Cómo las microrredes y los DER pueden maximizar la sostenibilidad y la capacidad de recuperación de las instalaciones industriales y comerciales

Los recursos energéticos distribuidos (DER), como la energía solar, la energía eólica, la producción combinada de calor y electricidad (CHP), los sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS) e incluso los generadores convencionales, pueden contribuir significativamente a mejorar la sostenibilidad y la resistencia de las instalaciones comerciales e industriales, especialmente cuando se combinan en una microrred utilizando un sistema de control automatizado para coordinar y gestionar de forma inteligente la generación, el flujo, el almacenamiento y el consumo de energía.

Para maximizar los beneficios medioambientales y económicos de las microrredes, el controlador debe equilibrar el funcionamiento y la integración de los DER en tiempo real, gestionar cargas inteligentes como la iluminación, los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), la carga de vehículos eléctricos (EV) y las instalaciones de tecnología de la información, utilizar la información histórica de la demanda para proyectar los perfiles de carga futuros, proporcionar conexiones seguras y eficientes a la red de suministro y ofrecer apoyo a las funciones de respuesta a la demanda con datos de precios de la energía en tiempo real.

Este artículo repasa los elementos que componen una microrred, examina las arquitecturas de microrredes, presenta una visión general de la norma IEEE 1547, que establece los requisitos para la interconexión de DER, y de la norma IEEE 2030, que proporciona un proceso técnico completo para describir las funciones de un controlador de microrredes. A continuación, analiza cómo los controladores de microrredes pueden mejorar la sostenibilidad, la resiliencia y los beneficios económicos, y concluye con una breve descripción de los problemas de ciberseguridad de las microrredes.

¿Qué hace falta para crear una microrred?

Las microrredes son diversas en cuanto a su implantación y componentes. Para hablar de cómo las microrredes y los DER pueden maximizar la sostenibilidad y la resistencia, lo mejor es empezar con una definición y algunos ejemplos de componentes y arquitecturas de microrredes. El Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) define una microrred como "un grupo de cargas interconectadas y recursos energéticos distribuidos dentro de unos límites eléctricos claramente definidos que actúan como una única entidad controlable con respecto a la red". Una microrred puede conectarse y desconectarse de la red para funcionar en modo conectado a la red y en modo isla".

Aunque la definición de microrred es sencilla, existen diversas categorías de microrredes, modos de funcionamiento y posibles subsistemas entre los que elegir a la hora de construir una microrred, y lograr la máxima sostenibilidad y resistencia de una microrred implica numerosas opciones arquitectónicas y operativas. La automatización es un factor importante. Algunos ejemplos de subsistemas automatizados son (Figura 1):

• Generación dentro de la microrred, incluida una amplia gama de DER y CHP
• Redes de distribución eléctrica
• BESS
• Cargas como sistemas HVAC y máquinas y motores en instalaciones industriales.
• Gestión de la recarga de vehículos eléctricos y de las conexiones de vehículo a red (V2G)
• Controladores y conmutadores de microrredes
• Interconexiones a la red pública para instalaciones conectadas a la red

Figura 1: Las microrredes pueden incluir varios DER, cogeneración y cargas. (Fuente de la imagen: Schneider Electric)

Categorías de microrredes

Las microrredes pueden clasificarse según sean aisladas o conectadas a la red:

La categoría más común es la de instalaciones no conectadas a la red. Los casos de uso incluyen zonas remotas a las que no llega la red comercial, como minas, polígonos industriales, casas de montaña y bases militares.

También se encuentran en lugares remotos. Los casos de uso incluyen pueblos, islas y comunidades remotas. Mientras que las microrredes gestionadas por instalaciones están controladas por una única entidad, las microrredes gestionadas por la comunidad deben satisfacer las necesidades de un grupo de usuarios. Pueden requerir sistemas de mando y control más complejos.

Las instalaciones conectadas a la red tienen un único propietario y se utilizan para mejorar la fiabilidad en zonas en las que la red principal no es fiable y se necesita energía, o en casos en los que existen incentivos económicos para las cargas desprendibles y otros servicios del propietario de la microrred. Los casos de uso pueden incluir hospitales, centros de datos, plantas de fabricación de procesos continuos y otros edificios de alta disponibilidad.

