Ventajas del gas en la Generacin Distribuida de energa Microturbinas y pilas de combustible

1
Ventajas del gas en la Generación Distribuida de
energía - Microturbinas y pilas de combustible
-
Arthur D. Little Pº de la Castellana, 31 Edificio
Pirámide 28046 Madrid www.adlittle.com

• Club Español de la Industria, Tecnología y
  Minería
• Madrid
• 29 de Abril de 2002

CEITM020429
2
Contenido

1
Definición de Generación Distribuida
2
Desarrollo del mercado
3
Ventajas del gas natural
4
Oportunidades de negocio
3
El sector eléctrico está atravesando un período
de grandes cambios en el ámbito regulatorio y
tecnológico que influyen directamente en la
estructura de la competencia
1 Definición de Generación Distribuida

Ámbito regulatorio

• Tarifas eléctricas
• Reglas del mercado
• Acceso a gas
• CTCs
• Aspectos medioambientales

Ámbito Competitivo
El entorno regulatorio influye no sólo en la
rapidez y grado de liberalización sino también en
los ingresos del sector y en su estabilidad, lo
cual es fundamental de cara a las inversiones y
la entrada de nuevos competidores

• Nuevos entrantes
• Fusiones y adquisiciones
• Aumento de la demanda
• Interconexiones

Ámbito tecnológico
De cómo se estructure la competencia dependerá
que la liberalización sea real y se logre un
beneficio para los consumidores finales

• Transporte y distribución
• Ciclos combinados
• Energía nuclear
• Carbón
• Régimen especial
• Generación distribuida

La adopción de un tipo u otro de tecnología de
generación, así como el desarrollo de las
infraestructuras afectará directamente a los
costes y la calidad de servicio y, por tanto, a
la intensidad competitiva del sector
4
La Generación Distribuida representa un nuevo
paradigma de servicio a los clientes eléctricos
1 Definición de Generación Distribuida

Definición de Generación Distribuida
Utilización, de forma integrada o individual, de
pequeños generadores, por parte de compañías
eléctricas, clientes eléctricos o terceros, en
aplicaciones que benefician al sistema eléctrico,
a usuarios eléctricos específicos o a ambos
Frecuentemente es utilizado como sinónimo de
otros términos como autogeneración, generación
on-site, cogeneración y generación dentro del
recinto. Nuestra definición incluye el
almacenamiento y la tecnología para la
autogestión de la demanda interna
Central de Generación
Transformador
Subestación de Distribución
Turbina Gas
Subestación de Distribución
Subestación de Transporte
Motor
Micro- turbina
Subestación de Distribución
Comercial
Motor
Pila de combustible
Foto-voltaicos
Volante de inercia
Residencial
Comercial
Industrial
Fuente EPRI Distributed Resources Target
Pila de combustible
Cogeneración
La Generación Distribuida, de forma extendida,
representa un cambio fundamental en el sector de
la energía
5
La Generación Distribuida tiene seis aplicaciones
principales
1 Definición de Generación Distribuida

Aplicación
Descripción
Carga base
La tecnología de GD se utiliza para cubrir parte
de la demanda en base de electricidad. El equipo
está funcionando permanentemente y reduce el
consumo de electricidad de la red
Cobertura de picos de demanda
La GD se usa para alisar picos de demanda
eléctrica
Cogeneración
Se produce calor/frío además de producir
electricidad
Backup
Aplicación de stand-by que asegura el suministro
de electricidad de forma ininterrumpida. Funciona
únicamente cuando se produce un corte en el
suministro
Calidad de Suministro
Si la calidad del suministro está por debajo de
las necesidades del cliente, esta aplicación
proporciona la calidad requerida, eliminando
fluctuaciones
Soporte a la Distribución
Las distribuidoras o los grandes clientes
utilizan esta aplicación para evitar y resolver
congestiones en la red de distribución
6
Existen varias tecnologías de Generación
Distribuida (GD) con distintos grados de
desarrollo
1 Definición de Generación Distribuida

