6 horas), la cual se muestra en la Figura 7.7 [32] . Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 53 Tabla 5. Características de una batería de sodio-sulfuro [22] [23] . Densidad de Energía 540 MJ/m 3 Rango de Energía 172,8·10 3 MJ Rango de Potencia 0,1 – 10 MW Tiempo de Carga y Descarga Horas Ciclos de Carga/Descarga 4000-5000 ciclos Rendimiento 80 % Mínimo Estado de Carga 10 % Coste de Instalación 285 €/kWh Coste de Mantenimiento al Año 3 €/kWh Figura 7.7. Instalación de 12 MWh de baterías de sodio-sulfuro en Japón. 7.4. Batería de Redox de Vanadio Una batería de flujo es aquella en la que el electrolito, que contiene una o más especies electroactivas, fluye a través de la celda electroquímica que se encarga de convertir la energía química en electricidad. Puede almacenarse más cantidad de electrolito en unos tanques externos y bombearse dentro de los stacks de celdas. Estas baterías se recargan rápidamente sustituyendo el electrolito o revertiendo la reacción redox. Por lo tanto, la capacidad energética del sistema está determinada por el tamaño de los tanques y la potencia por el tamaño del stack, siendo ambos parámetros independientes y escalables. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 54 Las baterías redox de vanadio son las más desarrolladas tecnológicamente dentro de las baterías de flujo. La energía se almacena mediante iones cargados que se encuentran en dos tanques de electrolito separados, de forma que uno de ellos contiene electrolito para las reacciones de electrodo positivo y el otro para las reacciones de electrodo negativo. Estas baterías emplean pares redox de vanadio disueltos en mezclas diluidas de ácido sulfúrico: en el electrodo negativo se encuentra el par V 2+ / V 3+ y en el positivo el par V 4+ /V 5+ . La Figura 7.8 muestra este proceso de funcionamiento [33] . Figura 7.8. Funcionamiento de una batería redox de vanadio. Cuando se necesita descargar energía de la batería, el electrolito fluye hacia una celda redox con electrodos generándose la corriente. Esta reacción electroquímica se invierte cuando se aplica una sobretensión, como en las baterías convencionales, permitiendo al sistema efectuar cargas y descargas repetidamente. Los sistemas de baterías redox de vanadio pueden diseñarse para suministrar energía en un rango de tiempo que va desde las 2 horas hasta las 8 horas. Los fabricantes de este tipo de baterías estiman una vida media del sistema de unos 20 años, mientras que la vida media de los electrolitos alcanza los 25 años. Este tipo de baterías redox de vanadio tienen un rendimiento aproximadamente del 90% y pueden llegar a alcanzar una profundidad de descarga del 100%. Su número de ciclos equivalentes a lo largo de la vida útil está alrededor de los 20.000 ciclos, una cifra muy alta comparada con las baterías estudiadas anteriormente. Sin embargo, los costes de adquisición se sitúan alrededor de los 700 €/kWh y los costes de operación y de mantenimiento tienen valores cercanos a los 10 €/kWh. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 55 Para proyectos que requieran una capacidad de almacenamiento del orden de los MWh hay que tener en cuenta que el tamaño de los tanques de electrolito necesarios tiende a ser muy grande. Además, debe destacarse que es necesario mantener los electrolitos a 300 ºC para que el proceso pueda desarrollarse correctamente. Tabla 6. Características de una batería redox de vanadio [22] [23] . Densidad de Energía 54-65 MJ/m 3 Rango de Energía 36·10 3 MJ Rango de Potencia 0,1 – 100 MW Tiempo de Carga y Descarga Horas Ciclos de Carga/Descarga 20.000 ciclos Rendimiento 90 % Mínimo Estado de Carga 5 % Coste de Instalación 700 €/kWh Coste de Mantenimiento al Año 10 €/kWh Actualmente esta tecnología, a pesar de estar en pleno desarrollo, se está comenzando a integrar en los llamados “sistemas en isla” en India, donde se pretende suministrar la energía eléctrica únicamente a través de paneles fotovoltaicos sin necesidad de conexión a la red eléctrica. Este proyecto se puso en marcha en el año 2012. La Figura 7.9 muestra el aspecto de los contenedores de las baterías redox de vanadio que se están empleando para dicho objetivo en India, cuya fabricación corre a cargo de la empresa “American Vanadium”. Figura 7.9. Aspecto de las baterías redox de vanadio utilizadas en India. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 56 7.5. Batería de Redox de Zinc-Bromo Las baterías redox de Zinc-Bromo son otro tipo de baterías de flujo, tal y como lo era el anterior tipo de batería estudiado. En la Figura 7.10 se muestra cómo funciona este tipo de sistemas de almacenamiento de energía. Figura 7.10. Funcionamiento de una batería redox de zinc-bromo. En cada celda de una batería de zinc-bromo fluyen dos electrolitos diferentes a través de electrodos en dos comportamientos separados por una membrana porosa. Durante el proceso de descarga, el zinc se carga positivamente (Zn 2+ ) y el bromo pasa a ser bromuro (Br - ), del cual se obtiene el bromuro de zinc (ZnBr 2 ). El proceso químico que se utiliza para generar esta corriente eléctrica incrementa las concentraciones de iones cargados tanto de zinc como de bromuro en ambos tanques de electrolito. Durante el proceso de carga, el zinc se deposita en una fina capa al lado del electrodo, mientras que el bromo se desprende como una solución diluida al otro lado de la membrana, reaccionando con los otros compuestos en solución (aminas) para formar un compuesto denso y viscoso que precipita al fondo del tanque. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 57 Las baterías redox zinc-bromo están menos desarrolladas tecnológicamente que las de vanadio. Se caracterizan por presentar un rendimiento alrededor del 75% y una vida útil de 12000 ciclos equivalentes al 90% de descarga máxima. El coste de operación se sitúa en torno a los 385 €/kWh y el coste de mantenimiento alrededor de los 13 €/kWh. Entre los principales fabricantes de esta tecnología destacamos a “RedFlow”, el cual se centra en la fabricación de baterías de flujo de zinc-bromuro cuyas características son la capacidad de carga/descarga profundas diarias, ideal para el almacenamiento y traslado de las energías renovables intermitentes, para gestionar picos de carga en la red y para el apoyo fuera de la red sistemas de energía (tipo "isla"). Tabla 7. Características de una batería redox de zinc-bromo [22] [23] . Densidad de Energía 72-108 MJ/m 3 Rango de Energía 36·10 3 MJ Rango de Potencia 0,1 – 100 MW Tiempo de Carga y Descarga Horas Ciclos de Carga/Descarga 12.000 ciclos Rendimiento 75 % Mínimo Estado de Carga 10 % Coste de Instalación 385 €/kWh Coste de Mantenimiento al Año 13 €/kWh En el mes de febrero de 2016, “Jofemar Energy”, la división de la Corporación Jofemar especializada en eficiencia y almacenamiento energético, ha concluido el proyecto “Flow Grid”, que comenzó en 2012, con la presentación de la primera versión de sus baterías de flujo Zn-Br de 10 y 60 kWh. Se trata de un proyecto de investigación y desarrollo cuyo objetivo era desarrollar las baterías de flujo redox Zn-Br para almacenamiento energético y su posterior integración en Smart-Grids y aplicaciones estacionarias. Las baterías que fabrica Jofemar Energy son sistemas de almacenamiento energético que actúan como estabilizadores de la red, garantizando la calidad y la fiabilidad en el suministro y proporcionando un soporte a la operación de la red. Además, pueden evitar problemas de sobrecargas y compensar la variabilidad de los recursos renovables y su integración en la red. Con un coste estimado de 200 €/kWh, son totalmente configurables y adaptables a la demanda o especificaciones de los clientes, reciclables y favorables medioambientalmente, además de fácilmente integrables en el entorno. Son baterías de bajo coste y emplean materiales reciclables y respetuosos con el medioambiente. Puede verse el aspecto que presentan estos módulos en la Figura 7.11 [36] . Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 58 Figura 7.11. Módulos de batería de flujo de zinc-bromo de Jofemar Energy. 4.6. Resumen Características de Distintas Tecnologías de Baterías Se ha estudiado hasta cinco tipos de tecnologías para el almacenamiento de energía en forma de baterías, cada una de las cuales presentan unas determinadas características de uso y unos costes de instalación y mantenimiento diferentes. Todas estas características se recogen en una sola tabla en la que poder realizar la comparación entre cada una de las tecnologías estudiadas. Tabla 8. Tabla resumen de las características de las baterías estudiadas. Ión-Litio Plomo - Ácido Sodio - Sulfuro Redox Vanadio Redox Zn-Br Densidad de Energía (MJ/m 3 ) 10,8-14,4 60 – 180 540 54-65 72-108 Rango de Energía (MJ) 36·10 3 144·10 3 172,8·10 3 36·10 3 36·10 3 Rango de Potencia (MW) 0,1 – 10 0,1 – 10 0,1 – 10 0,1 – 100 0,1 – 100 Tiempo Carga y Descarga H - min H - min Horas Horas Horas Ciclos de Carga/Descarga 4500 2500 4500 20.000 12.000 Rendimiento (%) 94 % 90 % 80 % 90 % 75 % Mínimo Estado de Carga (%) 10 % 20 % 10 % 5 % 10 % Coste de Instalación (€/kWh) 530 360 285 700 385 Coste Mantenimiento (€/kWh·año) 3 2 3 10 13 Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 59 Debemos señalar que el rendimiento que se indica en las tablas del presenta apartado es el correspondiente al producto del rendimiento de carga y descarga de la batería, del rendimiento del inversor y del rectificador (que se consideran integrados en la batería) y del rendimiento del transformador conectado a la red (incluyendo pérdidas en cables). Por otro lado, debemos definir como el mínimo estado de carga aquel estado de carga de la batería por debajo del cual puede sufrir daños estructurales. De esta manera, cuando se realicen en los siguientes apartados los cálculos pertinentes, se tomarán en consideración dichos valores para que el estudio refleje la mayor realidad posible. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 66 - Precio Mercado SPOT Diario España: Es el precio del mercado diario de la energía, el cual se paga a los productores de energía eléctrica por generarla. - Sentido de los Desvíos Contrarios al Sistema: Indica el sentido contrario a la necesidad del sistema eléctrico en su conjunto. En el caso de que el sistema tenga la necesidad de aumentar la energía, el desvío de sentido contrario al sistema será una producción de energía inferior a la prevista, con lo que se indica con un -1. En el caso de que el sistema tenga la necesidad de disminuir la energía, el desvío de sentido contrario al sistema será una producción de energía superior a la que se ha previsto, con lo que se indica con un +1. En la plataforma web [37] se seleccionan las cuatro variables anteriores para los días que conforman la semana objeto de estudio. La gráfica que obtenemos como resultado es la que se muestra en la Figura 8.5. Se puede comprobar que un 54,17 % de la semana de estudio existe una necesidad -1 en el sistema (necesidad de aumentar la energía) y que un 45,83 % existe una necesidad 1 en el sistema (necesidad de disminuir la energía). Los datos de cada una de las variables pueden consultarse en las tablas del Anexo V. Figura 8.5. Precio de Pago Desvíos a Bajar, Precio de Cobro Desvíos a Subir, Precio Mercado SPOT Diario España y Sentido de los Desvíos Contrarios al sistema en la semana de estudio. