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Smart gridsRedes Inteligentes Integração de Renováveis e Armazenamento de Energia
10th November 2010, Lisboa. Miguel Pernes
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Agenda
Drivers e Desafios
Redes do Futuro
Smart grids e suas Aplicações
Projectos em Curso
Conclusões
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Desafio Energético Actual – Crescimento do Consumo Energético
China
105% 195%
India
126% 282%
Europe and North America
11% 31%
M. East and Africa
73% 131%
Growth in primary energy demand
Growth in electricity demand
IEA forecast 2006-30
SouthAmerica
56% 81%
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Desafio: Melhoria da Fiabilidade
Nos EUA o custo anual de perturbações na rede eléctrica é estimado em cerca de $80.0000 Millhões*Sectores Afectados: Comercial ($57.000 Millhões), Industrial ($20.000 Milhões) e residencial ($3.000 Milhões)Maioria dos custos ($52.000 Milhões) são devidas a interrupções momentâneas (microcortes)
Baixa Fiabilidade tem um peso económico de grande significado
* Berkley National Laboratory 2005
# di
stur
banc
e ev
ents
in U
S
Source: FERC 2008
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Duas forma de maior significado para redução de emissões: Eficiência Energética e Renováveis
Eficiência Energética e renováveis podem contribuir com cerca de 80% para atingirmos o target de redução de emissões no cenário 450
Ann
ual e
mis
sion
of C
O2
in G
igat
ons
SourceIEA 2008
550*policy
scenario
* ppm concentration in the atmosphere
20
25
30
35
40
45
2005 2010 2015 2020 2025 2030Reference scenario 550 policy scenario 450 policy scenario
450*policy
scenario9%
14%
20%
57%
Energy efficiency
Renewables
Carbon capture and sequestration
Nuclear
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Major challenge: environmental concerns
CO2 é responsável por 80% do aquecimento resultante dos gases nocivosMais de 40% do CO2 emitido é resulta da produção de energia eléctrica
Produção de Energia Eléctrica é a maior fonte de emissão de CO2
Ann
ual e
mis
sion
of C
O2
in G
igat
ons
Electricity plants
Industry (excl. cement)Road transportResidential and service sectorDeforestation OthersRefineries etc
International transport
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
01970 1980 1990 2000
Source: IPCC “Mitigationof Climate Change”,Cambridge UniversityPress, 2007
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Agenda
Drivers e Desafios
Redes do Futuro
Smart grids e suas Aplicações
Projectos em Curso
Conclusões
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Proposta de Smart gridsEnfâse em 4 Áreas Principais
Capacidade para atender procura/ofertaBases para as redes eléctricas do futuro
Fiabilidade no fornecimento de energia eléctricaInvestimentos em upgrades e novas instalações para atender desafios futuros
Eficiência ao longo da cadeia de valor energéticoAcções para mitigar impacto ambiental
Sustentabilidade pela integração renovávelInfluência regulatoria influence e comportamentos dos consumidores é essencial
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InvestimentosCapacidade
Investimentos em infrastruturas estimado em cerca de $6 trilliões até 20301
Redes actuais podem ser reforçadas para operar na sua capacidade máxima sem comprometer segurança
Novas instalações devem promover optinização do fluxo energético em qualquer localização na rede
Em 2020 a frota de carros eléctricos pode atingir 40 milhões de unidades em todo o mundo, representando cerca de 2% dos carros em trânsito1
A infrastrutura para carga do carro eléctrico necessita ser construída
Fast charging não pode ser atingido com infraestrutura actual
O sistema eléctrico do futuro terá que ser usado na sua capacidade máxima e deverá estar preparado para novos
desaafios
CapacidadeFiabilidadeEficiência
Sustentabilidade
1Source: IEA
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Energia Eléctrica a qualquer hora e em qualquer lugarFiabilidade na rede de Transporte
Operação segura com mínimo de reservas é a forma mais económica de operar o sistema de potência
Sistemas devem ser projectados para fiabilidade máxima e qualidade máxima
Impacto de ocorrências inevitáveis (eg indisponibilidade por defeitos na rede) devem ficar limitados a pequenas áreas
Resosição imediata de fornecimento de energia após defeitos é essencial.