Productos de Generación Distribuida
Tecnología GD
Estado de comercialización

• Sistemas de Pilas de Combustible
• Poliméricas (PEMFC)
• Carbonatos Fundidos (MCFC)
• Óxidos Sólidos Plana (SOFC)
• Óxidos Sólidos Tubular (SOFC)

• Demostración de prototipo inicial
• Demostración de prototipo inicial
• Demostración de prototipo inicial 1
• Demostración de prototipo inicial

Microturbinas

• Prototipo comercial

Solar Fotovoltaica

• Varias Fases

Motor de Combustión Interna

• Un mercado grande, estable y creciendo

Tecnologías de Interfaz

• Varias fases

1) Sulzer Hexis ha puesto a punto un prototipo de
un sistema de cogeneración de 1kWe que ha operado
desde 1998. Otras empresas de desarrollo han
iniciado pruebas de ID últimamente.
7
Las distintas tecnologías disponibles abarcan un
amplio rango de características y por lo tanto
pueden cubrir las necesidades de los diferentes
segmentos de mercado
1 Definición de Generación Distribuida

Características
Tecnología
Costes de Instalación (/kWe)
Eficiencia eléctrica del sistema4 ( LHV)
Costes de O y M (cent/kWh)2
Tamaño representativo de la unidad
1.200 1.400
3040
1,9 - 3
1-10 kWe
Poliméricas (PEMFC)
Pilas de Combustible
1.000 1.700
3340
1,2 2,3
50 kWe
1.700 2.800
4555
2,2 - 3
100 kWe
Carbonatos Fundidos (MCFC)
microturbinas y pilas de combustible son las que
más posibilidades tienen de desarrollo
1.200 1.900
4555 (solo sistema de PC)
1,2 1,8
200 kWe
Óxidos Sólidos Tubulares (SOFC)
3545 (solo sistema de PC)
1.700 2.2003
1,9 2,3
1-10 kWe1
Óxidos Sólidos Planos (SOFC)
4555 (solo sistema de PC)
900 1.400
0,9 1,4
50 kWe
850 1.100
2833
0,9 1,8
50 kWe
Microturbina
2.000 3.300
N/A
0,6 0,9
5 - 50 kWe
Solar Fotovoltaica
450 1.700
20-35
1,7 2,8
5 - 500 kWe
Motor de Combustión Interna
Fuente Estimaciones ADL. 1) El sistema es
similar a la tecnología de Sulzer Hexis, para ser
consistente con una entrada rápida en el mercado.
2) Sustitución de equipo después de 40,000 horas
de operación a un factor de carga del 80. Un
bajo factor de carga tendrá probablemente un
impacto fuerte en los costes de O y M
(sin combustible). 3) Estos valores
corresponderían a una rápida implantación en el
mercado. Cuando esté disponible la tecnología de
electrolito fino, se reducirán los costes por
debajo de 1.100 /kW, pero esto no se producirá
hasta dentro de 3-5 años. 4) Eficiencia
eléctrica neta del sistema (electricidad
saliente/LHV entrante), incluido aparatos
auxiliares
8
Contenido

1
Definición de Generación Distribuida
2
Desarrollo del mercado
3
Ventajas del gas natural
4
Oportunidades de negocio
9
La Generación Distribuida puede ofrecer ahorros
de coste y mejoras significativas en calidad de
suministro tanto para las empresas eléctricas
como para sus clientes
2 Desarrollo del mercado Ventajas de Generación
Distribuida

Ventajas de la Generación Distribuida

• Aumento de la capacidad de generación en el
  cliente para suministro continuado y/o sistemas
  de backup
• Mejora de la fiabilidad y calidad del suministro
• Potencial ahorro económico dependiendo de los
  precios de electricidad-gas por segmentos y
  países
• Rapidez de instalación respecto a las soluciones
  convencionales
• Reducción y eliminación de congestiones en los
  sistemas de transporte y distribución
• Posibilidad de ser operada en momentos
  seleccionados, como en horas pico, o
  continuamente en paralelo con la red convencional
  de distribución o independientemente para
  satisfacer la demanda
• Posibilidad de desarrollo en unidades
  individuales o interconectadas entre sí para
  equilibrar las ventajas de su uso escalable en
  una zona determinada