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 67 En la gráfica anterior podemos observar cómo cuando el sentido del desvío contrario al sistema es -1, que se corresponde con que el sistema tiene la necesidad de aumentar la energía disponible, el precio de pago de desvíos a bajar es superior al precio del mercado diario mientras que el precio de cobro de desvíos a subir es igual al precio del mercado diario; esto es así puesto que si existe un defecto de energía con respecto a la prevista en una central de producción, el productor debe pagar por no llegar a producirla un precio superior al que ha cobrado por ella previamente. En el caso contrario, cuando el sentido del desvío contrario al sistema es +1, que se corresponde con que el sistema tiene la necesidad de disminuir la energía disponible, el precio de cobro de desvíos a subir es inferior al precio del mercado diario mientras que el precio de pago de desvíos a bajar es igual al precio del mercado diario; esto se debe a que, si existe un exceso de energía respecto a la prevista en una central de producción, el productor cobrará por ella un precio inferior al precio de mercado diario y se obtienen las consiguientes pérdidas de ingresos al no venderla al precio de mercado diario al que podía aspirar. Los datos de los precios horarios que se han obtenido de la plataforma web del e·sios se han tabulado para periodos de tiempo diezminutales para que se puedan relacionar con los valores de energía prevista y energía real producida de los que partíamos. Se ha construido una gráfica con dichos valores diezminutales de precio en la que poder visualizar, de forma algo más clara que la Figura 8.5 anterior, la evolución de los precios de la energía durante la semana de estudio que se ha tomado como referencia, lo cual se muestra en la Figura 8.6. Figura 8.6 Precio de Pago Desvíos a Bajar, Precio de Cobro Desvíos a Subir y Precio Mercado SPOT Diario España en la semana de estudio. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 68 Atendiendo al sentido de los desvíos contrarios al sistema, se realiza un estudio de qué parte de la energía a desviar se encuentra a favor de las necesidades del sistema (por lo que no supone coste para el productor de energía) y qué parte de energía se encuentra en contra de las necesidades del sistema (y supone un coste para el productor de energía). Los resultados de dicho estudio se reflejan en la gráfica de la Figura 8.7. Se comprueba que existe una mayor número de desvíos en contra (59,52%) que de desvíos a favor del sistema (40,48%). En términos de energía, se comprueba que existe una mayor cantidad de energía en contra (159.623,39 kWh) que de energía a favor (100.304,62 kWh). Figura 8.7. Desvíos a favor y en contra del sistema en la semana de estudio. Los desvíos en contra del sistema son los que conllevan un coste para el productor de energía eléctrica. El valor de dicho coste dependerá de si el desvío en contra es a bajar o es a subir, ya que los precios varían significativamente si consideramos uno u otro. En la gráfica de la Figura 8.8 se comprueba qué parte de dichos desvíos en contra del sistema corresponden a desvíos a bajar y qué parte corresponden a desvíos a subir. Para calcular el coste que supondrá realizar dichos desvíos se emplearán las expresiones 8.1 y 8.2. En la Figura 8.8 se puede comprobar que existe una mayor cantidad de desvíos a bajar (57,83%) que desvíos a subir (42,17%). El valor medio de la energía en desvíos a bajar es de 228,05 kWh y el valor medio de la energía en desvíos a subir es de 318,14 kWh. La desviación típica de los desvíos a subir es de 204,58 kWh y la de los desvíos a bajar es de 165,35 kWh. En la Figura 8.9 se muestran los costes de los desvíos en contra del sistema a subir y a bajar por separado. En caso de producirse, el valor medio de los costes de los desvíos a bajar es de 1,80 € y su desviación típica de 1,60 €, mientras que el valor medio de los costes de los desvíos a subir es de 5,03 € y su desviación típica de 3,80 €; estos valores de coste incurrido se producen para cada intervalo de 10 minutos de duración. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 69 Figura 8.8. Desvíos a en contra del sistema a subir y a bajar en la semana de estudio. Figura 8.9. Costes de los desvíos a en contra del sistema a subir y a bajar en la semana de estudio. Como resultado de dichos costes, los valores de unidades monetarias, en este caso €, obtenidos se recogen en la gráfica de la Figura 8.10. En ella se puede comprobar que los costes de los desvíos en contra a subir son mucho más importantes que los costes de los desvíos en contra a bajar en términos monetarios. Por ello, si se desea realizar un ahorro de costes, se debe de investigar la forma en la que poder suplir esta falta de producción de energía mediante sistemas auxiliares de almacenamiento de energía como pueden ser las baterías. Este aspecto es el objetivo principal de análisis del presente proyecto. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 70 Figura 8.10. Costes de los desvíos en contra del sistema en la semana de estudio. Si realizamos la suma de todos los costes, la cifra asciende a un total de 1.899,02 € en una semana. Si extrapolamos este valor a las 52 semanas que tiene el año, el valor de los costes totales por los desvíos llegarán a alcanzar una cifra alrededor de los 98.750 €. Se quiere intentar detallar el proceso de cálculo de los costes de los desvíos a través de la gráfica de la Figura 8.11. Para ello, se ha elegido una franja de cuatro horas en la que se contemplan todos los casos que podemos encontrar a lo largo del periodo de tiempo estudiado, del Miércoles 23/03/2016 entre las 11 y las 15 horas. Figura 8.11. Detalle del cálculo de los costes de los desvíos de energía. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 71 En la primera parte de la gráfica se muestra que el precio del pago del desvío a bajar es superior al precio del mercado diario, lo que indica que el sistema necesita un aumento de la energía producida. En aquel tramo horario en el que existe un desvío de energía contrario al sistema (un defecto en la energía producida), el coste de dicho desvío será igual al producto de la energía a desviar y la diferencia entre el precio del desvío a bajar y el precio del mercado diario. Se puede observar que durante ese periodo horario en el que existe dicho desvío el precio del desvío a bajar varía, con lo también lo hace el coste de dicho desvío. En la segunda parte de la gráfica se produce una inversión de la necesidad del sistema, de manera que ahora éste necesita un descenso de la energía producida y, por lo tanto, el precio de cobro de la energía a subir es menor que el precio del mercado diario. En este instante, toda aquella energía que se produce por encima de la previsión realizada se va a cobrar al precio del desvío a subir, con lo cual se produce una pérdida de beneficios al estar vendiendo la energía producida a un precio mucho más barato. El cálculo del coste asociado a dicho desvío de energía se obtiene multiplicando el valor de la energía a desviar y la diferencia entre el precio del mercado diario y el precio del desvío a subir, lo cual representa ese margen de precio que se pierde. Se puede comprobar que, a medida que varía el valor del desvío, el coste asociado a él lo hace en la misma proporción, tal y como se puede comprobar en la última parte de la gráfica. Se quiere poner como ejemplo, asimismo, la misma gráfica anterior pero extendida a un día completo. En la Figura 8.12 se muestra dicha gráfica ampliada para todo el día del Miércoles 23/03/2016. Figura 8.12. Detalle del cálculo de los costes de los desvíos de energía para el día 23/03/2016. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 72 Como finalización de este apartado, se muestra una tabla a modo de resumen con los valores medios, máximos y desviaciones típicas de las energías correspondientes a los desvíos en contra del sistema tanto a subir como a bajar obtenidos en la semana en la que se ha realizado estudio. Tabla 9. Tabla resumen de los valores de desvíos durante la semana de estudio. Valor Medio (kWh) Valor Máximo (kWh) Desviación Típica (kWh) Intervalo de Tiempo (min) Desvíos a Subir 318,14 855,36 204,58 10 Desvíos a Bajar 228,05 768,48 165,35 10 Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 73 9. Estudio del Uso Baterías Almacenamiento El estudio realizado en el apartado anterior pone de manifiesto que existen unos costes asociados a la energía desviada en contra del sistema que pueden ser reducidos de dos formas, bien consiguiendo que la energía producida se acerque mucho a la energía que se ha previsto producir, o bien reduciendo la energía en tramos en los que se tenga que realizar un desvío en contra del sistema al no coincidir con la producción que prevista. En el primero de los casos se debería de realizar la predicción de la velocidad del viento con la mayor exactitud posible, lo cual, a pesar de que existen numerosos métodos de predicción meteorológica y software de predicción meteorológica, los resultados que se obtienen no llegan a ser todo lo exactamente necesarios. En esto influye notablemente la gran variabilidad de los vientos, así como de los modelos meteorológicos de una hora con respecto a la siguiente, sobretodo en estaciones del año como primavera y otoño. En zonas de interior el error relativo medio de las predicciones de viento que se comete a lo largo del año es del 18%, con valores máximos de hasta 40% (aunque en zonas de costa estos valores casi se triplican) [38] . Es por todo ello por lo que, a pesar de que se sigue investigando la forma de conseguir la reproducción de modelos meteorológicos más fiables, las predicciones siguen sin ajustarse a la realidad con la precisión deseada. El segundo de los casos contemplaría la inexactitud propia de las previsiones e intenta paliarla en la medida de lo posible mediante la acumulación de la energía sobrante a lo largo del día y su posterior entrega en periodos de baja producción respecto a lo previsto a través de sistemas de almacenamiento como son las baterías. El objetivo de estas baterías sería acumular la energía sobrante en aquellos momentos en donde la producción de energía en el parque eólico supere la producción prevista y el sistema necesite reducir la energía producida, de manera que se evitaría los costos de los desvíos en contra del sistema a subir. Por otro lado, en aquellos momentos en los que la producción de energía sea inferior a la prevista y el sistema necesite aumentar la energía producida, la energía que se ha ido almacenando en la batería se iría entregando para que se haga frente a ese defecto de producción y evitar de esta manera los costos de los desvíos en contra del sistema a bajar. Evidentemente, la adquisición, la instalación y el mantenimiento de estos sistemas de almacenamiento de energía suponen un desembolso económico importante que puede llegar a no ser económicamente rentable, ya que el coste asociado a los desvíos en contra del sistema que vaya a suprimir puede ser que no lleguen a superar todos los costes que se asocian dichos sistemas de almacenamiento. El objetivo del presente apartado es el estudio del coste de la instalación de sistemas de almacenamiento de energía para distintos valores de capacidad y el estudio de la cantidad de desvíos en contra del sistema pueden llegar a cubrir y el coste de los que no, de forma que se compruebe si es realmente rentable realizar dicha inversión económica. Para ello, se estudiarán distintos valores de capacidad del sistema de baterías a instalar y distintos porcentajes de carga de partida en cada caso. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 74 En primer lugar debemos de calcular la diferencia de energía que existe, por cada hora, entre la energía que se ha previsto producir y la energía que realmente se ha producido. Estos valores se han graficado y su resultado se puede comprobar en la Figura 9.1. Figura 9.1. Diferencia entre energía real y prevista por hora en la semana de estudio. Esta energía, que a veces resulta en defecto y otras en exceso, es la que se pretende almacenar con un sistema de baterías. Se comprueba en la Figura 9.1 que los extremos no son simétricos, puesto que falta más energía que la que sobra (el valor medio tiene un valor de -181,82 kWh, siendo el valor de la desviación típica de 1.630,47 kWh). Otro dato que se puede obtener es que el tramo horario con mayor diferencia de energía entre la real y la prevista es de alrededor de los 4 MWh, con lo que se estudiará la viabilidad de instalar un sistema de almacenamiento de 4, 3, 2 y 1 MWh respectivamente. Para llevar a cabo el estudio se empleará los datos obtenidos en el cálculo de los costes de los desvíos de producción realizados en la planta en la semana de estudio descritos en el apartado 8 del presente documento, así como todas las características técnicas y las características económicas descritas en el apartado 7 del presente documento. Para describir la operación del parque eólico al instalar el sistema de almacenamiento con baterías se definirán los siguientes conceptos básicos: - Estado Inicial de Carga de la Batería: Se define como la cantidad de energía que contiene la batería al inicio de cada intervalo de tiempo. Este valor estará acotado entre el valor del mínimo estado de carga de la batería y la capacidad máxima de la batería. Para calcular el estado inicial de carga en un instante de tiempo i se tomará el estado final de carga de la batería del instante de tiempo anterior i +1 . 1− = ii FinalEstadoInicialEstado (9.1) Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 75 - Estado Final de Carga de la Batería: Se define como la cantidad de energía que contiene la batería al final de cada intervalo de tiempo. Este valor estará acotado entre el valor del mínimo estado de carga de la batería y la capacidad máxima de la batería. Para calcular el estado final de carga en un instante de tiempo i se debe de realizar un balance de energía entre la energía inicial de carga, la energía entrante y la energía saliente en dicho intervalo de tiempo i. ioutiinii EnergiaEnergiaInicialEstadoFinalEstado ,, −+= (9.2) - Energía Entrante en la Batería: Se define como la cantidad de energía que almacena la batería durante cada intervalo de tiempo. Este valor estará acotado entre un valor mínimo nulo y un valor máximo correspondiente a la diferencia entre la capacidad máxima y el mínimo estado de carga de la batería. Para cualquier intervalo de tiempo sólo se almacenará energía en la batería en el caso de que se cumplan los siguientes aspectos: · El estado de carga inicial de la batería es menor que su capacidad máxima. · El desvío en dicho intervalo de tiempo es positivo (exceso de producción). · El coste del desvío a subir es inferior al precio del mercado diario. En ese caso la batería almacenará una carga igual al desvío correspondiente hasta que se acumule todo el desvío o hasta que se llegue a su capacidad máxima, en este último caso el resto de la energía no almacenada deberá desviarse y supondrá un coste para el productor de energía. - Energía Saliente de la Batería: Se define como la cantidad de energía que descarga la batería durante cada intervalo de tiempo. Este valor estará acotado entre un valor mínimo nulo y un valor máximo correspondiente a la diferencia entre la capacidad máxima y el mínimo estado de carga de la batería. Para cualquier intervalo de tiempo sólo se descargará energía de la batería en el caso de que se cumplan los siguientes aspectos: · El estado de carga inicial de la batería supera su mínimo estado de carga. · El desvío en dicho intervalo de tiempo es negativo (defecto de producción). · El coste del desvío a bajar es superior al precio del mercado diario. En ese caso la batería descargará una carga igual al desvío correspondiente hasta que se entregue toda la energía del desvío o hasta que llegue a su mínimo estado de carga, en este último caso el resto de la energía no aportada por la batería deberá desviarse y supondrá un coste para el productor de energía. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 82 El espectro de la cantidad de energía de los desvíos en contra del sistema ordenado de mayor a menor y los correspondientes desvíos cubiertos por sistema de almacenamiento instalado se muestra en la Figura 9.5. Figura 9.5. Espectro de desvíos cubiertos en la semana de estudio. Como se puede comprobar, la cantidad de desvíos que se consiguen cubrir con el este sistema de almacenamiento no llega a ser de gran volumen. En la Figura 9.6 se muestran los porcentajes de desvíos en contra del sistema cubiertos en términos de energía. Figura 9.6. Porcentaje de desvíos cubiertos en la semana de estudio. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 83 Esta cantidad de desvíos en contra del sistema que se cubren suponen un cierto ahorro de costes en comparación con el total de costes incurridos anteriormente cuando no se poseía el sistema de almacenamiento. La Figura 9.7 muestra la comparativa entre costes anteriores sin el sistema de almacenamiento y costes cubiertos al instalar dicho sistema. De la misma forma que en la Figura 9.4, las gráficas se acaban solapando cuando todas llegan a descargarse después de evacuar toda la carga inicial que poseen (a mayor carga inicial, mayor cantidad de desvíos al comienzo del periodo de estudio pueden cubrir). Figura 9.7. Ahorro de costes por desvíos cubiertos en la semana de estudio. Figura 9.8. Ahorro por desvíos cubiertos en la semana de estudio. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 84 Es importante señalar que la cantidad de dinero ahorrada depende en gran medida del estado inicial de carga del sistema de baterías, ya que en este caso, cuanto mayor energía almacenada tenga el sistema en su estado inicial, mayores desvíos en contra del sistema cubre y mayores ahorros se producen, tal y como muestra la Figura 9.8. Para realizar el estudio de viabilidad económica para la instalación de un sistema de almacenamiento con capacidad para 4 MWh se debe tomar un valor de ahorro de costes semanal y un número de ciclos completos de carga/descarga semanal para tenerlos como referencia y poder extrapolarlos al resto de semanas del año. Como el estado de carga inicial del sistema de almacenamiento irá variando según la semana del año, se decide realizar la media aritmética del ahorro en costes y de los ciclos completos de carga/descarga de los valores obtenidos para los diferentes estados iniciales de carga para tomarlos como referencia en el presente estudio. €127,356 5 41,34203,34791,35427,36401,372 = + + + + =SemanalAhorro ciclosSemanalesCiclos 2273,3 5 9773,21023,32273,33523,34773,3 = + + + + = Los valores que se tomaran como referencia en el estudio de la instalación del sistema de almacenamiento será un ahorro semanal de unos 356,127 € y una cantidad de ciclos completos de carga/descarga igual a 3,2273. Los resultados del estudio económico realizado se muestran en la Tabla 11, la cual se puede comprobar en la página siguiente. Los resultados obtenidos permiten contrastar que, para este caso en particular de un sistema de almacenamiento de 4 MWh, ninguna de las tecnologías estudiadas resulta rentable ya que en el mejor de los casos se obtiene unas pérdidas semanales cercanas a los ochocientos euros. Se puede observar cómo la tecnología sodio-sulfuro, que es la que menores costes de instalación tienen por su desarrollo tecnológico, no es la que menor cantidad de pérdidas presenta, sino que es la tecnología redox de vanadio la que menos pérdidas presenta. Esto se debe a que, a pesar de que ésta tiene gran coste de instalación y mantenimiento, su elevado número de ciclos de carga/descarga la hace una opción que podría ser bastante viable comparado con las otras tecnologías en caso de que el ahorro en los desvíos fuera suficiente. La tecnología de plomo ácido es la que mayores pérdidas presenta por su escasa vida útil debido al pequeño número de ciclos de carga/descarga que soporta, sin embargo su coste de instalación es el segundo más pequeño de todas las tecnologías de baterías que se han considerado en este estudio. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 85 Tabla 11. Análisis de costes de los distintos sistemas de almacenamiento para una capacidad operativa de 4MWh. IÓN-LITIO PLOMO ÁCIDO SODIO SULFURO REDOX VANADIO REDOX ZN BR Rendimiento (%) 94 90 80 90 75 Mínimo Estado de Carga (%) 10 20 10 5 10 Ciclos de Carga/Descarga 4500 2500 4500 20000 12000 Coste de Instalación (€/kWh) 530 360 285 700 385 Coste Mantenimiento (€/kWh·año) 3 2 3 10 13 Capacidad Operativa (kWh) 4000 4000 4000 4000 4000 Capacidad Nominal (kWh) 4728,13 5555,56 5555,56 4678,36 5925,93 Ciclos Completos por Semana 3,2273 3,2273 3,2273 3,2273 3,2273 Vida Útil (Semanas) 1394,35 774,64 1394,35 6197,10 3718,26 Vida Útil (Años) 26,81 14,90 26,81 119,18 71,51 Coste de Instalación (€) 2.505.910 € 2.000.000 € 1.583.333 € 3.274.854 € 2.281.481 € Coste de Mantenimiento (€) 281.877 € 144.321 € 331.205 € 4.131.994 € 4.082.411 € Costes Totales (€) 2.787.787 € 2.144.321 € 1.914.539 € 7.406.849 € 6.363.892 € Costes Totales por Semana (€) 1.999,37 € 2.768,19 € 1.373,08 € 1.195,22 € 1.711,54 € Ahorro Desvíos por Semana (€) 416,59 € 409,68 € 416,59 € 416,59 € 416,59 € Beneficio Semanal (€) -1.582,77 € -2.358,51 € -956,49 € -778,63 € -1.294,95 € Beneficio Anual (€) -82.304 € -122.642 € -49.737 € -40.489 € -67.337 € Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 86 9.2. Sistema de Almacenamiento de 3 MWh Supongamos que instalamos un sistema de almacenamiento con capacidad para poder almacenar una energía de 3 MWh. Este sistema de almacenamiento estará encargado de almacenar toda aquella energía excedente de la producción de la planta con respecto a la prevista cuando el sistema eléctrico global necesite disminuir la producción de energía y estará encargado de aportar toda la energía almacenada cuando en la producción de la planta exista un defecto de producción de energía con respecto a la prevista y el sistema eléctrico global necesite aumentar la producción de energía. Para realizar el estudio se tendrá en cuenta que el estado de carga inicial del sistema de baterías va a influir notablemente en la cantidad de desvíos en contra del sistema que se consiguen cubrir. Dado que toda batería tiene una capacidad máxima nominal y tiene un estado de mínima carga, el rango en el que se puede almacenar energía es menor que su capacidad nominal. Además, toda batería está afectada por un rendimiento, el cual hace que la cantidad de energía realmente almacenada y entregada sea menor que la prevista. Esto hace, como se ha mostrado en la Tabla 10, que la capacidad nominal del sistema de baterías sea un cierto porcentaje mayor que el esperado. Este rango desde la capacidad máxima del sistema de almacenamiento hasta su estado de mínima carga se asocia en el presente estudio a un rango de entre el 100% y 0% de carga respectivamente. En primer lugar se estudia la evolución del estado de carga del sistema de baterías a lo largo de la semana de estudio en el proceso de cubrir los desvíos contrarios al sistema. Se realiza este estudio para porcentajes iniciales de carga que va desde el 100% hasta el 0% en intervalos de 25%. La Figura 9.9 muestra el resultado para el caso en estudio, en la que se puede ver cómo el porcentaje de carga de las baterías se acaba igualando una vez se realiza la descarga (de ahí el solape de las gráficas al pasar un cierto tiempo). Figura 9.9. Porcentaje de carga del sistema de baterías en la semana de estudio. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 87 Como se puede apreciar en la Figura 9.9, dependiendo del estado de carga inicial de las baterías, la cantidad de ciclos completa de carga/descarga que tiene lugar va a variar en el periodo de tiempo que se ha estudiado. La gráfica de la Figura 9.10 muestra la cantidad de ciclos completos de carga/descarga para cada caso en concreto. Figura 9.10. Ciclos completos de carga/descarga en la semana de estudio. La instalación de este sistema de almacenamiento permite cubrir una serie de desvíos en contra del sistema a lo largo de la semana de estudio, los cuales son mostrados por la Figura 9.11. Se comprueba cómo las gráficas se acaban solapando cuando todas llegan a descargarse después de evacuar toda la carga inicial que poseen (a mayor carga inicial, mayor cantidad de desvíos al comienzo del periodo de estudio pueden cubrir). Figura 9.11. Desvíos cubiertos en contra del sistema por el sistema de baterías. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 88 El espectro de la cantidad de energía de los desvíos en contra del sistema ordenado de mayor a menor y los correspondientes desvíos cubiertos por sistema de almacenamiento instalado se muestra en la Figura 9.12. Figura 9.12. Espectro de desvíos cubiertos en la semana de estudio. Como se puede comprobar, la cantidad de desvíos que se consiguen cubrir con el este sistema de almacenamiento no llega a ser de gran volumen. En la Figura 9.13 se muestran los porcentajes de desvíos en contra del sistema cubiertos en términos de energía. Figura 9.13. Porcentaje de desvíos cubiertos en la semana de estudio. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 89 Esta cantidad de desvíos en contra del sistema que se cubren suponen un cierto ahorro de costes en comparación con el total de costes incurridos anteriormente cuando no se poseía el sistema de almacenamiento. La Figura 9.14 muestra la comparativa entre costes anteriores sin el sistema de almacenamiento y costes cubiertos al instalar dicho sistema. De la misma forma que en la Figura 9.11, las gráficas se acaban solapando cuando todas llegan a descargarse después de evacuar toda la carga inicial que poseen (a mayor carga inicial, mayor cantidad de desvíos al comienzo del periodo de estudio pueden cubrir). Figura 9.14. Ahorro de costes por desvíos cubiertos en la semana de estudio. Figura 9.15. Ahorro por desvíos cubiertos en la semana de estudio. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 90 Es importante señalar que la cantidad de dinero ahorrada depende en gran medida del estado inicial de carga del sistema de baterías, ya que en este caso, contra mayor energía almacenada tenga el sistema en su estado inicial, mayores desvíos en contra del sistema cubre y mayores ahorros se producen, tal y como muestra la Figura 9.15. Para realizar el estudio de viabilidad económica para la instalación de un sistema de almacenamiento con capacidad para 3 MWh se debe tomar un valor de ahorro de costes semanal y un número de ciclos completos de carga/descarga semanal para tenerlos como referencia y poder extrapolarlos al resto de semanas del año. Como el estado de carga inicial del sistema de almacenamiento irá variando según la semana del año, se decide realizar la media aritmética del ahorro en costes y de los ciclos completos de carga/descarga de los valores obtenidos para los diferentes estados iniciales de carga para tomarlos como referencia en el presente estudio. €093,268 5 45,25882,26156,26630,27332,280 = + + + + =SemanalAhorro ciclosSemanalesCiclos 3864,3 5 1364,32614,33864,35114,36364,3 = + + + + = Los valores que se tomaran como referencia en el estudio de la instalación del sistema de almacenamiento será un ahorro semanal de unos 268,093 € y una cantidad de ciclos completos de carga/descarga igual a 3,3864. Los resultados del estudio económico realizado se muestran en la Tabla 12, la cual se puede comprobar en la página siguiente. Los resultados obtenidos permiten contrastar que, para este caso en particular de un sistema de almacenamiento de 3 MWh, ninguna de las tecnologías estudiadas resulta rentable ya que en el mejor de los casos se obtiene unas pérdidas semanales cercanas a los seiscientos euros. Se puede observar cómo la tecnología sodio-sulfuro, que es la que menores costes de instalación tienen por su desarrollo tecnológico, no es la que menor cantidad de pérdidas presenta, sino que es la tecnología redox de vanadio la que menos pérdidas presenta. Esto se debe a que, a pesar de que ésta tiene gran coste de instalación y mantenimiento, su elevado número de ciclos de carga/descarga la hace una opción que podría ser bastante viable comparado con las otras tecnologías en caso de que el ahorro en los desvíos fuera suficiente. El orden de tecnologías por pérdidas no varía respecto al caso anterior, donde la tecnología de plomo ácido es la que mayores pérdidas presenta por su escasa vida útil debido al pequeño número de ciclos de carga/descarga que soporta. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 91 Tabla 12. Análisis de costes de los distintos sistemas de almacenamiento para una capacidad operativa de 3MWh. IÓN-LITIO PLOMO ÁCIDO SODIO SULFURO REDOX VANADIO REDOX ZN BR Rendimiento (%) 94 90 80 90 75 Mí nimo Estado de Carga (%) 10 20 10 5 10 Ciclos de Carga/Descarga 4500 2500 4500 20000 12000 Coste de Instalación (€/kWh) 530 360 285 700 385 Coste Mantenimiento (€/kWh·año) 3 2 3 10 13 Capacidad Operativa (kWh) 3000 3000 3000 3000 3000 Capacidad Nominal (kWh) 3546,10 4166,67 4166,67 3508,77 4444,44 Ciclos Completos por Semana 3,3864 3,3864 3,3864 3,3864 3,3864 Vida Útil (Semanas) 1328,84 738,24 1328,84 5905,95 3543,57 Vida Útil (Años) 25,55 14,20 25,55 113,58 68,15 Coste de Instalación (€) 1.879.433 € 1.500.000 € 1.187.500 € 2.456.140 € 1.711.111 € Coste de Mantenimiento (€) 201.474 € 102.846 € 236.732 € 2.953.388 € 2.917.947 € Costes Totales (€) 2.080.907 € 1.602.846 € 1.424.232 € 5.409.528 € 4.629.058 € Costes Totales por Semana (€) 1.565,98 € 2.171,19 € 1.071,80 € 915,96 € 1.306,34 € Ahorro Desvíos por Semana (€) 312,89 € 301,22 € 312,89 € 312,89 € 312,89 € Beneficio Semanal (€) -1.253,09 € -1.869,97 € -758,91 € -603,07 € -993,46 € Beneficio Anual (€) -65.161 € -97.238 € -39.463 € -31.360 € -51.660 € Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 98 9.4. Sistema de Almacenamiento de 1 MWh Supongamos que instalamos un sistema de almacenamiento con capacidad para poder almacenar una energía de 1 MWh. Este sistema de almacenamiento estará encargado de almacenar toda aquella energía excedente de la producción de la planta con respecto a la prevista cuando el sistema eléctrico global necesite disminuir la producción de energía y estará encargado de aportar toda la energía almacenada cuando en la producción de la planta exista un defecto de producción de energía con respecto a la prevista y el sistema eléctrico global necesite aumentar la producción de energía. Para realizar el estudio se tendrá en cuenta que el estado de carga inicial del sistema de baterías va a influir notablemente en la cantidad de desvíos en contra del sistema que se consiguen cubrir. Dado que toda batería tiene una capacidad máxima nominal y tiene un estado de mínima carga, el rango en el que se puede almacenar energía es menor que su capacidad nominal. Además, toda batería está afectada por un rendimiento, el cual hace que la cantidad de energía realmente almacenada y entregada sea menor que la prevista. Esto hace, como se ha mostrado en la Tabla 10, que la capacidad nominal del sistema de baterías sea un cierto porcentaje mayor que el esperado. Este rango desde la capacidad máxima del sistema de almacenamiento hasta su estado de mínima carga se asocia en el presente estudio a un rango de entre el 100% y 0% de carga respectivamente. En primer lugar se estudia la evolución del estado de carga del sistema de baterías a lo largo de la semana de estudio en el proceso de cubrir los desvíos contrarios al sistema. Se realiza este estudio para porcentajes iniciales de carga que va desde el 100% hasta el 0% en intervalos de 25%. La Figura 9.23 muestra el resultado para el caso en estudio, en la que se puede ver cómo el porcentaje de carga de las baterías se acaba igualando una vez se realiza la descarga (de ahí el solape de las gráficas al pasar un cierto tiempo). Figura 9.23. Porcentaje de carga del sistema de baterías en la semana de estudio. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 99 Como se puede apreciar en la Figura 9.23, dependiendo del estado de carga inicial de las baterías, la cantidad de ciclos completa de carga/descarga que tiene lugar va a variar en el periodo de tiempo que se ha estudiado. La gráfica de la Figura 9.24 muestra la cantidad de ciclos completos de carga/descarga para cada caso en concreto. Figura 9.24. Ciclos completos de carga/descarga en la semana de estudio. La instalación de este sistema de almacenamiento permite cubrir una serie de desvíos en contra del sistema a lo largo de la semana de estudio, los cuales son mostrados por la Figura 9.25. Se comprueba cómo las gráficas se acaban solapando cuando todas llegan a descargarse después de evacuar toda la carga inicial que poseen (a mayor carga inicial, mayor cantidad de desvíos al comienzo del periodo de estudio pueden cubrir). Figura 9.25. Desvíos cubiertos en contra del sistema por el sistema de baterías. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 100 El espectro de la cantidad de energía de los desvíos en contra del sistema ordenado de mayor a menor y los correspondientes desvíos cubiertos por sistema de almacenamiento instalado se muestra en la Figura 9.26. Figura 9.26. Espectro de desvíos cubiertos en la semana de estudio. Como se puede comprobar, la cantidad de desvíos que se consiguen cubrir con el este sistema de almacenamiento no llega a ser de gran volumen. En la Figura 9.27 se muestran los porcentajes de desvíos en contra del sistema cubiertos en términos de energía. Figura 9.27. Porcentaje de desvíos cubiertos en la semana de estudio. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 101 Esta cantidad de desvíos en contra del sistema que se cubren suponen un cierto ahorro de costes en comparación con el total de costes incurridos anteriormente cuando no se poseía el sistema de almacenamiento. La Figura 9.28 muestra la comparativa entre costes anteriores sin el sistema de almacenamiento y costes cubiertos al instalar dicho sistema. Figura 9.28. Ahorro de costes por desvíos cubiertos en la semana de estudio. Figura 9.29. Ahorro por desvíos cubiertos en la semana de estudio. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 102 Es importante señalar que la cantidad de dinero ahorrada depende en gran medida del estado inicial de carga del sistema de baterías, ya que en este caso, contra mayor energía almacenada tenga el sistema en su estado inicial, mayores desvíos en contra del sistema cubre y mayores ahorros se producen, tal y como muestra la Figura 9.29. Para realizar el estudio de viabilidad económica para la instalación de un sistema de almacenamiento con capacidad para 1 MWh se debe tomar un valor de ahorro de costes semanal y un número de ciclos completos de carga/descarga semanal para tenerlos como referencia y poder extrapolarlos al resto de semanas del año. Como el estado de carga inicial del sistema de almacenamiento irá variando según la semana del año, se decide realizar la media aritmética del ahorro en costes y de los ciclos completos de carga/descarga de los valores obtenidos para los diferentes estados iniciales de carga para tomarlos como referencia en el presente estudio. €779,109 5 59,10744,10870,10996,11022,112 = + + + + =SemanalAhorro ciclosSemanalesCiclos 6593,4 5 4093,45343,46593,47843,49093,4 = + + + + = Los valores que se tomaran como referencia en el estudio de la instalación del sistema de almacenamiento será un ahorro semanal de unos 109,779 € y una cantidad de ciclos completos de carga/descarga igual a 4,6593. Los resultados del estudio económico realizado se muestran en la Tabla 14, la cual se puede comprobar en la página siguiente. Los resultados obtenidos permiten contrastar que, para este caso en particular de un sistema de almacenamiento de 1 MWh, ninguna de las tecnologías estudiadas resulta rentable ya que en el mejor de los casos se obtiene unas pérdidas semanales cercanas a los doscientos treinta euros. Se puede observar cómo la tecnología sodio-sulfuro, que es la que menores costes de instalación tienen por su desarrollo tecnológico, no es la que menor cantidad de pérdidas presenta, sino que es la tecnología redox de vanadio la que menos pérdidas presenta. Esto se debe a que, a pesar de que ésta tiene gran coste de instalación y mantenimiento, su elevado número de ciclos de carga/descarga la hace una opción que podría ser bastante viable comparado con las otras tecnologías en caso de que el ahorro en los desvíos fuera suficiente. El orden de tecnologías por pérdidas no varía respecto al caso anterior, pero se puede apreciar como la tecnología redox Zn-Br prácticamente se encuentra en un nivel de beneficios (aunque negativos) casi similar a la tecnología de sodio sulfuro. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 103 Tabla 14. Análisis de costes de los distintos sistemas de almacenamiento para una capacidad operativa de 1 MWh. IÓN-LITIO PLOMO ÁCIDO SODIO SULFURO REDOX VANADIO REDOX ZN BR Rendimiento (%) 94 90 80 90 75 Mínimo Estado de Carga (%) 10 20 10 5 10 Ciclos de Carga/Descarga 4500 2500 4500 20000 12000 Coste de Instalación (€/kWh) 530 360 285 700 385 Coste Mantenimiento (€/kWh·año) 3 2 3 10 13 Capacidad Operativa (kWh) 1000 1000 1000 1000 1000 Capacidad Nominal (kWh) 1182,03 1388,89 1388,89 1169,59 1481,48 Ciclos Completos por Semana 4,6593 4,6593 4,6593 4,6593 4,6593 Vida Útil (Semanas) 965,82 536,57 965,82 4292,53 2575,52 Vida Útil (Años) 18,57 10,32 18,57 82,55 49,53 Coste de Instalación (€) 626.478 € 500.000 € 395.833 € 818.713 € 570.370 € Coste de Mantenimiento (€) 54.605 € 26.544 € 64.161 € 715.512 € 706.926 € Costes Totales (€) 681.083 € 526.544 € 459.994 € 1.534.226 € 1.277296 € Costes Totales por Semana (€) 705,21 € 981,35 € 476,29 € 357,43 € 495,95 € Ahorro Desvíos por Semana (€) 129,45 € 122,68 € 129,45 € 128,76 € 128,76 € Beneficio Semanal (€) -575,75 € -858,67 € -346,83 € -228,66 € -367,19 € Beneficio Anual (€) -29.939 € -44.650 € -18.035 € -11.890 € -19.094 € Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 104 9.5. Conclusiones del Estudio Tras haber realizado el estudio del coste que supondría la instalación de un sistema de almacenamiento de energía en forma de baterías y el ahorro en costes que dicho sistema implicaría por la disminución de una cierta parte de los desvíos en contra del sistema, se llega a la conclusión de que en ninguno de los escenarios propuestos resultará rentable económicamente la instalación de dicho sistema de baterías. La Figura 9.30 muestra la evolución de los beneficios anuales obtenidos en función de la capacidad del sistema de almacenamiento que se desea instalar en el parque eólico. Figura 9.30. Beneficios anuales al instalar un sistema de almacenamiento. Se puede comprobar que la tendencia que siguen todas las tecnologías de baterías que se han estudiado es que el beneficio reportado por ellas no cruzará el eje de abscisas para un valor de capacidad del sistema de acumulación de energía positivo. Esto nos hace concluir que en ningún caso será rentable la instalación de un sistema de almacenamiento para un parque eólico como el estudiado. De esta forma, resultará menos perjudicial para el productor de energía que sea propietario del parque eólico el pago de los desvíos en contra del sistema. Cabe destacar que prácticamente en ninguna de las instalaciones eólicas que existen en España existe una instalación de almacenamiento de energía para hacer frente a los costes de los desvíos en contra del sistema. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 105 La posibilidad de aumentar el beneficio total de la producción energética de un parque eólico mediante la implementación de un sistema de almacenamiento a través de baterías electroquímicas está todavía lejos de llegar a ser viable en un escenario como el actual. Las principales causas de que la rentabilidad económica de una inversión como la que se estudia sea aun inexistente son las siguientes: - Los precios de adquisición y de instalación de los sistemas de almacenamiento por unidad de energía almacenada aún son muy elevados para la gran cantidad de energía que se necesita almacenar en un parque eólico como el estudiado. - Los precios de mantenimiento anuales por unidad de energía almacenada en la mayoría de los casos suponen un desembolso anual extra que, en la mayoría de ocasiones, supone la misma cuantía que los desvíos en contra del sistema que se cubren con el sistema de baterías instalado. - Escaso porcentaje de reducción de los desvíos en contra del sistema, que se hace menor a medida que la capacidad total del sistema de almacenamiento a instalar es menor. Dado que prácticamente todas las tecnologías de almacenamiento con baterías están en pleno estudio y desarrollo, sobretodo las tecnologías de las baterías de flujo, el precio de las distintas tecnologías deberá de ir disminuyendo a lo largo del tiempo a medida que se avanza en su desarrollo. Es posible que actualmente no resulte viable económicamente realizar una inversión en una instalación como las estudiadas en un parque eólico, pero si la tendencia de estos últimos años continúa, en los que el precio de las tecnologías de baterías electroquímicas cada vez es menor (precio por unidad de energía almacenada), es muy probable que en unos 10 o 15 años sea una opción a tener muy en cuenta en cualquier central productora de energía eléctrica a partir de la energía eólica. En el siguiente apartado se va a realizar un pequeño estudio sobre el número de años que han de pasar para comenzar a ser rentable esta tecnología. Para ello se tomará como base la predicción de la evolución de los costes de las tecnologías de almacenamiento de energía en forma de baterías electroquímicas en los próximos años. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 106 10. Estudio del Año para Hacer la Inversión El estudio de apartado anterior pone de manifiesto que la realización de una inversión para instalar un sistema de almacenamiento de energía en forma de baterías no resulta a día de hoy rentable debido al precio actual de la tecnología. Sin embargo, la evolución del precio de las tecnologías de almacenamiento de energía basadas en baterías electroquímicas ha sufrido en las dos últimas décadas un profundo descenso debido al gran avance de la investigación en este campo científico y debido al desarrollo de dichas tecnologías. Cada vez se consiguen obtener sistemas de almacenamiento con una mayor capacidad nominal, con mayor relación entre capacidad y peso/tamaño del sistema y con un menor precio por unidad de energía almacenada. En la Figura 10.1 se puede apreciar un ejemplo de cómo ha sido la evolución del precio de uno de los sistemas de almacenamiento que se han considerado en este proyecto a lo largo de los últimos veinte años, concretamente se trata de la tecnología de las baterías de ión-litio [41] . Se puede apreciar cómo la forma de la curva se asemeja bastante a las curvas de aprendizaje, de tipo exponencial. Figura 10.1. Evolución de los precios de las baterías de Ión-Litio entre 1995 y 2011. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 107 Esta misma evolución de los precios de las baterías de ión-litio hasta reducirse por un factor de 10 es también compartida por el ingeniero Ramez Naam, integrante del Instituto de Ética y Tecnologías Emergentes, que se puede comprobar en la Figura 10.2. Además, se puede comprobar la evolución que ha sufrido la relación entre la capacidad y el peso del sistema de almacenamiento considerado [42] . Figura 10.2. Evolución de los precios y de la densidad de energía acumulada en las baterías de Ión-Litio entre 1991 y 2005. En caso de que esta tendencia se mantenga a lo largo del tiempo, es más que probable que la instalación de un sistema de almacenamiento de baterías electroquímicas llegue a ser rentable económicamente en menos de 10 años. Por ello, en este apartado realizaremos un estudio para realizar una estimación del año en que puede comenzar a resultar rentable la instalación de un sistema como el descrito. En primer lugar es necesario realizar una previsión de la evolución que cabe esperar en el precio de las tecnologías de baterías consideradas a partir del año actual. Se supone que esta evolución deberá ser aproximadamente similar a la que ha tenido en los últimos años, como se puede ver en las figuras anteriores. En uno de los numerosos estudios acerca del almacenamiento de energía del ingeniero Ramez Naam se describe una predicción de la evolución de los precios que tendrán la tecnología de baterías de plomo-ácido en el futuro. La Figura 10.3 muestra la gráfica en la que se representa la evolución de los precios estimada para dicha tecnología [42] . Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 114 10.5. Tecnología Redox Zinc-Bromo El estudio realizado para la tecnología de baterías redox de Zn-Br en que se calcula los beneficios obtenidos según el año de inversión permite obtener unos resultados que se muestran de forma gráfica en la Figura 10.9 y de forma numérica en la Tabla 19. Figura 10.9. Evolución de los beneficios semanales por instalar baterías redox de zinc-bromo entre 2016 y 2030. Tabla 19. Máximo beneficio semanal por instalar baterías redox de zinc-bromo. Año Inversión Beneficio Semanal Capacidad Nominal Año Inversión Beneficio Semanal Capacidad Nominal 2016 -546,32 € 4,44 kWh 2024 -224,37 € 12.214,81 kWh 2017 -545,89 € 4,44 kWh 2025 -82,75 € 12.216,30 kWh 2018 -545,52 € 4,44 kWh 2026 41,48 € 12.817,78 kWh 2019 -545,21 € 4,44 kWh 2027 157,03 € 14.441,48 kWh 2020 -544,93 € 4,44 kWh 2028 261,90 € 14.441,48 kWh 2021 -544,70 € 4,44 kWh 2029 352,05 € 14.442,96 kWh 2022 -460,01 € 6.851,85 kWh 2030 448,50 € 21.231,11 kWh 2023 -344,67 € 7.022,22 kWh De los resultados obtenidos se puede afirmar que el año a partir del cual comienza a ser rentable la inversión en un sistema de almacenamiento de baterías redox de Zn-Br es en el 2026. El beneficio semanal máximo en dicho año se obtiene para una capacidad nominal instalada de 12820 kWh, que equivale a una capacidad operativa de 8652 kWh. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 115 10.6. Conclusiones del Estudio: Con los resultados económicos obtenidos en los estudios de cada una de las tecnologías de baterías se ha construido una gráfica que muestra la evolución del beneficio máximo anual que se puede obtener según el año en el que realizar la inversión en el sistema de almacenamiento, la cual se muestra en la Figura 10.10. Figura 10.10. Beneficio máximo anual según el año en que realizar la inversión. Si realizamos un análisis de la gráfica, podemos observar como la tecnología redox de vanadio es la primera de todas que comienza a ser rentable en su empleo. La segunda de las tecnologías que comienzan a ser rentables en el tiempo son las de sodio sulfuro, que comienza a dar beneficios tan sólo un año después de la tecnología redox de vanadio; sin embargo, los beneficios obtenidos por la instalación de la tecnología de sodio sulfuro consiguen superar a los de la tecnología redox de vanadio si la instalación se demorase un año más, es decir, si se realizase a partir del año 2025. De la misma forma ocurre con las tecnologías de plomo ácido y redox Zn-Br, ya que la tecnología redox Zn-Br comienza a ser rentable un par de años antes que la tecnología de plomo ácido, pero esta última es capaz de superar los beneficios obtenidos por la anterior si se demorase la inversión un par de años más. En cuanto a la tecnología de ión-litio, es la tercera tecnología en comenzar a generar beneficios y su tendencia a largo plazo parece que puede llegar incluso a superar los beneficios de la tecnología redox de vanadio si la inversión se realizará en años posteriores al 2030. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 116 La conclusión final que nos permite sacar todos los estudios realizados a lo largo del presente proyecto resulta sencilla y es la que se expone a continuación. Se puede comprobar como a lo largo de los últimos años las tecnologías de almacenaje de energía en forma de baterías electroquímicas están sufriendo un gran descenso, el cual se debe al aumento de fondos para la investigación y el desarrollo de este campo científico por parte de un gran número de entidades, tanto públicas como privadas, en todo el mundo. Sin embargo, a día de hoy los precios de las tecnologías existentes, a pesar de ser muy competitivos, no resultan suficientemente bajos como para una aplicación como la que se estudia en el presente proyecto, la cual es el empleo de un sistema de almacenamiento en forma de baterías para hacer frente a los desvíos en contra del sistema de una central de producción de energía eléctrica renovable, como es el caso del parque eólico que se ha tomado como referencia (Parque Eólico Experimental de Sotavento, en Galicia). El hecho de que actualmente resulte más beneficioso el pago de los desvíos en contra del sistema que ocurra en la central de producción a lo largo del año no supone que sea así dentro de los próximos años. Al contrario, si continúa la tendencia de decremento de los precios en las tecnologías de las baterías electroquímicas de los últimos años, puede resultar una opción a tener muy en cuenta en unos 8 o 10 años. Esto se debe, por un lado, al aumento del precio de la energía que ocurre año a año y que, en consecuencia, se reflejará en un mayor pago al operador del sistema eléctrico por los desvíos en contra del sistema, mientras que por otro lado el precio de esta tecnología irá disminuyendo conforme avance la investigación en este campo tecnológico. Es posible que en un plazo de 10 años existan numerosas centrales de producción de energía renovable, tanto eólica como fotovoltaica, en las que sea imprescindible instalar un sistema de almacenamiento de este tipo para poder conseguir dos objetivos: el ahorro en costes de los desvíos en contra del sistema y la regulación del propio sistema de energía eléctrica en su conjunto, ya que permite que la producción se adapte lo máximo posible a la previsión realizada y ofertada a los mercados eléctricos. Actualmente existen numerosos estudios que están siendo subvencionados en materia de almacenamiento de energía en la red eléctrica para poder desarrollar esta tecnología y hacerla rentable y útil en un futuro no muy lejano. Destacamos de nuevo el “Proyecto Almacena” que está siendo desarrollado por Red Eléctrica España desde el año 2013 con la instalación de un sistema de almacenamiento basado en baterías electroquímicas de ión-litio en la subestación de Carmona (Sevilla) para el estudio de la mejora de la eficiencia del sistema eléctrico. Este proyecto resulta un claro ejemplo del tipo de estudios e investigaciones que se están llevando a cabo para el desarrollo de este tipo de aplicaciones. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 115 11. Estudio de Sensibilidad En el estudio económico realizado en el presente proyecto se han tomado unos valores de referencia para el porcentaje anual de aumento del precio de la energía eléctrica y para el porcentaje anual de decremento del precio del dinero del 6% y 5% respectivamente. Sin embargo, bien es sabido que la estimación de estos valores porcentuales, a pesar de ser resultado de estudios económicos muy amplios y detallados, la mayoría de las veces no se corresponden con la realidad que finalmente acaba teniendo lugar. Es por ello por lo que se cree conveniente realizar un breve estudio de la variación de los resultados económicos obtenidos para valores del porcentaje anual de aumento del precio de la energía eléctrica y del porcentaje anual de decremento del precio del dinero un 1% por encima y por debajo del valor de referencia tomado. Por tanto, se estudiará el valor del beneficio anual obtenido en función de un porcentaje anual de aumento del precio de la energía de entre el 7% y el 5%, así como en función de un porcentaje anual de decremento del precio del dinero de entre el 6% y el 4%. De esta manera se podrá comprobar los márgenes en los que el resultado económico se movería, para que fuese algo más cercano a las posibles variaciones que estos valores de porcentaje pudieran experimentar realmente para el periodo estudiado. 11.1. Estudio Económico de Beneficios En primer lugar se estudia los resultados económicos que se producirían en el caso de la tecnología de baterías de ión-litio. Para la realización de este estudio se toma un valor de capacidad de 1 MWh y un estado inicial de carga del 50%. Los cálculos se realizan con el programa de Matlab que se ha desarrollado y el cual se detalla en el Anexo I del presente documento. Los resultados del estudio realizado se muestran en la Tabla 20. Tabla 20. Beneficio anual obtenido para la tecnología de ión-litio en función del porcentaje anual de aumento del precio de la energía eléctrica y del porcentaje anual del decremento del precio del dinero. Incremento Anual Precio Energía Eléctrica 7 % 6 % 5 % Interés o Tasa de Descuento del Dinero 6 % -29.720,08 €. -30.303,52 € -30.824,04 €. 5 % -29.278,60 €. -29.939,00 € -30.528,16 €. 4 % -28.769,00 €. -29520,40 € -30.188,08 €. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 116 Se puede comprobar cómo a medida que el porcentaje anual de aumento del precio de la energía eléctrica aumenta y el porcentaje anual de decremento del precio del dinero disminuye, el beneficio obtenido resulta mejor, aunque en este caso dicho beneficio lo que va a representar es un menor valor de pérdidas. La diferencia entre el mayor y el menor de los beneficios reportados resulta ser de unos 2000 € anuales, de manera que la variabilidad de los valores porcentuales respecto a los tomados como referencia no llega a ser muy grande, ya que este intervalo representa únicamente un 6,6% del valor de referencia. En segundo lugar se estudia los resultados económicos que se producirían en el caso de la tecnología de baterías de plomo-ácido. Para la realización de este estudio se toma un valor de capacidad de 1 MWh y un estado inicial de carga del 50%. Los cálculos se realizan con el programa de Matlab que se ha desarrollado y se detalla en el Anexo I del presente documento. Los resultados del estudio realizado se muestran en la Tabla 21. Tabla 21. Beneficio anual obtenido para la tecnología de plomo-ácido en función del porcentaje anual de aumento del precio de la energía eléctrica y del porcentaje anual del decremento del precio del dinero. Incremento Anual Precio Energía Eléctrica 7 % 6 % 5 % Interés o Tasa de Descuento del Dinero 6 % -44.542,68 €. -44837,52 €. -45.116,24 €. 5 % -44.335,20 €. -44.650,84 €. -44.948,80 €. 4 % -44.111,08 €. -44.449,09 €. -44.767,84 €. Se puede comprobar cómo a medida que el porcentaje anual de aumento del precio de la energía eléctrica aumenta y el porcentaje anual de decremento del precio del dinero disminuye, el beneficio obtenido resulta mejor, aunque en este caso dicho beneficio lo que va a representar es un menor valor de pérdidas. La diferencia entre el mayor y el menor de los beneficios reportados resulta ser de unos 1000 € anuales, de manera que la variabilidad de los valores porcentuales respecto a los tomados como referencia no llega a ser representativa, ya que este intervalo es sólo un 2,2% del valor de referencia. En tercer lugar se estudia los resultados económicos que se producirían en el caso de la tecnología de baterías de sodio-sulfuro. Para la realización de este estudio se toma un valor de capacidad de 1 MWh y un estado inicial de carga del 50%. Los cálculos se realizan con el programa de Matlab que se ha desarrollado y se detalla en el Anexo I del presente documento. Los resultados del estudio realizado se muestran en la Tabla 22. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 117 Tabla 22. Beneficio anual obtenido para la tecnología de sodio-sulfuro en función del porcentaje anual de aumento del precio de la energía eléctrica y del porcentaje anual del decremento del precio del dinero. Incremento Anual Precio Energía Eléctrica 7 % 6 % 5 % Decremento Precio Dinero 6 % -17.777,24 €. -18.360,16 €. -18.880,68 €. 5 % -17.374,76 €. -18.035,16 €. -18.624,32 €. 