Utilizar la electrificación y la automatización para crear redes eléctricas más eficientes y sostenibles - Primera parte de dos

La sustitución de las fuentes de energía tradicionales de la red eléctrica por otras sostenibles y ecológicas se denomina electrificación. En este artículo, Parte 1 de 2, se analizan algunos de los retos asociados a la electrificación y cómo la automatización puede contribuir a su eficiencia y sostenibilidad. La Parte 2 de esta serie tratará sobre las certificaciones LEED (Liderazgo en Energía y Diseño Medioambiental) y ZEB (Edificio de Energía Cero) y cómo pueden reducir las emisiones de carbono y mejorar la sostenibilidad.

La electrificación es la sustitución de los sistemas que utilizan combustibles fósiles como el petróleo, el carbón y el gas natural para la generación de electricidad por la energía fotovoltaica (FV) y otras tecnologías ecológicas, así como la sustitución de los vehículos con motor de combustión interna (MCI) por vehículos eléctricos (VE). Los sistemas electrificados, junto con el uso de la automatización que los une a todos y favorece las redes inteligentes y las microrredes, son factores importantes para que la sociedad avance hacia un futuro más sostenible y ecológico.

La red eléctrica actual no se diseñó para cargar un gran número de vehículos eléctricos, y se espera que las redes inteligentes y las microrredes sean tecnologías fundamentales para apoyar la sustitución generalizada de los vehículos de combustión interna por vehículos eléctricos. En California, el gobernador acaba de promulgar un pedido ejecutivo por el que se exige que para 2035 todos los nuevos buses de pasajeros ligeros y vehículos que se vendan sean vehículos de emisiones cero (VE). Los creadores de redes inteligentes y microrredes deben cumplir una desalentadora matriz de normas internacionales para hacer frente a este tipo de mandatos. Por ejemplo, el IEEE tiene más de 100 normas aprobadas o en desarrollo relacionadas con las redes inteligentes, incluidas las más de 20 normas del IEEE citadas en el marco y la hoja de ruta del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología (NIST) para la interoperabilidad de las redes inteligentes. Además de las normas del IEEE, las microrredes se rigen por la serie de microrredes IEC 62898 y otras normas.

Este artículo es la primera de dos partes. Examina los retos relacionados con la electrificación, la integración de los recursos energéticos distribuidos (DER), las similitudes y diferencias entre las redes inteligentes y las microrredes, y cómo la automatización mejora su eficiencia y sostenibilidad, incluido el apoyo a la adopción universal de los vehículos eléctricos. Comienza analizando qué son los DER y dónde encajan, y termina viendo cómo la aparición de microrredes de servicios públicos está difuminando la distinción entre microrredes y redes inteligentes. Sea cual sea la implementación, DigiKey suministra una amplia matriz de productos de automatización industrial que respaldan la electrificación y la integración de DER. El segundo artículo examina cómo pueden utilizarse la electrificación y la automatización en los edificios ecológicos para conseguir las certificaciones LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) y ZEB (Zero Energy Building).

¿Qué es un DER?

La definición de la Corporación Norteamericana de Fiabilidad Eléctrica (NERC) es la siguiente: "un recurso energético distribuido (DER) es cualquier recurso del sistema de distribución que produzca electricidad y que no esté incluido de otro modo en la definición formal de la NERC del sistema eléctrico a granel".

En Norteamérica, el término sistema de distribución hace referencia a las líneas eléctricas de 34.5 kilovoltios (kV) o menos que suelen ir desde las subestaciones hasta los usuarios finales. El sistema eléctrico a gran escala (BPS) incluye las líneas que llegan a la subestación y que a menudo transportan más de 100 kV a través de largas distancias, conectando las instalaciones de generación de electricidad a gran escala con los recursos de interconexión y las subestaciones (Figura 1).

Figura 1: Los recursos energéticos renovables se encuentran en el sistema de distribución (azul); otros recursos energéticos renovables se encuentran en el sistema eléctrico global (verde). (Fuente de la imagen: NERC)

Los DER son cualquier recurso del sistema no a granel, incluidas unidades de generación como turbinas eólicas e instalaciones fotovoltaicas, unidades de almacenamiento de energía, la mayoría de los sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS), cargadores de baterías de VE -también llamados equipos de servicio de vehículos eléctricos (EVSE)- y microrredes. Los DER existen tanto detrás de los medidores como directamente en el sistema de distribución. Detrás del medidor, las fuentes de energía derivada incluyen matrices fotovoltaicas, BESS, vehículos eléctricos conectados a la red y fuentes de energía de reserva, como grandes instalaciones de generadores diésel en centros de datos y otros lugares. Una microrred es un tipo particular de DER.