O sistema eléctrico do futuro deverá providenciar o fornecimento de energiar eléctrica sem interrupções
CapacidadeFiabilidadeEficiência
Sustentabilidade
The European grid covers the whole continent
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Energia Eléctrica a qualquer hora e em qualquer lugarFiabilidade na rede de Distribuição
Redes de Distribuição Inteligentes para:
Controlo e Monitorização remota
Automatismos
Localização de Defeitos
Adaptabilidade
Como impacto em:
Redução de indisponibilidades
Melhoria na qualidade de fornecimento
Melhoria de processos de manutenção
A fiabilidade das redes de distrubuição assume um papel fundamental para as redes do futuro
CapacidadeFiabilidadeEficiência
Sustentabilidade
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Produção de Energia e InterligaçõesEficiência
Conversão eficiente de energia primária em electricidade continua a aumentarProcess de controlo avançados adicionam valor para a eficiência global do processoEquipamentos e sistemas para interligaçã oestão a tornar-se cada vez mais eficientesUma melhoria de 1% na eficiência permite poupar 100 milhões tons de CO2 (emissão de 50 M carros1)Estimativas apontam para potencial de poupança energética de 2 digitos na produção de energia2
No futuro será mandatório a produção de energia com sistemas altamente eficientes
CapacidadeFiabilidadeEficiência
Sustentabilidade
distributedgeneration
solar plants
traditionalpower plants
wind farms
TransformersAC-DC converters
Substations
Conversion efficiency
Process improvement 1 at 200g/km of CO2 emission and 10,000 km/year 2 Graus: Energy policy 2007; Gielen: IEA 2007
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Potencial de Poupança no transporte e distribuição Eficiência
Perdas podem atingir valores de 6-8 %Equipamento envelhecido de baixa eficiência e perdas por efeito de Joule são as razões principaisTransformadores de distribuição ineficientes representam cerca de 30% das perdas no sistema.Perdas na rede da EU encontram-se estimadas em cerca de 50 TWh, o equivamente ao consumo anual de 13 milhões de habitações1
Nos sistemas eléctricos do futuro as perdas deverão ser substancialmente reduzidas
1Source: European Commission
CapacidadeFiabilidadeEficiência
Sustentabilidade
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Potencial de Poupança no lado do Consumo Industrial Eficiência
50% do Consumo Eléctrico é atribuido à Industria
Mais de 60% deste valor é utilizado no desenvolvimento industrial dos países Asiáticos. Este valr será de 70% em 2030
Electricidade representa cerca de 40% nos custos energéticos da Indústria em geral
60% da energia eléctrica utilizada na industria é consumida por motores eléctricos
Os sistemas eléctricos do futuro devem levar em consideração a poupança energética na indústria
Sources: IEA 2009, MGI,McKinsey, estimates
The large industrial electrical energy consumers’annual consumption 2006 in TWh
960
585500
490
310
ChemicalIron&steelnon ferrousPulp&paperminerals
CapacidadeFiabilidadeEficiência
Sustentabilidade
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Potencial de Poupança no lado do consumo comercial e residencialEficiência
Cidades contabilizam mais de 70% das emissões de CO21
Edificios comerciais e residenciais são os segmentos de maior consumo de energia com maior taxa de crescimento nos EUA e Europa1
Mais de 50% da energia é utilizada para aquecimento, ar condicionado, e iluminaçãoPoupanças de 30 – 60 % são possíveis em certas aplicações2
1 EIA, DOE, Buildings energy data book, 2008
O sistema eléctrico do futuro deverá providenciar formas eficientes de redução do consumo
2 IEA Annual energy reports, European Commission reports
CapacidadeFiabilidadeEficiência
Sustentabilidade
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Adaptando o consumo à produçãoAjustanto o mix de energia (Eficiência)
Consumo varia durante o ano, variando entre dia e noite
Reservas devem ser minimas.
Desafio da fiabilidade aumenta com introdução de fontes intermitentes (renováveis).
Armazenamento Eléctrico Inteligente será chave para mitigar o problema.
Resposta dinâmica da procura
Planeamento da produção com maiores variáveis em sistema mais complexo
Troca de informação (dados) em tempo real, e altos níveis de automação, podem mitigar problema, adequando o consumo à produção disponível
Para os EUA, um potencial de redução de 20% do pico do diagrama de carga é esperado após introdução de processo de resposta dinâmica das cargas
O sistema eléctrico do futuro deverá providenciar soluções de controlo optimizado
GW
2
4
6
8
00 h 12 h 00 h 12 h 00 h
Demand
Mix of different energy sources for base load and peak load
CapacidadeFiabilidadeEficiência
Sustentabilidade
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Harmonização de Mercados EnergéticosEficiência
Tarifas de tempo real – são instrumentos de harmonização da oferta e procura.