Sector
Coste medio de indisponibilidad
Telefonía móvil
46.000 por hora
Venta telefónica de entradas
81.000 por hora
Reservas de billetes de avión
100.000 por hora
Operaciones de tarjetas de crédito
2.900.000 por hora
Intermediación financiera
7.280.000 por hora
Fuente Leiter, David, Distributed Energy
Resources, prepared by the U.S, Department of
Energy for Fuel Cell Summit IV, May 10, 2000,
Washington DC
10
Por ejemplo, una microturbina para un centro
comercial puede ahorrar 32.100 /año con un
período de recuperación de la inversión inferior
a dos años
2 Desarrollo del mercado Ventajas de Generación
Distribuida

Curva de carga de un centro comercial con
microturbina de 50 kW
Demanda máxima 96 kW
Coste anual de electricidad
Sin microturbina
48.650
Con microturbina
16.500
Demanda máxima reducida a 46 kW
Energía suministrada por la microturbina de 50 kW
32.100
Ahorros anuales
Inversión
56.200
Periodo de retorno
lt 2 años
Energía suministrada por la compañía eléctrica
Ilustrativo para un mercado de Nueva Inglaterra
(EE.UU.)
La aplicación generalizada de la Generación
Distribuida reduciría la demanda en horas punta y
los precios de la electricidad
11
Cada segmento del mercado tiene unas necesidades
específicas y requiere distintas tecnologías
2 Desarrollo del mercado
Comercia- lización
Segmento
Tecnología recomendada

Residencial
Enfoque primario Pilas de combustible de baja
temperatura Debido a los reducidos costes de
producción estimados, la flexibilidad de
operación y el desarrollo potencial en la
industria del automóvil, es muy probable que
PEMFC sea el líder en este sector
2005-2007
Enfoque secundario Pilas de combustible de alta
temperatura La tecnología de SOFC plana puede
ser atractiva debido a su mayor eficiencia
eléctrica y a sus aplicaciones en cogeneración
2004-2006
Enfoque primario Pilas de combustible de alta
temperatura Esta tecnología cubre las
principales necesidades del segmento, los costes
de producción estimados son reducidos y tiene una
alta eficiencia eléctrica y térmica. Las
tecnologías claves incluyen el SOFC plana y SOFC
turbular
Enfoque primario Pilas de combustible de alta
temperatura Esta tecnología cubre las
principales necesidades del segmento, los costes
de producción estimados son reducidos y tiene una
alta eficiencia eléctrica y térmica. Las
tecnologías claves incluyen el SOFC plana y SOFC
turbular
Comercial
2004-2006
Enfoque secundario Microturbinas
2004-2006
Industrial
Enfoque primario Pilas de combustible de alta
temperatura Debido a su alta eficiencia y las
necesidades menos exigentes, se espera que esta
tecnología sea líder en el segmento de pequeñas y
medianas industrias
2004-2006
Enfoque secundario Microturbinas Las
Microturbinas son las únicas capaces de
satisfacer las necesidades de la grandes
industrias debido a la elevada demanda de energía
de estos consumidores
2002-2003
12
La Generación Distribuida tiene un potencial de
negocio a medio plazo de 25.000 MW en los
principales mercados cubiertos por las empresas
españolas de gas y electricidad
2 Desarrollo del mercado
Mercado Potencial de Generación Distribuida

• Disminución de inversiones
• Disminución de costes de O y M
• Aumento de rendimiento

MW
Pilas de combustible

• Disponibilidad de gas
• Fiabilidad del suministro eléctrico

Microturbinas

• Precios de la electricidad
• Precios del gas

Mercados Argentina, Brasil, México y España
El desarrollo del mercado dependerá del éxito en
el lanzamiento de nuevos productos y en la
creación de modelos de negocio viables de
distribución, venta y servicio postventa
13
En el 2010, puede llegar a suponer el 6 en el
mercado español de generación
2 Desarrollo del mercado Generación eléctrica
(2001 2010)
Capacidad instalada en MW
2,5 p.a.
69.659
3,5 p.a.

