Trabajo ganador en el área de Innovación y Tecnología en Conamin 2024.

Por: José Estela Ramírez, gerente del Proyecto, Compañía Minera Poderosa. 

Resumen 

El presente artículo, detalla la implementación del Sistema de Almacenamiento de Energía Eléctrica con Baterías (BESS), en Compañía Minera Poderosa. 

El proyecto consiste en la implementación de un BESS de 4 MW / 8 MWh, para reducir cargos por potencia y peaje principal de la compra de electricidad a la red nacional, y disminuir el consumo de combustible para la generación termoeléctrica.

El BESS está conformado por cuatro contenedores de baterías de litio de 8 MWh en total, 20 inversores de 4 MW en total, dos transformadores de potencia de 5 MVA en total, un Sistema de Gestión de Energía (EMS) y un software predictor de máxima demanda eléctrica de la red nacional.

Las baterías del BESS se cargan en las horas de menor demanda eléctrica de las operaciones mineras dentro de las horas fuera de punta y, se descargan o entregan energía a la red de la unidad minera, en el periodo de máxima demanda del sistema interconectado (dentro de las horas punta).  

Para la descarga de la energía almacenada en las baterías, se emplea un software predictor de la máxima demanda diaria del Sistema Eléctrico Interconectado Nacional (SEIN) que indica el rango horario de operación de las baterías, con lo que se recorta los picos de consumo eléctrico de las operaciones en dicho rango.  

Al final de cada mes, el suministrador de electricidad de Compañía Minera Poderosa factura, entre otros cargos, la potencia consumida o coincidente, la cual disminuye por la operación del BESS, obteniéndose un ahorro en la facturación mensual de electricidad.

Esta aplicación es denominada Peak Shaving o, conocida también, como recorte de picos de máxima demanda en horas punta del SEIN.  

Introducción

Antecedentes

En el 2021, Compañía Minera Poderosa actualizó su plan estratégico y estableció la iniciativa de realizar una transición a energías limpias como parte de la estrategia de defender la continuidad del negocio. Asimismo, la alta dirección, estableció la meta de llegar a cero emisiones de GEI al 2030 en el alcance 01 y 02 (compra y autogeneración de electricidad), y llegar a ser carbono cero al 2050 incorporando el alcance 03 (huella de carbono de los proveedores).

La empresa está conectada al SEIN a través de una red de distribución de Hidrandina que no cuenta con suficiente capacidad de potencia y energía, lo que la obliga a autogenerar la diferencia con una pequeña hidroeléctrica y con grupos termoeléctricos con diésel.

El precio de la energía que Compañía Minera Poderosa había pactado en contrato de compra de electricidad de la red era de 35 US$/MWh que representa el 49% de la factura, cuyo precio final era de 71 US$/MWh en 2022.

El Peaje del Sistema Principal de Transmisión (SPT) junto con la potencia que pagaba la compañía en su factura de compra de electricidad representaba el 25% de la factura final.

El proyecto nace por la necesidad de disminuir los altos costos de la energía eléctrica suministrada por Hidrandina, debido al cobro de la potencia coincidente del sistema eléctrico de Compañía Minera Poderosa con la máxima demanda del sistema interconectado nacional, además de los altos costos de generación con energía termoeléctrica, y la necesidad de disminuir las emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI).

Problema por resolver

El principal problema por resolver era el alto costo de electricidad en el sistema eléctrico de Compañía Minera Poderosa, destacando el elevado consumo termoeléctrico que conlleva mayores emisiones de GEI. A continuación, se describe la problemática:

Altos costos de energía del SEIN:

ν Los costos asociados a potencia coincidente con la máxima demanda del sistema representaban un 25% de la compra de electricidad a la red (Hidrandina). La facturación anual de Hidrandina en 2023 fue de US$ 6.3 MM.

