Sistemas de almacenamiento de energía en microrredes

2014/03/01 Etxeberria Urkia, Aitor - ESTIA-Recherche laborategia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Energia berriztagarriak
• Energia
• Ingeniaritza

Evolución de la red eléctrica

XIX. Desde que a finales del siglo XX (1882) se puso en marcha por primera vez en aplicaciones reales, la red eléctrica se ha expandido constantemente por todo el mundo y ha cambiado radicalmente nuestras costumbres. Hoy en día no podemos imaginar nuestro día a día sin energía eléctrica.

Pero también hay que tener en cuenta ver qué hay más allá del enchufe, cómo funciona y cómo evoluciona en los últimos años.

En sus inicios, la red eléctrica funcionaba con corriente continua. La tensión que se podía obtener era baja, por lo que no se podía transmitir esa energía a grandes distancias, ya que la intensidad de la corriente a utilizar generaba grandes pérdidas de energía en los cables de transmisión. En los primeros años de la red eléctrica, el funcionamiento de la red se basaba en generadores instalados cerca de los puntos de consumo. Generación y consumo de energía local. El equilibrio entre la oferta y la demanda de energía se realizaba mediante baterías conectadas directamente a la red.

Años después, en 1886, la aparición de la corriente alterna permitió la distribución de la electricidad a mayores distancias. Mediante los transformadores, la tensión comenzó a aumentar a valores altos (varios kV). De este modo, se consiguió reducir considerablemente la corriente necesaria para transmitir la misma potencia, haciendo viable la transmisión a grandes distancias. Al reducir la intensidad de corriente se consiguió una importante reducción de las pérdidas en los cables de transmisión respecto a las pérdidas en los sistemas de corriente continua. Los transformadores de los centros de consumo cumplían la función opuesta, es decir, reducían la tensión a valores bajos tanto de la iluminación como de las máquinas. Tras el avance en el despliegue de la red eléctrica, se inicia la centralización de la energía en las grandes instalaciones de generación y su posterior traslado a los usuarios a través de las líneas de transmisión y distribución. Fue el inicio de la configuración actual de la red eléctrica.

Desde entonces, la red eléctrica ha sido fundamental tanto en la industria como en la vida cotidiana. Sin embargo, con el paso de los años esta red eléctrica centralizada ha empezado a quedar obsoleta. El consumo eléctrico es cada vez mayor y en algunos puntos las líneas de transmisión y distribución están saturadas. Además, la crisis energética provocada por la limitación de los combustibles fósiles y la preocupación por el cambio climático ha llevado a varios países a introducir cambios en la generación de energía. En este contexto, la apuesta por las energías renovables ha aumentado considerablemente en todo el mundo. Por otro lado, la liberalización del mercado eléctrico ha propiciado que los usuarios no sólo consuman energía sino que la generan y la venden a la red.

Uso de fuentes de energía renovables y microrredes

Por todas estas razones, cada vez son más los generadores renovables que se conectan a la red eléctrica. Estos generadores, en comparación con las instalaciones centralizadas, son de pequeño tamaño y habitualmente se ubican cerca de los puntos de consumo. Por ello se denominan generadores de generación distribuida.

En cuanto al uso de estos sistemas de generación distribuida, podemos decir que se ha empezado a cambiar la perspectiva de funcionamiento de la red eléctrica desde un funcionamiento centralizado hacia un descentralizado.

En general, los generadores de generación distribuida presentan dos ventajas importantes: reducir el consumo de combustibles fósiles y, al estar próximos a los puntos de consumo, reducir las pérdidas en las líneas de transmisión y distribución. La cercanía de estos pequeños generadores a los puntos de consumo permite utilizar el calor que generan para otras aplicaciones, como el calentamiento de agua, lo que mejora la eficiencia total del sistema.

La mayoría de los generadores de generación distribuida están basados en recursos energéticos renovables como el sol, el viento, etc. Dado que estos recursos energéticos no son controlables y su grado de variabilidad es elevado, su uso puede poner en peligro el buen funcionamiento de la red eléctrica. Por lo tanto, es imprescindible integrar la energía eléctrica que generan de forma controlada en la red. La microrred es uno de los sistemas que se están estudiando para lograr este objetivo.