• Las microturbinas entrarán en el mercado a partir
  del año 2003
• La introducción en mercado de las pilas de
  combustible comenzará a partir del año 2005

61.548
Régimen especial otros
8,8
Generación Distribuida
6
53.674
11,7
2
Energía eólica
15,3
12,8
10,6
6,7
CCGT
10,4
16,1
30,7
26,9
Hidráulica
23,7
Carbón y fuel/gas
53,3
25,7
18,7
Nuclear
14,5
12,8
11,4
Fuente Análisis Arthur D. Little
14
El éxito de la Generación Distribuida depende
principalmente del desarrollo tecnológico y del
desarrollo de la infraestructura de gas
2 Desarrollo del mercado Factores claves

Factores claves para la comercialización de
Generación Distribuida

• Los costes de pilas de combustibles tienen que
  bajar significativamente
• Los fabricantes de pilas de combustible tienen
  que desarrollar y comercializar equipos cuya
  instalación y mantenimiento sea similar a los de
  la calefacción o el aire acondicionado

Tecnología

• La generalización del uso del gas y el aumento
  del número de clientes con acceso a gas son
  condiciones básicas para el éxito de la
  Generación Distribuida

Acceso a gas
15
El desarrollo tecnológico de pilas de combustible
para el sector de automoción es uno de los
factores claves para el éxito de las aplicaciones
estacionarias
2 Desarrollo del mercado Factores
claves Transferencia de tecnología
Transferencia de la tecnología de pilas de
combustible
Mercados de alto valor




Mercados sostenidos




Costes de pila de combustible y alternador (/kW)




Sector eléctrico
Penetración masiva
Transferencia
Vehículos experimentales
de
Sector automoción



tecnología
Producción prototipos
Pruebas de flotas
Producción en serie

0
2000
2005
2010











16
Debido a esta transferencia de tecnología y a la
investigación en microturbinas, los costes de
instalación, operación y mantenimiento
decrecerán, y los rendimientos crecerán a medio
plazo
2 Desarrollo del mercado Factores claves Costes
de producción

Rendimiento
Costes de instalación

/kW
A-PC
B-PC
MT
A-PC
B-PC
MT
Fuente Análisis ADL
Fuente Análisis ADL
Costes de operación y mantenimiento
/kWh
B-PC
A-PC Pila de combustible de alta
temperatura B-PC Pila de combustible de baja
temperatura MT Microturbina
A-PC
MT
Fuente Análisis ADL
17
La generalización del uso del gas y el aumento
del número de clientes con acceso a gas son
condiciones básicas para el éxito de la
Generación Distribuida
2 Desarrollo del mercado Factores
claves Desarrollo de la Demanda

Previsión de la penetración de gas natural en el
mercado residencial
1 p.a.

• En el año 2001 en España había más de 4,5
  millones de clientes residenciales conectados a
  la red de gas
• En el año 2010 el número de clientes llegará a
  6,5 millones

Mercado europeo
4 p.a.
Mercado español
Fuente Análisis ADL a paritr de información de
Gas Natural SDG
18
Para cubrir el crecimiento de la demanda de gas
la red de gas se ampliará hasta 57.000 Km en el
año 2010
2 Desarrollo del mercado Factores claves Acceso
a gas
Crecimiento de la red de gas (km)
Situación actual del sistema de gas
57.000
18
47.600
40.113
37.022
33.620
30.131
27.022
24.160
21.162
51
19.500
17.872
16.585
15.431
31
Fuente Sedigas y análisis ADL
Fuente Sedigas, CNE y Análisis ADL
19
Contenido