Las comunidades conectadas a la red tienen múltiples usuarios y productores de energía conectados a la red principal y gestionados como una sola entidad. Los casos de uso incluyen campus empresariales o universitarios, pueblos y ciudades pequeñas. Pueden tener una diversidad de usuarios, productores e instalaciones de almacenamiento de energía y pueden ser las más complejas de controlar.

A veces las microrredes son islas

Además de hablar de los componentes de una microrred, la definición del DOE se refiere al funcionamiento de las microrredes "tanto en modo conectado a la red como en modo isla". Las definiciones de esos modos son sencillas, pero su aplicación es más compleja y se aborda en algunas normas IEEE.

IEEE 1547-2018, Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems, detalla los requisitos técnicos para la interconexión e interoperabilidad de los DER con la red eléctrica. IEEE 1547 es una norma en evolución. Las versiones anteriores de la norma IEEE 1547 se diseñaron para niveles bajos de penetración de los DER y no tenían en cuenta el posible impacto regional agregado de los DER en el sistema eléctrico global. La norma IEEE 1547-2018 añadió requisitos más estrictos en relación con la regulación de la tensión y la frecuencia, así como con la capacidad de paso para contribuir a la fiabilidad del sistema de transmisión. Más recientemente, se añadió la enmienda 1547a-2020 para tener en cuenta los resultados de explotación anormales.

La norma IEEE 2030.74 describe las funciones de un controlador de microrred en términos de dos modos de funcionamiento en estado estacionario (SS) y cuatro tipos de transiciones (T) (Figura 2):

• SS1, modo de estado estable conectado a la red, tiene la microrred conectada a la red pública. El controlador puede utilizar los componentes de la microrred para proporcionar a la red servicios como la reducción de picos, la regulación de la frecuencia, el apoyo a la potencia reactiva y la gestión de rampas.
• SS2, el modo de isla estable o "islanding" es cuando la microrred está desconectada de la red eléctrica y funciona de forma aislada. El controlador debe equilibrar las cargas y los servicios de generación y almacenamiento de energía de la microrred para mantener un funcionamiento estable de la misma.
• T1, se refiere a una transición planificada del modo conectado a la red al modo isla en estado estacionario. Incluso cuando la red pública está disponible, puede haber incentivos económicos u operativos para pasar al modo isla. Además, este modo permite probar el funcionamiento de la microrred.
• T2, es una transición no planificada del modo conectado a la red al modo isla en estado estacionario. Es análogo al funcionamiento de una fuente de alimentación ininterrumpida en un centro de datos y suele utilizarse cuando falla la red principal. La microrred se desconecta sin problemas y funciona como una red eléctrica independiente.
• T3 se refiere a la reconexión en estado estacionario de la isla a la red eléctrica. Se trata de un procedimiento técnico complejo en el que un generador "formador de red" de la microrred detecta la frecuencia y el ángulo de fase de la energía de la red y adapta exactamente la microrred a la red principal antes de volver a conectarla.
• T4, es un arranque en negro en modo isla en estado estacionario. En este caso, la microrred se ha caído y debe aislarse de la red pública y reiniciarse en modo isla. Esta situación podría producirse debido a un corte inesperado que el controlador de la microrred no puede gestionar utilizando una transición estable T2, o podría ser necesaria si la isla no tiene suficiente generación o reserva de almacenamiento de energía para seguir suministrando a todas las cargas y debe apagar todas las cargas no esenciales antes de poner en línea el generador. Además, cualquier BESS de la microrred debe recargarse al menos parcialmente antes de volver a conectarse.

Figura 2: La norma IEEE 2030.74 exige que los controladores de microrredes se adapten a dos estados estacionarios y a cuatro tipos de transiciones entre esos estados. (Fuente de la imagen: National Rural Electric Cooperative Association)

Implantación de microrredes

Existen casi tantas combinaciones de DER y cargas como microrredes, pero los controladores y conmutadores automatizados son elementos comunes. En las grandes microrredes, como la que se ilustra en la figura 1, suelen estar separadas en una sala de control centralizada, una aparamenta distribuida para los DER y las cargas y, en los diseños conectados a la red, una subestación que sirve de aparamenta entre la microrred y la red pública.

Los controladores de microrredes necesitan información y, para maximizar la resistencia y la sostenibilidad, deben ser rápidos. Los controladores utilizan una red de sensores para supervisar el funcionamiento de los DER y las cargas en tiempo real. En las microrredes conectadas a la red, el controlador también supervisa el estado de la red pública local. Si se produce alguna anomalía, el controlador responde en milisegundos y envía una orden al DER, la carga o la aparamenta asociados.