Redes inteligentes, microrredes y electrificación

Una microrred es un DER, pero no todos los DER son microrredes. Desde la perspectiva del BPS, los términos microrred y DER se refieren a tipos de generación de energía o recursos de almacenamiento. El término red inteligente hace referencia a las tecnologías de comunicación y control utilizadas por la BPS para garantizar un funcionamiento resistente y eficiente. Otro factor diferenciador es que las microrredes incluyen recursos de generación y almacenamiento más cargas. Una red inteligente se compone principalmente de recursos de generación, con algo de almacenamiento pero sin cargas. La red inteligente puede comunicarse con las cargas, pero éstas están separadas de la red.

La electrificación afecta a las microrredes, la BPS y las redes inteligentes de diferentes maneras. En el BPS, la electrificación se añade a una red existente y, si no se gestiona adecuadamente, puede tener consecuencias operativas negativas no deseadas. Ahí es donde entra en juego la tecnología de red inteligente.

Las comunicaciones y el control bidireccionales son el principal elemento diferenciador de las redes inteligentes. Estos sistemas de control incluyen sensores para vigilar la estabilidad de la red y medidores avanzados para controlar la demanda de electricidad. También utilizan diversos dispositivos controlables de conmutación y calidad de la energía para gestionar los flujos eléctricos. Los sensores son fundamentales para permitir una mayor penetración de las fuentes de energía renovables (ER) y la electrificación en la BPS y garantizar la estabilidad de la red. Además, los sensores y elementos de control permiten responder con mayor rapidez y eficacia a las perturbaciones eléctricas y equilibrar y proteger la red, especialmente durante los periodos de máxima demanda y con una disponibilidad variable de las energías renovables. Las tecnologías de red inteligente también apoyan la coordinación e integración de las microrredes con el sistema de distribución y la BPS.

Por el contrario, una microrred está diseñada para dar cabida a tecnologías de electrificación como fuentes de energías renovables, BESS y VE. Las microrredes y las redes inteligentes requieren controles automatizados, incluido un sistema de gestión de recursos energéticos distribuidos (DERM).

Los DERM son imprescindibles

Los DERM y la automatización se definen y aplican de forma diferente en las redes inteligentes y en las microrredes. Las redes inteligentes incluyen diversas fuentes de generación y usuarios de electricidad repartidos por una amplia zona con un centro de control centralizado para la gestión de la red (Figura 2). La gestión de la red es el concepto clave para el control de la red inteligente en la BPS. Las BPS existentes se diseñaron y construyeron antes de que existiera la necesidad de apoyar la electrificación, y pueden experimentar un funcionamiento poco fiable a medida que la generación a base de combustibles fósiles despachable (controlable) se sustituye cada vez más por fuentes de ER impredecibles (y, por tanto, menos controlables). Además, la carga de un gran número de vehículos eléctricos será en su mayor parte no gestionable y no controlable directamente por la empresa eléctrica. El control centralizado y automatizado que permite la tecnología de redes inteligentes es necesario para compensar el hecho de que las fuentes de energías renovables utilizadas para la electrificación y la recarga de vehículos eléctricos no son tan predecibles como los elementos convencionales de las redes públicas.

Figura 2: Una red inteligente se basa en controladores automatizados y DERM para gestionar la red en tiempo real. (Fuente de la imagen: ETAP)

Los controladores de redes inteligentes y microrredes necesitan información de varios sensores para supervisar los recursos conectados en tiempo real. Con la llegada de los VE y las EVSE, los controladores también se utilizan para ayudar a gestionar las demandas de potencia de la carga, y pueden utilizar la comunicación de vehículo a red (V2G) para coordinar la conexión de los VE a la red o a una microrred para proporcionar capacidad incremental de almacenamiento de energía.

Además de supervisar el estado de los recursos conectados, los controladores de las microrredes conectadas a la red también deben supervisar el estado de la red pública local. La aparamenta es un componente esencial de las redes inteligentes y las microrredes, y debe responder en milisegundos para garantizar un funcionamiento sólido. El tamaño de los conmutadores varía desde unos pocos Kilovatios (kW) para las pequeñas microrredes hasta varios Megavatios (MW) para las grandes microrredes y la red pública. En las microrredes pequeñas, el cuadro eléctrico y el controlador pueden estar en el mismo armario, lo que reduce los costos y acelera la instalación. Las DERM de redes inteligentes y microrredes incluyen la medición inteligente de la producción y el consumo de energía, que es utilizada por análisis basados en la nube para maximizar los beneficios económicos de las DER y respaldar altos niveles de resiliencia. Las arquitecturas exactas de las DERM pueden variar según las distintas variedades de microrredes.