Tal y como su nombre indica, la microrred es una pequeña red eléctrica que incluye microsensores, sistemas de acumulación, controladores (sistemas de comunicación, convertidores de electrónica de potencia, etc.). y la formada por cargas. Una de sus características más importantes es su posibilidad de funcionamiento conectado o desconectado a la red eléctrica principal. Es decir, la microrred es capaz de funcionar de forma autónoma, por lo que si hay algún problema en la red eléctrica principal, es capaz de desconectarse de ella y seguir suministrando energía eléctrica a sus cargas.

La figura 1 muestra la estructura simplificada de una microrred.

Figura . Clasificación de las tecnologías de almacenamiento por energías y potencias específicas. Imagen: Commons wikimedia.org,

La microrred alimenta varias ramas y se conecta a la red principal en un único punto. Además de poder desconectarse de la red eléctrica, es capaz de desconectar las ramas que alimenta. De esta forma se podrían definir las prioridades de las cargas en función de su importancia. En caso necesario, se podría interrumpir la alimentación de algunas cargas para mantener asegurada la alimentación de cargas más importantes. Por ejemplo, en la figura 1 se puede interrumpir la alimentación de la rama C para asegurar la alimentación de las cargas de las ramas A y B.

A pesar de sus ventajas, existen varias preguntas pendientes para la implementación real de las microrredes, por lo que las microrredes son en la actualidad el tema central de los trabajos de investigación.

Necesidad de sistemas de almacenamiento de energía

Uno de los problemas de la microrred es que por definición es una red débil. En este sentido, es muy sensible a los cambios de potencia que puedan derivarse tanto de los generadores de energía como de las cargas, por lo que estos cambios pueden impedir la estabilidad de la microrred. Por ello, es imprescindible el uso de sistemas de almacenamiento de energía en una microrred. La principal función de los sistemas de almacenamiento es mantener un equilibrio energético y de potencia entre la oferta y la demanda, para asegurar el correcto funcionamiento de la red eléctrica.

A su vez, un sistema de acumulación contribuye a reducir los efectos negativos de la variabilidad de los generadores renovables mediante la integración controlada de la energía en la red. An ideal acumulation system that would clear this change potential and at the exit would be constant. Aunque no existe un sistema de acumulación ideal, puede aproximarse a este objetivo.

Para que una microrred acumule energía es imprescindible un sistema de acumulación de gran capacidad, gran potencia, rápida respuesta y larga supervivencia. En la figura 2 se clasifican algunas de las tecnologías de almacenamiento disponibles actualmente en función de su energía específica y su potencia específica. Estas dos características determinan las capacidades energéticas y de potencia por unidad de masa de un sistema de acumulación. Definen la capacidad energética en Wh del sistema de almacenamiento por kilogramo y la potencia en W.

Tal y como se puede observar en la Figura 2, en la actualidad no existe ningún sistema que ofrezca altas capacidades tanto energéticas como de potencia. Por ello, una posible alternativa sería el sobredimensionamiento de un sistema de alta capacidad energética (o de potencia) para conseguir una alta capacidad de potencia (o capacidad energética). Sin embargo, esto incrementaría demasiado el precio. Por lo tanto, para poder satisfacer las necesidades de una microrred es necesario utilizar diferentes tecnologías de almacenamiento de energía mediante la creación de un sistema de acumulación híbrido.

Este sistema de acumulación híbrido permitiría disponer de un sistema de almacenamiento de alta capacidad, alta potencia, rápida respuesta y larga supervivencia para almacenar energía. Sin embargo, aunque hay mucha tecnología, no existe un sistema híbrido capaz de dar los resultados más adecuados para todas las aplicaciones. Es necesario determinar la tecnología más adecuada para cada aplicación, teniendo en cuenta las ventajas e inconvenientes de cada una de ellas.

Una vez seleccionado el sistema y determinado su tamaño, es necesario seleccionar el sistema más adecuado del convertidor de potencia que permita controlar el flujo de potencia del sistema de acumulación y conectar el propio sistema a la micro. A continuación se diseñará el algoritmo de control adecuado que gestione su uso en función tanto de las condiciones de la red como del estado del sistema de acumulación. De este algoritmo dependerá la optimización del sistema de acumulación, así como la maximización de su supervivencia, que depende de su uso.

Ante la imposibilidad de comprender microrredes sin acumulación de energía, la integración y gestión de los sistemas de acumulación en la red es un tema a investigar para la puesta en marcha de aplicaciones reales de microrredes. Los sistemas de acumulación juegan un papel fundamental en las microrredes del futuro.

Referencias