Altos costos de generación de energía termoeléctrica:

ν La generación termoeléctrica se ha venido incrementando, debido a la capacidad limitada de la red proveniente de Hidrandina y a la creciente demanda de energía eléctrica de la operación minera con un crecimiento de 11% anual en los últimos 20 años; esto sumado a los altos costos del petróleo (350 US$/MWh), conlleva al incremento de los costos de energía eléctrica. En el 2023, los costos de energía termoeléctrica fueron de US$ 5.9 MM.

En medio ambiente:

ν Se requería reducir las emisiones de GEI con un menor uso de petróleo para generación termoeléctrica. En el 2022, las emisiones térmicas en Compañía Minera Poderosa fueron: 2,014 TonC0₂e/MWh.

ν Se requería ir migrando a energías limpias (objetivo del plan estratégico).

En seguridad de suministro:

ν A fin de satisfacer la demanda creciente de energía eléctrica y la caída de voltaje se tenía que encender grupos electrógenos a diésel de manera diaria.

ν El tiempo que toma el encendido de los grupos térmicos es aproximadamente 10 minutos. Lo cual genera tiempos improductivos en las operaciones por la paralización de equipos críticos (ventilación en interior mina).

Objetivos

Objetivo general

Reducir costos de energía eléctrica, asociados a la potencia coincidente con el SEIN en la factura de Hidrandina y a la generación de energía termoeléctrica con un sistema de almacenamiento de electricidad. Además, contar con una fuente de electricidad que actúe de forma inmediata en conjunto con la generación térmica en caso de contingencias.

Objetivos específicos 

ν Reducir los costos asociados a la potencia coincidente en 14% de la facturación en  US$ 816,000.

ν Reducir los costos de generación térmica en US$ 650,000 por año.

ν Reducir la emisión de GEI en 400 ton CO₂ por año

ν Contar con una fuente de abastecimiento de energía eléctrica adicional entre 06 y 10 MWh/día en caso de contingencias. 

Alcance

ν Encontrar una solución de almacenamiento de electricidad barata para las operaciones de Compañía Minera Poderosa.

ν La solución deberá adecuarse a las instalaciones eléctricas existentes y el área disponible para el emplazamiento del proyecto.

ν El proyecto debe ser viable en los aspectos técnico, económico y ambiental.

Marco teórico y método de solución

Peak Shaving

Se define como Peak Shaving o reducción de picos de potencia, a la aplicación en la que el consumidor almacena electricidad en periodos de baja demanda en horarios fuera de punta y luego inyecta la electricidad almacenada para atender su consumo en horarios de máxima demanda del SEIN, dentro de las horas punta (periodo entre las 17.00 y las 23:00 horas). De esta manera se reduce la lectura de potencia registrada en el medidor de la red en dicho periodo y, con ello, se baja los costos por potencia coincidente en la facturación del distribuidor de electricidad y en el peaje principal. 

Selección de la alternativa de solución

Dentro de los diferentes sistemas de almacenamiento de electricidad existentes y por cantidad de energía a almacenar requerida en MWh, se empleó como herramienta una matriz de decisiones en la cual se analizaron tres alternativas de solución que fueron las siguientes: Un BESS, un sistema Pumped Hydro y grupos térmicos a gas natural.

Para la selección de la mejor alternativa se emplearon los siguientes criterios de selección: calidad, tiempo de implementación, menor LCOE, seguridad, permisos y medio ambiente. Se asignaron puntajes y se obtuvo el resultado que se presenta en la Tabla 1.

De esta manera, resultó ganadora la alternativa del BESS por obtener el mayor puntaje en los criterios evaluados.

Recopilación de la información

Se realizó un benchmarking con el fin de conocer la tecnología en sistemas de almacenamiento con baterías y analizar su uso en el sector industrial minero, con las siguientes visitas:

ν Visita técnica a la central térmica Ventanilla (Perú) en la que implementó un BESS de 14.6 MW para la aplicación de regulación de frecuencia en octubre de 2021.