Tarifas são definidas por:Consumo (Demand)
Condições de Produlão (Supply)
Intervenção do Regulador
Concorrência entre produtores independentes
Concorrência entre operadores de rede.
Desenvolvimento de Software para gestão de mercado de energia é necessário.
O sistema eléctrico do futuro deverá providenciar plataformas seguras para a comercalização da energia
CapacidadeFiabilidadeEficiência
Sustentabilidade
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Integrando energias renováveisSustentabilidade
Grandes Hidricas serão a maior contribuição de energias renováveis para os próximos 20 anosVários gigawatts terão que ser transportados por milhares de Kms para os centros de consumoTecnologias para transporte economico e fiável são essenciais
O sistema eléctrico do futuro terá que providenciar soluções viáveis
CapacidadeFiabilidadeEficiência
Sustentabilidade
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Integrando energias renováveis Produção Intermitente (Sustentabilidade)
Electricidade produzida por aerogeradores or paineis solares é intermitente por naturezaÉ necessário manter uma reserva giorante entre 5 e 18% da potência instalada por questões de segurança1
Interligações e armazenamento inteligente poderá reduzir necessidade de reservas
O sistema eléctrico do futuro deverá ser projectado levando em conta um maior número de imponderabilidades
1 Wind impact on power system, Bremen 2009
CapacidadeFiabilidadeEficiência
Sustentabilidade
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Agenda
Drivers e Desafios
Redes do Futuro
Smart grids e suas Aplicações
Projectos em Curso
Conclusões
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Electricidade Inteligente – Energia eficiente para um mundo sustentável
A smart grid is the evolved system that manages the electricity demand
in asustainable, reliable and economic manner
built onadvanced infrastructure
and tuned to facilitatethe integration of behavior of all involved
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A visão smart gridPrincipais Requisitos
Capacidade
Fiabilidade
Eficiência
Sustentabilidade
Reforçar capacidade de redes actuaisInfrastrutura adicional (e-cars)
Estabilizar o sistema para evitar apagõesFornecer energiar de qualidade a qualquer hora
Melhorar eficiência na produçãoReduzir perdas no transporte e distribuição
Ligação de renováveis na redeGerir produção intermitente
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Smart gridsFocus of activities
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Focus area ActivitiesDistribution grid automation • Network Management for distribution grids
• Intelligent equipment• Distribution communication
e-Mobility • EV charging infrastructure• Grid intelligence• On board and manufacturing segment• Storage services
Demand response –Commercial and Domestic
• Home / building automation• Demand response applications• Connectivity to grid
Distributed generation integration
• Residential / community renewables • Networked CHP and other generation• Micro and Personal grids• MV / LV DC grids
Distributed storage (<1MW)
• Building / community level storage.• Micro and Personal grids• V2G
Bulk storage(>1MW)
• Integration of large scale battery storage• Mitigation of renewable intermittency
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Cidades InteligentesIntegração nas Smart Grid
Storage of peak supply power in car batteries (future)
Local distribution grid extensions
Charging scheduling for residential areas
Ultra-fast charging stations:•Storage•Power quality services
Used car batteries as central storage capacity
Battery switch stations:•Storage•Power quality services
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Automação na DistribuiçãoIntegração de Energia e Informação
Distribution Control CenterNetwork management SCADA/DMSOMS with AMR/AMI connection Models sub-transmission and distribution (including medium- and low voltage) networksWorkforce management
Primary Substation AutomationProtectionMonitoring and controlAutomatic functions Information refinement
MV/LV Network Automation (FA)ProtectionMonitoring and controlAutomatic functions Information refinement
Home/Building AutomationSmart metering (AMR/AMI)Smart home integration (demand response)
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Resposta Dinâmica da ProcuraO novo consumidor
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Resposta Dinâmica
Necessidade de reservas girantes
Equilibrio de potência entre 1-24 hours por efeitos de consumidores activos
Redução de Picos
Load
Time
Utilização de unidades de produção mais eficientesUtlização de fontes mais rentáveisUtilização de unidades de produção menos emissoras CO2Melhoria de utilização da capacidade da rede
De uma forma geral utilities exploram 10-20% da sua capacidade em menos de 1-3% do tempo
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Aplicações de Rede para Armazenamento de EnergiaSVC Light com Baterias
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Integração de Renováveis
Backup power
Continuous reactive power support
Eventual reactive power support
Gestão de Cargas Intermitentes
Emergency and short-time power
Integração do carro eléctrico
Peak-load shaving
Serviços Auxiliares
Grid applications for energy storageDischarge times
DynaPeaQ core range:
5 to 60 minutes
5 to 50 MW
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Flywheels Batteries Pump storageCapacitors
Fractions ofseconds
Minute(s) to hour(s) Hours to days Discharge timeMinute
DynaPeaQ – Battery SolutionThe Battery Technology selected for DynaPeaQ is the Li-ion Battery.