1
Definición de Generación Distribuida
2
Desarrollo del mercado
3
Ventajas del gas natural
4
Oportunidades de negocio
20
La Generación Distribuida puede funcionar con
distintos combustibles
3 Ventajas del gas natural Combustibles

Posibles combustibles para las pilas de
combustible y microturbinas
Gas de Escape

• Gas natural
• Gasolina
• GLP
• Metanol
• Hidrógeno

Procesador de combustible
Combustible
Alternador
Pila de combustible
C.A.
C.C.
H2 ó CH3OH
Aire

• Conversión
• Purificación

Gas de Escape

• Gas natural
• GLP
• Gasoil
• Fuel

Microturbina y Generador
Combustible
C.A.
Aire
21
El gas natural es el combustible más adecuado
para la Generación Distribuida debido a sus
características poco contaminantes y alta calidad
de suministro
3 Ventajas del gas natural Combustibles

Combustible
Ventajas
Desventajas
Valoración
Gas Natural

• Combustible limpio
• Existencia de reservas amplias
• Calidad de suministro
• Utilización sencilla para pilas de combustible,
  microturbinas y motores

• Cobertura limitada en algunas zonas geográficas

3
Gasolina

• Existencia de reservas amplias

• Conversión complicada para el uso en pilas de
  combustible y motores
• Producción relativamente costosa
• Almacenamiento peligroso
• No aplicable para microturbinas

1
GLP

• Combustible limpio
• Utilización sencilla para microturbinas y motores

• Producción limitada (energía secundaria)
• Almacenamiento no siempre posible

2
Gasoil

• Existencia de reservas amplias
• Utilización sencilla para microturbinas y motores

• No aplicable para pilas de combustible
• Combustible contaminante

2
Fuel

• Existencia de reservas amplias

• Combustible muy contaminante
• No aplicable para pilas de combustible

0
Hidrógeno

• Combustible no contaminante

• Producción costosa (Energía secundaria)
• Transporte y almacenamiento costosos y difíciles
• No existe infraestructura

2
Metanol

• Combustible limpio

• Producción costosa (Energía secundaria)
• No existe infraestructura

2
0 4
Desfavorable Muy favorable
22
La utilización del gas natural en la Generación
Distribuida permitiría reducir de manera
significativamente la contaminación y el efecto
invernadero
3 Ventajas del gas natural Medioambiente

• El gas natural es la energía de origen fósil más
  limpia
• Baja emisión de NOx
• Baja emisión de CO
• Ninguna emisión de partículas

Contaminación del aire
Contaminación del suelo y aguas subterráneas

• No existen riesgos de contaminación de suelo y
  aguas subterráneas por fugas en el almacenamiento
  o accidentes de transporte

Efecto invernadero

• En comparación con otros combustibles líquidos,
  el uso energético de gas natural produce pocos
  gases con efecto invernadero

23
Debido a las elevadas reservas, su fácil
accesibilidad y elevada calidad de suministro, el
gas natural constituye el combustible preferible
para la Generación Distribuida
3 Ventajas del gas natural Seguridad y calidad de
suministro

Transporte y Distribución
Aprovisionamiento
Explotación

• España ha asegurado el abastecimiento de su gas
  mediante contratos bilaterales a largo plazo
• Además, la importación se diversificará
  drásticamente en los próximos años

• Existen reservas seguras de gas natural para los
  próximos 60 años

• Los cortes de suministro son muy reducidos

24
El gas natural se puede utilizar como combustible
con casi todas las tecnologías y aplicaciones de
la Generación Distribuida
3 Ventajas del gas natural Aplicaciones para el
gas natural