4 % -16.909,88 €. -17.661,28 €. -18.328,96 €. Se puede comprobar cómo a medida que el porcentaje anual de aumento del precio de la energía eléctrica aumenta y el porcentaje anual de decremento del precio del dinero disminuye, el beneficio obtenido resulta mejor, aunque en este caso dicho beneficio lo que va a representar es un menor valor de pérdidas. La diferencia entre el mayor y el menor de los beneficios reportados resulta ser de unos 2000 € anuales, de manera que la variabilidad de los valores porcentuales respecto a los tomados como referencia sí que puede ser representativa, ya que este intervalo es un 11,1% del valor de referencia. En cuarto lugar se estudia los resultados económicos que se producirían en el caso de la tecnología de baterías de redox de vanadio. Para la realización de este estudio se toma un valor de capacidad de 1 MWh y un estado inicial de carga del 50%. Los cálculos se realizan con el programa de Matlab que se ha desarrollado y se detalla en el Anexo I del presente documento. Los resultados del estudio realizado se muestran en la Tabla 23. Tabla 23. Beneficio anual obtenido para la tecnología de redox de vanadio en función del porcentaje anual de aumento del precio de la energía eléctrica y del porcentaje anual del decremento del precio del dinero. Incremento Anual Precio Energía Eléctrica 7 % 6 % 5 % Decremento Precio Dinero 6 % -11.067,68 €. -11.823,24 €. -12.472,72 €. 5 % -11.007,36 €. -11.890,32 €. -12.653,68 €. 4 % -10.903,36 €. -11.957,40 €. -12.858,56 €. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 118 Se puede comprobar cómo a medida que el porcentaje anual de aumento del precio de la energía eléctrica aumenta y el porcentaje anual de decremento del precio del dinero disminuye, el beneficio obtenido resulta mejor, aunque en este caso dicho beneficio lo que va a representar es un menor valor de pérdidas. La diferencia entre el mayor y el menor de los beneficios reportados resulta ser de unos 2000 € anuales, de manera que la variabilidad de los valores porcentuales respecto a los tomados como referencia sí que puede ser representativa, ya que este intervalo es un 16,8% del valor de referencia. En quinto y último lugar se estudia los resultados económicos que se producirían en el caso de la tecnología de baterías de redox Zn-Br. Para la realización de este estudio se toma un valor de capacidad de 1 MWh y un estado inicial de carga del 50%. Los cálculos se realizan con el programa de Matlab que se ha desarrollado y se detalla en el Anexo I del presente documento. Los resultados del estudio realizado se muestran en la Tabla 24. Tabla 24. Beneficio anual obtenido para la tecnología redox Zn-Br en función del porcentaje anual de aumento del precio de la energía eléctrica y del porcentaje anual del decremento del precio del dinero. Incremento Anual Precio Energía Eléctrica 7 % 6 % 5 % Decremento Precio Dinero 6 % -17.733,56 €. -18.489,12 €. -19.138,60 €. 5 % -18.203,64 €. -19.093,88 €. -19.856,72 € 4 % -18.737,68 €. -19.791,72 €. -20.692,88 €. Se puede comprobar cómo a medida que el porcentaje anual de aumento del precio de la energía eléctrica aumenta y el porcentaje anual de decremento del precio del dinero disminuye, el beneficio obtenido resulta mejor, aunque en este caso dicho beneficio lo que va a representar es un menor valor de pérdidas. La diferencia entre el mayor y el menor de los beneficios reportados resulta ser de unos 2.000 € anuales, de manera que la variabilidad de los valores porcentuales respecto a los tomados como referencia sí que puede ser representativa, ya que este intervalo es un 10,5% del valor de referencia. Como conclusión a este estudio se puede comprobar que la variación de porcentajes anuales de aumento del precio de la energía y de decremento del precio del dinero no van a influir notablemente en los beneficios obtenidos en la tecnología de baterías de ión-litio y plomo-ácido, pero sí que pueden originar variaciones algo más importantes en el resto de tecnologías estudiadas en el presente proyecto. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 119 11.2. Estudio del Año de la Inversión Se ha realizado en el apartado 10 del presente documento un estudio en el que se analiza una curva de posible evolución de costes de las tecnologías de las baterías en base a los estudios estadísticos y predicciones realizadas por expertos en la materia. Sin embargo, la curva de evolución de costes la mayoría de las veces no llega a ajustarse a la realidad completamente. Es por ello por lo que se quiera estudiar qué ocurriría para un escenario en el que la curva de costes sea diferente a la anteriormente considerada. En el presente subapartado se va a definir dos curvas de evolución de los costes de las tecnologías de baterías tomando como referencia la que se ha empleado para el estudio del año en el que invertir realizado en el apartado 10 del presente documento, una de las cuales se encontrará por encima de ella (la caída de los precios será menos pronunciada) y la otra se encontrará por debajo (la caída de los precios será algo más pronunciada). De esta manera lo que se pretende estudiar es si el año en el que comienza a ser rentable la inversión varía mucho con respecto a los resultados ya obtenidos, de forma que pueda identificarse si el estudio realizado presenta unos resultados que pueden tomarse como aceptables de cara a la realidad. En primer lugar definiremos las curvas de evolución de los costes con las que se van a realizar los cálculos, dichas curvas se representan en la gráfica de la Figura 11.1. Como se puede comprobar, la tendencia que sigue ambas curvas adicionales a la de referencia es similar a la de ésta, ya que lo que se quiere estudiar es la forma en la que puede llegar a afectar que el precio de las baterías disminuya más lentamente o más rápidamente que lo que se ha considerado en el estudio del apartado 10 del presente documento. Figura 11.1. Curvas de evolución de los precios de las baterías a considerar. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 120 Mediante otro de los programas de Matlab desarrollado, el cual se detalla en el Anexo I del presente documento, se realizan los cálculos de los beneficios anuales obtenidos en función del año en el que realizar la inversión teniendo en cuenta la evolución de los precios dada por las curvas anteriores. En primer lugar se realiza el estudio para la curva de evolución de costes número 1, la cual es la que representa un decremento del precio de las baterías a un ritmo algo menor que el tomado como referencia. Los resultados obtenidos se han graficado y son los que se muestran en la Figura 11.2, comparándose con los obtenidos en el apartado 10. Figura 11.2. Beneficio máximo anual obtenido en función del año de instalación del sistema de almacenamiento para la curva de evolución de costes 1. Se puede comprobar en la gráfica de la Figura 11.2 que el hecho de que los precios tengan una evolución decreciente menos pronunciada que la tomada como referencia hace que el año en el que la realización de la inversión en el sistema de almacenamiento comience a ser rentable sea a partir del 2025 en vez del 2023, es decir, que retrasaría en dos años la posibilidad de instalar el sistema de almacenamiento en forma de baterías. Con estos datos podemos asumir que, a pesar de que el precio de las baterías no llegue a descender con la misma tendencia que lo venía haciendo hasta ahora, sino que sea con una tendencia algo menos pronunciada, la frontera en la que este tipo de instalaciones comienza a ser rentable está en los 9 años, de manera que no dista de la realidad que se presentaba en el estudio realizado anteriormente. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 121 En segundo lugar se realiza el estudio para la curva de evolución de costes número 2, la cual es la que representa un decremento del precio de las baterías a un ritmo algo mayor que el tomado como referencia. Los resultados obtenidos se han graficado y son mostrados en la Figura 11.3, comparándose con los obtenidos en el apartado 10. Figura 11.3. Beneficio máximo anual obtenido en función del año de instalación del sistema de almacenamiento para la curva de evolución de costes 2. Se puede comprobar en la gráfica de la Figura 11.2 que el hecho de que los precios tengan una evolución decreciente más pronunciada que la tomada como referencia hace que el año en el que la realización de la inversión en el sistema de almacenamiento comience a ser rentable sea a partir del 2022 en vez del 2023, es decir, que adelantaría en un año la posibilidad de instalar el sistema de almacenamiento en forma de baterías. Con estos datos podemos asumir que, a pesar de que el precio de las baterías no llegue a descender con la misma tendencia que lo venía haciendo hasta ahora, sino que sea con una tendencia algo más pronunciada, la frontera en la que este tipo de instalaciones comienza a ser rentable está en los 6 años, de manera que no dista de la realidad que se presentaba en el estudio realizado anteriormente. Como conclusión, se puede afirmar que en un intervalo de tiempo de entre 6 y 9 años el precio de las baterías será lo suficientemente adecuado como para que sea rentable su instalación en centrales de producción de energía a partir de fuentes renovables, el cual no dista de los 7-8 años obtenidos en el estudio realizado en el apartado 10. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 129 El resto de magnitudes que se muestran como resultado del estudio económico realizado por el programa son la capacidad operativa de la batería para una capacidad nominal tal y como la indicada, su vida útil en semanas y en años, el coste total de instalación y de mantenimiento de la batería, el coste total por semana de la batería y el beneficio que se obtiene semanalmente por la instalación del sistema de almacenamiento de energía. El programa también da como resultado una serie de gráficas en las que se puede ver la evolución de las distintas variables en cada intervalo de tiempo considerado. En total se representan ocho gráficas, cuyos contenidos son los siguientes: · GRÁFICA 1: Representación de la energía real que se ha producido en la planta y la energía que se había previsto producir en ese mismo periodo de tiempo. · GRÁFICA 2: Representación de la diferencia entre la energía real producida en la planta y la energía que se había previsto producir en ese mismo periodo de tiempo, es decir, los desvíos a realizar en el periodo de tiempo considerado. · GRÁFICA 3: Representación de la evolución de los precios del mercado diario, de los precios de cobro de los desvíos a subir y de los precios de pago de los desvíos a bajar en el periodo de tiempo considerado. · GRÁFICA 4: Representación de los desvíos a favor del sistema y de los desvíos en contra del sistema en el periodo de tiempo considerado. · GRÁFICA 5: Representación de los desvíos a subir y a bajar en contra del sistema en el periodo de tiempo considerado. · GRÁFICA 6: Representación del estado de carga de la batería (%) en el periodo de tiempo considerado. · GRÁFICA 7: Representación de los desvíos en contra del sistema cubiertos por la instalación del sistema de almacenamiento en el periodo de tiempo considerado. · GRÁFICA 8: Representación de los costes incurridos y los ahorros generados por la instalación del sistema de almacenamiento en el periodo de tiempo considerado. Con toda esta información el programa desarrollado es capaz de realizar el análisis de la viabilidad económica de la instalación de un sistema de almacenamiento en forma de baterías. Se mostrará como ejemplo las gráficas que el programa construye para datos de partida similares a los empleados en los apartados 8 y 9 del presente documento. Para ilustrar el ejemplo se decide elegir la tecnología de baterías NaS (sodio-sulfuro) y una capacidad total del sistema de almacenamiento de 1000 kWh, con un estado inicial de carga del 50%. De esta forma podremos comparar los resultados y gráficas obtenidos con los que se presentaron en los apartados 8 y 9 del presente documento. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 130 Figura I.1. Gráfica que presenta la producción de energía real y la energía prevista producir, generada por el programa desarrollado en MATLAB. Figura I.2. Gráfica que presenta la diferencia entre la energía real y la energía prevista producir, generada por el programa desarrollado en MATLAB. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 131 Figura I.3. Gráfica que presenta los precios del mercado diario, precios de pago de los desvíos a bajar y precios de cobro de los desvíos a subir, generada por el programa desarrollado en MATLAB. Figura I.4. Gráfica que presenta los desvíos en contra del sistema y los desvíos a favor del sistema, generada por el programa desarrollado en MATLAB. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 132 Figura I.5. Gráfica que presenta los desvíos a subir y a bajar en contra del sistema, generada por el programa desarrollado en MATLAB. Figura I.6. Gráfica que presenta el estado de carga del sistema de almacenamiento, generada por el programa desarrollado en MATLAB. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 133 Figura I.7. Gráfica que presenta los desvíos en contra del sistema que han sido cubiertos por la instalación del sistema de almacenamiento, generada por el programa desarrollado en MATLAB. Figura I.8. Gráfica que presenta los costes de los desvíos y el ahorro de estos costes por la instalación del sistema de almacenamiento, generada por el programa desarrollado en MATLAB. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 134 Figura I.9. Resultados del análisis económico realizado que genera el programa desarrollado en MATLAB. I.2. Programa para Calcular el Beneficio Óptimo y la Capacidad Óptima en función del Año de Inversión Este segundo programa se encarga de realizar el estudio del beneficio semanal máximo a obtener según el año en el que se instale el sistema de almacenamiento, así como la capacidad asociada para conseguir este beneficio máximo. En primer lugar, el programa pide al usuario que introduzca todos los datos para poder realizar el estudio, los cuales son los siguientes (primero se introducen los relacionados con la producción de energía y, tras ellos, el tipo de sistema de almacenamiento que se desea instalar y sus características): - Datos de Energía Real Producida en kWh. - Datos de Energía Prevista para Producir en kWh. - Datos de Precio del Mercado Diario en €/MWh. - Datos de Precio de los Desvíos a Subir en €/MWh. - Datos de Precio de los Desvíos a Bajar en €/MWh. - Datos de Necesidad de Energía del Sistema. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 135 - Valor del Estado de Carga Inicial del Sistema de Almacenamiento (tanto por uno). - Valor de Rendimiento del Sistema de Almacenamiento (%). - Valor del Mínimo Estado de Carga del Sistema de Almacenamiento (%). - Número Máximo de Ciclos de Carga/Descarga del Sistema de Almacenamiento. - Coste de Instalación del Sistema de Almacenamiento (€/kWh). - Coste de Mantenimiento Anual del Sistema de Almacenamiento (€/kWh·año). - Periodo de Tiempo de los Datos Considerados (Semanas). - Capacidad Mínima de la Batería en kWh a partir de la cual comenzar a realizar el estudio. - Capacidad Máxima de la Batería en kWh hasta la cual realizar el estudio. - Valor de Capacidad en kWh entre dos puntos consecutivos del estudio a realizar. - Porcentaje Anual del Incremento del Coste de la Energía Eléctrica (%). - Porcentaje Anual del Incremento de los Costes de Mantenimiento (%). - Porcentaje Anual de la Tasa de Descuento por Depreciación Precio del Dinero (%). Los datos correspondientes a la Energía Real Producida, la Energía Prevista Producir, el Precio del Mercado Diario, el Precio de los Desvíos a Subir y el a Bajar y los datos de la Necesidad de Energía del Sistema han de ser introducidos como vectores columna. La mejor forma que existe para hacerlo es trasladar todos estos datos por columnas a una hoja de Excel en primer lugar; una vez hecho esto, al primer dato de cada columna se le añade delante el símbolo “[” para indicar el comienzo del vector columna y al último de los datos de cada columna se le añade delante el símbolo “];” para indicar el final del vector columna. Bastará entonces con seleccionar la columna de datos correspondiente para copiarla en el portapapeles y posteriormente pegarla en la consola de comandos de MATLAB cuando el programa pida dicho vector de datos. Una vez introducidos todos los datos se procede a definir la curva de evolución de los costes de los sistemas de almacenamiento durante los próximos 25 años. Los valores que se emplean son los que se han obtenido de la curva de referencia de apartado 10 de este documento. Tras ello, se implementan dos bucles de tipo “for” en forma anidada. El bucle exterior recorrerá uno a uno los años en los que el usuario haya decidido realizar el estudio; para cada año en primer lugar inicializa a cero los valores de beneficio semanal y capacidad óptima asociada, así como establece el coste de instalación y el coste de mantenimiento del sistema de almacenamiento elegido multiplicando su valor base por el factor de la curva de evolución de los precios que corresponda según el año que se considera. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 136 Tras ello se implementa el bucle for interior, el cual parte desde la capacidad mínima indicada para comenzar a realizar el estudio y va hasta la capacidad máxima indicada para finalizar el estudio, en intervalos de capacidad que son indicados por el valor de capacidad entre dos puntos consecutivos del estudio a realizar. En cada iteración de este bucle se realiza una llamada a la función “Beneficio_Semanal_Baterías” para calcular el beneficio semanal que presenta la capacidad de la batería estudiada y se comprueba si dicho beneficio es superior al mayor de los beneficios que se han obtenido en las iteraciones anteriores; en caso afirmativo, se le asocia a una variable que indica el beneficio máximo, mientras que la capacidad a la que éste beneficio se consigue se asocia a otra variable que indicará la capacidad óptima. Una vez terminada la realización del bucle, se obtendrá en las dos variables indicadas tanto la capacidad óptima como el beneficio máximo obtenido. Una vez recorrido este bucle interior, el código sale de nuevo al bucle for exterior de nuevo y los resultados obtenidos de beneficios semanales para cada capacidad estudiada dicho año se representan en una gráfica. Los valores de beneficio máximo y capacidad óptima se señalan en dicha gráfica con un punto rojo para destacar. Finalmente, se realiza una impresión en la consola de comandos de Matlab indicando el beneficio máximo que se obtiene dicho año de estudio y la capacidad operativa a la que se consigue, con su correspondiente transformación a capacidad nominal a instalar. Tras ello, la iteración del bucle for exterior finaliza y vuelve al principio. Una vez que se hayan recorrido los dos bucles for, el programa finaliza y genera como resultado una gráfica en la que se pueden comprobar la evolución del beneficio semanal que se obtiene con cada capacidad del sistema de almacenamiento que se ha estudiado para cada uno de los años indicados. Para poder ilustrar este programa se desea mostrar un ejemplo. Consideraremos para este ejemplo unos datos de partida similares a los empleados en los apartados 8 y 9 del presente documento. Dado que para poder realizar el estudio económico se debe de introducir las características de la tecnología de baterías a emplear, se ha decidido elegir, para ilustrar este ejemplo, la tecnología de las baterías de redox de Vanadio. Se decide elegir un estado inicial de carga del 50% del sistema de almacenamiento. A continuación se muestran los resultados obtenidos con el programa desarrollado. En primer lugar se muestra la gráfica que genera el programa en la que se puede observar la forma en la que varían los beneficios semanales a obtener, donde se puede comprobar que, a medida que los años van pasando y los costes de dicha tecnología disminuyen, el beneficio máximo obtenido finalmente consigue ser positivo y tiende a aumentar. En segundo lugar se muestra una impresión de pantalla con los resultados numéricos del estudio que se obtienen a través de la consola de comandos, los cuales representan el valor del beneficio máximo que puede conseguirse cada año, así como la correspondiente capacidad nominal que hay que instalar para ello y la capacidad operativa asociada. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 137 Figura I.10. Gráfica que muestra los beneficios semanales según el año en el que instalar el sistema de almacenamiento, generada por el programa desarrollado en MATLAB. Figura I.11. Resultados del análisis del beneficio máximo a obtener según el año en el que instalar el sistema de almacenamiento y su capacidad operativa y nominal asociada que genera el programa desarrollado en MATLAB. Análisis económico de un sistema de almacenamiento para la disminución de desvíos de producción en un parque eólico UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Antonio Hernández Romero 138 I.3. Función para Calcular el Beneficio Semanal Para el desarrollo del segundo de los programas en MATLAB se elabora una función que se ha denominado “Beneficio_Semanal_Baterias”, cuyo contenido se describe en el presente subapartado. Esta función es la encargada de calcular el valor del beneficio semanal que se obtiene al instalar un sistema de almacenamiento de unas determinadas características y con una capacidad operativa concreta. La función tiene un total de 17 datos de entrada, los cuales, en el orden con el que se deben de introducir, son los siguientes: - Vector Columna de Energía Real Producida en kWh. - Vector Columna de Energía Prevista a Producir en kWh. - Vector Columna del Precio del Mercado Diario en €/MWh. - Vector Columna del Precio de Cobro de Desvíos a Subir en €/MWh. - Vector Columna del Precio de Pago de Desvíos a Bajar en €/MWh. - Vector Columna de la Necesidad del Sistema. - Valor de Capacidad Operativa de la Batería en kWh. - Valor del Estado de Carga Inicial de la Batería en tanto por uno. - Valor del Rendimiento de la Batería en %. - Valor del Mínimo Estado de Carga de la Batería en %. - Valor del Número Máximo de Ciclos de Carga/Descarga de la Batería. - Valor del Coste de Instalación de la Batería en €/kWh. - Valor del Coste de Mantenimiento Anual de la Batería en €/kWh·año. - Número de Semanas que abarcan los datos introducidos. - Porcentaje Anual del Incremento del Coste de la Energía Eléctrica (%). - Porcentaje Anual del Incremento de los Costes de Mantenimiento (%). - Porcentaje Anual de la Tasa de Descuento por Depreciación Precio del Dinero (%).