ν Visita técnica al Congreso Intersolar en Múnich (Alemania) en junio de 2021, en el cual se tomó conocimiento de las últimas tecnologías y proveedores especializados en almacenamiento, se visitó un BESS y campo solar fotovoltaico en la ciudad de Núremberg.

ν Se investigó en la página web de empresas líderes del mercado mundial en almacenamiento de energía para uso industrial pesado.

Cálculo de la capacidad de almacenamiento

Datos históricos

ν Se tomó la información histórica de Compañía Minera Poderosa, específicamente el perfil de carga horario de los registros de medición de los años 2019 al 2021, y se proyectó el diagrama de carga al 2023. Con esta información se preparó una data excel de “Datos históricos”, la cual contiene información de: a) energía eléctrica consumida, b) máxima demanda en horas punta, y c) demanda coincidente con el SEIN.

ν Se revisó la información de las facturas emitidas por el suministrador de electricidad (Hidrandina) para determinar los costos por potencia coincidente. 

Proyección de demanda

Se realizó una proyección mensual del despacho de las diferentes fuentes de electricidad en un horizonte de 10 años entre enero de 2022 y diciembre de 2031. Esto se realizó en base al histórico del suministro eléctrico de la empresa, por medio de sus fuentes de electricidad y en base a la demanda proyectada de acuerdo con el crecimiento de las operaciones mineras.

Perfil de carga diario

En base a la simulación de despacho, se elaboró un diagrama de carga típico diario a partir de la puesta en operación del BESS (año 2023) con el fin de visualizar los periodos de carga y descarga y, en general, el modo de operación del proyecto.

Dimensionamiento del BESS

Se evaluó el dimensionamiento adecuado para el nuevo sistema de almacenamiento de electricidad con baterías de litio de la siguiente forma: 

Definición del costo de la energía de las diferentes fuentes para el diagrama de carga típico (escenario sin proyecto). Para este escenario se calculó los siguientes costos y se obtuvo el costo total de la energía:

ν Costo de energía termoeléctrica.

ν Costo de energía de la red (costo por potencia coincidente del SEIN).

ν Costo de energía de CH tingo.

Definición del costo de la energía de las diferentes fuentes considerando alternativas de tamaño del BESS con 1 hora, 2 horas y 3 horas de autonomía (escenario con proyecto), combinaciones de potencia (entre 1MW y 4MW) y Energía (entre 1MWh y 12 MWh). para este escenario se calculó los siguientes costos y se obtuvo el costo total de la energía:

ν Costo de energía termoeléctrica, la cual disminuye por efecto de la operación del BESS.

ν Costo de energía de la red, se calcula como la suma del costo de la energía consumida más el costo por la potencia coincidente consumida. Con la aplicación del BESS disminuyó la potencia coincidente, por lo tanto, disminuyeron los cargos por potencia y la facturación de compra a la red. 

ν Costo de energía de CH tingo.

Se realizaron evaluaciones económicas en las diferentes combinaciones de tamaño del proyecto, comparándolo con el escenario “sin proyecto”.

ν Las diferentes combinaciones de alternativas económicas se llevaron a una tabulación de resultados con el propósito de definir el tamaño óptimo o el más conveniente. Aquí se incluyó para cada combinación los indicadores económicos de VAN, TIR, Payback y B/C, asociados a cada tamaño de la solución.

De las alternativas analizadas se eligió el tamaño de 4MW/8MWh por ser la de mayor VAN y TIR y por ajustarse a la disponibilidad de área para el emplazamiento del proyecto. Si bien la opción de una hora de autonomía arroja valores positivos en la evaluación, se descartó ya que no permitía el reemplazo de energía termoeléctrica y reducía el porcentaje de acierto de la máxima demanda coincidente al tener un menor tiempo de operación. La alternativa con 3 horas de autonomía dio valores negativos en VAN, por lo cual se descartó.