Los tamaños de los conmutadores oscilan entre unos pocos kW y varios MW y tienen que responder a las demandas de los controladores en unos pocos milisegundos o arriesgarse a sufrir un fallo grave. Algunas celdas disponen de disyuntores inteligentes que funcionan de forma autónoma para proporcionar una capa adicional de protección.

En las instalaciones más pequeñas, el controlador y la aparamenta pueden combinarse en un único equipo, a veces denominado centro de control de energía (CCE). Los ECC están disponibles precableados, ensamblados y probados en fábrica. Las Criptografías de curva elíptica (ECC) simplifican y aceleran la instalación de microrredes y pueden gestionar múltiples fuentes de energía, incluida la energía de la red y los DER con cargas priorizadas. Por ejemplo, Schneider Electric ofrece la línea ECC 1600 / 2500 de Criptografías de curva elíptica (ECC) para microrredes de edificios (Figura 3). Algunas Características de la línea ECC 1600 / 2500 incluyen:

• Configurable bajo pedido con potencias de salida de 100 a 750 kW y optimizable para edificios nuevos o existentes.
• Funciona con múltiples DER, como fotovoltaica, BESS, eólica, de gas y generadores diésel.
• El controlador permite la resiliencia durante los cortes, incluido el uso de la fotovoltaica con un recurso de anclaje como un generador de reserva o un BESS.
• Los medidores inteligentes automatizados ofrecen información sobre la calidad del suministro eléctrico, el consumo de energía y la producción de fuentes de energía renovables.
• Celdas con bus de distribución de 1600 a 2500 A
• Análisis basados en la nube para maximizar la resistencia y la Devolución de la inversión de los DER.

Figura 3: Las Criptografías de curva elíptica (ECC) combinan el controlador de la microrred (izquierda) y la aparamenta (derecha) en un único equipo. (Fuente de la imagen: Schneider Electric)

Energía segura

La ciberseguridad es un aspecto importante de la seguridad y la resistencia energéticas. La Agencia Internacional de la Energía (AIE) define la seguridad energética como "la disponibilidad ininterrumpida de fuentes de energía a un precio asequible". Las microrredes pueden contribuir significativamente a garantizar un suministro energético de bajo coste, seguro y resistente.

La comunicación es un elemento esencial de las microrredes. Esto significa comunicación con la nube, y posiblemente con la red local de suministro, para optimizar el rendimiento. Además, los distintos DER y cargas que componen una microrred típica proceden de distintos fabricantes y emplean protocolos y tecnologías de comunicación heterogéneos. La conectividad a Internet y las tecnologías inalámbricas como Wi-Fi se encuentran en casi todas las microrredes y pueden ser esenciales para obtener los máximos beneficios. También apoyan funciones auxiliares como la recopilación de previsiones meteorológicas y los precios del combustible y la energía en tiempo real.

Garantizar la ciberseguridad es complejo. Además de un hardware seguro, se necesitan políticas, procedimientos y personal para hacer frente a las vulnerabilidades cibernéticas que pueden permitir a los atacantes acceder a redes y datos sensibles e incluso manipular el software de control, con el consiguiente perjuicio para el funcionamiento de la microrred. Los terroristas son sólo una preocupación; también hay que tener en cuenta a los competidores o a los empleados sin escrúpulos. Pueden producirse errores de los operadores, las redes pueden tener lagunas desconocidas debido a software obsoleto, etc. (Figura 4). La ciberseguridad no puede ser una ocurrencia tardía. Para que sea eficaz, debe diseñarse desde el principio en todos los aspectos del hardware, el software y los procesos de la microrred.

Figura 4: Las vulnerabilidades de las personas, los procesos y los agujeros en la seguridad física pueden presentar vectores de ataque a las microrredes. (Fuente de la imagen: Schneider Electric)

Resumen

Las microrredes integran numerosas fuentes de energía renovables y cargas en un único sistema para maximizar la sostenibilidad energética y la resistencia. Pueden utilizarse varias arquitecturas de microrredes para satisfacer necesidades específicas de energía y conectividad. El aumento del número de microrredes y la creciente penetración de los DER ha dado lugar a una evolución de la norma de interconexión IEEE 1547 y está impulsando una mayor atención a la ciberseguridad de las microrredes.