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# 1 # 2 # 2 # n
Cell Module Room
String Storage
DynaPeaQConfiguração Típica
Typical layout for 20 MW during 15 min +/-30 Mvar continuously
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50 m65 m
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Armazenamento de Energia EléctricaAplicação Residencial
slow chargingcontrol
automation
LV
25 EV’s
appl
ianc
es
DCAC
BatteryFilter
Control
ACDC
40-50 apartment Como parte vital em edificios inteligentes, o armazenamento permite:
Fornecimento de energia durante algumas horas do dia.
Armazenamento de excesso de energia produzida (eg Solar).
Controlo dinâmico da tensão.
Aumento da qualidade da energia por efeitos de supressão de harminicas e redução de microcortes.
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O sistema por trás do carregamento
© ABB2009-05-19 SmartGrid_Overview_rev12a.ppt | 39
Evolução da RedeDo tradicional ao futuro
Produção Centralizada
Fluxo de Energia Unidireccional
Produção segue a Procura (Carga)
Operação baseada em histórico
Acesso limitado a novos produtores
Produção Centralizada e Descentralizada
Produção Intermitente não despachavel
Consumidores - Produtores
Fluxo de Energia Multi-direccional
Carga adaptada à Produção
Operatição baseada em tempo real
trad
ition
al g
rids
futu
re g
rids
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Agenda
Drivers e Desafios
Redes do Futuro
Smart grids e suas Aplicações
Projectos em Curso
Conclusões
© ABB Group November 15, 2010 | Slide 41© ABB Group November 15, 2010 | Slide 41
Progress Update – CEUSmart Grid em Malta. 1ª First Smart Grid
Parceiros: IBM, Enemalta Corporation, Water Services Corporation Malta
Objectivo: Desenvolvimento de Sistema Inteligente de gestão de Águas e Energia
Challenges:Integrate Utilities Business systems
conduct remote monitoring, meter reading and real-time management of the network based on IT
Results:Active demand: Real-time monitoring and smart meters can deliver pricing based on time of day, enabling the utility to better manage energy consumption and customers to cut their electrical bills.
Malta residents will also be able to track their energy use online and see how to curb consumption habits.
© ABB Group November 15, 2010 | Slide 42© ABB Group November 15, 2010 | Slide 42
Progress Update – NEUStockholm City (Stockholm Royal Seaport)
Customers – Stockholm Municipality and the utility FORTUM
Showcase Urban Smart Grid will be part of and supporting a larger showcase for a Sustainable City concept
Demonstrate climate positive strategies, setting a compelling environmental and economic example for cities to follow.
Selected as one of 18 global projects supported by Clinton Climate Initiative Program for sustainable urban growth
Scope and ABB deliverables
Integration of Electrical Vehicles, Demand Response, Active House, integration of Local Decentralized Renewable Production, Energy Storage, Substation Automation ,Ship to Shore and an Innovation Center.
© ABB Group November 15, 2010 | Slide 50
Agenda
Drivers e Desafios
Redes do Futuro
Smart grids e suas Aplicações
Projectos em Curso
Conclusões
© ABB Group November 15, 2010 | Slide 51
Smart grids contribuirão para futuro sustentável
Source: DOE and NETL
Hoje
<13% penetração de Renováveis
5% sistemas de resposta dinâmica
>1% consumidores-produtores
47% utilização de infraestruturas
50% utilização de infraestruturas de transporte
30% % utilização de infraestruturas de distribuição
Com Redes do Futuro
>30% % penetração de Renováveis
15% sistemas de resposta dinâmica
10 % consumidores-produtores
90% utilização de infraestruturas
80 utilização de infraestruturas de transporte
80% % utilização de infraestruturas de distribuição
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Depende de todos nós
Cada um de nós deverá reconsiderar o seu consumo de energia
Politicos deverão estabelecer metas e incentivos para eficiência energética e subescrever compromissos de reduções de CO2
Mercados de Energia e todos os stakeholders deverão de uma forma activa participar nos esforços de redução de consumo e optimização de eficiencia
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