Método de solución 

Se empleó la metodología del ciclo Planificar, Hacer, Verificar y Actuar (PHVA) como estrategia interactiva de resolución de problemas para mejorar procesos e implementar cambios. El ciclo PHVA es un método que busca mejorar los procesos con iteraciones. Al seguir este ciclo, los equipos desarrollan hipótesis, ponen a prueba las ideas y las mejoran. 

Fase 1: Planear

ν Se identificó la problemática: altos costos de energía de la red (cargos por potencia) y generación termoeléctrica en horas punta.

ν Se realizó el análisis técnico y dimensionamiento para la solución del BESS.

ν Se evaluó costos, tiempos, riesgos y rentabilidad. Se emitió un informe con la viabilidad del proyecto para la aprobación de la alta Gerencia.

ν Se desarrolló un cronograma integral del proyecto para el seguimiento. 

Fase 2: Hacer

ν Se licitó un EPC para implementar el proyecto. Resultando ganador el epecista Novum Solar con equipos BESS de la marca Huawei.

ν Se contrató una supervisión especializada (ATA Storage de España) y contratistas locales para obras civiles.

ν Se ejecutó el proyecto de acuerdo con la ingeniería desarrollada y con altos estándares de calidad y seguridad. 

Fase 3: Verificar

ν Se realizó el proceso de puesta en marcha.

ν El usuario final verificó el cumplimiento del alcance.

ν El sistema ingresó en operación el 10/10/23 y se realizó la inauguración en presencial de la Gerencia general y líderes de procesos de la unidad minera. Se acertó la primera máxima demanda coincidente del sistema el 17/10/23 a las 19:00 horas.

Fase 4: Actuar

ν Se monitorea el funcionamiento del Peak Shaving cuantificando el ahorro, desde el sistema Scada o desde la plataforma ELUM. 

ν Se creó un estándar de uso de almacenamiento de energía en la unidad.

ν Se viene entrenando al personal para la aplicación de nuevas funciones del BESS.

Criterios de la innovación tecnológica

La innovación tecnológica seleccionada, tuvo los siguientes criterios:

Originalidad

Compañía Minera Poderosa se ha constituido en la primera empresa del sector en Latinoamérica que ha implementado un BESS para uso de Peak Shaving y otras aplicaciones, superando condiciones geográficas y climáticas adversas, y que ahora se está convirtiendo en una mejor práctica innovadora del negocio minero energético. La solución nos ratifica como empresa responsable que apuesta por la tecnología, innovación y sostenibilidad.

Bajo costo

Los equipos instalados (baterías, inversores, transformadores, EMS, etc.) tuvieron un menor costo respecto a las alternativas evaluadas, y un menor tiempo en el retorno de la inversión como solución creativa.

Alto impacto

La solución encontrada tuvo una repercusión de alto impacto en la organización y en el sector minero energético, incidiendo en la menor facturación de compra de electricidad a la red y aportando mayor seguridad y confiabilidad al suministro eléctrico para la operación. Asimismo, la solución está alineada al objetivo estratégico de la organización de reducir la huella de carbono a cero emisiones de GEI de alcance 01 y 02 al 2030.

Solución implementada 

ν Las baterías del BESS se cargan en las horas de menor demanda eléctrica de las operaciones mineras dentro de las horas fuera de punta y, se descargan o entregan energía a la red de la unidad minera, en el período de máxima demanda del sistema interconectado (dentro de las horas punta).  

ν Para la descarga de la energía almacenada en las baterías, se emplea un software predictor de la máxima demanda diaria del SEIN (Tesla Forecasting), que indica el rango horario de operación de las baterías, con lo que se recorta los picos de consumo eléctrico de las operaciones en el referido rango.  

ν El BESS está conformado por cuatro contenedores de baterías de litio de 8 MWh en total, 20 inversores de 4 MW en total, dos transformadores de potencia de 5 MVA en total, un EMS y un software predictor de máxima demanda eléctrica de la red nacional, este equipamiento se describe a continuación:

Cuatro contenedores de 20 pies con baterías de ion de litio de 2 MWh de capacidad de almacenamiento cada uno, con grado de protección IP55.