Tecnología
Aplicación
Pila de combustible

• Carga base
• Cogeneración
• Calidad de suministro

gas natural
Microturbina

• Cobertura de picos
• Back-up
• Soporte a la distribución

Motores de combustión interna

• Carga base
• Cogeneración
• Back-up
• Soporte a la distribución

25
Contenido

1
Definición de Generación Distribuida
2
Desarrollo del mercado
3
Ventajas del gas natural
4
Oportunidades de negocio
26
La confluencia de varias tendencias va a dar
lugar a nuevas oportunidades de negocio a través
de la Generación Distribuida
4 Oportunidades de negocio

Desregulación

• Menores inversiones en transporte y distribución
• Posibilidad de autogenerar
• Acceso a gas

Oportunidad de crecimiento

• Venta de electricidad
• Venta de gas
• Trading gas-electricidad
• Venta, instalación y servicio de equipos
• Distribución de equipos
• Fabricación de equipos

Necesidades cliente

• Calidad y seguridad de suministro
• Flexibilidad
• Estabilidad de precios

Tecnología

• Pilas de combustible
• Microturbinas
• Sistemas de información y control

27
Al igual que la telefonía móvil en el sector de
las telecomunicaciones, la Generación Distribuida
va a ser un nuevo negocio dentro del sector
eléctrico
4 Oportunidades de negocio

ILUSTRATIVO
Mercado de telecomunicaciones
Mercado eléctrico
Ingresos Generación Distribuida
Ingresos negocio eléctrico tradicional
El negocio eléctrico tradicional experimentará un
impacto similar, con independencia de que se
utilice la Generación Distribuida para ahorrar
costes o mejorar la calidad de servicio
28
Frente a las actividades de generación,
transporte, distribución y comercialización, la
Generación Distribuida presenta una cadena de
valor diferente
4 Oportunidades de negocio
Nuevas oportunidades de negocio
Proveedor energético
Distribuidor
Operador y Mantenimiento
Proveedor de equipos
Ventas y Diseño de Sistemas
Instalación e Interconexión
Financiación
Operaciones y Mantenimiento
Servicio Energético
Distribu-ción de Combustible
Ventas y Distribución de Equipos
Integración de equipos
Fabricación de componentes
Posibles fuentes de negocio

• Financiación de ventas
• Alquiler
• Leasing

Venta de gas

• Gestión de sistemas por cuenta de los usuarios
• Venta de paquetes de servicios de energía
• Gestión de clientes

• Gestión de redes virtuales de generación
• Operación y monitorización
• Centro de servicio

• Red de ventas y distribución
• Logística
• Gestión de productos

En el negocio eléctrico tradicional, el valor se
crea sobre todo mediante la gestión y el control
de los activos. En el nuevo negocio, el valor se
crea básicamente controlando la gestión de los
clientes
29
Algunas compañías europeas de gas y electricidad
ya han empezado con actividades a lo largo de la
cadena de valor de la Generación Distribuida
4 Oportunidades de negocio

Empresas de Energía con presencia en el negocio
Competidores
Proveedor energético
Distribuidor
Operación y Mantenimiento
Proveedor de equipos
Fabricación de componentes
Integración de equipos
Financiación
Operación y Mantenimiento
Servicio Energético
Ventas y Distribución de Equipos
Ventas y Diseño de Sistemas
Instalación e Interconexión
Distribu- ción de Combustible
British Gas
G A S
Shell
BP
E.ON
ELE C T R I C I D A D
RWE
EdF
Innogy
TXU Europe
30

• BACK
• SLIDES

31
La generalización del uso del gas y el aumento
del número de clientes con acceso a gas son
condiciones básicas para el éxito de la
Generación Distribuida (Cont.)
2 Desarrollo del mercado Factores claves Demanda
de gas

Demanda de gas (TWh/año)
Número de clientes en miles
0,1
Industriales
201
1,8
Generación eléctrica
Comerciales
196
6
174
8,2 p.a.
Cogeneración
22
11,4 p.a.
152
142
108
Industrial
53
94
Residenciales
98,1
81
73
72
68
61
Comercial
5
Residencial
14