Variedades de microrredes

Las microrredes pueden clasificarse por sus aplicaciones y arquitectura. Las tres arquitecturas de microrredes son remota, en red y conectada a la red. Las microrredes remotas se encuentran en lugares como islas o explotaciones mineras y agrícolas remotas. También se denominan microrredes aisladas de la red y están separadas físicamente de cualquier red de suministro público. Deben ser completamente autosuficientes.

Las microrredes en red o anidadas son redes de varios DER o microrredes individuales conectadas a un sistema de distribución común. Suelen estar controladas por un sistema de supervisión centralizado que equilibra las necesidades del funcionamiento de la microrred con el apoyo a la red de suministro más amplia. El controlador suele asignar una jerarquía de importancia a las microrredes y los DER para garantizar la protección de los elementos más críticos. Entre las aplicaciones de las microrredes en red se incluyen las microrredes comunitarias, las ciudades inteligentes y la categoría emergente de microrredes de servicios públicos.

Las microrredes en red son una subcategoría de las microrredes conectadas a la red. Todas las microrredes conectadas a la red están conectadas físicamente a la red de distribución, y tienen un dispositivo de conmutación en el punto de acoplamiento común (PCC) donde se produce la conexión a la red de distribución. Durante el funcionamiento normal, una microrred conectada a la red está conectada a la red de distribución. Puede prestar servicios a la red, como regulación de frecuencia y tensión, apoyo a la potencia real y reactiva y respuesta a la demanda para mitigar las imitaciones de capacidad.

En funcionamiento en isla, la microrred no está conectada a la red de distribución eléctrica. El aislamiento puede producirse por una interrupción en la red de distribución o por otras necesidades, como el mantenimiento. Al pasar del funcionamiento en isla al conectado a la red, estas microrredes necesitan detectar la frecuencia de la distribución y sincronizar el funcionamiento antes de volver a conectarse.

Existen numerosas aplicaciones de las microrredes, como campus, hospitales y centros médicos, instalaciones comerciales, comunidades e instalaciones industriales. La categoría de aplicación más reciente son las microrredes de servicios públicos (Figura 3).

Figura 3: Las microrredes suelen clasificarse según su aplicación. (Fuente de la imagen: Siemens)

Desdibujando la línea

Se están desplegando microrredes de servicios públicos que desdibujan la línea entre redes inteligentes y microrredes. En el proceso, la definición de DER cambia de recurso energético distribuido a recurso energético dedicado. Las microrredes de servicios públicos están diseñadas para reducir los cortes de electricidad debidos a fenómenos meteorológicos extremos, incendios forestales y otros problemas imprevistos. Con las arquitecturas de red existentes, grandes secciones de la red se desenergizan por seguridad durante sucesos extremos.

Un impacto importante y desafortunado de esos cortes de electricidad imprevistos y extensos es desincentivar el uso de vehículos eléctricos. Las microrredes de los servicios públicos se consideran clave para la adopción generalizada del VE. Por ejemplo, Southern California Edison (SCE) ha propuesto el desarrollo de microrredes de corte de energía de seguridad pública para ayudar a mantener la disponibilidad de electricidad lo más ampliamente posible durante los incendios forestales. Otras empresas de servicios públicos se refieren a la nueva arquitectura de red como microrredes comunitarias (Figura 4).

Figura 4: Las microrredes de servicios públicos pueden incluir un amplio rango de activos repartidos por zonas geográficas relativamente extensas y difuminar la línea que separa las microrredes tradicionales de las redes inteligentes. (Fuente de la imagen: Edison International)

La capacidad de conexión en isla de las microrredes de los servicios públicos es clave para mejorar la disponibilidad de electricidad a un nivel más granular de lo que es posible en la actualidad. Se espera que se despliegue en un amplio rango de tamaños de microrredes, desde comunidades residenciales completas hasta lugares públicos, incluidos colegios y otros lugares estratégicos como parques de bomberos, centros médicos y centros de evacuación. Las instalaciones de EVSE son una parte crucial de los diseños de la mayoría de estas microrredes comunitarias. Según lo previsto, el EVSE apoyará la conexión a la red de los vehículos eléctricos como fuentes adicionales de energía de reserva, así como para la carga de vehículos eléctricos.

Conclusión:

La electrificación es necesaria para garantizar redes eléctricas más sostenibles y reducir las emisiones de CO₂. Muchas tecnologías de electrificación, como la energía fotovoltaica y los vehículos eléctricos, no son tan predecibles como los recursos tradicionales a los que sustituyen. Esto significa que la electrificación debe apoyarse en redes de sensores avanzados y sistemas de control automatizados en redes inteligentes y microrredes.