Cuatro tableros DC de 9 entradas, 5 salidas, de 1200 Vdc.

20 inversores bidireccionales de 200kVA, obteniéndose en conjunto 4,000 kVA, con grado de protección IP 66, tensión de salida 0.8 kV. El inversor seleccionado para la conversión de energía de DC a AC es el LUNA2000-200KTL-H0 de Huawei. 

Dos centros de transformación 2.5 kVA c/u (CT-01, y CT-02). El CT-01 se encarga de elevar la tensión de salida de los inversores de 800V al nivel de tensión de 25kV, y cuenta con una celda de salida y de llegada que se conecta al CT-02, que se encarga de elevar la tensión de salida de los inversores de 800V al nivel de tensión de 25kV, y se conecta a la celda existente de la SE La Morena.

Verificación de la solución

Desde la puesta en operación del proyecto que ocurrió el 10 de octubre de 2023 se verificó la solución implementada lográndose la reducción del pago por potencia y peaje de electricidad en el orden de 10 US$/MWh mensual que representa un ahorro de US$ 816,000 anuales por Peak Shaving como se aprecia en la Figura 14.

Beneficios del proyecto 

Económicos

El proyecto permite un ahorro en la facturación mensual de Hidrandina en un 14%, que representa US$ 816,000 anuales, y una reducción del consumo de energía termoeléctrica en horas punta, que representa un ahorro anual adicional de US$ 646,400 anuales.

Se obtuvieron los siguientes indicadores económicos: VAN: US$ 1.23 MM, TIR: US$ 19.3%, Payback: 5.5 años. La inversión del proyecto fue de US$ 5.5 MM y el tiempo de evaluación es de 16 años (vida útil de las baterías).

Ambientales 

Se logró la disminución de la generación de GEI, debido al menor consumo de diésel, lo que equivale a 1,460 MWh-año de energía termoeléctrica y su equivalente 389.5 Ton de CO₂ por año.

Confiabilidad

Se cuenta con una fuente de almacenamiento de electricidad del orden de 4MW de potencia y 8 MWh de energía, incrementando en un 40% la potencia de reserva de electricidad para casos de contingencia.

Retos del proyecto

Los seis retos que afrontó el proyecto fueron los siguientes:

a) El traslado de los equipos por 900 km desde el puerto del Callao (Provincia Constitucional del Callao) hasta la SE La Morena, en Pataz (La Libertad), a una altura de 1,900 msnm, cruzando la cordillera de los Andes y el río Marañón.

b) Por la dimensión de 20 pies de cada contenedor de baterías con un peso de 33 toneladas c/u, se encontraron dificultades en el tramo Huamachuco-Pataz de 146 km, que presentaba anchos mínimos de carretera de 3.50 m, por lo que se tuvo que realizar voladuras de talud, muros de contención y ampliaciones con maquinaria, en algunas zonas, además del refuerzo de puentes.

c) Se tuvo que estabilizar el talud colindante del BESS con un sistema novedoso de Soil Nailing (pernos de anclaje con inyección de lechada y malla de alta resistencia) a través de una empresa especializada y materiales de importación.

d) Se realizó el montaje de equipos en un área reducida: no se pudo utilizar grúas para el montaje de los contenedores de baterías y centros de transformación, por ello se tuvo que montar mediante gatas hidráulicas, Tirfor y tortugas.

e) Dada la alta especialización técnica del proyecto, se acudió a una supervisión extranjera, como Ata Storage que estuvo en campo de manera permanente durante la etapa de conexionado y puesta en marcha.

f) Se desarrolló la ingeniería en paralelo con la construcción llevada a cabo de forma satisfactoria por Novum Solar, mediante un fast track, que ameritó una coordinación muy detallada con todos los actores.

Conclusiones 

1. El almacenamiento de energía eléctrica en grandes cantidades era impensado años atrás. Estaba limitado a cantidades pequeñas y con tecnología de plomo ácido de alto costo y contaminación.

