Estrategias de integración de Centros de Almacenamiento en el Sistema Eléctrico Regional Centroamericano para el aseguramiento de las condiciones operativas con generación eléctrica intermitente y diversas cargas

Abstract

En la actualidad, la atención hacia la preservación del medio ambiente ha adquirido una mayor predominancia e importancia. Existe un creciente interés en lograr una producción más eficiente que, ante todo, sea respetuosa con el entorno natural. Sin embargo, todavía hay una parte significativa del sistema productivo que se muestra renuente a adoptar las nuevas tendencias, principalmente debido a consideraciones económicas. Durante muchos años, la generación de energía eléctrica se ha basado en gran medida en fuentes no renovables, principalmente debido a la disponibilidad de recursos renovables y limitaciones económicas. Sin embargo, día tras día, están surgiendo nuevas alternativas que están transformando este panorama. En la región centroamericana, que cuenta con una abundancia de recursos para la generación de electricidad, aproximadamente un tercio de la generación actual sigue dependiendo de fuentes de energía no renovables. Esto sugiere que existen amplias oportunidades para contribuir al cuidado del medio ambiente adoptando prácticas más sostenibles en el sector energético. La investigación doctoral plantea una estrategia de gestión y control de la generación con el fin de garantizar las condiciones operativas del sistema eléctrico regional, haciendo uso del almacenamiento electroquímico. Para ello, fue necesario modelar de la red de transmisión, la cual consiste en un sistema compuesto por 2,189 nodos, evaluados en 6 escenarios correspondientes tanto al verano como al invierno, abarcando diferentes niveles de demanda (baja, media y alta). Posteriormente, se llevaron a cabo análisis donde se evaluó el potencial del almacenamiento para mejorar los perfiles de tensión, gestionar la respuesta de la demanda, sustituir recursos no renovables por generación eléctrica renovable, así como mejorar la estabilidad transitoria, de tensión y de frecuencia. Por último, se proponen estrategias para la integración del almacenamiento electroquímico, con el objetivo de prevenir colapsos ante contingencias extremas en el sistema de potencia. La estrategia propuesta se centra en mejorar las capacidades de flexibilidad en la red eléctrica de transmisión, con el objetivo de aumentar la transferencia de energía entre distintas áreas (países o sistemas de potencia). Se busca específicamente incrementar la flexibilidad en las capacidades de transferencia para evitar desequilibrios entre la generación y la demanda, los cuales pueden ocasionar inestabilidades en sistemas de potencia débiles y vulnerables. Para lograrlo, se plantea una metodología que incluya la determinación óptima del tamaño, la ubicación y la gestión del almacenamiento electroquímico en varios puntos del sistema eléctrico. El análisis de esta metodología se basará en el empleo de métodos no lineales para la optimización, así como la determinación de estudios de estabilidad transitoria en la red de transmisión. Los resultados obtenidos indican que frente a una contingencia extrema en el sistema de potencia regional, como el ocurrido el 9 de junio de 2021, caracterizado por un apagón total en Nicaragua y la desconexión del sistema de México, es factible la integración de almacenamiento. Durante este evento, se registró una pérdida de aproximadamente 169 MW en la generación fotovoltaica, lo que ocasionó problemas de inestabilidad de frecuencia en el sistema de potencia debido al desequilibrio entre la generación y la demanda. La aplicación de la metodología propuesta en la investigación doctoral demostró que la selección, dimensionamiento y despacho adecuado del almacenamiento permitieron mantener el balance entre la generación y demanda así como las condiciones de estabilidad del sistema. Es importante destacar que la metodología realiza un análisis basado en minimizar costos, y los resultados indican un costo marginal de 140.91 USD/MWh para la generación mediante uso del almacenamiento.Currently, there is increased focus and significance on environmental conservation. There is an increasing focus on producing more efficient production that prioritizes respect for the natural environment. Despite attempts, a major portion of the production system remains hesitant to embrace new trends, primarily due to economic factors. Traditional electric power generation has long depended on non-renewable technologies mostly because of resource accessibility and economic limitations. Nevertheless, fresh possibilities are continuously developing and reshaping the current situation. Approximately one third of electricity generation in the Central American region relies on non-renewable energy resources despite the richness of them for electricity generation. This indicates that there are many opportunities to help to protect the environment by implementing more sustainable practices in the electric industry. The doctoral research suggests implementing a method for managing and controlling power generation to ensure the operational stability of the regional electrical system by utilizing electrochemical storage. In order to accomplish this, it was essential to simulate the transmission network, comprising 2,189 nodes, across 6 scenarios representing both summer and winter seasons, encompassing various demand levels (low, medium, and high). Analyses were conducted to assess the potential of storage for enhancing voltage profiles, managing demand response, substituting non-renewable resources with ecofriendly power generation, and enhancing transient, voltage and frequency stability. Strategies are suggested for integrating electrochemical storage to prevent power system failures under extreme situations. The plan aims to enhance the the electrical transmission grid exibility to boost energy transfer between various regions or power systems. The goal is to provide flexibility in transfer capacity to prevent imbalances between power generation and demand, which may lead to instabilities in weak and vulnerable power systems. An approach is suggested to determine the size, allocation, and optimal dispatch of electrochemical storage within different nodes of the power grid. This methodology will be analyzed using non-linear optimization methods and calculated the transient stability in the power transmission grid. The results show that integrating electrochemical storage is possible in response to a severe event in the regional power system, as the blackout in Nicaragua and disconnection of the Mexico Power System on June 9th, 2021. Approximately 169 MW of photovoltaic generation was lost during this event, leading to frequency instability issues in the power system due to the imbalance between generation and demand. The proposed methodology shows the sitting, sizing, and dispatching the storage appropriately helped to preserve the power balance as well as the system's stability conditions. The methodology's marginal cost results are 140.91 USD/MWh for dispatch through storage.