2. Hoy con los avances tecnológicos, el almacenamiento de electricidad en grandes cantidades ya es posible gracias a las baterías de ion litio que han ido reduciendo sus costos en los últimos años con alta seguridad en su uso y cuidado del medio ambiente.

3. Con el proyecto BESS La Morena, implementado por el área de Proyectos Energéticos de Compañía Minera Poderosa, se viene obteniendo una disminución de los cargos por potencia coincidente en la facturación de Hidrandina en un 14%, logrando un ahorro anual de US$ 816,000 y una reducción del consumo de energía termoeléctrica en horas punta que representa un ahorro anual adicional de US$ 646,400 anuales.

4. El proyecto BESS permite a las operaciones mineras tener una fuente de energía adicional de acción inmediata en caso de un corte intempestivo de la energía proveniente de la red nacional, logrando así reponer el suministro eléctrico de manera más segura y rápida en conjunto con los grupos termoeléctricos.

5. El proyecto significó una inversión de US$ 5.5 MM y un periodo de evaluación de 16 años (vida útil de las baterías), obteniendo como beneficios económicos un VAN de US$ 1.23 MM, un TIR de 19.3% y un Payback de 5.5 años con un B/C de 1.3.

6. Se redujo en 1,460 MWh el consumo anual de energía termoeléctrica, lo que representa 389.5 Ton CO2 al año de menores emisiones de GEI.

7. El proyecto ha permitido la capacitación del personal en la operación del BESS, adquiriendo nuevos conocimientos en Inteligencia Artificial, mejorando de este modo sus aptitudes para el uso de nuevas tecnologías.

8. Con el proyecto BESS, Compañía Minera Poderosa se convirtió en la primera empresa minera del país en apostar por esta tecnología para su aplicación con Peak Shaving y ahorro de energía termoeléctrica, lo que representa un hito en el sector minero-energético en el país y Latinoamérica, además que la iniciativa está alineada a las políticas y objetivos de sostenibilidad de la empresa.

Premios y distinciones obtenidas

Desde octubre de 2023 que ingresó en operación, el proyecto BESS La Morena ha obtenido las distinciones que figuran en la Tabla 5.

Bibliografía

Banco Interamericano de Desarrollo. Evolución futura de costos de las energías renovables y almacenamiento en América Latina. (diciembre 2019) https://publications.iadb.org/es/evolucion-futura-de-costos-de-las-energias-renovables-y-almacenamiento-en-america-latina

Huawei, Solución de almacenamiento de energía con baterías, https://solar.huawei.com/es/professionals/ess

Martins, J. 2022. Ciclo Planificar-Hacer-Verificar-Actuar (PHVA) https://asana.com/es/resources/pdca-cycle

Ministerio de Energía y Minas, Factores de emisiones nacionales asociados con el consumo de electricidad del sistema eléctrico interconectado nacional, https://namasenergia.minem.gob.pe/Content/fileman/Uploads/eficienciaenergetica/menueficiencia/Factores%20de%20emisi%C3%B3n%20nacionales%20por%20consumos%20de%20electricidad.pdf

NREL, U.S. Solar Photovoltaic System and Energy Storage Cost Benchmarks (2021) https://www.nrel.gov/docs/fy22osti/80694.pdf

Novum Solar, Solución sistema de almacenamiento BESS, https://novumsolar.com/casos-de-exito/sistema-de-almacenamiento-bess-la-morena-compania-minera-poderosa/

R4Mining, Minería para renovables, https://renewables4mining.com/category/mineria-para-energias-renovables/

Tesla Forecasting Solutions, portal diseñado para ver e interactuar con los pronósticos de máxima demanda del SEIN, https://teslaforecast.us/TESLAWeb/en

UNSA, Evaluación Financiera de proyectos de inversión métodos y aplicaciones, https://www.upsa.edu.bo/images/libro_evaluacion-financiera-de-proyectos-de-inversion.pdf